如何让VR手柄模拟尺子?KAIST科研人员办到了

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就像《头号玩家》里描绘的那样,体感反馈也是VR营造沉浸感不可或缺的一部分。为了模拟逼真的VR体感反馈,科研人员想出了各种方式,不管是通过机械阻力模拟力反馈,还是用绞盘、力反馈模块模拟触觉和压力,或者是用喷气式推进器模拟阻力和重力等等。

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与视觉画面匹配的体感反馈、实物道具对于提升VR内容沉浸感起到关键性作用,它们可以欺骗和改变VR使用者的感官,科学家们已经通过渲染惯性、转动惯性、重心、减幅震荡等物理特性,研发出模拟重量、形状、动作等特性的体感反馈方案,但目前的手柄技术还无法模拟尺子等日常生活中的弹性物体,模拟物体弹性运动需要模拟出重心的变化,以及物体恢复原始形态时产生的延迟反应和震动。

近期,一组科研人员于是研发了一种可以模拟虚拟物体硬度和柔韧性反馈的手柄:ElaStick,其特点是可模拟不同大小、厚度、材质的物体在挥动和摇晃时产生的形状和弹力变化,通过逐步调整手柄在xy轴两个独立方向的硬度,来模拟匕首、长剑、加热或冷却的军刀等物体。在模拟体感反馈的同时,手柄上的两个Vive Tracker可追踪手柄的变化,并实时预测和渲染VR物体的形状(假设目标物体的中线长度恒定,当手柄顶端Tracker移动时,两端之间形成一个理想的圆弧)。除此之外,它还可以实时调整弹性变化,还原真实物体移动(摇晃、挥动等)的规律。

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具体来讲,ElaStick手柄方案由Vive Tracker、握柄、橡胶关节和橡皮筋线轴等装置组成。其中,橡胶关节受4组橡皮筋控制,可在XY轴自由弯曲和移动,而移动的速度和距离受到橡皮筋控制。每一组橡皮筋装置包含弹性部分与非弹性部分,由机械线轴来控制整体弹性变化。

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而其原理是,利用四个橡皮筋和无弹性线组成的可调整弹性装置,来控制中心弹性模块移动特征。采用四个灵活的弹性关节,配备滚动轴承元件,可以在xy轴上下左右移动和旋转。手柄上可通过机械卷轴来实时调整橡皮筋和非弹性鱼线的长度,以此来控制关节的灵活程度。同时,关节还会识别手柄在xy轴的位置变化,并匹配合适的反馈力度。

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它不能模拟物体重量不断变化的VR场景,不过可以模拟不同硬度的剑或是各种弹性物体。可模拟的硬度范围在10.8到71.5Nmm/°之间。

在8人组成的实验中,科研人员用ElaStick方案在VR中模拟了三种不同长度、三种不同形状的物体,比如:击剑运动的剑、打蛋器、健身握力棒等等。与此同时,也展示了ElaStick可模拟的VR场景:体育运动、烹饪、健身、游戏等。结果显示,ElaStick可逼真模拟30°范围内移动的物体,不过在45°极限时,体验者并未觉得失真。

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为了验证ElaStick模拟的弹性阻尼感是否自然逼真,科研人员进行了两场实验。在第一场实验中,每位参与者需要体验180次模拟,目的是为了测试ElaStick的体感是否失真。结果发现,参与者认为体感阻力比视觉参考看起来更大的概率约为84%,与此同时ElaStick实际可模拟8种不同程度的硬度。

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第二场实验目的是测试ElaStick的体验感,参与者分别体验两组模拟:仅视觉、视觉加体感,并对两组模拟进行打分。结果发现,视觉加体感反馈的模拟体验在沉浸感、逼真度、乐趣三个方面得分都更高。参与者表示:加入体感反馈后更逼真自然,如果只有视觉模拟则感觉很假很怪,而且枯燥。同时,在模拟不同长度的物体时,参与者可以感受到物体的不对称性。

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不过,也有参与者表示,由于手柄自身重量较大,也会破坏逼真感,尤其是在虚拟物体的形状和视觉重量与手柄不匹配时,体验感比较失真。在模拟钓鱼、搅拌液体、游戏、声波震动效果等场景中,ElaStick体验感较好。

未来,科研人员将继续优化ElaStick手柄,包括采用体积更小的马达或关节装置来降低ElaStick的重量,此外也可以利用ElaStick的重量来模拟更强的力反馈。

当然,考虑到ElaStick复杂的构造,以及重量,这也是体感反馈手柄难以普及的原因之一。此前,微软曾展示力反馈模块TORC、阻力模拟绞盘CapstanCrunch,还有可以模拟摘苹果的PIVOT电动手柄,这些都是在VR与体感反馈结合的不同尝试,而目前市面上并没有一个可以通用于所有场景的体感手柄,普通消费者只能先观望观望。参考:KAIST

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