为了让步行在VR中更逼真,脚部VR力回馈方案诞生

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为了缓解VR视觉变化与实际运动不匹配让使用者产生眩晕等不适(视觉辐辏调节冲突),科研人员和VR外设厂商一直在探索多种解决方案。比如,万向跑步机、滑轮鞋、圆形底盘等等。

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与万向跑步机相比,滑轮鞋或圆形底盘适合坐着玩VR,你通过原地踏步或原地移动脚面就能控制VR运动,适合休闲类VR应用。但是,这些足部控制器主要功能只是模拟行走的动作,无法给你带来走在地上的逼真体感,你可能感受不到阻力或是踩在地上的弹力。

因此为了解决这一问题,由丰桥技术科学大学和东京大学科研人员组成的团队想出了另一种模拟真实行走的VR方案,他们结合足部震动反馈来模拟踩在地面上行走的反作用力/摩擦力,这样当你坐着玩VR的时候,也能体验到接近走路的体感。

通过足部震动来模拟VR行走

科研人员表示:通常,模拟在VR中移动有两种主要方式:瞬移和平滑运动,其中平滑运动是直接在VR环境中移动你的视角,而瞬移指的是你用手柄指定位置,然后瞬间跳到那里。总之,当你在VR中移动时,自己的身体不需要跟着移动,但这有时候会让人脑产生一种不匹配感,又被称作“视觉辐辏调节冲突”,进而容易引起眩晕、呕吐等症状。

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为了解决在VR中视觉移动和使用者身体静止不匹配的问题,市面上推出了像Cybershoes、Virtuix万向跑步机等VR外设,通过提供足部的运动反馈,来模拟在地上移动的体感效果。此外,The Void等线下VR体验店则是通过大空间场景,为VR玩家提供更多移动自由,将真实场景与VR内容融合,增强VR中移动的逼真感,同时也让你的实际动作与VR中匹配。

此外,行走是人们日常生活中的基础运动之一,与站立相比,行走时的体感包括视觉场景变化、脚底踩在地面上的反馈,以及四肢移动的体感。因此,理论上讲通过刺激和模拟这些体感和视觉效果,也能模拟逼真的行走体验。

通过在大视场角范围模拟背景的视觉变化,VR可模拟使用者自我运动的感觉,原理是基于视觉诱导的自我运动知觉或相对运动错觉。在视觉模拟基础上,如果加入视角抖动(走路时晃头的视觉反馈),或是声音、触觉等非视觉形式的信息或刺激,效果会进一步放大。

实验结果

据了解,科研人员将40实验参与者分成三组,其中A组在VR中以全身虚拟形象代表自己,B组用手和脚代表自己,而C组完全没有虚拟形象。这三组参与者在使用VR时,都坐在椅子上,并配备由铝合金框架、震动传感器、亚克力板、弹簧和木板组成的足部体感反馈装置。此外,还使用了降噪耳机来增强沉浸感。

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此外,每组人参与两场实验,第一场实验中参与者以第一人称在VR中移动,而在第二场实验中,参与者以第三人称控制虚拟人行走。

细节方面,实验中使用的足部装置可为前脚掌和后脚跟分别提供震动反馈(每次持续300毫秒),来模拟行走时接触地面的体感。与此同时,振动马达将与VR视觉流同步,也就是在VR中接触地面瞬间渲染实时的震动反馈。

而方案中的弹簧,则是用于将震动限制在脚底板位置,同时降噪耳机避免体验者听到震动声。理论上讲,你可以更沉浸在VR中,脚底感受到震动,但不会听到震动马达的声音而破坏沉浸感。

在实验过程中,参与者跟随VR中的虚拟人一起移动,每向前走一步,脚下都能感受到细微的震动感,模拟行走在柏油马路的感觉。不过,体验者表示在VR中行走过程中还是能听到一部分震动声。

在每场实验结束后,参与者需要描述以下四种情景:1)感觉到全身都在向前移动;2)感觉自己在向前行走(走路体感);3)感觉脚踩在地上(足部体感);4)感觉自己身处虚拟场景(临场感)。

参与者表示:第一人称视角加上足部震动反馈效果最好,尤其是可以看到自己的虚拟手和脚,以及镜子中的倒影和地上移动的影子,提升了走路模拟的体验感,增强了临场感。相比之下,可以看到全身虚拟形象的体验感不如只有手和脚的方案,而第二场实验则降低了自主运动的体感和临场感,因为参与者看不到自己的虚拟倒影,而且第三人称角度更像是在旁观,效果与无虚拟形象的实验显示。

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此外还发现,第三人称体验中如果没有镜子元素,沉浸感会比第一人称+镜子效果更好,也就是说镜子实际上有点破坏行走的沉浸感。

在结合视觉模拟、足底震动模拟和虚拟形象的实验中,科研人员发现发现第一人称视角的全身虚拟形象增强了步行的感觉,腿部动作和远程呈现。尽管从第一人称视角来看,只有手脚的虚拟形象比没有虚拟形象的情况更能增强步行感觉和远程呈现,但其效果不如全身虚拟形象更好。但是,从第三人称视角看的全身形象并没有增强沉浸感的效果。不论虚拟形象如何,同步或有节奏的脚部振动都会增强自我运动,苏醒,腿部动作和临场感的感觉。只显示手和脚的方案可以增强虚拟步行感觉,因为它易于实现,计算能力低并且减少了用户的实际身体的外观和虚拟形象之间的差异冲突。

总之,这场实验的结果说明通过有效的体感反馈和视觉设计,在坐着的VR体验中也能模拟站立行走的感觉。而这个发现,未来也有望用于培训、教育、物理治疗、游戏等多种场景,比如帮助坐在轮椅上的人感受走路的体验。

丰桥技术科学大学助理教授Yusuke Matsuda表示:未来,该方案体感设备将有望进一步缩小体积,而且配置相对简单、低成本(目前可控制在300到500美元之间)、小巧。参考:frontier

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