微软VR手柄研究:如何用两个独立的体感手柄模拟跳绳?

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近年来,微软研究院不断在探索多样化的VR手柄设计,比如:通过骨头形状的电动手柄来模拟抓取和放下物体的触感,或是利用绞盘来模拟弹力球等物体的表面弹力/阻力,或是通过硬质触感控制起来模拟方块等物体的触觉等等。

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而近期,微软与韩国科学技术院KAIST合作,研发了一种利用两个独立的手柄来模拟跳绳等连续物体的方案:GamesBond。与此前的手柄研究相比,GamesBond更适合集成于VR手柄中,而且可用于健身、培训模拟等实际场景。

据青亭网了解,GamesBond特点是可通过手柄的变形,来模拟双手握住跳绳等同一个连贯物体时,物体变形带来的体感反馈。目前,相关论文已经被全球人机交互会议ACM CHI收录,并获得荣誉提名奖。

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科研人员表示:通常,人们习惯于应用VR手柄代表左右手,分别于不同的物体交互,如果用两个手柄来抓住一根虚拟绳子的两端,实际上你只能通过视觉看到绳子中间的形状变化,无法感受到相关的体感。这是因为,目前还无法通过两个独立的体感手柄,来模拟用双手控制同一个物体的感受,除非是一些双手柄机关枪道具,或是固定在原地的体感装置。

VR游戏、VR模拟等体验通常通过双手柄来控制和交互。而未来模拟用双手改变物体形状的体感反馈,一些科研人员采用机械联动装置来调整虚拟物体的硬度,但由于机械装置的延迟,它难以模拟动态的硬度变化,而且左右手之间的距离也受到限制。

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为了解决上述问题,科研人员研发了GamesBond方案,该方案采用两个独立的4DoF手柄,手柄分别由上下两部分和底部固定的Vive Tracker组成,采用的元件包括拉伸马达、旋转马达、肌腱、弯曲马达等等。软件方面,GamesBond利用Unity3D来计算虚拟物体的实时变化,刷新率可达200Hz。

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这两个手柄可以模拟手中握住物体的动态变化,通过双手的体感来模拟一个连贯物体的变形。换句话说,就是模拟当你双手抓跳绳时,两个手柄的变形,希望通过这种体感来间接模拟跳绳的动态体感(即,用两个独立的手柄模拟同一个连贯物体)。而这种原理的依据,则是基于Yves Guiard提出的双手劳动的不对称分裂之参考原理,与动觉反馈有关。

据悉,GamesBond采用多个马达,且支持多种动态变化,比如:可伸长9毫米,或是缩短2.5毫米,还可以顺时针和逆时针分辨转动70°。此外,也可以通过模拟肌腱和马达在0到30°之间弯曲(不限方向)。GamesBond在弯曲的时候利用了连接上下两部分的三个肌腱,当肌腱在拉伸时会产生反弹的作用。

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利用弯曲、旋转和拉伸三种变化,GamesBond可模拟物体的三种不同特征:僵硬、动态变化和柔软。可模拟的物体包括跳绳、木棒、渔网、鱼线轮等两头连在一起的物体,也可以模拟两个独立的电钻、双手柄电钻、钻孔机的左右握柄等等,适用于健身、培训模拟等场景。

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为了验证实验结果,科研人员将GamesBond在12人中进行测试,目标是GamesBond模拟僵硬、柔软、动态三种性质的效果,以及有效的反馈形式(视觉或视觉加体感)。

这12个人中有4名女性,8名男性,年龄在22到39之间,其中有8名曾使用过体感设备,9名熟悉VR,还有7名对VR和体感设备均了解。

在实验中,他们自由体验了硬木棒、柔软的关节和动态变化的跳绳,还体验了有体感和无体感两种情况。实验结束后的调查结果显示,加入体感反馈的体验感,比仅有视觉模拟的体验更逼真。体验者表示:仿佛就现在真的跳绳一样,比任天堂Wii效果更好。而相比之下,仅有视觉模拟的交互让他们觉得比较枯燥。

此外,体验者还表示能够清晰区别不同体感反馈所代表的物体,并且建议将这种VR体感手柄用来模拟跳绳、握力棒等健身器械,或是模拟骑车方向盘等等。

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为了展示这些应用,科研人员也设置了3中模拟应用场景,包括:跳绳、动态重力模拟、多种握柄形态等等。

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在跳绳场景中,GamesBond不仅可以模拟单人跳绳,还可以模拟两个人分别摇大绳的多人场景。而利用Obi Rope物理引擎,延长了GamesBond可模拟的绳子长度。此外,通过软件和参数设置,还可以调整绳子的重量和粗细。在实际体验中,体验者每分钟可以跳60下。

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在模拟折断木棒的场景中,GamesBond可在不到300毫秒内,从坚硬的木棒体感切换到断裂的木棒状态(即两个手柄回归原样)。除此之外,还可以模拟渔网两端的木棒,木棒受到渔网中来回移动的鱼影响,也会产生动态变化的重力体感。

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GamesBond还可以模拟两个独立的打孔机,或是在不到一秒内切换成手提钻,也可以同时模拟旋转线轴来控制鱼竿弯曲的变化。参考:微软

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