像《頭號玩家》一樣觸摸世界？微軟新推4項VR技術

來源：微軟研究院AI頭條

最近，你的朋友圈是不是被科幻電影《頭號玩家》刷屏啦？如果有一天，你也進入了那個虛擬的遊戲宇宙中，你又想和虛擬物體怎麼互動呢？為用戶提供身臨其境的觸覺體驗一直是虛擬現實領域最具挑戰性的問題之一，也是各個研究團隊研究的重點。

最近，微軟研究團隊公開了四個最新的虛擬現實研究成果：CLAW、Haptic Wheel、Haptic Links、Canetroller，它們能夠更好地幫助用戶 “觸摸” 到虛擬場景中的物體，盡情感受虛擬世界的奇妙。

雖然 VR 和 AR 在過去 30 年裏取得了巨大的進步——已經能夠為用戶提供夢幻般的視覺和 3D 音頻世界，但當我們伸出手去觸摸那些虛擬物體時，幻想就會瞬時破滅，用戶觸摸到的隻有空氣。

虛擬觸覺難以實現有很多原因。看過電影的人都明白，眼睛和耳朵可以被每秒 24 幀的電影欺騙，但是觸覺卻很不同，它要更複雜。實現虛擬觸感的一部分挑戰來源於硬件。在實驗室中，設計一個適合個人用戶穿戴的手持式設備往往很困難，目前許多原型設備僅僅能夠模擬特定的感覺，例如質地、溫度或重量，這種設備往往缺乏吸引力。而更加複雜的機械技術則可能導致設備太昂貴，太大或太脆弱而無法出現在消費市場。

微軟研究團隊一直在探索如何利用現有技術在手持式 VR 控製器上模擬產生多種觸覺感受，使用戶能夠觸摸和抓住虛擬物體，感受指尖在物體表麵的滑動。他們的夢想是讓用戶能與虛擬數字世界進行更自然、更多元的交互。

CLAW

CLAW 是微軟研究團隊開發的第一款新型多功能觸覺控製器，通過使用單個電機，CLAW 將 VR 控製器的概念擴展至一款多功能觸覺反饋工具。CLAW 有一個獨特的機械臂，當用戶手握手柄、手指轉動時（如下圖），這個機械臂能夠模擬力反饋。

圖 1：（左）CLAW 的配置和組件；（右）CLAW 模擬用戶抓取物體並觸摸虛擬物體表麵

作為一個多功能控製器，CLAW 包含普通 VR 控製器的所有功能（拇指按鈕和操縱杆、6DOF（Degree of Freedom）控製、食指觸發器），以及為最常見的手部交互時啟用的各種觸覺渲染：抓取物體，觸摸虛擬表麵，以及接收力反饋。

CLAW 的獨特之處還在於它能夠通過感知用戶的抓握情況和虛擬情境環境之間的差異來調整觸覺渲染。當用戶嚐試握住虛擬物體時（如下圖），該裝置會在食指和拇指之間產生阻力，模擬出物體被握住的感覺。嵌在食指支架中的力傳感器通過改變電機的反饋讓用戶 “感受” 物體的不同材料。

如果用戶握住手柄並做出指向手勢（如下圖），那麼 CLAW 會提供觸摸感覺。手指尖朝向虛擬物體表麵移動時，CLAW 會產生阻力，將手指推回並阻止手指穿透虛擬表麵。此外，當食指沿著虛擬表麵滑動時，安裝在食指尖端下方的音圈會產生小振動來模仿物體的表麵結構觸感。

感知用戶施加的力量也可以幫助用戶與虛擬物體進行交互。例如在虛擬繪畫程序中，程序可以通過感知用戶的手的力度來調整畫筆的力度。

Haptic Wheel

為了進一步模擬食指對虛擬物體的材料和表麵摩擦的觸覺體驗，微軟還開發了另一種新的觸覺控製器——Haptic Wheel。Haptic Wheel 使用的驅動轉輪通過上下移動來模擬手指與虛擬物體表麵的觸碰，並且通過旋轉來模擬用戶沿著虛擬表麵滑動時產生的剪應力（shear forces）和滑動感。

當用戶觸摸虛擬物體表麵時，轉輪會上升並接觸到指尖，然後開始旋轉來模擬指尖與虛擬物體表麵的摩擦。

圖 2：(左）當用戶將手指懸停在轉輪的藍色區域表麵上方時，渲染引擎將合適的轉輪表麵移到手指下方；（中）當用戶在虛擬環境中接近黑色區域邊緣時，渲染引擎會轉動轉輪以使跟黑色邊緣一樣的材質接近手指；（右）在手指懸停在較小的黑色表麵上時，渲染引擎會調整轉輪的增益，以便正確模擬出手指接觸兩個邊緣的感覺。

該設備的轉輪是可替換的，可以包含各種物理觸覺元素，以便在用戶探索虛擬環境時為用戶提供不同的感受。當用戶探索虛擬環境時，渲染引擎會根據環境為手指傳遞適當的觸覺感受。例如，在虛擬紙牌遊戲中，當用戶觸摸卡片、撲克籌碼或桌子時，該裝置就會旋轉轉輪以在指尖下麵呈現適當的紋理感受。當用戶沿著表麵滑動時，轉輪會在手指下麵旋轉以產生剪應力和滑動感。

圖 3：在不同虛擬環境中，Haptic Wheel 定製的包含不同觸覺感受的轉輪

Haptic Links

在觸覺探索中，另一個難以解決的問題是如何模擬在 VR 或 AR 應用程序中使用雙手的情況。 比如說雙手拿著一個盒子感覺它的大小，或者使用雙手在弓箭上感受到那種拉力。

圖 4：模擬用戶在虛擬環境中雙手使用的工具

Haptic Links 由幾種類型的連接器組成，這些連接器能夠在兩個手持式 VR 控製器之間提供不同的剛度感受。Haptic Links 可以動態地改變用戶雙手之間感受到的力量，以支持渲染各種雙手使用的物體以及與人之間的交互，使控製器表現得就像一個雙手使用的工具。它們可以約束控製器之間的特定自由度或運動方向，也可以設置在一定範圍內的剛度，以模擬不同的摩擦、粘度或張力。通過這些方式，Haptic Links 使 VR 場景中的交互更加真實，給人以身臨其境之感。

微軟做了三個 Haptic Links 的原型設備。每種設計都各有折衷和優勢，使其最適合某種特定應用。

Chain 原型設備（圖 5 中）采用由球窩元件組成的高度鉸接式鏈條。一根強力電纜穿過整個鏈條並連接到每端的推杆電機（linear actuators）上。通過推杆電機的運動來控製鏈條的鬆緊，進一步控製用戶的操作空間。

圖 5：Haptic Links 的 3 個不同原型設備

Layer-Hinge（圖 5 左）使用球形接頭來調節控製器的旋轉，使用鉸鏈來控製它們之間的距離。它的優點是能選擇性鎖定控製器運動時的自由度。此外，它可以相對精確地控製每個關節的摩擦力，使得該裝置在鉸鏈和球窩關節中模擬出連續的一定範圍內的剛度值。

Ratchet-Hinge（圖 5 右）在控製器底部使用類似的球形接頭，但用雙棘輪結構取代了鉸鏈，能夠獨立製動向內或向外的運動。當兩個棘輪齧合時，齒輪是固定的；兩個棘輪都脫開時，齒輪可以自由旋轉。當一個棘輪脫開時，齒輪可以在一個方向上自由移動，但不能沿相反方向移動。定向選擇性功能可以實現獨特的力反饋交互。

Haptic Links 可以改善虛擬環境中需要雙手操作的物體的感知真實性，而不會過於影響兩個控製器的正常交互。

Canetroller

“傳統” 的虛擬現實體驗本質上是強烈視覺化的，因此視覺受損者通常無法使用。微軟研究院開發的 Canetroller 原型設備，則希望讓視力受損人士在虛擬環境中也能夠使用手杖進行導盲。

Canetroller 提供三種類型的反饋：（1）由可穿戴式、可編程製動器產生物理阻力——模擬虛擬手杖碰到虛擬物體；（2）振動觸覺反饋——模擬手杖撞擊物體或者劃過各種表麵時產生的振動; （3）3D 聽覺反饋——模擬真實世界手杖發出的聲音。

圖 6：一位盲人正在使用 Canetroller

Canetroller 可以讓低視力者和盲人在不同的虛擬空間中進行模擬導盲訓練，減少他們在日常環境中的危險。微軟希望這項工作能夠激勵研究人員和設計人員設計更有效的工具，使 VR 更具包容性，考慮到世界各地各種不同的群體。

微軟研究團隊在虛擬觸覺方麵的這些創新，一方麵希望可以激發其它研究者的想象，另一方麵也希望能為視障等特殊人群帶來新的應用和希望，幫助他們改善生活質量。此外，研究人員還希望這些創新能夠鼓勵更多的消費產品使用觸覺渲染技術。相信觸覺產品很快就會讓 VR 和 AR 產品更加逼真和身臨其境。