斯皮爾伯格的《頭號(hào)玩家》熱映，劇中，男主能通過(guò)觸感手套、X1體感套裝真切地與虛擬世界互動(dòng)。電影之外，如何在虛擬現(xiàn)實(shí)中獲得觸感，如何更自然地交互是目前的研究者最關(guān)切的問(wèn)題。最近，微軟研究團(tuán)隊(duì)公開(kāi)了四個(gè)最新的虛擬現(xiàn)實(shí)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(chǎng)景中的物體，盡情感受虛擬世界的奇妙。

　　雖然VR和AR在過(guò)去30年里取得了巨大的進(jìn)步——已經(jīng)能夠?yàn)橛脩籼峁?mèng)幻般的視覺(jué)和3D音頻世界，但當(dāng)我們伸出手去觸摸那些虛擬物體時(shí)，幻想就會(huì)瞬時(shí)破滅，用戶觸摸到的只有空氣。

　　虛擬觸覺(jué)難以實(shí)現(xiàn)有很多原因。看過(guò)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(jué)卻很不同，它要更復(fù)雜。實(shí)現(xiàn)虛擬觸感的一部分挑戰(zhàn)來(lái)源于硬件。在實(shí)驗(yàn)室中，設(shè)計(jì)一個(gè)適合個(gè)人用戶穿戴的手持式設(shè)備往往很困難，目前許多原型設(shè)備僅僅能夠模擬特定的感覺(jué)，例如質(zhì)地、溫度或重量，這種設(shè)備往往缺乏吸引力。而更加復(fù)雜的機(jī)械技術(shù)則可能導(dǎo)致設(shè)備太昂貴，太大或太脆弱而無(wú)法出現(xiàn)在消費(fèi)市場(chǎng)。

　　微軟研究團(tuán)隊(duì)一直在探索如何利用現(xiàn)有技術(shù)在手持式 VR 控制器上模擬產(chǎn)生多種觸覺(jué)感受，使用戶能夠觸摸和抓住虛擬物體，感受指尖在物體表面的滑動(dòng)。他們的夢(mèng)想是讓用戶能與虛擬數(shù)字世界進(jìn)行更自然、更多元的交互。

　　CLAW

　　CLAW是微軟研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的第一款新型多功能觸覺(jué)控制器，通過(guò)使用單個(gè)電機(jī)，CLAW將VR控制器的概念擴(kuò)展至一款多功能觸覺(jué)反饋工具。CLAW有一個(gè)獨(dú)特的機(jī)械臂，當(dāng)用戶手握手柄、手指轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)(如下圖)，這個(gè)機(jī)械臂能夠模擬力反饋。

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

　　作為一個(gè)多功能控制器，CLAW包含普通VR控制器的所有功能(拇指按鈕和操縱桿、6DOF(Degree of Freedom)控制、食指觸發(fā)器)，以及為最常見(jiàn)的手部交互時(shí)啟用的各種觸覺(jué)渲染：抓取物體，觸摸虛擬表面，以及接收力反饋。

　　CLAW的獨(dú)特之處還在于它能夠通過(guò)感知用戶的抓握情況和虛擬情境環(huán)境之間的差異來(lái)調(diào)整觸覺(jué)渲染。當(dāng)用戶嘗試握住虛擬物體時(shí)(如下圖)，該裝置會(huì)在食指和拇指之間產(chǎn)生阻力，模擬出物體被握住的感覺(jué)。嵌在食指支架中的力傳感器通過(guò)改變電機(jī)的反饋?zhàn)層脩?“感受” 物體的不同材料。

　　如果用戶握住手柄并做出指向手勢(shì)(如下圖)，那么CLAW會(huì)提供觸摸感覺(jué)。手指尖朝向虛擬物體表面移動(dòng)時(shí)，CLAW會(huì)產(chǎn)生阻力，將手指推回并阻止手指穿透虛擬表面。此外，當(dāng)食指沿著虛擬表面滑動(dòng)時(shí)，安裝在食指尖端下方的音圈會(huì)產(chǎn)生小振動(dòng)來(lái)模仿物體的表面結(jié)構(gòu)觸感。

　　感知用戶施加的力量也可以幫助用戶與虛擬物體進(jìn)行交互。例如在虛擬繪畫程序中，程序可以通過(guò)感知用戶的手的力度來(lái)調(diào)整畫筆的力度。

　　Haptic Wheel

　　為了進(jìn)一步模擬食指對(duì)虛擬物體的材料和表面摩擦的觸覺(jué)體驗(yàn)，微軟還開(kāi)發(fā)了另一種新的觸覺(jué)控制器——Haptic Wheel。Haptic Wheel使用的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)輪通過(guò)上下移動(dòng)來(lái)模擬手指與虛擬物體表面的觸碰，并且通過(guò)旋轉(zhuǎn)來(lái)模擬用戶沿著虛擬表面滑動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的剪應(yīng)力(shear forces)和滑動(dòng)感。

　　當(dāng)用戶觸摸虛擬物體表面時(shí)，轉(zhuǎn)輪會(huì)上升并接觸到指尖，然后開(kāi)始旋轉(zhuǎn)來(lái)模擬指尖與虛擬物體表面的摩擦。

　　圖 2：(左)當(dāng)用戶將手指懸停在轉(zhuǎn)輪的藍(lán)色區(qū)域表面上方時(shí)，渲染引擎將合適的轉(zhuǎn)輪表面移到手指下方;(中)當(dāng)用戶在虛擬環(huán)境中接近黑色區(qū)域邊緣時(shí)，渲染引擎會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)輪以使跟黑色邊緣一樣的材質(zhì)接近手指;(右)在手指懸停在較小的黑色表面上時(shí)，渲染引擎會(huì)調(diào)整轉(zhuǎn)輪的增益，以便正確模擬出手指接觸兩個(gè)邊緣的感覺(jué)。

　　該設(shè)備的轉(zhuǎn)輪是可替換的，可以包含各種物理觸覺(jué)元素，以便在用戶探索虛擬環(huán)境時(shí)為用戶提供不同的感受。當(dāng)用戶探索虛擬環(huán)境時(shí)，渲染引擎會(huì)根據(jù)環(huán)境為手指?jìng)鬟f適當(dāng)?shù)挠|覺(jué)感受。例如，在虛擬紙牌游戲中，當(dāng)用戶觸摸卡片、撲克籌碼或桌子時(shí)，該裝置就會(huì)旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)輪以在指尖下面呈現(xiàn)適當(dāng)?shù)募y理感受。當(dāng)用戶沿著表面滑動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)輪會(huì)在手指下面旋轉(zhuǎn)以產(chǎn)生剪應(yīng)力和滑動(dòng)感。

　　圖 3：在不同虛擬環(huán)境中，Haptic Wheel 定制的包含不同觸覺(jué)感受的轉(zhuǎn)輪

　　Haptic Links

　　在觸覺(jué)探索中，另一個(gè)難以解決的問(wèn)題是如何模擬在VR或AR應(yīng)用程序中使用雙手的情況。比如說(shuō)雙手拿著一個(gè)盒子感覺(jué)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(huán)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(gè)手持式VR控制器之間提供不同的剛度感受。Haptic Links可以動(dòng)態(tài)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，使控制器表現(xiàn)得就像一個(gè)雙手使用的工具。它們可以約束控制器之間的特定自由度或運(yùn)動(dòng)方向，也可以設(shè)置在一定范圍內(nèi)的剛度，以模擬不同的摩擦、粘度或張力。通過(guò)這些方式，Haptic Links使VR場(chǎng)景中的交互更加真實(shí)，給人以身臨其境之感。

　　微軟做了三個(gè)Haptic Links的原型設(shè)備。每種設(shè)計(jì)都各有折衷和優(yōu)勢(shì)，使其最適合某種特定應(yīng)用。Chain原型設(shè)備(圖5中)采用由球窩元件組成的高度鉸接式鏈條。一根強(qiáng)力電纜穿過(guò)整個(gè)鏈條并連接到每端的推桿電機(jī)(linear actuators)上。通過(guò)推桿電機(jī)的運(yùn)動(dòng)來(lái)控制鏈條的松緊，進(jìn)一步控制用戶的操作空間。

　　圖5：Haptic Links 的3個(gè)不同原型設(shè)備

　　Layer-Hinge(圖5左)使用球形接頭來(lái)調(diào)節(jié)控制器的旋轉(zhuǎn)，使用鉸鏈來(lái)控制它們之間的距離。它的優(yōu)點(diǎn)是能選擇性鎖定控制器運(yùn)動(dòng)時(shí)的自由度。此外，它可以相對(duì)精確地控制每個(gè)關(guān)節(jié)的摩擦力，使得該裝置在鉸鏈和球窩關(guān)節(jié)中模擬出連續(xù)的一定范圍內(nèi)的剛度值。

　　Ratchet-Hinge(圖5右)在控制器底部使用類似的球形接頭，但用雙棘輪結(jié)構(gòu)取代了鉸鏈，能夠獨(dú)立制動(dòng)向內(nèi)或向外的運(yùn)動(dòng)。當(dāng)兩個(gè)棘輪嚙合時(shí)，齒輪是固定的;兩個(gè)棘輪都脫開(kāi)時(shí)，齒輪可以自由旋轉(zhuǎn)。當(dāng)一個(gè)棘輪脫開(kāi)時(shí)，齒輪可以在一個(gè)方向上自由移動(dòng)，但不能沿相反方向移動(dòng)。定向選擇性功能可以實(shí)現(xiàn)獨(dú)特的力反饋交互。

　　Haptic Links 可以改善虛擬環(huán)境中需要雙手操作的物體的感知真實(shí)性，而不會(huì)過(guò)于影響兩個(gè)控制器的正常交互。

　　　Canetroller

　　“傳統(tǒng)”的虛擬現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)本質(zhì)上是強(qiáng)烈視覺(jué)化的，因此視覺(jué)受損者通常無(wú)法使用。微軟研究院開(kāi)發(fā)的Canetroller原型設(shè)備，則希望讓視力受損人士在虛擬環(huán)境中也能夠使用手杖進(jìn)行導(dǎo)盲。

　　Canetroller提供三種類型的反饋：(1)由可穿戴式、可編程制動(dòng)器產(chǎn)生物理阻力——模擬虛擬手杖碰到虛擬物體;(2)振動(dòng)觸覺(jué)反饋——模擬手杖撞擊物體或者劃過(guò)各種表面時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng); (3)3D 聽(tīng)覺(jué)反饋——模擬真實(shí)世界手杖發(fā)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(jìn)行模擬導(dǎo)盲訓(xùn)練，減少他們?cè)谌粘－h(huán)境中的危險(xiǎn)。微軟希望這項(xiàng)工作能夠激勵(lì)研究人員和設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)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(tuán)隊(duì)在虛擬觸覺(jué)方面的這些創(chuàng)新，一方面希望可以激發(fā)其它研究者的想象，另一方面也希望能為視障等特殊人群帶來(lái)新的應(yīng)用和希望，幫助他們改善生活質(zhì)量。此外，研究人員還希望這些創(chuàng)新能夠鼓勵(lì)更多的消費(fèi)產(chǎn)品使用觸覺(jué)渲染技術(shù)。相信觸覺(jué)產(chǎn)品很快就會(huì)讓VR和AR產(chǎn)品更加逼真和身臨其境。