都各有什麼優缺點，一覽微軟研究的四款VR運動控制器原型

映維網希望再次與大家分享微軟的最新研究，並期待這可以鼓勵和激發社區帶來更多的創新和發展

（映維網 2018年03月14日）微軟研究院雷德蒙德實驗室的首席研究院麥克·辛克萊爾（Mike Sinclair）表示：「問問自己，你希望以一種什麼樣的方式來與虛擬對象交互呢？答案很簡單，就是我們都希望能像真實對象那樣處理它們，你可以伸出手去抓住它們，然後撿起來感受它們的組成，而且這全部都是以一種無需學習的自然方法來實現。」

辛克萊爾是微軟的其中一名研究人員，他每天都在努力，希望能夠在或許是VR其中一個最具挑戰性的研發領域取得突破，為VR用戶帶來真正身臨其境和逼真的觸覺體驗。

儘管VR和AR在過去30年間已經取得了極大的進步，頭顯設備能夠為我們呈現神奇的視覺世界和3D視頻，但當我們試圖用雙手觸碰任何虛擬對象的時候，幻覺就會打破，因為雙手觸碰到的實際上只有空氣。

與消費者設備的視覺和音頻渲染能力相比，今天的觸覺反饋體驗只局限於隆隆感覺，亦即通過內置馬達或致動器生成的震動。研究人員正繼續努力實現不同觸覺震動的逼真渲染，而消費者正在期盼這種體驗能夠早日成為現實。

觸覺反饋成為如此一個挑戰的原因有很多。看過電影的你都知道我們可以欺騙眼睛和耳朵。但觸覺完全不同，其代表了一種複雜程度多數倍的挑戰。其中一部分挑戰來自於硬體領域。諸如外骨骼和其他手部穿戴設備等實驗室原型一般都十分笨重。大部分當前的原型設備僅模擬特定的觸覺，如紋理，熱度，或重量，而這樣的覆蓋程度或許不足以吸引用戶。能夠實現足夠多樣性的複雜機制卻過於昂貴，過於大型，或過於脆弱，難以成為可行的消費者產品。

微軟研究院院對一直在探索的可以能夠產生多種觸覺反饋，並且可以適用於手持式VR控制器的方式，從而令用戶能夠觸摸和抓住虛擬對象，感受到指尖沿虛擬表面的滑動…他們的願望是：今天的用戶能夠以一種更自然，而且比以往任何事都都更多樣地與虛擬數字世界進行交互。

今天微軟研究院回顧了他們在過往研發的四款新型觸覺反饋原型。映維網希望再次與大家分享微軟的最新研究，並期待這可以鼓勵和激發社區帶來更多的創新和發展。

1. CLAW

團隊研發的第一款新型觸覺反饋控制器是CLAW。通過使用單個電機，CLAW將VR控制器的概念擴展至一款多功能觸覺反饋工具。CLAW跟標準的VR控制器有點相像，但在仔細觀察後你會發現一個用以模仿力反饋的獨特機械臂。這個原型最初是在斯坦福大學實習生Inrak Choy的幫助下研發而成。

CLAW可以充當多功能控制器，其包含VR控制器的常見設置（如拇指鍵，搖桿和扳機鍵等等），以及用於大部分常見手部交互的一系列觸覺渲染：抓取對象，觸碰虛擬表面和接收力反饋。

但CLAW的獨特之處在於，它能夠通過感知用戶抓握的差異和虛擬場景的情境來調整觸覺渲染。當用拇指抵住食指指尖時，設備將模擬抓取操作：圍繞虛擬對象閉合手指將產生阻力，生成一種對象位於食指和拇指之間的感覺。嵌在食指支架中的力反饋感測器可以改變電機的響應曲線，從而可以檢測不同材料的對象（從完全剛性的木塊到彈性海綿）。如果不形成抓取姿勢，而是平展手掌以形成指向手勢，控制器將提供觸摸虛擬表面的感覺。

將手指指尖移向虛擬對象的表面將生成一種推回手指的阻力，並阻止手指穿透虛擬表面。另外，當食指沿著虛擬表面滑動時，安裝在食指尖端下方的音圈將產生來自表面紋理的小幅振動。感知用戶施加的力量也可以提升用戶與虛擬對象的交互。CLAW本身是一項成就，但這只是微軟研究院在觸覺反饋控制器領域眾多創新的其中一個。

2. Haptic Wheel

為了進一步探索在食指和拇指下渲染摩擦觸覺體驗和材料屬性的可能性，微軟研究院研發了另一項新型觸覺反饋控制器原型。Haptic Revolver（亦被稱為Haptic Wheel）是由研究人員和華盛頓大學實習生Eric Whitmire合作研發而成。這款設備主要使用上下移動的致動輪子來渲染與虛擬表面的觸摸接觸，並在用戶沿著虛擬表面滑動時旋轉以渲染剪切力和運動。

根據控制器的設計，用戶食指置放於轉輪軸的凹槽內。當用戶觸碰虛擬表面時，轉軸升起並接觸指尖，其旋轉則根據手部沿著表面運動的速度來模擬指尖與虛擬表面的摩擦。

Haptic Revolver的被試表示，觸覺反饋震動十分逼真，能夠匹配虛擬手部運動。即便是他們自由地在虛擬表面上移動手部，而且渲染的轉軸運動受限於水平方面，用戶仍然報告說觸覺反饋相當逼真。

（左圖）當用戶懸停在藍色表面時，渲染引擎將向手指呈現合適的轉輪表面，並開始追蹤黑色表面的附件邊緣。（中圖）隨著用戶接近表面，渲染引擎定位轉輪，令邊緣靠近手指。（右圖）在用戶懸停在更小的黑色表面時，渲染引擎調整轉輪的增益，從而確保正確地渲染兩個邊緣。

觸覺轉輪可以更換和搭載包含不同的觸覺元素，例如形狀，紋理或有源電子元件，這樣在用戶探索虛擬環境時就能提供不同的震動反饋。由於設備可以接受系統的追蹤，可以在空間上註冊觸覺元素與環境。電機旋轉觸覺反饋轉輪以確保轉輪上的特徵匹配虛擬場景。例如在虛擬卡牌遊戲中，當用戶觸碰到卡牌，籌碼或者桌子時，設備旋轉轉輪以在指尖下渲染合適的紋理。隨著用戶在其中一個表面滑動時，轉輪在指尖下移動，渲染剪切力和運動。

Haptic Wheel可推廣至一系列的應用。應用程序同時可以採用佩戴所需觸覺功能的定製轉輪。例如，一款虛擬寵物動物園遊戲可以採用包含各種紋理的轉輪，而虛擬駕駛艙環境可以採用搭載按鈕和開關等輸入元素的轉輪。Haptic Wheel說明了易於抓取和使用的簡單設備可以生成逼真的指尖觸感。

（左圖）控制器的轉輪用以渲染的卡牌遊戲的不同紋理。這一示範採用的轉輪包含兩個軟帶區域，硬塑料脊和一小部分紙片組成。當用戶觸摸場景中的對象時，合適的紋理將放置在指尖下方。（中圖）在繪畫和雕刻示範中，這強調了渲染形狀和感知施加到轉輪上的作用力的能力。示範所採用的轉輪由凸塊和一個凸脊組成（模擬夾持工具），而用戶則通過按壓轉輪來激活工具。（右圖）包含多個物理UI元素的轉輪可以向混音板應用程序提供觸覺反饋。當用戶觸摸虛擬UI元素時，他們不僅能夠感受到類似物理元素的形狀，還可以與小部件進行物理交互。

3. Haptic Links

觸覺領域的另一項里程碑是用戶可以在VR或AR應用程序中使用雙手。比如說用兩隻手來移動箱子；又或者是一手拿弓，一手拿箭，感受真正的拉弓射箭；甚至是用扳手來轉動虛擬水管。

由微軟研究院和斯坦福大學實習生Evan Strasnick研發的Haptic Links包含了多種連接器，能夠通過兩個手持式VR控制器渲染各種剛度。Haptic Link能夠動態地改變用戶雙手所能感知的作用力，從而支持各種對象和交互。它們可以將控制器嚴格鎖定在任意配置中，令其變成一種類雙手工具。它們可以約束控制器之間的特定自由度或運動方向，例如在轉動曲柄或拉動控制桿的時候。它們甚至可以在連續範圍內設定硬度以產生摩擦，粘度或張力。通過這些方式，Haptic Links增強了現有手持控制器的真實機械約束，使VR場景中的交互和遊玩變得更加身臨其境。

在構思Haptic Links的時候，微軟研究團隊從許多設計考量開始入手，包括啟動時的剛度，放鬆時的靈活性，剛度解析度，重量，體積，慣性矩，致動速度，功耗，噪點和運動範圍等等。理想的Haptic Link在啟動之前幾乎無法被用戶察覺，但可以根據需要快速，強烈和精確地變硬。

微軟的探索帶來了三個Haptic Links原型，而它們全部都可以支持和中斷手持式VR控制器的6自由度運動。每種設計都有自身的折衷和優勢，都有最適合的特定應用。微軟研究團隊認為，VR體驗設計師可以自由選擇最能滿足其需求的Haptic Link，在用戶進入虛擬世界之前快速將推薦的Haptic Link附加到他們的控制器上。

1. Chain原型（上圖中心）採用由球窩元件組成的高度鉸接式鏈條。一根厚實的纜線穿過鏈條並連接到每端的線性致動器上。隨著線性致動器的擴展，鏈條保持鬆動，以便用戶可以在3D空間中任意移動控制器。當線性致動器縮回纜線時，球窩元件相互壓縮，增加鏈條中每個接頭處的摩擦力。這樣整個鏈條就會變得僵硬，從而固定兩個控制器之間的當前空間關係。

2. Layer-Hinge（上圖左側）使用球節來支持控制器的旋轉，並且搭載了可以控制控制器之間距離的鉸鏈。其優點是它可以選擇性鎖定控制器運動中的各個自由度。例如，如果鉸鏈鎖定但球節保持自由，控制器就能夠以固定的距離旋轉，就像操縱桿一樣。此外，它可以相對精確地控制每個關節的摩擦，從而在鉸鏈和球節中呈現連續的剛度值範圍。鉸鏈可以根據應用設定為不同的阻力。

3. Ratchet-Hinge（上圖右側）使用了類似的球節，但用雙棘輪機製取代鉸鏈，這樣設備就能夠獨立地制動向內或向外的運動。當兩個棘輪嚙合時，齒輪固定；兩個脫開時，齒輪則可以自由旋轉。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。

Haptic Links說明了控制器間可變剛度反饋能夠改善VR中雙手對象的觸覺渲染和VR中的交互。多個實施例為對象渲染提供了不同的功能和優勢。

簡而言之，Haptic Links可以改善雙手對象的感知真實性，同時不會顯著降低需要不相交控制器的正常交互的渲染。

4. Canetroller

秉承微軟數十年來一貫的兼容性，研究團隊很早就確定了一個特別能從觸覺技術進步中受益的社區：低視力人群和盲人社群。「傳統」虛擬現實在本質上是強烈視覺化的體驗，無法支持視障人群。微軟研究院與康奈爾大學的實習生Yuhang Zhao和華盛頓大學實習生的Cindy Bennett一同研發了Canetroller原型。這樣，在現實世界中熟悉使用白色手杖的用戶就能夠將他們的導航能力轉移到虛擬環境之中。

Canetroller提供三種類型的反饋：（1）由可穿戴式可編程制動器機構產生的物理阻力，當虛擬手杖與虛擬物體接觸時，物理阻礙控制器; （2）振動觸覺反饋，其模擬手掌撞擊物體或觸摸並拖過各種表面時的振動; （3）空間3D聽覺反饋模擬真實世界手杖相互作用的聲音。

Canetroller在娛樂，定向行動訓練，以及環境準備等領域具有重大的潛力。微軟研究院希望這份研究能夠激勵研究人員和設計人員設計更有效的工具，從而令VR更具包容性，為世界各地不同的人群提供支持。

（A）一位視障人士正在接受微軟研究院的VR評估，她使用的設備包括VR頭顯和Canetroller；（B）Canetroller的機械元件；（C）虛擬場景和真實場景的疊加說明了用戶如何利用Canetroller設備進行導航，並與虛擬垃圾箱進行交互；（D）使用Canetroller來導航虛擬街道：插圖為真實的物理環境，而渲染圖則是對應的虛擬場景。請注意，用戶在使用VR系統時沒有任何視覺反饋。為了清晰起見，這裡的示例採用了效果圖。

測試表明，Canetroller是一個前景光明的工具，可以支持低視力和盲人導航不同的虛擬空間，還可以幫助他們識別虛擬辦公室中的物體位置和材料。Canetroller可以支持新穎的定向行動訓練。在這種訓練中，人們可以首先在特定的VR環境下練習使用手杖進行導航的技能，然後才將其應用在真實世界。這種類型的設備還可以令視障人群享受VR遊戲和娛樂。

5. 寫在最後

微軟研究院表示，他們在觸覺反饋領域的每一項研究，尤其是結合起來後，都可以為其他研究人員帶來靈感，為即時商業應用創造機遇，並且為社區點燃新希望（例如改善視障人士的生活質量）。此外，微軟研究人員希望他們的創新可以鼓勵社區在消費者外設中採用更多的觸覺渲染技術。映維網同樣希望即將發布的觸覺產品能夠進一步提升VR和AR產品的逼真感和身臨其境感。微軟研究院的Eyal Ofek表示：「我希望未來虛擬對象與真實對象之間的界限可以變得模糊，其中我們與虛擬技術的交互將變成像現實世界中的操作那樣自然。」

原文鏈接：https://yivian.com/news/42517.html

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