沉浸的VR體驗(yàn)不僅體現(xiàn)在視覺(jué)上，聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)也很重要。尤其是在VR健身、VR運(yùn)動(dòng)場(chǎng)景，比如用虛擬球拍擊球時(shí)如果有逼真的體感反饋，那么不僅沉浸感更強(qiáng)、運(yùn)動(dòng)體驗(yàn)也更自然。對(duì)于運(yùn)動(dòng)員來(lái)講，運(yùn)動(dòng)中的體感反饋甚至是提升技術(shù)的一項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)。

　　

　　就目前的VR來(lái)講，手柄通常僅提供震動(dòng)反饋，效果類似于任天堂的Wii，只能通過(guò)震動(dòng)來(lái)提示你球拍碰到了球，體驗(yàn)感和真實(shí)運(yùn)動(dòng)差距較大。

　　為解決這一問(wèn)題，臺(tái)北國(guó)立臺(tái)灣大學(xué)科研人員利用壓縮空氣原理，研發(fā)了一款VR體感方案：AirRacket，其特點(diǎn)是可渲染虛擬球拍在空氣中揮動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的阻力，可用來(lái)模擬網(wǎng)球、羽毛球、乒乓球運(yùn)動(dòng)的體感反饋。

　　據(jù)青亭網(wǎng)了解，該方案配備了類似于真人CS游戲中氣槍所使用的壓縮空氣筒，當(dāng)VR中的虛擬球拍打到球時(shí)，可以瞬間發(fā)射一陣強(qiáng)空氣阻力。不過(guò)，AirRacket實(shí)際上僅能模擬不到10牛頓的阻力，而網(wǎng)球拍擊球的力量通常約為400牛頓。為此了彌補(bǔ)這一限制，科研人員采用了一些感知設(shè)計(jì)，來(lái)提升力反饋的逼真感。比如：在350毫秒內(nèi)，通過(guò)增加空氣阻力持續(xù)時(shí)間來(lái)提升感知阻力。如果持續(xù)時(shí)間翻7倍，感知阻力可翻4.1倍。

　　換句話說(shuō)，就是延長(zhǎng)球拍碰到球這一瞬間的時(shí)間，在真實(shí)場(chǎng)景中，人們這一瞬間的體感僅持續(xù)不到5毫秒，而在VR中，人們可以接受46到337毫秒左右的體感反饋。

　　解決的痛點(diǎn)

　　目前，VR手柄支持震動(dòng)反饋，適用于模擬高爾夫球、乒乓球、羽毛球等等部分運(yùn)動(dòng)的體感。這些運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)是，打到球的力反饋比較輕。相比之下，如果用手柄的震動(dòng)來(lái)模擬網(wǎng)球的體感，則力度較小、體驗(yàn)感不自然。

　　

　　尤其是對(duì)于專業(yè)運(yùn)動(dòng)員和愛(ài)好者來(lái)講，球拍擊球的力度、沖擊角度都會(huì)影響到網(wǎng)球賽的結(jié)果，他們會(huì)根據(jù)這些微妙的信息，去判斷球?qū)⒌竭_(dá)對(duì)面的位置。而由于VR手柄難以提供準(zhǔn)確的擊球體感，VR網(wǎng)球的感覺(jué)可能更像是游戲，而缺少真實(shí)網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)所包含的豐富變化。

　　因此，科研人員希望通過(guò)可微調(diào)的氣壓來(lái)模擬打網(wǎng)球時(shí)的強(qiáng)力體感。他們將氣壓噴嘴連接到通用的可伸縮球拍手柄上，以模擬球拍的長(zhǎng)度。

　　當(dāng)虛擬球擊中球拍時(shí)，壓縮空氣從背包中的便攜式壓縮機(jī)壓入噴嘴。由于空氣以不同的方向噴射，該系統(tǒng)還可以模擬球的撞擊角度。

　　為了進(jìn)行跟蹤，研究人員將Optitrack系統(tǒng)連接到球拍手柄的尖端。也可以采用Vive Tracker，不過(guò)會(huì)增加額外的重量，而采用的氣壓噴嘴則是彩彈槍的常見(jiàn)型號(hào)。

　　利用視覺(jué)錯(cuò)覺(jué)

　　作為模擬目標(biāo)，研究人員將乒乓球、羽毛球和網(wǎng)球這三種最受歡迎的球拍運(yùn)動(dòng)作為模擬目標(biāo)，他們希望在虛擬現(xiàn)實(shí)中對(duì)其進(jìn)行升級(jí)，以更好地感受球的感覺(jué)。對(duì)受試者的首次測(cè)試表明，觸覺(jué)系統(tǒng)可以增加這些球拍運(yùn)動(dòng)的沉浸感和精確度。

　　

　　在VR中可視化的力，特別是沖擊的長(zhǎng)度（350毫秒對(duì)50毫秒），可以使感覺(jué)到的力比噴嘴實(shí)際產(chǎn)生的力強(qiáng)四倍。

　　不過(guò)，AirRacket采用的空氣壓縮設(shè)備成本較高，可能不適合家用VR場(chǎng)景，更適合專業(yè)的VR培訓(xùn)或是線下VR體驗(yàn)店。

　　除了羽毛球、網(wǎng)球外，該方案還可適用于劍術(shù)等其他運(yùn)動(dòng)，此外，還為曲棍球、高爾夫、棒球、劍和壁球提供了其他可3D 打印的握把。

　　使用壓縮空氣推進(jìn)噴射器提供定向沖擊力，模擬乒乓球、羽毛球、網(wǎng)球三種運(yùn)動(dòng)的體感。通過(guò)對(duì)72名參與者進(jìn)行體驗(yàn)調(diào)查，結(jié)果顯示與基于物理的設(shè)計(jì)相比，感知設(shè)計(jì)可以顯著提高非接地力反饋系統(tǒng)的真實(shí)感和偏好。

　　

　　當(dāng)球拍擊中球或羽毛球時(shí)，產(chǎn)生的沖量（即短時(shí)間內(nèi)的方向力）會(huì)產(chǎn)生球拍的線性和旋轉(zhuǎn)加速度。使用者手部、手臂、肩部、軀干和腿部的肌肉必須協(xié)同工作來(lái)引導(dǎo)球拍并保持身體姿勢(shì)。這種觸覺(jué)體驗(yàn)包括：1) 手握拍柄的觸覺(jué)，包括壓力、皮膚拉伸和振動(dòng)，以及 2) 運(yùn)動(dòng)感覺(jué)和本體感覺(jué)，包括多個(gè)肌肉群的關(guān)節(jié)位置和收縮，以對(duì)抗通過(guò)球拍的沖擊力。

　　方案細(xì)節(jié)

　　AirRacket方案包含一個(gè)3D打印手柄、一個(gè)碳纖維軸（直徑分別為14毫米和23毫米），以及一個(gè)3D打印噴嘴支架上的兩個(gè)降噪噴嘴。每個(gè)噴嘴都通過(guò)L形配件連接到6毫米低摩擦聚氨酯管，該管在軸內(nèi)運(yùn)行并連接氣動(dòng)控制系統(tǒng)。每個(gè)設(shè)備都配有運(yùn)動(dòng)專用手柄，以匹配真實(shí)球拍的觸感。

　　

　　AirRacket系統(tǒng)的移動(dòng)版本，它帶有一個(gè)1.1L高壓空氣罐和一個(gè) 24V 直流電池，可以輕松放入小背包中。其中的氣罐重1.5Kg，支持最大壓力31MPa（4500psi），其余氣動(dòng)控制系統(tǒng)重848g。另外，為乒乓球、羽毛球和網(wǎng)球定制的設(shè)備重量分別為147g、157g和258g。

　　它能夠在3牛頓時(shí)渲染570個(gè)脈沖，在 1N 時(shí)渲染2000+個(gè)脈沖，這對(duì)于300～500次擊球的典型網(wǎng)球比賽（初級(jí)到大滿貫賽事）來(lái)說(shuō)已經(jīng)足夠了。

　　效果優(yōu)化

　　為了驗(yàn)證AirRacket效果，科研人員進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)調(diào)查并發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有方案存在三項(xiàng)限制：1）力量變化不明顯，模擬不同球類運(yùn)動(dòng)時(shí)，推進(jìn)力大小差異不大；2）對(duì)網(wǎng)球方向力模擬效果弱，大力揮拍時(shí)，空氣阻力反饋沒(méi)有明顯加強(qiáng)，與真實(shí)的阻力有差距；3）模擬乒乓球時(shí)，方向力太強(qiáng)，破壞逼真感。

　　于是，科研人員決定延長(zhǎng)力反饋時(shí)長(zhǎng)，來(lái)模擬阻力變化程度，并為此設(shè)計(jì)了力映射模型，模型有四個(gè)獨(dú)立的變量：基線、縮放、最大+持續(xù)時(shí)間和縮放+持續(xù)時(shí)間。

　　觸覺(jué)信息對(duì)于現(xiàn)實(shí)世界中的動(dòng)態(tài)交互至關(guān)重要，增加觸覺(jué)反饋的動(dòng)態(tài)范圍可以幫助預(yù)測(cè)軌跡，甚至幫助用戶調(diào)整下一次擊球的揮桿速度，提升目標(biāo)瞄準(zhǔn)的精確度。

　　未來(lái)，科研人員計(jì)劃提升AirRacket可模擬的力度，以模擬拳擊、打擊樂(lè)、后坐力、踢足球等力反饋場(chǎng)景。此外，還將繼續(xù)縮減AirRacket手柄部分的重量，甚至與VR手柄的震動(dòng)反饋結(jié)合，模擬更細(xì)節(jié)的動(dòng)態(tài)力反饋。參考：Mixed.de