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想在VR中体验被“打脸”的感觉吗？
Esther｜ 编辑
VR与力反馈、体感反馈结合已经不是新鲜的概念，目前市面上各种VR手套可提供震动反馈、触觉模拟反馈、后坐力模拟反馈、压力反馈等效果，甚至有的还可以模拟重力或者阻力等。总之，人体各个位置几乎都可以结合体感反馈来增强VR的沉浸感，除了头部，因为头部需要戴VR头显，而头显一般不会集成体感反馈装置。
因此为了模拟在VR拳击中被“打脸”等体感，增强VR自然交互感，台湾科研人员提出一种可模拟2.5D瞬时冲击反馈的方案：ElastImpact，它的原理是通过橡皮筋的反弹性质，从xyz三个方向同时快速冲击VR头显（模拟特定角度），利用头显对人脸的间接作用力，让用户的面部和头部也能感受到较为逼真的VR力反馈。
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那么间接的作用力能有效模拟撞击反馈吗？科研人员认为，与拉和推等动作不同，撞击作为日常生活中和VR中的常见效应，会在一瞬间产生冲击力，而不需要一个过程。因此快速冲击力在很大程度上会让你有一种被打到的感觉。
当然不得不承认，正是由VR头显的遮挡，ElastImpact只能模拟2.5D/伪3D的力反馈体验感，而且如果真的追求3D体感反馈，那么垂直方向的冲击力可能会过大，甚至导致头显位置偏移，影响体验感，因此2.5D是一个比较理想的方案。
据了解，ElastImpact包含三个冲击装置，分别位于头部两侧和前侧，它们的冲击动作由制动器控制。头部两侧的冲击装置是固定的，并且与HTC Vive VR头显相连，它们将提供垂直于用户头部的撞击（0.5D Z轴撞击），而位于头部前侧的冲击装置则是与一个代理碰撞器相连，固定在一个容器内，在直流电机推动下在以头显的切面方向面旋转，并提供xy平面的2D冲击力。
在一个最小可觉差（JND）实验中，科研人员发现人的头部能够区分出垂直方向和平行方向的冲击力。根据这一结果，他们便将垂直和平行的冲击力反馈结合，打造了这个2.5D力反馈方案，并通过了VR实践学习来证实2.5D撞击能够大幅提高VR内容的逼真感。
ElastImpact方案构成
据悉，ElastImpact方案的硬件部分由多种精密结构组成，比如其中的三个冲击装置分别包含一个橡皮筋、机械制动器（包含一个伺服电机）、直流电机（用于储存撞击力）。方案中使用的制动器则是采用了3D打印的卯榫结构。微型的伺服电机会通过上下移动榫结构来控制和释放橡皮筋（1厘米宽、8厘米长），而橡皮筋所储存的弹性大小则由固定在另一头的轮轴和旋转编码器来控制。
两个冲击装置利用可调节的魔术贴材质固定在HTC Vive头显两侧，能够提供一种垂直的撞击反馈。而为了模拟擦过面部表面的冲击力，另一个位于头显前侧的冲击装置会采用一个代理碰撞器，其目的是通过撞击VR头显来间接模拟擦过人脸的体感反馈。
位于前侧的冲击装置由一个3D打印的圆形架子和一个可旋转的装置组成，代理碰撞器位于可旋转的部分，可在xy平面的多个方位对VR头显产生撞击。同时，为了帮助用户区别不同方向的xy平面冲击力，科研人员将冲击装置在头显的顶部加强固定，让冲击的方向感更明确，当然为了防止冲击力过大，也在其中加入了缓冲的泡沫垫。
总之，整个硬件方案重量达960g（包括HTC Vive在内），也就是说ElastImpact方案总重405g。
优化ElastImpact方案
科研人员希望从三点对ElastImpact进行优化：体感反馈的逼真度、便携性、安全和舒适感，于是进行了两项实验，希望从中了解到可以进行哪些优化。
在第一个实验中，科研人员找来12位体验者，让他们体验不同力度和不同方向的冲击力，看他们能否清楚区分它们。在这项实验中，为了避免ElastImpact的额外重量影响体验者对于力量的区分能力，科研人员使用了一个固定在天花板上的滑轮系统，这样体验者只会感受到Vive头显的555g重量。
在实验中，科研人员发现3.5N是目前系统能实现的最大垂直冲击力，而1.3N的力度也足以被明显感知，而xy轴水平力量则设定在0.5N和2.7N之间。此外，体验者们在1.3N、1.5N和1.9N垂直冲击力实验中可感受到0.8N的偏差，而xy轴冲击力是严重，80%体验者可识别0.4N的差别，90%可识别0.8N差别。
因此，科研人员选择出1.3N、2.1N和2.9N三种不同的垂直冲击力度，以及1.1N、1.9N和2.7N三种不同的xy切面冲击力度。
除了力度外，科研人员还需要找出体验者能够区分方向的设计，尤其是在xy切面冲击方案中，为了让向上的冲击力更容易识别，还是用了一个接地的设备，不过考虑到VR头显在受力后会返回原位，产生一个向下的动作，可能会混淆体验者对于力量方向的感知，因此还需要进一步用VR的视觉反馈来提升逼真感。
在第二项实验中，科研人员观测到ElastImpact对于体验者与VR交互的影响，并通过与其他方法进行对比，判断ElastImpact能否提升VR的逼真感。
在这项实验中，科研人员制作了两个VR场景，分别为拳击和守门游戏。在拳击场景中，体验者会感受到对面拳击选手使出的三种拳击动作：直拳、平勾拳、上勾拳。而在守门场景中，体验者会感受到来自左、右、上、下、中间这5个方向射来的球，每一次也会有三种不同的速度。
在完成实验后，体验者们反馈ElastImpact所提供的瞬间冲击比直接推动VR头显的感觉更逼真，并且验证了，与只有一个方向的力量相比，2.5D多个方位的反馈更容易区分，而且也可以更多样化。
总之，ElastImpact是一个有潜力的可行方案，不过还处于初期阶段，而且是一个比较复杂精细的方案。为了让用户更好地感受到清晰的冲击力，未来科研人员计划在下巴部分也增添新的体感反馈装置。另外，整个方案的重量和体积还有待优化，而且前置的转盘装置也需要增加更多旋转的角度。
（END）
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