今天我們將探討一個(gè)有趣的問題：虛擬現(xiàn)實(shí)中手的使用。這次的文章是根據(jù)Jakob Johansson(CEO Gleechi)和Kai Hubner，PhD (CTO Gleechi)在VRDC講座中整理的。
首先請大家攥緊拳頭試想一下沒有手的生活是多么不便，我們不能翻開書本，不能抓取杯子，不能彈奏樂器，不能和朋友擊掌，等等。靈活的雙手為生活帶來了太多便利，是生活中不可或缺的一部分。Gleechi公司致力于研究機(jī)械手已經(jīng)有8年的時(shí)間，直到VR市場的打開，Gleechi公司發(fā)現(xiàn)機(jī)器人和虛擬現(xiàn)實(shí)中的角色人物有太多相似的地方，關(guān)于如何抓取物品，如何與物體交互?這個(gè)在機(jī)器人研究中的關(guān)鍵問題，也成為了VR領(lǐng)域所需要解決的問題。
現(xiàn)在很多的虛擬現(xiàn)實(shí)游戲，關(guān)于手的操作都有很大的問題，例如物體直接跳到虛擬手上，虛擬手穿過物品，或者當(dāng)使用隱形的虛擬手時(shí)，我們只能看到物體懸浮在空中。而導(dǎo)致這些的原因是因?yàn)槿耸值慕Y(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，尤其實(shí)在人們嘗試用手和物品進(jìn)行交互時(shí)，事情就變得更加復(fù)雜了。下面我們將具體談?wù)勅绾卧赩R開發(fā)中解決這些問題。
歷史上。世界第一個(gè)機(jī)械手是由devol&Engelberger，Unimate (1960年) 發(fā)明的。這個(gè)機(jī)械手自由度為1DOF (degree of freedom)，只能在一個(gè)維度上抓取物品。然而現(xiàn)在的機(jī)械手發(fā)展與真實(shí)世界的手更加接近了。我們將基于以下三個(gè)方面談?wù)剻C(jī)械手和虛擬手的發(fā)展：
1、手的設(shè)計(jì)和輸入(Hands Design & input)：
關(guān)于這個(gè)話題，我們將通過性能(performance)和靈活性(flexibility)兩個(gè)方面做出介紹，正如下圖：
高性能的手：在工廠里經(jīng)常使用，它快速，強(qiáng)大，準(zhǔn)確，適合做重復(fù)性工作。
高靈活性的手：與不同的物體有更多交互，但性能可能較差。
人手：處于居中位置。
所以在應(yīng)用開發(fā)中，我們?nèi)绾芜x擇輸入設(shè)備呢?這個(gè)問題也可以通過性能和靈活性兩個(gè)方面做出解答。擁有高性能的動(dòng)作控制器(motion controller)提供了友好的操作，用戶只需要按下簡單的按鈕去完成任務(wù)。然而對于復(fù)雜的手指跟蹤我們更愿意選擇靈活度高的攝像機(jī)。
2、物體交互(object interaction):
物體是交互中重要的一部分，物體會(huì)決定手的交互方式。談到這個(gè)問題我們先來介紹一個(gè)簡單的概念可供性(affordances): 是環(huán)境與生物體之間的關(guān)系，通過一系列的刺激，為生物體提供一個(gè)機(jī)會(huì)執(zhí)行動(dòng)作。 比如機(jī)器人看見一個(gè)鍋手把，他會(huì)與手把交互，舉起鍋?zhàn)?。如果看到一個(gè)輪子，他會(huì)想旋轉(zhuǎn)它，如果是斧子，他會(huì)想舉起它。
3、抓取分類(Grasp Taxonomies):
我們對不同的抓取進(jìn)行了等級(jí)分類，如下圖所示：
力量抓取(power grasp)和精確抓取(precision grasp)。根據(jù)不同物品和你將對物體進(jìn)行不同的操作，例如握住一個(gè)球或者夾起一根筆。我們從可供性，工具和分類三個(gè)方面，決定了如何抓取。Aaron M. Dollar兩年前的一個(gè)有趣的研究，他對一個(gè)傭人和一個(gè)機(jī)械工程師的日常手部操作進(jìn)行觀察研究發(fā)現(xiàn)，兩人超過50%的操作都集中于三種抓取動(dòng)作，但是傭人的力量抓取比例大于精確抓取，而工程師相反。
那么在下圖的游戲開發(fā)中，我們應(yīng)該怎么做呢?
我們可以看到場景中有各種物品，我們需要使用力量抓取去得到一個(gè)重物例如圖中的鐵鍋，而抓取一個(gè)較小的叉子，我們使用精度抓取。
了解了概念之后，我們開始進(jìn)入重點(diǎn)，虛擬抓取(virtual Grasp)。我們關(guān)注于如何讓虛擬手在VR世界中更加貼近自然手的操作，我們將從：
手的展示(Representation of hands)。
物體交互(Object interaction) 。
輸入 (Input) 。
三個(gè)方面的細(xì)節(jié)談?wù)勌摂M手。
1、避免恐怖谷(Avoid the uncanny valley) ：恐怖谷理論是一個(gè)關(guān)于人類對機(jī)器人和非人類物體的感覺的假設(shè)，它在1969年被提出，其說明了當(dāng)機(jī)器人與人類相像超過一定程度的時(shí)候，人類對他們的反應(yīng)便會(huì)突然變得極反感，即哪怕機(jī)器人與人類有一點(diǎn)點(diǎn)的差別都會(huì)顯得非常顯眼刺目，從而整個(gè)機(jī)器人有非常僵硬恐怖的感覺，有如面對行尸走肉。如果VR游戲中，我們使用與人類手非常相像的一雙虛擬手，但是虛擬手的行為卻不自然，那么用戶就會(huì)感到害怕和不適。
2、避免特性手 (Avoid hand personalities)，比如很大或者很小的虛擬手?；蛘咭浑p行動(dòng)自然的虛擬手，但是皮膚顏色與用戶不同。
3、Be consistent(一致性)：關(guān)于虛擬手的一致性，比如當(dāng)我們在應(yīng)用中選擇與真實(shí)人手最接近的模型來進(jìn)行交互時(shí)，我們希望交互的效果是最自然的。當(dāng)我們選用機(jī)械手的模型進(jìn)行交互時(shí)，物體可能會(huì)跳到虛擬手上。隱形手可能是一種解決虛擬手和物體交叉穿過的好辦法?？ㄍㄊ謺?huì)在抓取到物體的時(shí)候消失。我們也可以讓虛擬手拿一個(gè)工具來進(jìn)行交互。
例如下表所示：
上圖表格從上到下，手的展示越來越抽象，下圖表格，隨著手的展示抽象感增強(qiáng)，交互的復(fù)雜度隨之減少。
4、忽略手臂(skip the arms)： 因?yàn)槭直墼谔摂M場景中會(huì)有很大浮動(dòng)，影響整體效果。
5、思考關(guān)注場景中的每個(gè)物體(think long and hard about every object in the scene) ： 讓場景中的物品盡可能的與虛擬手交互。
6、使交互物品可觀察 (make is obvious how to interact with object)： 不要使對一個(gè)物品有很多復(fù)雜的操作，這樣開發(fā)會(huì)變得更復(fù)雜。
7、選擇最自然的抓取 (pick the most natural grasps): 思考人們想在虛擬環(huán)境中對物體做什么操作，比如一個(gè)杯子，我們會(huì)用它喝水，把他放進(jìn)洗碗機(jī)，把它摔在地上..等等。另外，正如我們之前提到的，抓取操作有很多種，物體的不同，使用目的不同，抓取的方法也會(huì)不同。
8、根據(jù)使用案例選擇控制器 (choose controller based on the use case)：如之前我們談到過的運(yùn)動(dòng)控制器(Motion controller)在游戲中更容易使用，用戶不用考慮太多，只需要按下按鈕。而當(dāng)我們用到肢體語言時(shí)，手指的追蹤就顯得尤為重要了。
9、反饋(use feedback)：告訴用戶他成功的拿起了物品，比如使用聲音，或者視覺上感受到物體被拿起，或者高亮被操作的物品。
10、有時(shí)手的操作回饋會(huì)顯得奇怪(Some times hands and feedback gets weird)：有時(shí)玩家對物體進(jìn)行預(yù)測不到的操作，可能會(huì)得到奇怪的反饋。
總結(jié)：虛擬手的操作是VR開發(fā)中的重要部分，希望大家通過這篇文章對于虛擬手有了更深層次的了解，對于虛擬手在應(yīng)用中的選擇也有了更準(zhǔn)確的把握。
