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屏幕刻度尺:触摸未来 解读《头号玩家》中的VR技术

时间: 2019-01-16阅读:

电影中主要的VR设备

《头号玩家》的故事背景设置在2045年,世界一片混乱,许多人将自己生活的希望寄托于一款名为“绿洲”的VR游戏中。游戏中设置了三道谜题,最先解出谜题的玩家即可获得绿洲的所有权。进入绿洲的虚拟世界很简单,只要穿戴上VR头显、触觉手套以及体感套装,站在配有四声道音响和压敏底垫的全向跑步机上,就可以纵横四海了。这些便是电影中主要的VR设备,也正是通过它们营造了身临其境的真实感(图1)。

进入VR世界的装备

VR中奔跑的实现

行走其实也是一种触摸,用脚触摸VR世界,它的传感器或者植入鞋中,或者植入其他可穿戴的VR设备中。

在《头号玩家》的VR场景中,主人公可以自由地四处行走,另外还有许多人奔走厮杀的壮观场面,这些都是通过传感器与全向跑步机“联手”来实现的,真实的人物不过是在跑步机上“原地踏步”。这种跑步机可以根据玩家的动作向各个方向移动,无论玩家向前、退后或者快速转弯,它都可以快速作出相应的反应。Infinadeck、Virtuix、Cyberith、KAT等多家厂商已经制造出类似的产品(图2)。

国内厂商KAT的VR跑步机

整合运动数据模拟生成VR中的人物动作

VR跑步机的结构基本上分成两大部分,一个是支撑架,一个是跑步台。支撑架用来固定玩家的身体,大都采用悬吊式结构,在保障安全的情况下方便玩家最大限度地自由活动。跑步台是实现玩家在VR中移动体验的关键,大都采用圆形凹式结构,在有限的范围内模拟出无限、连续的运动。相对而言,Infinadeck的跑步台设计则较为独特,它采用履带式结构,如同一台真正跑步机的传送带,不过它是将纵向与横向传送巧妙组合在一起的,这样玩家便可以在跑步台上360度自由运动。Infinadeck跑步机也是最为接近《头号玩家》主人公所用的跑步机原型。

运动数据通过可穿戴设备内植入的追踪传感器同步到VR头盔或PC控制器中,系统根据这些数据最大程度整合视觉、听觉、动作等因素,实时生成相应的虚拟图像以模拟现实世界,使得跑、跳、转头、侧身等动作,如同在真实世界中一样自然(图3)。

CLAW的结构及模拟玩家抓取物体示意图

Oculus的VR触摸手套原理图

触摸虚拟世界

行走通过脚来触摸虚拟世界的土地,不过我们在与虚拟世界交互的时候,更希望能用手去触摸甚至抓住其中的物体,这样才会更有真实感。在《头号玩家》电影里,玩家们在VR世界中灵活地进行着各种操作,枪战、搏斗、操作电脑、手拉手跳舞……这些都是通过触感手套实现的。

相对于视觉来说,触觉的实现更加复杂,它需要体现出物体的质感,玩家的手需要感受到适当的力反馈,其中一个重要部分是具有触觉反馈的电机。微软最近公开的CLAW就是一个带有电机的机械臂,当我们握住VR中虚拟物体的时候,它通过嵌在食指支架中的力传感器改变电机的力反馈,在食指和拇指间产生阻力,这样我们就像真的握住了什么东西(图4)。

Oculus为他们开发的一款VR触感手套申请了专利,他们在触感手套里加了类似人体肌腱的一种组件,沿着手指一直到手背,通过一个马达控制肌腱,当我们触摸VR中的物体时肌腱就会产生相反的阻力,模拟出触摸的感觉(图5)。不过不知道Oculus出于什么考虑,他们现在的这个概念产品只支持食指和中指。戴上这样的手套,我们就能像《头号玩家》里那样轻松地进行虚拟键盘之类的操作了。

当然触感手套还要涉及其他很多问题,比如玩家的手的动作需要力传感器同步给系统以便对电机发出操作指令,还有系统需要随时追踪手及手臂的位置等等。

全身触觉能力的X1套装

当然在虚拟的世界中推开一道门、捡起一个东西之类的,只是些基本的力学任务,离真实世界中手的感觉差得远。真实的触觉,还具有质地、温度、湿度、疼痛等多种感觉。在《头号玩家》中,当女主双手触摸到男主时,他那种瞬间的震颤感觉,现在的触摸设备还做不到。不过已经有不少人在做这方面的尝试了。

H a p t X公司正在研发一款 HaptX Gloves触觉手套,手套中没有电子马达,而是通过微流体智能纺织品控制的气体膨胀来取代皮肤感知。戴上這种手套触摸雨滴、谷物甚至蜘蛛、狐狸等动物,都会有对应的真实感觉。当这一技术成熟时,完全可以应用到完整的VR紧身衣上(如电影中的X1套装),这就接近于《头号玩家》中看到的那种全身触觉的能力了。

随着VR硬件技术的不断发展,相信在不久的将来,VR会给我们带来更加不一样的体验。

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