雷锋网 (大众号：雷锋网) 按：最近，斯皮尔伯格的《头号玩家》热映，剧中，男主能经过触感手套、X1体感套装逼真地与虚拟世界互动。电影之外，如何在虚拟理想中取得触感，如何更自然地交互是目前的研讨者最关切的成绩。雷锋网理解到，最近，微软研讨团队地下了四个最新的虚拟理想研讨效果：CLAW、Haptic Wheel、Haptic links、Canetroller，它们可以更好地协助用户 “触摸” 到虚拟场景中的物体，纵情感受虚拟世界的巧妙。

本文由"微软研讨院AI头条"译自“Touching the Virtual: How Microsoft Research is Making Virtual Reality Tangible”，雷锋网经受权转载。

虽然 VR 和 AR 在过来 30 年里获得了宏大的提高——曾经可以为用户提供梦境般的视觉和 3D 音频世界，但当我们伸出手去触摸那些虚拟物体时，梦想就会瞬时幻灭，用户触摸到的只要空气。

虚拟触觉难以完成有很多缘由。看过电影的人都明白，眼睛和耳朵可以被每秒 24 帧的电影诈骗，但是触觉却很不同，它要更复杂。完成虚拟触感的一局部应战来源于硬件。在实验室中，设计一个合适团体用户穿戴的手持式设备往往很困难，目前许多原型设备仅仅可以模仿特定的觉得，例如质地、温度或分量，这种设备往往缺乏吸引力。而愈加复杂的机械技术则能够招致设备太昂贵，太大或太软弱而无法呈现在消费市场。

微软研讨团队不断在探究如何应用现有技术在手持式 VR 控制器上模仿发生多种触觉感受，运用户可以触摸和抓住虚拟物体，感受指尖在物体外表的滑动。他们的梦想是让用户能与虚拟数字世界停止更自然、更多元的交互。

CLAW

CLAW 是微软研讨团队开发的第一款新型多功用触觉控制器，经过运用单个电机，CLAW 将 VR 控制器的概念扩展至一款多功用触觉反应工具。CLAW 有一个共同的机械臂，当用户手握手柄、手指转动时（如下图），这个机械臂可以模仿力反应。

图 1：（左）CLAW 的配置和组件；（右）CLAW 模仿用户抓取物体并触摸虚拟物体外表

作为一个多功用控制器，CLAW 包括普通 VR 控制器的一切功用（拇指按钮和操纵杆、6DOF（Degree of Freedom）控制、食指触发器），以及为最罕见的手部交互时启用的各种触觉渲染：抓取物体，触摸虚拟外表，以及接纳力反应。

CLAW 的共同之处还在于它可以经过感知用户的抓握状况和虚拟情境环境之间的差别来调整触觉渲染。当用户尝试握住虚拟物体时（如下图），该安装会在食指和拇指之间发生阻力，模仿出物体被握住的觉得。嵌在食指支架中的力传感器经过改动电机的反应让用户 “感受” 物体的不同资料。

假如用户握住手柄并做出指向手势（如下图），那么 CLAW 会提供触摸觉得。手指尖朝向虚拟物体外表挪动时，CLAW 会发生阻力，将手指推回并阻止手指穿透虚拟外表。此外，当食指沿着虚拟外表滑动时，装置在食指尖端下方的音圈会发生小振动来模拟物体的外表构造触感。

感知用户施加的力气也可以协助用户与虚拟物体停止交互。例如在虚拟绘画顺序中，顺序可以经过感知用户的手的力度来调整画笔的力度。

Haptic Wheel

为了进一步模仿食指对虚拟物体的资料和外表摩擦的触觉体验，微软还开发了另一种新的触觉控制器——Haptic Wheel。Haptic Wheel 运用的驱动转轮经过上下挪动来模仿手指与虚拟物体外表的触碰，并且经过旋转来模仿用户沿着虚拟外表滑动时发生的剪应力（shear forces）和滑动感。

当用户触摸虚拟物体外表时，转轮会上升并接触到指尖，然后开端旋转来模仿指尖与虚拟物体外表的摩擦。

图 2：(左）当用户将手指悬停在转轮的蓝色区域外表上方时，渲染引擎将适宜的转轮外表移到手指下方；（中）当用户在虚拟环境中接近黑色区域边缘时，渲染引擎会转动转轮以使跟黑色边缘一样的材质接近手指；（右）在手指悬停在较小的黑色外表上时，渲染引擎会调整转轮的增益，以便正确模仿出手指接触两个边缘的觉得。

该设备的转轮是可交换的，可以包括各种物理触觉元素，以便在用户探究虚拟环境时为用户提供不同的感受。当用户探究虚拟环境时，渲染引擎会依据环境为手指传递适当的触觉感受。例如，在虚拟纸牌游戏中，当用户触摸卡片、扑克筹码或桌子时，该安装就会旋转转轮以在指尖上面出现适当的纹理感受。当用户沿着外表滑动时，转轮会在手指上面旋转以发生剪应力和滑动感。

图 3：在不同虚拟环境中，Haptic Wheel 定制的包括不同触觉感受的转轮

Haptic links

在触觉探究中，另一个难以处理的成绩是如何模仿在 VR 或 AR 使用顺序中运用双手的状况。 比方说双手拿着一个盒子觉得它的大小，或许运用双手在弓箭上感遭到那种拉力。

本着网络面前人人平等的原则，提倡所有人共同协作，编写一部完整而完善的百科全书，让知识在一定的技术规则和文化脉络下得以不断组合和拓展。 图 4：模仿用户在虚拟环境中双手运用的工具

Haptic links 由几品种型的衔接器组成，这些衔接器可以在两个手持式 VR 控制器之间提供不同的刚度感受。Haptic links 可以静态地改动用户双手之间感遭到的力气，以支持渲染各种双手运用的物体以及与人之间的交互，使控制器表现得就像一个双手运用的工具。它们可以约束控制器之间的特定自在度或运动方向，也可以设置在一定范围内的刚度，以模仿不同的摩擦、粘度或张力。经过这些方式，Haptic links 使 VR 场景中的交互愈加真实，给人以身临其境之感。

微软做了三个 Haptic links 的原型设备。每种设计都各有折衷和优势，使其最合适某种特定使用。Chain 原型设备（图 5 中）采用由球窝元件组成的高度铰接式链条。一根强力电缆穿过整个链条并衔接到每端的推杆电机（linear actuators）上。经过推杆电机的运动来控制链条的松紧，进一步控制用户的操作空间。

图 5：Haptic links 的 3 个不同原型设备

Layer-Hinge（图 5 左）运用球形接头来调理控制器的旋转，运用铰链来控制它们之间的间隔。它的优点是能选择性锁定控制器运动时的自在度。此外，它可以绝对准确地控制每个关节的摩擦力，使得该安装在铰链和球窝关节中模仿出延续的一定范围内的刚度值。

Ratchet-Hinge（图 5 右）在控制器底部运用相似的球形接头，但用双棘轮构造取代了铰链，可以独立制意向内或向外的运动。当两个棘轮啮合时，齿轮是固定的；两个棘轮都脱开时，齿轮可以自在旋转。当一个棘轮脱开时，齿轮可以在一个方向上自在挪动，但不能沿相反方向挪动。定向选择性功用可以完成共同的力反应交互。

Haptic links 可以改善虚拟环境中需求双手操作的物体的感知真实性，而不会过于影响两个控制器的正常交互。

Canetroller

 “传统” 的虚拟理想体验实质上是激烈视觉化的，因而视觉受损者通常无法运用。微软研讨院开发的 Canetroller 原型设备，则希望让视力受损人士在虚拟环境中也可以运用手杖停止导盲。

Canetroller 提供三品种型的反应：（1）由可穿戴式、可编程制动器发生物理阻力——模仿虚拟手杖碰到虚拟物体；（2）振动触觉反应——模仿手杖撞击物体或许划过各种外表时发生的振动; （3）3D 听觉反应——模仿真实世界手杖收回的声响。

图 6：一位盲人正在运用 Canetroller

Canetroller 可以让低视力者和盲人在不同的虚拟空间中停止模仿导盲训练，增加他们在日常环境中的风险。微软希望这项任务可以鼓励研讨人员和设计人员设计更无效的工具，使 VR 更具容纳性，思索到世界各地各种不同的群体。

微软研讨团队在虚拟触觉方面的这些创新，一方面希望可以激起其它研讨者的想象，另一方面也希望能为视障等特殊人群带来新的使用和希望，协助他们改善生活质量。此外，研讨人员还希望这些创新可以鼓舞更多的消费产品运用触觉渲染技术。置信触觉产品很快就会让 VR 和 AR 产品愈加逼真和身临其境。

雷锋网版权文章，未经受权制止转载。概况见。