微軟探索『巨人』足下的VR自然移動機制，解放空間限制

VR/AR

2019

03/27

16:05

映維網

評論

虛擬現實研究人員正在探索如何實現自然的移動機制，它們是如何與故事空間相關聯，以及如何將用戶從今天的無障礙設置中解放出來，從而幫助他們安全地漫游現實世界。

虛擬現實在過去數年間已經逐漸普及開來，越來越多的人知道了這項前沿的技術。穿戴頭顯后，用戶將能立即傳送至到一個虛構的世界里，并仿如現實般沉浸其中。一直以來，VR的追蹤技術要求用戶局限于傳感器能夠追蹤其位置和移動的房間設置內。另外，你同時需要移除所有的物理障礙，從而確保無法感知現實世界的用戶的安全。

所述限制要求顯示的每個虛擬世界都映射至同一個房間。盡管非沉浸式內容同樣允許玩家在游戲世界中移動，但在VR中做同樣的事情會導致暈動癥。當視覺運動缺乏前庭刺激的匹配時，用戶就會產生頭暈惡心的癥狀。為了解決這個問題，虛擬體驗的設計者充分發揮了自己的想象力，嘗試通過各種解決方案來幫助用戶實現虛擬世界的移動，同時確保他們維持在物理游玩空間之內，比如說遠程傳送。

1. 通過放大用戶來壓縮距離

在一項最新的研究中，微軟研究員馬爾·岡薩雷斯·佛朗哥（Mar Gonzalez-Franco）和伊亞爾·歐菲克（Eyal Ofek）與倫敦大學學院的安東尼·史蒂德（Anthony Steed）教授，以及斯坦福大學的帕拉斯圖·阿巴泰（Parastoo Abtahi）教授進行了合作，嘗試了實現VR自然移動機制的不同方法。克服空間限制的一種方案是：改變空間或移動的尺度比例。《愛麗絲夢游仙境》和《小木匠漢斯的七里靴》（Seven-League Boots）等著名童話故事給研究人員帶來了靈感，并幫助他們創新了導航技術。具體說來，團隊壓縮了整個虛擬世界，并允許只在房間空間中走動的他們訪問巨大的城市。

圖1：通過縮小城市尺度，用戶可以自然地行走。用戶在現實世界中走的每一步都相對于城市環境中的10倍，仿佛用戶是在小人國世界醒來的巨型格列佛。

為了實現超速增益，團隊按照名為“Seven-League Boots”（取自《小木匠漢斯的七里靴》的技術來拉伸每一步。當用戶在物理世界中以自然的速度移動時，他們會感覺到虛擬世界的自己正以飛速移動。但是，如果速度達到一定程度時（大于3倍），用戶將開始失去對移動和加速的控制，從而減慢移動過程并增加其挫折感。

除了超速，研究人員同時考慮縮放用戶相對于虛擬世界的大小。與速度增益方法相比，這項技術利用了用戶移動和虛擬化身之間的1：1映射。研究人員發現即便比例增加到30倍，所述解決方案都能帶來自然的控制。對于行走在較小環境中的用戶，當往下看時，他們會感覺自己仿佛是一位正在探索玩具城的巨人。這樣的視點可能十分適合大型地標之間的行進，但環境的距離使得用戶難以發現周遭的細節，如識別道路中的特定門窗。研究人員探索的第二種方法是：眼睛級別的縮放，亦即圍繞用戶頭部縮小周圍的世界，從而產生一種用戶視圖位于正常人高度的錯覺。盡管可見移動相對于小型世界是飛快進行，但它維持了用戶的自然控制，并允許其自然地查看地面細節。

圖2：用戶在主要街道以常規比例行走時看到的虛擬城市（左邊）；縮放至巨人比例的視圖（中心）；當以地平線高度維持用戶視圖時，用戶可以實現快速的移動，同時可以確保自然的控制權。

當用戶到達目的地，并希望穿過VR樂園的大門時，他們可以縮放回1：1的比例。

微軟指出，這種移動機制存在一系列的優勢：它很自然，不需要訓練，能夠增加沉浸感（與傳送相比），并且避免的暈動癥。

2. VRoamer：在構建空間的同時解放虛擬現實

如果無需將玩家限制在移除了椅子和凳子等其他障礙物的小房間中，如果玩家可以完全離開房間并安全地穿過現實世界，并且物體和空間能夠巧妙地融入游戲世界與故事場景，這是否有可能呢？

微軟研究員克里斯蒂安·霍爾茲（Christian Holz），安迪·威爾遜（Andy Wilson）和伊亞爾·歐菲克（Eyal Ofek）希望能解放今天空間限制的自由漫游式VR體驗。與前研究實習生鄭龍磻一起，團隊構建了一個能夠在自然非受控制式環境中運行的VR系統（他們計劃在日本大阪舉行的IEEE VR 2019進行展示）。所述的系統VRoamer可以幫助用戶探索大型虛擬現實，同時在完整的物理空間中走動。需要特別提到的是，系統無需有關物理建筑空間的先驗知識，亦即能夠支持任意物理建筑空間。

VRoamer借助了板載攝像頭的內向外六自由度追蹤，同時利用頭顯的深度攝像頭來實時分析用戶周圍的3D結構。VRoamer的實時追蹤功能可以判斷建筑物中的可行走路徑，遮擋用戶路徑，并高亮潛在危險的物體和周圍的人群。這使得VRoamer構建的虛擬現實能夠允許用戶在避開障礙物的同時繞過巨大的虛擬空間。

圖3：對于當前的虛擬現實系統，用戶能夠穿梭于一個大型虛擬世界（左），但同時限制于在一個小小的物理空房間中（中心）。

微軟研究院現在開發了VRoamer，這種VR系統能夠幫助用戶在大型的建筑環境中進行自然的物理行走，同時又能確保用戶的安全和故事的進行。

研究人員面臨的最大挑戰之一是，VR用戶不能忽視周遭的世界，因為否則他們將在不受控制的環境中撞到墻壁，家具，或移動的人與寵物。為了確保用戶的安全，系統在虛擬世界渲染每一個可能的障礙物。

然而，相關障礙物的渲染必須符合虛擬世界的故事背景。因此，微軟研究員設計了VRoamer來代表已發現的障礙物，例如將餐桌或辦公室植物顯示為控制站臺或大型巨石，具體取決于用戶當前是在宇宙飛船中還是在叢林體驗之中。VRoamer可以為用戶創建一致且連續的虛擬敘事，并將游戲內容即時映射至用戶周圍的物理環境，又同時保持故事的沉浸特性，以及玩家及其周圍人員的安全。

體驗或游戲地圖通常是由對故事進展至關重要的物品和位置組成。例如，特定物品必須在一個地方采集，并在另一個地方使用。對于所述位置，游戲地圖的內容會給游戲渲染出特定的氣氛，并引導用戶朝下一個目標前景。無論用戶的物理環境如何，VRoamer都致力于向其展示相同的故事背景。對于微軟開發的系統，玩家正走在由走廊和地下室組成的地牢中。系統將一直追蹤用戶面前的物理世界幾何，并構建可能的路徑。當用戶到達物理世界的空地時，VRoamer將構建一個特定的敘述位置，并將其顯示給用戶。另一方面，如果物理環境十分混亂，VRoamer會將用戶引導到適合故事開展的其他位置。盡管虛擬體驗中的故事開展位置對于所有玩家來說都相似，但取決于周遭的建筑物，其布局和形狀將有所不同。