重定向技術的分類研究

傅斯源 趙子杰 李曜冰

摘 ?要：近幾年，為了增強人們在VR交互體驗中的沉浸感，真實的步行穿越沉浸式虛擬環境（IVEs）是提高基于VR交互的自然度的一項重要活動，但由于虛擬世界大小受到物理空間限制，自然行走仍然是一個實現挑戰。使用重定向技術是一種很有希望的方法，它通過在虛擬環境中操縱用戶的路徑來放寬自然行走的空間要求，從而使現實世界的路徑保持在物理工作區的邊界內。

在本文中，我梳理了重定向技術的發展，根據幾何靈活性與用戶注意重定向技術的可能性將其分開，其中，我將強調分類為微妙的技術進行重新定向時，“改變盲目性重定向技術”的概念。此外，本文還將引入VR運動中基于細胞的重定向技術的概念，以“書架和鳥”技術為例，解釋這種新技術的理念和應用，探討可行性，介紹被動觸覺重定位技術，并在最后提出自己對重定向領域未來發展方向的看法。

關鍵詞：重定向技術;改變盲目性重定向技術;基于細胞的重定向技術;被動觸覺重定位技術;虛擬環境

1.引言

自然交互對于創建引人注目的虛擬現實體驗至關重要，尤其是運動，這是在與3D 圖形環境交互時執行的最常見和最普遍的任務之一。最自然的運動技術，相比真正的行走，已經被證明提供了更大的存在感。替代技術，也就是不采用現實的身體運動，為從業人員使用身臨其境的顯示器，因為物理空間的限制將最終限制可以探索的虛擬環境的大小。

重定向是一個有希望的解決方案，通過在虛擬環境中操縱用戶的路徑來放松自然行走的空間限制，使其偏離現實世界的路徑。

2.重定向技術的分類（Taxonomy of Redirection Techniques）

Suma 等人根據三個特征提出了重定向技術的分類：改變是微妙的還是公開的，重定向是重新定位還是重新定向，以及這種情況是連續還是謹慎地發生。

原始的重定向行走（RDW）技術屬于微妙的重定向的類別，其中的關鍵是通過利用人類感知的局限性來隱藏用戶的變化。與本文的技術更相似的是那些創建公開重定向的技術。Williams等人引入了顯式、離散的重定向，將用戶的位置或方向重置在跟蹤空間的邊界上。這些技術使用蠻力 "停止重置" 與預期敘述分開的操作，這很可能會顯著破壞用戶體驗。而Arch-w探系統，在該系統中，體系結構空間被劃分為單元（房間），當用戶在單元之間轉換時，將應用重定向。然而，為了讓真正的步行通過任意的建筑模型，Bruder等人根據房間的大小應用不同的步行比例因素，當用戶穿過房間之間的門時，使用較大的旋轉和曲率增益。這些特征可能會導致距離感知、不適和迷失方向的問題。

3.基于細胞的重定向技術（Cell-Based Redirection）

3.2 書架技術（The Bookshelf Technique）

電影和游戲有時以一個假的書架或壁爐為特色，當激活時，可以圍繞其垂直軸旋轉，將站在旁邊的人帶入相鄰的密室。書架技術使用了這個比喻。當用戶打算前往由墻連接的下一個單元時，他可以踩到連接到書架上的平臺，按一個黃色按鈕。一旦激活，書架將在虛擬場景中將自己（與用戶一起）旋轉180度，將用戶放置在墻的另一側的虛擬房間中。由于在現實中沒有發生這樣的旋轉，用戶實際上仍然站在同一個實驗室空間，面對真實墻的原始一側（圖A-C）。現在，目標虛擬室已重新定向，使其與物理可用的實驗室空間位于同一邊（圖C）。然后，用戶可以簡單地轉身步行遍歷虛擬房間，虛擬房間完美地映射到物理運動跟蹤空間（圖D）。注意需要將書架放在墻的中間。在每一對相鄰單元之間重復這種重定向，使用戶能夠遍歷比物理上可用的空間大得多的區域，而不會破壞游戲的敘述。

書架技術中的重定向。黑色矩形表示跟蹤的物理房間，而紅色和綠色的物理房間表示兩個虛擬房間。A：用戶從綠色房間開始，走上書架，激活重定向;B：書架在虛擬世界中與用戶一起旋轉，而他卻在現實中靜止不動;C：物理空間現在與紅色虛擬房間位于同一邊，用戶轉身面對它;D：用戶從書架上走下來，穿過紅色的虛擬房間。

要想有效，書架技術需要讓用戶相信他確實在輪換。我們通過多種方式幫助制造這種錯覺。首先，這個適用情況本身是可以從大眾媒體上獲得和熟悉的。第二，虛擬書架的一部分是由半透明玻璃（圖6A），這樣用戶就可以在重新定向的過程中看到下一個房間。這提供了視覺反饋，使感知的旋轉更有說服力。第三，我們在兩個單元格中提供空間聲音，并使用低音炮在書架轉動時創建基于振動的觸覺反饋。為了將物理空間重新映射到新單元格，書架需要連續旋轉180度。如果用戶在旋轉過程中從書架上走下來，他會認為自己毫無理由地被旋轉，也許會穿過虛擬墻，這打破了VR體驗。

3.3 基于細胞的重定向技術總結（Cell-Based Redirection）

從表面上看，書架和鳥的適用性似乎有限，因為它們使用了高度特定的適用情況。然而，它們實際上是我們稱之為 "基于細胞的重定向"（CBR）的一系列技術的實例。CBR 技術將 VE 劃分為離散單元，每個細胞的大小和形狀與跟蹤空間相同。每個細胞都可以通過真正的行走完全接觸到，并與物理空間完美地對齊。

用戶通過重新定向（例如，書架）或重新定位（例如，Bird）調用重定向來在相鄰單元格之間移動。CBR的主要特點是，每個單元內都使用自然的1：1 步行，而重定向與VE的敘述是一致的。其他適用情況可以在CBR家族中使用，以支持不同的說法。例如，可以在書架的位置上使用旋轉門將用戶旋轉到相鄰的房間。與鳥類似，可以提出一個 "天鉤" 系統，玩家通過抓住上面鐵軌上的鉤子，被抬到其他房間。電梯、自動扶梯或任何其他基于車輛的適用情況都可以應用來承載此類接口中的單元之間的用戶，只要新單元在過渡后與現實世界工作區重新對齊即可。

參考文獻

[1] ?E. A. Suma，G. Bruder，F. Steinicke，D. M. Krum，and M. Bolas. A taxonomy for deploying redirection techniques in immersive virtual environments. In IEEE Virtual Reality Workshops（VRW），2012，pp.43-46.

基金項目：“北京工業大學‘國家級大學生創新創業訓練計劃資助”。

項目編號：GJDC-2019-01-16