虛擬現(xiàn)實(shí)大空間下多虛擬目標(biāo)被動(dòng)觸覺(jué)交互方法

王杰科，李琳，張海龍，鄭利平

虛擬現(xiàn)實(shí)大空間下多虛擬目標(biāo)被動(dòng)觸覺(jué)交互方法

王杰科1，李琳1，2*，張海龍1，鄭利平2

（1.合肥工業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院，合肥 230601； 2.安全關(guān)鍵工業(yè)測(cè)控技術(shù)教育部工程研究中心（合肥工業(yè)大學(xué)），合肥 230009）（?通信作者電子郵箱lilin_julia@hfut.edu.cn）

針對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）大空間下為重定向行走的用戶(hù)提供被動(dòng)觸覺(jué)時(shí)存在的虛實(shí)交互目標(biāo)無(wú)法一一對(duì)應(yīng)的問(wèn)題，提出了一種用兩個(gè)物理代理作為觸覺(jué)代理為多個(gè)虛擬目標(biāo)提供觸覺(jué)反饋的方法，以在基于人工勢(shì)場(chǎng)（APF）的重定向行走過(guò)程中，交替地滿(mǎn)足用戶(hù)被動(dòng)觸覺(jué)的需求。針對(duì)重定向行走算法本身以及標(biāo)定不精確等原因造成的虛實(shí)不對(duì)齊的問(wèn)題，對(duì)虛擬目標(biāo)的位置及朝向進(jìn)行設(shè)計(jì)并且在交互階段引入觸覺(jué)重定向。仿真實(shí)驗(yàn)表明對(duì)虛擬目標(biāo)位置和朝向的設(shè)計(jì)可以大幅降低對(duì)齊誤差；而用戶(hù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明觸覺(jué)重定向的引入進(jìn)一步提升了交互準(zhǔn)確性，且能為用戶(hù)帶來(lái)更豐富、更具沉浸感的體驗(yàn)。

虛擬現(xiàn)實(shí)大空間；重定向行走；多虛擬目標(biāo)；被動(dòng)觸覺(jué)；觸覺(jué)重定向

0 引言

隨著低成本頭戴式顯示器（Head?Mouted Display， HMD）的出現(xiàn)，沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality， VR）在普通用戶(hù)中得以普及。如何讓用戶(hù)在有限的物理空間中漫游更大、更豐富的虛擬空間被不斷地研究。基于用戶(hù)是否移動(dòng)，大空間漫游技術(shù)可分為靜止漫游［1］和行走漫游。基于行走的漫游通過(guò)在現(xiàn)實(shí)空間中真實(shí)的行走給用戶(hù)帶來(lái)更好的臨場(chǎng)沉浸感，然而用戶(hù)戴上頭盔在有限的物理空間移動(dòng)很容易接觸到邊界和障礙物。根據(jù)對(duì)該問(wèn)題處理方式的不同，基于行走的漫游可分為：重定向行走（Redirected Walking， RDW）漫游［2］、基于操控空間結(jié)構(gòu)［3］的漫游以及基于場(chǎng)景映射的漫游［4］。操縱空間結(jié)構(gòu)的方式對(duì)虛擬場(chǎng)景的結(jié)構(gòu)和類(lèi)型要求比較嚴(yán)格，大多數(shù)情況下只能用于多個(gè)小房間組成的室內(nèi)場(chǎng)景；場(chǎng)景映射方式是通過(guò)將虛擬場(chǎng)景中的道路映射到現(xiàn)實(shí)空間內(nèi)部，從而實(shí)現(xiàn)自由行走，但是當(dāng)虛擬場(chǎng)景較大時(shí)道路扭曲變形比較大，嚴(yán)重影響用戶(hù)體驗(yàn)。RDW主要通過(guò)操控人的感知來(lái)對(duì)虛擬場(chǎng)景進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，對(duì)場(chǎng)景適應(yīng)度高，在一定程度上壓縮用戶(hù)在現(xiàn)實(shí)空間中的行走區(qū)域，應(yīng)用最為廣泛。

在大空間漫游中增加交互將進(jìn)一步提高用戶(hù)體驗(yàn)，觸覺(jué)能使用戶(hù)產(chǎn)生更真實(shí)的沉浸感，在交互過(guò)程中有著不可替代的作用。Hinckley等［5］開(kāi)創(chuàng)了使用被動(dòng)道具作為觸覺(jué)反饋的被動(dòng)觸覺(jué)（Passive Haptics）的概念。與以HTC VIVE為代表的通過(guò)手柄震動(dòng)來(lái)為交互提供觸覺(jué)反饋相比，被動(dòng)觸覺(jué)能夠提供更真實(shí)的觸覺(jué)，與通過(guò)機(jī)械臂［6］為用戶(hù)觸摸和抓取VR場(chǎng)景中的虛擬對(duì)象時(shí)提供觸覺(jué)反饋的方式相比，被動(dòng)觸覺(jué)價(jià)格低廉、安全且容易實(shí)施。被動(dòng)觸覺(jué)一般要求虛擬空間與現(xiàn)實(shí)空間滿(mǎn)足一對(duì)一地固定映射，然而大空間漫游算法均需改變虛實(shí)映射，觸覺(jué)代理很難與虛擬目標(biāo)做到一對(duì)一地映射。

針對(duì)大空間VR下為多個(gè)虛擬目標(biāo)提供觸覺(jué)存在的虛實(shí)多對(duì)一的映射且映射不對(duì)齊的問(wèn)題，本文通過(guò)用兩個(gè)觸覺(jué)代理交替地作為虛擬物體的真實(shí)映射目標(biāo)，基于人工勢(shì)場(chǎng)（Artificial Potential Field， APF）的重定向算法，實(shí)現(xiàn)了在VR大空間行走中為用戶(hù)提供真實(shí)的觸覺(jué)反饋體驗(yàn)。具體工作如下：

1）提出一種在VR大空間下，通過(guò)兩個(gè)物理代理交替的方式實(shí)現(xiàn)為多個(gè)虛擬目標(biāo)提供觸覺(jué)反饋。

2）通過(guò)對(duì)虛擬交互區(qū)位置及朝向的設(shè)計(jì)來(lái)保證虛實(shí)對(duì)齊的精確度，保證了后續(xù)交互的成功率。

3）在交互階段結(jié)合觸覺(jué)重定向方法，進(jìn)一步提高用戶(hù)交互質(zhì)量。

1 相關(guān)工作

在大空間VR解決方案中，重定向行走算法的研究不斷發(fā)展［7］，如轉(zhuǎn)向中心算法、轉(zhuǎn)向軌道、轉(zhuǎn)向多目標(biāo)算法［8］等，但它們都只關(guān)注如何在有限的物理空間中來(lái)漫游更大的物理空間的同時(shí)盡可能少地接觸邊界，并不關(guān)注虛擬環(huán)境與物理環(huán)境之間的對(duì)齊；近兩年提出了基于人工勢(shì)函數(shù)的重定向行走算法，如Thomas等［9］在2019年提出了一種推拉的反應(yīng)式算法P2R（Push/Pull Reactive algorithm）來(lái)引導(dǎo)用戶(hù)遠(yuǎn)離障礙物；Bachmann等［10］基于APF提出了支持多個(gè)用戶(hù)同時(shí)漫游的方法；Messinger等［11］基于APF探索了不規(guī)則物理空間的影響。雖然這幾種方法并不致力于虛實(shí)映射的對(duì)齊，但是基于APF思想，加入吸引力分量為將用戶(hù)引導(dǎo)至物理交互區(qū)提供了可能。

被動(dòng)觸覺(jué)要求虛擬空間與現(xiàn)實(shí)空間一對(duì)一地映射。而當(dāng)感官?zèng)_突時(shí)，視覺(jué)占主導(dǎo)地位，Kohli等［12］基于此提出了一種通過(guò)扭曲虛擬空間將多個(gè)虛擬對(duì)象映射到一個(gè)物理對(duì)象的重定向觸摸（Redirected Touching）技術(shù)為交互提供觸覺(jué)反饋。Azmandian等［13］則創(chuàng)建了一個(gè)用于重新利用被動(dòng)觸覺(jué)的框架，稱(chēng)為觸覺(jué)重定向（Haptic Retargeting）。該方法通過(guò)重復(fù)利用用戶(hù)附近的物理對(duì)象，允許單個(gè)物理對(duì)象為多個(gè)不同的虛擬物體提供觸覺(jué)反饋。但目前觸覺(jué)重定向主要解決在原地的交互，還未應(yīng)用在大空間漫游之后的交互中。

目前，在VR大空間中為虛擬物體提供觸覺(jué)反饋的研究很少。Kohli等［14］提出了一種方法實(shí)現(xiàn)將用戶(hù)從一個(gè)虛擬基座帶到另一個(gè)虛擬基座，同時(shí)在物理空間中返回到同一基座。該方法旋轉(zhuǎn)圓形基座來(lái)規(guī)避角度誤差，且每次要走向某個(gè)虛擬基座之前都要先到達(dá)該基座與物理基座所在圓弧的圓心上，體驗(yàn)感較差。Thomas等［15］在基于APF的重定向算法基礎(chǔ)上，增加了吸引力分量將用戶(hù)引導(dǎo)至物理交互區(qū)，以提高虛擬交互區(qū)與物理交互區(qū)對(duì)齊精確性；但該方法只考慮了距離誤差，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明誤差也比較大，且未通過(guò)真正的交互實(shí)驗(yàn)加以驗(yàn)證。

2 本文交互系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1　硬件方案設(shè)計(jì)

圖1　本文交互系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

虛擬場(chǎng)景中用戶(hù)行走路線(xiàn)及虛擬交互點(diǎn)示意如圖2所示。用戶(hù)以一個(gè)物理交互區(qū)為起點(diǎn)，虛擬空間中的起點(diǎn)為初始位置，然后在虛擬空間中走向下一個(gè)虛擬交互區(qū)，同時(shí)在物理空間中會(huì)逐漸地被引導(dǎo)至另一個(gè)物理交互區(qū)，走到交互區(qū)完成觸摸交互，然后再轉(zhuǎn)向下一個(gè)目標(biāo)，如此循環(huán)。

圖2　虛擬場(chǎng)景中的路線(xiàn)及交互點(diǎn)示意圖

本文采用兩個(gè)物理交互區(qū)的設(shè)計(jì)是為了改進(jìn)文獻(xiàn)［14］中使用單個(gè)物理交互區(qū)連續(xù)作為對(duì)齊目標(biāo)時(shí)需要設(shè)置中間拐點(diǎn)或旋轉(zhuǎn)點(diǎn)的問(wèn)題，本文設(shè)置兩個(gè)物理交互區(qū)交替地為多個(gè)虛擬交互區(qū)提供觸覺(jué)，當(dāng)完成一次對(duì)齊后，另外一個(gè)物理交互區(qū)將自動(dòng)成為對(duì)齊目標(biāo)。

2.2　系統(tǒng)流程

本文系統(tǒng)分為客戶(hù)端軟件和服務(wù)器端軟件：客戶(hù)端軟件部署在連接Kinect的主機(jī)上；服務(wù)器端軟件部署在連接VR的主機(jī)上。實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，目標(biāo)生成模塊會(huì)按照3.2、3.3節(jié)中的方式生成虛擬交互區(qū)，然后在用戶(hù)朝著目標(biāo)徑直前進(jìn)時(shí)通過(guò)重定向行走模塊不斷地旋轉(zhuǎn)虛擬場(chǎng)景來(lái)改變用戶(hù)行走方向；當(dāng)用戶(hù)走到虛擬交互區(qū)時(shí)由于施加的對(duì)齊效果，在物理空間中的位置也在物理交互區(qū)附近，此時(shí)部署在物理交互區(qū)的客戶(hù)端將通過(guò)手部捕捉模塊不斷地獲取用戶(hù)右手掌心位置，經(jīng)過(guò)坐標(biāo)變換后將其通過(guò)TCP Client模塊發(fā)送至服務(wù)器端，服務(wù)器端通過(guò)TCP Server模塊收到坐標(biāo)后將通過(guò)同步模塊不斷更新虛擬手位置，當(dāng)用戶(hù)進(jìn)入觸覺(jué)重定向后，觸覺(jué)重定向模塊將會(huì)對(duì)虛擬手施加偏移，當(dāng)虛擬手接觸到虛擬交互區(qū)前方放置的虛擬目標(biāo)后視為本次交互結(jié)束，將生成下一個(gè)虛擬交互區(qū)。本文的軟件架構(gòu)如圖3所示。

圖3　系統(tǒng)軟件架構(gòu)

3 面向觸覺(jué)代理的重定向行走

與之前的重定向算法不同，面向觸覺(jué)代理的重定向行走方法必須要保證虛擬交互區(qū)與物理交互區(qū)對(duì)齊的準(zhǔn)確性。本文通過(guò)以下方法來(lái)提高對(duì)齊精確性。

3.1　重定向行走算法

本文采用文獻(xiàn)［15］中基于APF的重定向行走算法來(lái)實(shí)現(xiàn)用戶(hù)在虛擬空間中的漫游（注：本文后續(xù)提到APF算法特指該算法），該算法通過(guò)在勢(shì)函數(shù)中加入吸引力分量來(lái)提高算法的對(duì)齊能力。

算法1 APF算法。

輸出 用戶(hù)當(dāng)前最佳的轉(zhuǎn)向方向；

2）計(jì)算物理對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)所產(chǎn)生的勢(shì)能：

3）計(jì)算用戶(hù)當(dāng)前位置的總勢(shì)能：

4）計(jì)算總勢(shì)能的負(fù)梯度作為最優(yōu)的轉(zhuǎn)向方向：

5）根據(jù)施加平移增益和曲率增益。

需要注意的是，當(dāng)用戶(hù)在虛擬空間中移動(dòng)時(shí)，在重定向算法中只施加曲率增益和平移增益，沒(méi)有施加旋轉(zhuǎn)增益。

為防止用戶(hù)走出游玩區(qū)，采用2∶1旋轉(zhuǎn)重置算法［16］，即當(dāng)用戶(hù)走到物理邊界時(shí)，提醒用戶(hù)在虛擬環(huán)境中旋轉(zhuǎn)一周，同時(shí)利用旋轉(zhuǎn)增益，實(shí)際上在物理環(huán)境中剛好旋轉(zhuǎn)180°。用戶(hù)經(jīng)過(guò)2∶1旋轉(zhuǎn)重置算法后，在虛擬環(huán)境中依然是朝著虛擬目標(biāo)的，而在物理環(huán)境中卻剛好與重置前的方向相反，之后可以繼續(xù)朝向物理環(huán)境內(nèi)部進(jìn)行漫游。

3.2　虛擬交互區(qū)的位置及朝向設(shè)計(jì)

將該式轉(zhuǎn)換后可得：

圖4　虛擬交互區(qū)位置與朝向的設(shè)計(jì)

3.3　擴(kuò)展角度

圖5　角度擴(kuò)展前后對(duì)比

4 面向Kinect交互的觸覺(jué)重定向

4.1　多Kinect位置跟蹤與同步

由于需要對(duì)兩個(gè)相距較遠(yuǎn)的物理交互區(qū)進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)，本文參考文獻(xiàn)［17］中的方法，采用雙Kinect對(duì)用戶(hù)右手進(jìn)行跟蹤，但同一時(shí)刻用戶(hù)只可能在一個(gè)設(shè)備的監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)。采用客戶(hù)端?服務(wù)端模式，每臺(tái)設(shè)備與相應(yīng)的客戶(hù)端計(jì)算機(jī)連接，將獲得的手部坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為世界坐標(biāo)后，通過(guò)TCP協(xié)議將數(shù)據(jù)傳給服務(wù)器端，服務(wù)器端根據(jù)收到的手部坐標(biāo)對(duì)虛擬手位置進(jìn)行實(shí)時(shí)的更新。

4.2　觸覺(jué)重定向過(guò)程

在實(shí)際的實(shí)驗(yàn)中，由于用戶(hù)并非精確地徑直走向虛擬交互區(qū)以及測(cè)試實(shí)驗(yàn)環(huán)境的標(biāo)定誤差等原因，用戶(hù)達(dá)到虛擬交互區(qū)時(shí)依然存在著虛實(shí)不對(duì)齊的問(wèn)題，因此在交互階段采用觸覺(jué)重定向技術(shù)進(jìn)一步提高用戶(hù)交互的成功率。

5 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)環(huán)境為Windows 10 x64，Unity3D引擎2019.2.8（64 bit），硬件平臺(tái)為Intel Core i7-1075H，內(nèi)存16 GB，NVIDIA GeForce2060RTX顯卡。首先通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證虛擬交互區(qū)的位置和朝向設(shè)計(jì)對(duì)虛實(shí)對(duì)齊精確性的作用；然后通過(guò)用戶(hù)交互實(shí)驗(yàn)來(lái)說(shuō)明本方案的在實(shí)際用戶(hù)交互中的表現(xiàn)。

5.1　仿真實(shí)驗(yàn)

仿真實(shí)驗(yàn)采用Azmandian等［19］的模擬器驗(yàn)證本文相關(guān)設(shè)計(jì)對(duì)虛實(shí)對(duì)齊準(zhǔn)確性的作用，并與APF算法進(jìn)行對(duì)比。

圖6　重定向過(guò)程中和的位置變化

5.1.1實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

仿真場(chǎng)景設(shè)計(jì)：考慮到需進(jìn)行角度對(duì)齊，仿真場(chǎng)景的虛擬航路點(diǎn)用戶(hù)采用一個(gè)圓形的物理交互區(qū)（白色）并在其前方布置一張桌子來(lái)代替原模擬器中的小球，仿真場(chǎng)景的俯視圖如圖7所示。物理空間大小為10 m × 10 m，實(shí)驗(yàn)采用兩個(gè)相距8 m，朝向相對(duì)的物理航路點(diǎn)作為對(duì)齊目標(biāo)，交替地作為虛擬航路點(diǎn)的對(duì)齊對(duì)象。為了驗(yàn)證對(duì)虛擬目標(biāo)位置進(jìn)行設(shè)計(jì)之后對(duì)對(duì)齊精確度的提升效果，實(shí)驗(yàn)分為了三組。每組實(shí)驗(yàn)會(huì)陸續(xù)生成100個(gè)航路點(diǎn)，每個(gè)航路點(diǎn)都是在距離前一個(gè)航路點(diǎn)的隨機(jī)距離上產(chǎn)生的。

圖7　仿真場(chǎng)景俯視圖

實(shí)驗(yàn)三（APF+位置+朝向，即本文方法）：使虛擬交互區(qū)的朝向角度滿(mǎn)足式（3）式中的條件，即在使用APF算法基礎(chǔ)上考慮虛擬交互區(qū)位置和朝向。

圖8展示了仿真實(shí)驗(yàn)一次對(duì)齊的過(guò)程，其中深色路線(xiàn)為虛擬路徑，淺色為真實(shí)路徑，深色圓形為虛擬交互區(qū)，白色圓形為物理交互區(qū)。

圖8　一次對(duì)齊過(guò)程

5.1.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果

仿真實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明，按照本文方法在使用APF重定向行走算法基礎(chǔ)上，對(duì)虛擬目標(biāo)的位置以及朝向進(jìn)行設(shè)計(jì)之后，虛實(shí)對(duì)齊的距離和角度誤差均得到了明顯的減小，誤差可以達(dá)到交互的水平，與此同時(shí)，平均每次重置所漫游的距離也明顯提高，這為后續(xù)真正的交互實(shí)驗(yàn)提供了有力的支撐。

表1　模擬器實(shí)驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)

5.2　用戶(hù)實(shí)驗(yàn)

5.2.1實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

圖9　物理交互區(qū)與物理場(chǎng)景

虛擬場(chǎng)景設(shè)計(jì)：如圖10（a）所示，虛擬交互區(qū)在仿真實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，放置一個(gè)方盒作為觸摸目標(biāo)。整個(gè)虛擬場(chǎng)景在是一個(gè)開(kāi)闊的空間中設(shè)置了6個(gè)處在不同位置及角度的虛擬交互區(qū)，如圖10（b）所示，其位置及朝向符合式（1）、（2）、（3）的要求。實(shí)驗(yàn)中陸續(xù)生成這6個(gè)虛擬交互區(qū)，用戶(hù)在虛擬空間中從起始位置出發(fā)，逐一與多個(gè)目標(biāo)完成交互。當(dāng)用戶(hù)在虛擬交互區(qū)中觸摸到方盒時(shí)視為本次交互結(jié)束，提醒用戶(hù)結(jié)束本次交互，然后自動(dòng)生成下一個(gè)目標(biāo)，用戶(hù)繼續(xù)朝著下一個(gè)目標(biāo)前進(jìn)。依次完成6次觸摸交互后實(shí)驗(yàn)結(jié)束。

圖10　虛擬交互區(qū)與虛擬場(chǎng)景

本實(shí)驗(yàn)邀請(qǐng)了10名年齡分布在20～25歲的志愿者來(lái)進(jìn)行交互系統(tǒng)的任務(wù)測(cè)試。他們中既有不熟悉VR交互環(huán)境的一般參與者，也有了解VR交互的研究人員，測(cè)試過(guò)程分為以下三個(gè)階段：1）介紹交互系統(tǒng)的基本使用方法；2）介紹具體測(cè)試任務(wù)；3）開(kāi)始任務(wù)測(cè)試。

5.2.2引入觸覺(jué)重定向的效果驗(yàn)證

為了驗(yàn)證在交互階段引入觸覺(jué)重定向的交互（Haptic Retargeting Interaction， HRI）與沒(méi)有引入觸覺(jué)重定向的交互（No Haptic Retargeting Interaction， NHRI）對(duì)交互質(zhì)量的影響，本文進(jìn)行了兩組實(shí)驗(yàn)：一組在交互時(shí)會(huì)施加重定向偏移，另一個(gè)則沒(méi)有，其他實(shí)驗(yàn)情況均保持一致。由于兩組實(shí)驗(yàn)所采用的漫游方式相同，故并未采用仿真實(shí)驗(yàn)中的EAA、EAM、EDA指標(biāo)，而是采用最直觀(guān)的交互成功率作為實(shí)驗(yàn)指標(biāo)，實(shí)驗(yàn)把用戶(hù)在虛擬空間和物理空間中同時(shí)觸摸到方盒作為交互成功，如圖11所示（本實(shí)驗(yàn)中把一個(gè)直徑為18 cm的紅色小球作為虛擬手）。

圖11　成功交互示例

表2　交互結(jié)果統(tǒng)計(jì)

5.2.3與其他交互方法對(duì)比

為了驗(yàn)證通過(guò)為大空間的虛擬目標(biāo)提供觸覺(jué)反饋對(duì)用戶(hù)體驗(yàn)感的提升，本文采取了與無(wú)被動(dòng)觸覺(jué)（NonHaptic Interaction， NHI）、指令交互模式（Command Interaction， CI）的方式來(lái)漫游進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。NHI交互下，拿走物理代理，用虛擬手碰撞虛擬物體，使用碰撞檢測(cè)進(jìn)行判斷。CI采取凝視方式作為指令，用戶(hù)凝視虛擬方盒超過(guò)1.5 s，就發(fā)出指令直接將虛擬手的位置移動(dòng)到虛擬方盒上，無(wú)需移動(dòng)手臂，也不提供觸覺(jué)代理。三種交互之前在大空間中行走方式保持一致。

本實(shí)驗(yàn)讓10名參與者分別使用三種交互系統(tǒng)。為了防止疲勞累積，參與者使用一種交互系統(tǒng)完成任務(wù)后便休息至少5 min并將目前應(yīng)用比較廣泛的CI交互模式作為第一組實(shí)驗(yàn)以降低學(xué)習(xí)效應(yīng)帶來(lái)的影響。實(shí)驗(yàn)完成后讓用戶(hù)進(jìn)行對(duì)比并分別填寫(xiě)問(wèn)卷調(diào)查。需要說(shuō)明的是實(shí)驗(yàn)中暈動(dòng)主要產(chǎn)生于在虛擬空間中漫游，而交互之前的漫游均采用文獻(xiàn)［15］中的重定向行走算法，且相關(guān)增益均限制在合理閾值中，故未開(kāi)展SSQ（Simulator Sickness Questionnaire）沉浸感問(wèn)卷調(diào)查［21］，本實(shí)驗(yàn)問(wèn)卷主要是針對(duì)交互階段，調(diào)查三種不同的交互方式的優(yōu)劣。問(wèn)卷主要包含以下陳述：

S1：使用該交互方式，我可以很快理解并且進(jìn)行交互操作。

S2：使用該交互方式讓我體驗(yàn)到高度的沉浸感。

S3：使用該交互方式可以滿(mǎn)足我的交互需求。

S4：使用該交互方式讓我感到很疲勞。

對(duì)于以上陳述，參與者從1～5五個(gè)分段中給出自己的評(píng)分，1分代表完全不同意，5分代表完全同意，各交互方式的平均得分結(jié)果如圖12所示。

圖12　調(diào)查問(wèn)卷結(jié)果

由圖12統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)：1）易學(xué)習(xí)度方面，HRI與NHI通過(guò)虛擬手交互更符合用戶(hù)日常的習(xí)慣，容易操作；對(duì)于未接觸過(guò)VR的人來(lái)說(shuō)，CI模式需要先進(jìn)行學(xué)習(xí)適應(yīng)才能正常操作，導(dǎo)致其易學(xué)習(xí)度稍低。2）疲勞感方面，NHI和HRI基本一致，比CI稍高，這是因?yàn)橥ㄟ^(guò)CI的方式，用戶(hù)不需要移動(dòng)手臂，NHI和HRI在進(jìn)行交互時(shí)，如果虛擬方盒與真實(shí)方盒距離較遠(yuǎn)時(shí)，觸覺(jué)重定向算法偏移會(huì)讓人稍有不適。3）沉浸感方面，HRI由于提供了較為精確的被動(dòng)觸覺(jué)，沉浸感最高；NHI由于沒(méi)有觸覺(jué)，用戶(hù)摸空的失望感導(dǎo)致沉浸感最差；CI由于是通過(guò)凝視的方式直接移動(dòng)虛擬手，沉浸感比NHI稍高。4）交互能力方面，參與者普遍認(rèn)為CI最好，這是因?yàn)槠渫ㄟ^(guò)凝視的方式直接移動(dòng)虛擬手，交互的速度和精確率都是最高的，NHI和HRI通過(guò)虛擬手交互，在施加觸覺(jué)重定向，交互速度稍慢，但也能滿(mǎn)足正常交互需求。

6 結(jié)語(yǔ)

目前VR大空間中重定向行走算法的研究已經(jīng)逐漸成熟，但將其與交互結(jié)合的研究較少。目前的方法都沒(méi)有很好地解決虛擬交互區(qū)與物理交互區(qū)之間的對(duì)齊問(wèn)題，虛擬交互區(qū)與物理交互區(qū)之間的位置誤差過(guò)大會(huì)直接影響到交互實(shí)驗(yàn)的存在感體驗(yàn)。本文通過(guò)基于人工勢(shì)場(chǎng)的重定向行走算法將用戶(hù)引導(dǎo)至物理交互區(qū)附近，通過(guò)對(duì)虛擬交互區(qū)位置和朝向角度的設(shè)計(jì)促進(jìn)虛實(shí)交互區(qū)對(duì)齊。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文方法可以有效提高對(duì)齊的準(zhǔn)確性，用戶(hù)交互實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在交互階段引入觸覺(jué)重定向技術(shù)后，交互成功率明顯提高。與無(wú)被動(dòng)觸覺(jué)以及指令交互模式交互方式進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)的結(jié)果顯示，通過(guò)本文中的方案為VR大空間中的虛擬目標(biāo)提供觸覺(jué)將明顯提升用戶(hù)的沉浸感且仍具有不錯(cuò)的交互質(zhì)量。

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Passive haptic interaction method for multiple virtual targets in vast virtual reality space

WANG Jieke1， LI Lin1，2*， ZHANG Hailong1， ZHENG Liping2

（1，，230601，；2，（），230009，）

Focused on the issue that real interaction targets cannot be matched with the virtual interaction targets one by one when providing passive haptics for redirected walking users in a vast Virtual Reality （VR） space， a method with two physical proxies acting as haptic proxies to provide haptic feedback for multiple virtual targets was proposed， in order to meet the user’s passive haptic needs alternately during the redirected walking process based on Artificial Potential Field （APF）. Aiming at the misalignment of virtual and real targets caused by the redirected walking algorithm itself and inaccurate calibration， the position and orientation of the virtual target were designed and haptic retargeting was introduced in the interaction stage. Simulation experimental results show that the design of the virtual target position and orientation can reduce the alignment error greatly. User experiments prove that haptic retargeting further improves the interaction accuracy and can bring users a richer and more immersive experience.

vast Virtual Reality (VR) space; redirected walking; multi?virtual target; passive haptics; haptic retargeting

This work is partially supported by National Key Research and Development Program of China （2020YFC1523100）， National Natural Science Foundation of China （61972128）.

WANG Jieke， born in 1994， M. S. candidate. His research interests include virtual reality， human?computer interaction.

LI Lin， born in 1977， Ph. D.， associate professor. Her research interests include virtual reality， human?computer interaction.

ZHANG Hailong， born in 1998， M. S. candidate. His research interests include virtual reality， human?computer interaction.

ZHENG Liping， born in 1978， Ph. D.， professor. His research interests include computer graphics and simulation.

TP391.9

A

1001-9081（2022）11-3544-07

10.11772/j.issn.1001-9081.2021122123

2021?12?17；

2022?03?01；

2022?03?07。

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2020YFC1523100）；國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（61972128）。

王杰科（1994—），男，河南許昌人人，碩士研究生，主要研究方向：虛擬現(xiàn)實(shí)、人機(jī)交互；李琳（1977—），女，安徽合肥人，副教授，博士，CCF會(huì)員，主要研究方向：虛擬現(xiàn)實(shí)、人機(jī)交互；張海龍（1998—），男，安徽阜陽(yáng)人，碩士研究生，主要研究方向：虛擬現(xiàn)實(shí)、人機(jī)交互；鄭利平（1978—），男，湖北麻城人，教授，博士，CCF會(huì)員，主要研究方向：計(jì)算機(jī)圖形學(xué)與仿真。