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讓運動型 VR 體驗更真實!一探台灣研究團隊在國際拿獎的神奇技術成果

在 2019 年 Siggraph Asia 中,來自交大的台灣研發團隊在 Emerging Technologies 展示中,奪下最佳系統展示獎 (Best Demo Award)。他們所設計的《利用身體動覺力回饋增強虛擬實境懸吊活動之研究》主要是利用懸吊訓練套件(Total Resistance eXercises, TRX)改造的體感裝置《Pull-Ups》,帶給使用者在 VR 體驗中感受到真實運動該有的身體感受,也就是說當未來在玩 VR 遊戲時,可能對手的攻擊,或撞到某東西時的反應,都會在真實世界中感受到!讓我們來看看研發團隊是如何打造出如此劃時代的研究吧!


交通大學碩士團隊

由國立交通大學 Pro-Interaction LAB 碩士生葉元勳(右)和陳欣妤(中)共同開發,該研究的指導老師為詹力韋教授(左)。


首先談談該研究的內容與目標? 

《Pull-Ups》是這次主要的使用體感裝置,基於懸吊訓練套件改造的,可以輔助多種運動姿勢,並實現以力回饋提升在 VR 中的運動體驗。這項研究的初期目標在於引體力回饋 (pull-ups force feedback) 的設計,也是這個互動裝置能模擬真實運動感受的關鍵因素。為了讓《Pull-Ups》能產生力回饋,我們將氣動肌肉 (Pneumatic artificial muscles) 整合到訓練套件的懸吊架構。接著,我們透過一個外部氣壓系統來控制氣動肌肉的收縮,使得該套件能拉動使用者身體產生引體位移的效果,也就是所謂的「引體力回饋」。透過即時的收縮控制,我們能將力回饋應用在 VR 的體感設計。為了探索《Pull-Ups》在體感設計上的可能性,我們開發了三種 VR 遊戲,分別讓使用者以不同的身體姿勢操作以及體驗海上風箏衝浪、飛行傘降落和太空侵略者 (Space Invader)(一種 VR 的射擊遊戲)。  


當初為何想以《Pull-Ups作為研究主題?

主要的目的在提升 VR 的沈浸感,畢竟適當的觸覺回饋是實現沈浸感的重要因素之一。然而,人類的觸覺回饋相當精巧且複雜,包含皮膚的觸摸感受及溫度感受等,也包括肌肉的力回饋。因此,近年有許多研究探討如何在 VR 模擬觸覺回饋。而觸覺回饋的模擬需要透過硬體的手段來完成,例如必須藉由震動器、熱電材料或是馬達等介面來產生真實的觸摸、溫度及力量回饋。在 VR 的應用中,又必須考慮裝置的穿戴性,不能過度增加使用者的負擔。可惜的是,目前不存在單一有效的方法,能同時產生多種觸覺回饋,因此往往需要為各種應用,設計專門的回饋模擬機制。

在研究裡,我們著重在設計運動體驗需要的引體力回饋,並希望能應用在多種運動類型。基於上述考量,我們選擇了 「Total Resistance eXercises」(TRX)懸吊訓練套件,它原來的機制即被設計成可支撐不同的身體姿勢,訓練不同部位的肌肉強度和柔軟度,相當適合應用於 VR 體感設計。《Pull-Ups》可說是懸吊訓練套件的升級版,除了其懸吊運動特性可被應用在模擬多種運動型態,我們將動力系統整合至懸吊架構,更能主動對使用者身體產生引體力回饋,提升 VR 的體感經驗。 

《Pull-Ups》裝置
利用擴增實境輔助使用者進入虛擬世界
使用者體驗測試

提到運動帶來的感受,可以舉其中一個遊戲展出的例子,跟我們說明應用方式?

以這次在 Siggraph Asia 展示的海上衝浪而言,我們利用《Pull-Ups》的力回饋讓使用者的身體前後擺盪,模擬衝浪時身體隨著海浪起伏的體感。除此之外,當使用者衝上跳板,《Pull-Ups》會增強力回饋的時間與強度,搭配使用者落回水面的時機釋放力回饋。當觸發加速時,《Pull-Ups》也會提高海浪擺動的力回饋頻率。 

海上風箏衝浪體驗
設計易於維持的互動姿勢
飛行傘降落體驗

VR 追蹤器在研究中有甚麼作用? 

我們將 VR 追蹤器安裝在懸吊系統的把手處,並提出增加使用者安全感以及操作感的互動設計。例如戴上 VR 頭戴顯示器後,使用者即無法看到真實世界,不容易掌握把手的位置,也容易失去平衡。為了確保使用者感到安心,我們設計成當使用者尚未握住把手時,頭戴顯示器會切換至實境模式,打開前置鏡頭讓使用者可以看到現場環境,也就能看到真實把手的位置以方便抓握。而當使用者握住把手時,頭戴顯示器即自動切換至虛擬實境模式,進入體驗。此外,在操作感互動設計部分,在海上風箏衝浪和飛行傘降落的體驗中,使用者可以透過把手的位置操控風箏及飛行傘的飛行方向,而在太空侵略者體驗中,則是透過把手瞄準射擊侵略者,以及快速轉動把手來切換武器。

你們是如何讓力回饋有更多層次與不同的反應?

當使用者透過把手將體重依靠在裝置上時,這項裝置可以透過氣動肌肉拉動使用者身體向上,形成引體力回饋。藉由控制左右手拉升程度的不同,我們可以產生「對稱式」和「非對稱式」力回饋。

在「對稱式」的設計中,左右把手會同時被驅動。如脈衝 (Impulse) 一次性地拉起或放下使用者的身體,如太空侵略體驗的大砲發射,可讓使用者的身體向上抬升直到釋放,我們將這種力回饋使用在雷射槍的發射,發射期間使用者會被抬起直到發射結束。另外長或短的連續脈衝回饋可讓身體產生擺盪 (Oscillation) 或是振動 (Vibration) 的感受,這能模擬身體隨著海浪上下起伏的體驗,以及太空侵略者的三連發武器。

另外在不對稱的回饋設計中,傾斜式脈衝 (Tilt-Impulse) 僅驅動單一把手,這能讓使用者身體快速傾斜,如飛行傘降落時的方向提示,暗示使用者遵循軌道。而傾斜式抬起 (Tilt-Lift) 則會拉動使用者的左右一側直到釋放氣壓,這能讓使用者身體維持在傾斜的姿勢,我們將這力回饋用在飛行傘體驗,使用者透過左右位移改變飛行傘方向,同時飛行傘會傾斜並產生傾斜抬起回饋讓使用者一同傾斜。最後《Pull-Ups》能產生交替傾斜 (Alternating Tilts) 的回饋,左右手交替傾斜模擬連續上升的感覺,類似於爬上梯子或模擬飛行傘碰觸上升氣流時的向上爬升的體感。

你們認為該研究可以做什麼樣的延伸應用?

根據使用者體驗研究顯示,僅應用懸吊訓練套件於 VR 體感設計已經能有效增加體驗真實度和娛樂性。然而,若能進一步疊加《Pull-Ups》提供的引體力回饋,則更能藉由強化體感提升娛樂效果。此外,我們也發現這樣的體感設計能有效降低 VR 運動體驗常見的動暈症(Motion Sickness)。總結來說,懸吊訓練套件本來就設計為室內運動器材,這個研究展示了將該套件應用於 VR 運動模擬的絕佳潛力。若是在強調娛樂性的商業場合,我們建議可導入《Pull-Ups》的引體力回饋,加強互動體感的效果。  

相較於實體健身房你認為《Pull-Ups有甚麼優勢?

實體健身房有各式各樣的健身平台,以及專業人員的指導,可以針對使用者想鍛練的肌肉部位給出建議,比較適合需要專業訓練的使用者。然而這套系統的特色在於單一平台可用於不同的運動類型,並且能讓使用者在娛樂的過程中鍛鍊身體,因此適合有空間限制的場合或希望能在訓練的過程中提供娛樂性質的使用者,如家中或主題樂園。


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