沉浸的VR體驗不僅體現(xiàn)在視覺上，聽覺、觸覺也很重要。尤其是在VR健身、VR運動場景，比如用虛擬球拍擊球時如果有逼真的體感反饋，那么不僅沉浸感更強、運動體驗也更自然。對于運動員來講，運動中的體感反饋甚至是提升技術(shù)的一項關(guān)鍵指標。

　　

　　就目前的VR來講，手柄通常僅提供震動反饋，效果類似于任天堂的Wii，只能通過震動來提示你球拍碰到了球，體驗感和真實運動差距較大。

　　為解決這一問題，臺北國立臺灣大學科研人員利用壓縮空氣原理，研發(fā)了一款VR體感方案：AirRacket，其特點是可渲染虛擬球拍在空氣中揮動時產(chǎn)生的阻力，可用來模擬網(wǎng)球、羽毛球、乒乓球運動的體感反饋。

　　據(jù)青亭網(wǎng)了解，該方案配備了類似于真人CS游戲中氣槍所使用的壓縮空氣筒，當VR中的虛擬球拍打到球時，可以瞬間發(fā)射一陣強空氣阻力。不過，AirRacket實際上僅能模擬不到10牛頓的阻力，而網(wǎng)球拍擊球的力量通常約為400牛頓。為此了彌補這一限制，科研人員采用了一些感知設(shè)計，來提升力反饋的逼真感。比如：在350毫秒內(nèi)，通過增加空氣阻力持續(xù)時間來提升感知阻力。如果持續(xù)時間翻7倍，感知阻力可翻4.1倍。

　　換句話說，就是延長球拍碰到球這一瞬間的時間，在真實場景中，人們這一瞬間的體感僅持續(xù)不到5毫秒，而在VR中，人們可以接受46到337毫秒左右的體感反饋。

　　解決的痛點

　　目前，VR手柄支持震動反饋，適用于模擬高爾夫球、乒乓球、羽毛球等等部分運動的體感。這些運動的特點是，打到球的力反饋比較輕。相比之下，如果用手柄的震動來模擬網(wǎng)球的體感，則力度較小、體驗感不自然。

　　

　　尤其是對于專業(yè)運動員和愛好者來講，球拍擊球的力度、沖擊角度都會影響到網(wǎng)球賽的結(jié)果，他們會根據(jù)這些微妙的信息，去判斷球?qū)⒌竭_對面的位置。而由于VR手柄難以提供準確的擊球體感，VR網(wǎng)球的感覺可能更像是游戲，而缺少真實網(wǎng)球運動所包含的豐富變化。

　　因此，科研人員希望通過可微調(diào)的氣壓來模擬打網(wǎng)球時的強力體感。他們將氣壓噴嘴連接到通用的可伸縮球拍手柄上，以模擬球拍的長度。

　　當虛擬球擊中球拍時，壓縮空氣從背包中的便攜式壓縮機壓入噴嘴。由于空氣以不同的方向噴射，該系統(tǒng)還可以模擬球的撞擊角度。

　　為了進行跟蹤，研究人員將Optitrack系統(tǒng)連接到球拍手柄的尖端。也可以采用Vive Tracker，不過會增加額外的重量，而采用的氣壓噴嘴則是彩彈槍的常見型號。

　　利用視覺錯覺

　　作為模擬目標，研究人員將乒乓球、羽毛球和網(wǎng)球這三種最受歡迎的球拍運動作為模擬目標，他們希望在虛擬現(xiàn)實中對其進行升級，以更好地感受球的感覺。對受試者的首次測試表明，觸覺系統(tǒng)可以增加這些球拍運動的沉浸感和精確度。

　　

　　在VR中可視化的力，特別是沖擊的長度（350毫秒對50毫秒），可以使感覺到的力比噴嘴實際產(chǎn)生的力強四倍。

　　不過，AirRacket采用的空氣壓縮設(shè)備成本較高，可能不適合家用VR場景，更適合專業(yè)的VR培訓或是線下VR體驗店。

　　除了羽毛球、網(wǎng)球外，該方案還可適用于劍術(shù)等其他運動，此外，還為曲棍球、高爾夫、棒球、劍和壁球提供了其他可3D 打印的握把。

　　使用壓縮空氣推進噴射器提供定向沖擊力，模擬乒乓球、羽毛球、網(wǎng)球三種運動的體感。通過對72名參與者進行體驗調(diào)查，結(jié)果顯示與基于物理的設(shè)計相比，感知設(shè)計可以顯著提高非接地力反饋系統(tǒng)的真實感和偏好。

　　

　　當球拍擊中球或羽毛球時，產(chǎn)生的沖量（即短時間內(nèi)的方向力）會產(chǎn)生球拍的線性和旋轉(zhuǎn)加速度。使用者手部、手臂、肩部、軀干和腿部的肌肉必須協(xié)同工作來引導球拍并保持身體姿勢。這種觸覺體驗包括：1) 手握拍柄的觸覺，包括壓力、皮膚拉伸和振動，以及 2) 運動感覺和本體感覺，包括多個肌肉群的關(guān)節(jié)位置和收縮，以對抗通過球拍的沖擊力。

　　方案細節(jié)

　　AirRacket方案包含一個3D打印手柄、一個碳纖維軸（直徑分別為14毫米和23毫米），以及一個3D打印噴嘴支架上的兩個降噪噴嘴。每個噴嘴都通過L形配件連接到6毫米低摩擦聚氨酯管，該管在軸內(nèi)運行并連接氣動控制系統(tǒng)。每個設(shè)備都配有運動專用手柄，以匹配真實球拍的觸感。

　　

　　AirRacket系統(tǒng)的移動版本，它帶有一個1.1L高壓空氣罐和一個 24V 直流電池，可以輕松放入小背包中。其中的氣罐重1.5Kg，支持最大壓力31MPa（4500psi），其余氣動控制系統(tǒng)重848g。另外，為乒乓球、羽毛球和網(wǎng)球定制的設(shè)備重量分別為147g、157g和258g。

　　它能夠在3牛頓時渲染570個脈沖，在 1N 時渲染2000+個脈沖，這對于300～500次擊球的典型網(wǎng)球比賽（初級到大滿貫賽事）來說已經(jīng)足夠了。

　　效果優(yōu)化

　　為了驗證AirRacket效果，科研人員進行了實驗調(diào)查并發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有方案存在三項限制：1）力量變化不明顯，模擬不同球類運動時，推進力大小差異不大；2）對網(wǎng)球方向力模擬效果弱，大力揮拍時，空氣阻力反饋沒有明顯加強，與真實的阻力有差距；3）模擬乒乓球時，方向力太強，破壞逼真感。

　　于是，科研人員決定延長力反饋時長，來模擬阻力變化程度，并為此設(shè)計了力映射模型，模型有四個獨立的變量：基線、縮放、最大+持續(xù)時間和縮放+持續(xù)時間。

　　觸覺信息對于現(xiàn)實世界中的動態(tài)交互至關(guān)重要，增加觸覺反饋的動態(tài)范圍可以幫助預(yù)測軌跡，甚至幫助用戶調(diào)整下一次擊球的揮桿速度，提升目標瞄準的精確度。

　　未來，科研人員計劃提升AirRacket可模擬的力度，以模擬拳擊、打擊樂、后坐力、踢足球等力反饋場景。此外，還將繼續(xù)縮減AirRacket手柄部分的重量，甚至與VR手柄的震動反饋結(jié)合，模擬更細節(jié)的動態(tài)力反饋。參考：Mixed.de