論VR技術(shù)的空間限制問題與解決方案

李振洋

摘 要：VR技術(shù)現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用到一些娛樂行業(yè)當(dāng)中，在一些游樂設(shè)施和游戲中，更為常見.現(xiàn)有的VR體驗(yàn)設(shè)備對VR技術(shù)的矛盾點(diǎn)進(jìn)行了一些回避和修飾.本文將重點(diǎn)總結(jié)和探討VR技術(shù)的空間限制問題與解決方法.VR技術(shù)一旦運(yùn)用到虛擬場景中，其空間限制的矛盾問題會(huì)日益凸顯，首先在大面積的虛擬場景體驗(yàn)中，VR體驗(yàn)的現(xiàn)實(shí)場景的面積要和VR虛擬場景的面積保持一致，才能保證VR體驗(yàn)不會(huì)中途中斷.但這對VR的現(xiàn)實(shí)布景要求是成倍數(shù)增加的，造成了現(xiàn)實(shí)場景構(gòu)建的高昂費(fèi)用.

關(guān)鍵詞：VR技術(shù);空間限制;建造成本;體驗(yàn);現(xiàn)實(shí)場景

中圖分類號：TE302? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號：1673-260X（2019）10-0131-03

一項(xiàng)新技術(shù)的產(chǎn)生，會(huì)給行業(yè)帶來很多新的視角，給運(yùn)行多年的技術(shù)帶來新的活力，并延長行業(yè)產(chǎn)品的生命力.當(dāng)年，在3D打印技術(shù)產(chǎn)生時(shí)，在全球的制造行業(yè)引起了廣泛關(guān)注，甚至有些學(xué)者斷言“3D打印技術(shù)勢必取代傳統(tǒng)工藝，改變傳統(tǒng)工業(yè)的生產(chǎn)模式.然而，3D打印技術(shù)被阻隔在了打印材料的強(qiáng)度韌性不足與打印方艙體積過大的門檻上，至今未能被普及推廣到各制造業(yè).新技術(shù)的產(chǎn)生，被證明是一柄雙刃劍，既可以披荊斬棘，也存在自我局限，需要化解矛盾，才能真正地推陳出新，被各行各業(yè)廣泛認(rèn)可.

如同3D打印技術(shù)一樣，VR自產(chǎn)生，便獲得了廣泛的關(guān)注，在游戲、影視、教育等多領(lǐng)域均有嘗試，但是隨著時(shí)間的流逝，與不斷的嘗試，其自身的局限也越來越凸顯，時(shí)至今日，VR技術(shù)已停滯不前.

VR技術(shù)現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用到一些娛樂行業(yè)當(dāng)中，在一些游樂設(shè)施和游戲中，更為常見.現(xiàn)有的VR體驗(yàn)設(shè)備對VR技術(shù)的矛盾點(diǎn)進(jìn)行了一些回避和修飾.但有一些矛盾是無可回避的，比如，焦點(diǎn)同步問題（模擬人眼的活動(dòng)，在頭部不產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)的前提下，畫面上的聚焦位置跟隨人眼產(chǎn)生同步變化）、空間限制問題（如何利用有限的活動(dòng)空間，來實(shí)現(xiàn)大范圍的跑動(dòng)和蹦跳）、運(yùn)動(dòng)變向問題（如何擺脫直線方向的運(yùn)動(dòng)模式，實(shí)現(xiàn)變向運(yùn)動(dòng)）、交互局限問題（如何將手與虛擬場景中的工具實(shí)現(xiàn)關(guān)聯(lián)）.

本文將重點(diǎn)總結(jié)和探討VR技術(shù)的空間限制問題與解決方法.VR技術(shù)一旦運(yùn)用到虛擬場景中，其空間限制的矛盾問題會(huì)日益凸顯，首先在大面積的虛擬場景體驗(yàn)中，VR體驗(yàn)的現(xiàn)實(shí)場景的面積要和VR虛擬場景的面積保持一致，才能保證VR體驗(yàn)不會(huì)中途中斷.但這對VR的現(xiàn)實(shí)布景要求是成倍數(shù)增加的.[1]

在一些大型游樂場中，一些VR體驗(yàn)是通過采用載具的方式對這一問題進(jìn)行修飾的，這一途徑，主要是從體驗(yàn)者的角度出發(fā)，對體驗(yàn)者的視覺感官進(jìn)行欺騙，如果配合VR實(shí)景中的一些道具設(shè)備，可以將效果做到亦真亦假，這一效果也接近了AR這一概念的效果.

當(dāng)AR技術(shù)被運(yùn)用到載具里進(jìn)行時(shí)，其空間問題的矛盾可以被輕易地掩蓋，例如在迪斯尼游樂園（上海）的加勒比海盜娛樂項(xiàng)目中（圖1-1），海島船由海底升至海面的過程中，主要是依據(jù)海盜船下方的機(jī)械臂，通過機(jī)械臂的推舉產(chǎn)生一種自下而上的升力，進(jìn)而模擬出木船迅速上浮的錯(cuò)覺（推舉力的加速度猛增，在短時(shí)間內(nèi)營造出與長距離相同的位移感）.

在教育行業(yè)中，大型載具也多有應(yīng)用，例如在飛行模擬器中，同樣是依靠現(xiàn)實(shí)設(shè)備的升降搖動(dòng)，模擬出空間的位移，進(jìn)而臨時(shí)解決VR現(xiàn)實(shí)空間局限的問題.

然而，當(dāng)體驗(yàn)者雙腳觸碰到地面，進(jìn)而使娛樂體驗(yàn)更加自由開放時(shí)，VR技術(shù)的空間局限又凸顯出來.由于載體的消逝，空間感無法再用感官錯(cuò)覺來蒙蔽，VR的現(xiàn)實(shí)場景與虛擬場景的一致性，又要被保證了，現(xiàn)實(shí)場景的建造成本又一次變得高昂起來.

VR的現(xiàn)實(shí)場景的空間限制主要來源于VR自身開放式的特性，體驗(yàn)者需要在現(xiàn)實(shí)空間的運(yùn)動(dòng)來匹配虛擬場景中的運(yùn)動(dòng)效果，一旦體驗(yàn)者離開載具的模擬，依靠自身行進(jìn)，其空間的無限式的特性無法得到保證.如果在體驗(yàn)者的站立面下布置多個(gè)球形體，可以解決現(xiàn)實(shí)空間面積的限制問題.這一解決思路近似于將人擺放在了球面的正上方的位置，人通過兩足的踩動(dòng)，使下方的滾球運(yùn)動(dòng)起來，滾球通過滾動(dòng)的速率，并且撞擊傳感器，可以模擬計(jì)算出現(xiàn)實(shí)中人物兩腿的運(yùn)動(dòng)頻率以及運(yùn)動(dòng)方向，進(jìn)而彌合了現(xiàn)實(shí)場景與虛擬場景中運(yùn)動(dòng)空間的間隙.

將球體運(yùn)用到設(shè)計(jì)中，可以化解傳統(tǒng)原地運(yùn)動(dòng)方式所帶來的矛盾.傳統(tǒng)的原地跑動(dòng)運(yùn)動(dòng)模式存在著兩個(gè)致命的缺點(diǎn)——方向唯一性與運(yùn)動(dòng)動(dòng)作的單一性.

當(dāng)體驗(yàn)者順著特定的方向和筆直的路徑進(jìn)行奔跑時(shí)，是沒有任何問題的，但是當(dāng)虛擬場景的娛樂路徑發(fā)生更改時(shí)，例如：直線轉(zhuǎn)為弧線路徑，這個(gè)時(shí)候，傳統(tǒng)的原地運(yùn)動(dòng)裝置都無法滿足要求[2].另外，在運(yùn)動(dòng)動(dòng)作發(fā)生改變時(shí)，例如從正常行進(jìn)改為跳躍，多數(shù)運(yùn)動(dòng)裝置也無法滿足要求（圖1-3）.

萬向無極感應(yīng)器（圖1-4）很好地解決了上述的兩個(gè)矛盾點(diǎn).球與人體腳面的摩擦，加上球體在球座中的原地滾動(dòng)，很好地抵消了人在一個(gè)特定方向上的運(yùn)動(dòng)距離;人體在感應(yīng)器上進(jìn)行跳躍和變向，依賴于球體與球座中感應(yīng)器的碰撞，感應(yīng)器可以實(shí)時(shí)計(jì)算出，人的運(yùn)動(dòng)方向、運(yùn)動(dòng)速率與運(yùn)動(dòng)動(dòng)作.

本技術(shù)搭配VR技術(shù)，可以更好地填補(bǔ)虛擬場景與現(xiàn)實(shí)場景難以同步的鴻溝，既節(jié)省了現(xiàn)實(shí)場景中的寶貴空間，也為VR裝置的微型化趨勢，但來了推動(dòng)作用.

萬向無極感應(yīng)器實(shí)現(xiàn)感應(yīng)效果的技術(shù)難點(diǎn)有兩點(diǎn)，第一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)在于增加鞋底與感應(yīng)器球體面的摩擦，并同時(shí)減小球面與球座的摩擦.這種要求主要是在于對于材料的驗(yàn)證，包含了鞋底材質(zhì)、球體材質(zhì)以及與球體直接接觸的感應(yīng)器的材質(zhì).增加鞋底與感應(yīng)器球體面的摩擦，是為了使球滾動(dòng)起來，進(jìn)而抵消人的運(yùn)動(dòng)距離，否則人在運(yùn)動(dòng)時(shí)就會(huì)超出感應(yīng)器的感應(yīng)范圍.減小球體與球座的摩擦，是球體產(chǎn)生滾動(dòng)的第二保證，如果球體與球座的摩擦較大，球體亦無法實(shí)現(xiàn)滾動(dòng).第二個(gè)技術(shù)難點(diǎn)在于感應(yīng)器的布置，為了實(shí)時(shí)獲得體驗(yàn)者的運(yùn)動(dòng)方向和運(yùn)動(dòng)速度.感應(yīng)器的感應(yīng)方式為，球體與感應(yīng)器的碰撞與接觸.在每個(gè)球座里布置八個(gè)感應(yīng)方向的感應(yīng)器，與底端一個(gè)感應(yīng)人物跳動(dòng)的感應(yīng)器，共計(jì)九個(gè)感應(yīng)器（圖1-5）.

當(dāng)人腳踩在萬向無極感應(yīng)器上時(shí)，計(jì)算芯片會(huì)通過球體與球座里的每一粒感應(yīng)器的碰撞強(qiáng)度與碰撞的持續(xù)時(shí)間的長短對人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行判斷.接觸時(shí)間短被判定為跑跳，接觸時(shí)間長被判定為慢走.當(dāng)雙腳離開感應(yīng)器，又猛烈促使球座底端的感應(yīng)器與碰撞球接觸時(shí)，同時(shí)蹦起與落地的接觸球陣位置與面積基本一致，判定為蹦跳.球體被踩踏數(shù)量，被踩踏強(qiáng)度，被踩踏的持續(xù)時(shí)間，三種變量進(jìn)行疊加，對人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行判斷.

感應(yīng)器需與VR眼鏡進(jìn)行藍(lán)牙連接，搭配VR眼鏡與虛擬主機(jī)，進(jìn)行使用.感應(yīng)器適合自由活動(dòng)類的單人游戲，即非機(jī)械載具類游戲，例如個(gè)人探索未知/解謎類型，如此可以將一些PC單機(jī)游戲稍加改動(dòng)引入到VR體驗(yàn)概念里.[3]

萬向無極感應(yīng)器的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)為功能調(diào)節(jié)區(qū)與放線器.體驗(yàn)者依據(jù)感應(yīng)墊與VR體驗(yàn)設(shè)備連接，達(dá)到既定面積內(nèi)的活動(dòng)范圍.功能調(diào)節(jié)區(qū)主要是針對感應(yīng)球陣與球座感應(yīng)觸點(diǎn)碰撞的靈敏度進(jìn)行設(shè)置與調(diào)節(jié)，同時(shí)有一部分因素是出于鞋底與球體的摩擦力進(jìn)行設(shè)置，摩擦力源于體驗(yàn)者的體重與摩擦系數(shù).如果摩擦系數(shù)不變，為了獲得更好的體驗(yàn)效果，勢必依據(jù)體驗(yàn)者的體重對萬能感應(yīng)器進(jìn)行設(shè)置，體驗(yàn)者的體重與萬能感應(yīng)器的靈敏度成反比，在產(chǎn)品的后期生產(chǎn)驗(yàn)證階段，將得出具體的算法公式，將其植入芯片.[4]

放線器可以容納5米長度的連接線，可以連接電源，進(jìn)行充電，當(dāng)充電完成后，可自動(dòng)將電源連接線收入連接器中.感應(yīng)器內(nèi)部的鋰電池可以支持使用者體驗(yàn)3小時(shí)以上，當(dāng)出現(xiàn)低電量時(shí)，為了保證使用者的人身安全，避免事故發(fā)生，感應(yīng)器會(huì)有提示音發(fā)出，并且提示VR眼鏡關(guān)閉玩家響應(yīng).[5]

萬向無極感應(yīng)器通過使用碰撞球和感應(yīng)器解決了體驗(yàn)者在VR體驗(yàn)中的運(yùn)動(dòng)空間限制問題，可以實(shí)時(shí)感應(yīng)體驗(yàn)者的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，節(jié)約現(xiàn)實(shí)空間，且實(shí)時(shí)判斷體驗(yàn)者的運(yùn)動(dòng)方向.一旦批量生產(chǎn)，并與VR體驗(yàn)項(xiàng)目更好兼容，必定會(huì)為VR技術(shù)的進(jìn)一步實(shí)用化，提供更大的拓展空間.

參考文獻(xiàn)：

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〔2〕The relationship between map drawing and spatial orientation abilities： A study of gender differences[J] . Emanuele Coluccia，Giorgia Iosue，Maria Antonella Brandimonte. Journal of Environmental Psychology . 2007 （2）：45-49.

〔3〕姬喆.基于VR虛擬漫游技術(shù)的交互設(shè)計(jì)應(yīng)用研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2019（08）：86-90.

〔4〕吳磊.基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（VR）的動(dòng)畫交互性設(shè)計(jì)分析[J].信息技術(shù)，2019（07）：125-128+132.

〔5〕朱金達(dá)，張嘉鈺，?；⒗?，崔洪斌，楊光.基于VR技術(shù)的機(jī)械設(shè)計(jì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心建設(shè)與探索[J].科技創(chuàng)新與生產(chǎn)力，2019（6）：46-49.