重定向技術(shù)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(huán)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(xiàn)挑戰(zhàn)。使用重定向技術(shù)是一種很有希望的方法，它通過在虛擬環(huán)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(xiàn)實世界的路徑保持在物理工作區(qū)的邊界內(nèi)。

在本文中，我梳理了重定向技術(shù)的發(fā)展，根據(jù)幾何靈活性與用戶注意重定向技術(shù)的可能性將其分開，其中，我將強調(diào)分類為微妙的技術(shù)進行重新定向時，“改變盲目性重定向技術(shù)”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(shù)的概念，以“書架和鳥”技術(shù)為例，解釋這種新技術(shù)的理念和應(yīng)用，探討可行性，介紹被動觸覺重定位技術(shù)，并在最后提出自己對重定向領(lǐng)域未來發(fā)展方向的看法。

關(guān)鍵詞：重定向技術(shù);改變盲目性重定向技術(shù);基于細胞的重定向技術(shù);被動觸覺重定位技術(shù);虛擬環(huán)境

1.引言

自然交互對于創(chuàng)建引人注目的虛擬現(xiàn)實體驗至關(guān)重要，尤其是運動，這是在與3D 圖形環(huán)境交互時執(zhí)行的最常見和最普遍的任務(wù)之一。最自然的運動技術(shù)，相比真正的行走，已經(jīng)被證明提供了更大的存在感。替代技術(shù)，也就是不采用現(xiàn)實的身體運動，為從業(yè)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(huán)境的大小。

重定向是一個有希望的解決方案，通過在虛擬環(huán)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(xiàn)實世界的路徑。

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

Suma 等人根據(jù)三個特征提出了重定向技術(shù)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(xù)還是謹慎地發(fā)生。

原始的重定向行走（RDW）技術(shù)屬于微妙的重定向的類別，其中的關(guān)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(shù)更相似的是那些創(chuàng)建公開重定向的技術(shù)。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(shù)使用蠻力 "停止重置" 與預(yù)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(tǒng)，在該系統(tǒng)中，體系結(jié)構(gòu)空間被劃分為單元（房間），當(dāng)用戶在單元之間轉(zhuǎn)換時，將應(yīng)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(jù)房間的大小應(yīng)用不同的步行比例因素，當(dāng)用戶穿過房間之間的門時，使用較大的旋轉(zhuǎn)和曲率增益。這些特征可能會導(dǎo)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(shù)（Cell-Based Redirection）

3.2 書架技術(shù)（The Bookshelf Technique）

電影和游戲有時以一個假的書架或壁爐為特色，當(dāng)激活時，可以圍繞其垂直軸旋轉(zhuǎn)，將站在旁邊的人帶入相鄰的密室。書架技術(shù)使用了這個比喻。當(dāng)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(zhuǎn)180度，將用戶放置在墻的另一側(cè)的虛擬房間中。由于在現(xiàn)實中沒有發(fā)生這樣的旋轉(zhuǎn)，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(cè)（圖A-C）。現(xiàn)在，目標(biāo)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(zhuǎn)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(fù)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(qū)域，而不會破壞游戲的敘述。

書架技術(shù)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(zhuǎn)，而他卻在現(xiàn)實中靜止不動;C：物理空間現(xiàn)在與紅色虛擬房間位于同一邊，用戶轉(zhuǎn)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(shù)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(zhuǎn)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(zhuǎn)動時創(chuàng)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(xù)旋轉(zhuǎn)180度。如果用戶在旋轉(zhuǎn)過程中從書架上走下來，他會認為自己毫無理由地被旋轉(zhuǎn)，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(shù)總結(jié)（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(shù)的實例。CBR 技術(shù)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(diào)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(nèi)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(zhuǎn)門將用戶旋轉(zhuǎn)到相鄰的房間。與鳥類似，可以提出一個 "天鉤" 系統(tǒng)，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(yīng)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(xiàn)實世界工作區(qū)重新對齊即可。

參考文獻

[1] ?E. A. Suma，G. Bruder，F(xiàn). 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(yè)大學(xué)‘國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃資助”。

項目編號：GJDC-2019-01-16