微软探索『巨人』足下的VR自然移动机制,解放空间限制

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希望带来适用于不同物理环境的通用VR体验

映维网 2019年03月27日)虚拟现实研究人员正在探索如何实现自然的移动机制,它们是如何与故事空间相关联,以及如何将用户从今天的无障碍设置中解放出来,从而帮助他们安全地漫游现实世界。

虚拟现实在过去数年间已经逐渐普及开来,越来越多的人知道了这项前沿的技术。穿戴头显后,用户将能立即传送至到一个虚构的世界里,并仿如现实般沉浸其中。一直以来,VR的追踪技术要求用户局限于传感器能够追踪其位置和移动的房间设置内。另外,你同时需要移除所有的物理障碍,从而确保无法感知现实世界的用户的安全。

所述限制要求显示的每个虚拟世界都映射至同一个房间。尽管非沉浸式内容同样允许玩家在游戏世界中移动,但在VR中做同样的事情会导致晕动症。当视觉运动缺乏前庭刺激的匹配时,用户就会产生头晕恶心的症状。为了解决这个问题,虚拟体验的设计者充分发挥了自己的想象力,尝试通过各种解决方案来帮助用户实现虚拟世界的移动,同时确保他们维持在物理游玩空间之内,比如说远程传送。

1. 通过放大用户来压缩距离

在一项最新的研究中,微软研究员马尔·冈萨雷斯·佛朗哥(Mar Gonzalez-Franco)和伊亚尔·欧菲克(Eyal Ofek)与伦敦大学学院的安东尼·史蒂德(Anthony Steed)教授,以及斯坦福大学的帕拉斯图·阿巴泰(Parastoo Abtahi)教授进行了合作,尝试了实现VR自然移动机制的不同方法。克服空间限制的一种方案是:改变空间或移动的尺度比例。《爱丽丝梦游仙境》和《小木匠汉斯的七里靴》(Seven-League Boots)等著名童话故事给研究人员带来了灵感,并帮助他们创新了导航技术。具体说来,团队压缩了整个虚拟世界,并允许只在房间空间中走动的他们访问巨大的城市。

图1:通过缩小城市尺度,用户可以自然地行走。用户在现实世界中走的每一步都相对于城市环境中的10倍,仿佛用户是在小人国世界醒来的巨型格列佛。

为了实现超速增益,团队按照名为“Seven-League Boots”(取自《小木匠汉斯的七里靴》的技术来拉伸每一步。当用户在物理世界中以自然的速度移动时,他们会感觉到虚拟世界的自己正以飞速移动。但是,如果速度达到一定程度时(大于3倍),用户将开始失去对移动和加速的控制,从而减慢移动过程并增加其挫折感。

除了超速,研究人员同时考虑缩放用户相对于虚拟世界的大小。与速度增益方法相比,这项技术利用了用户移动和虚拟化身之间的1:1映射。研究人员发现即便比例增加到30倍,所述解决方案都能带来自然的控制。对于行走在较小环境中的用户,当往下看时,他们会感觉自己仿佛是一位正在探索玩具城的巨人。这样的视点可能十分适合大型地标之间的行进,但环境的距离使得用户难以发现周遭的细节,如识别道路中的特定门窗。研究人员探索的第二种方法是:眼睛级别的缩放,亦即围绕用户头部缩小周围的世界,从而产生一种用户视图位于正常人高度的错觉。尽管可见移动相对于小型世界是飞快进行,但它维持了用户的自然控制,并允许其自然地查看地面细节。

图2:用户在主要街道以常规比例行走时看到的虚拟城市(左边);缩放至巨人比例的视图(中心);当以地平线高度维持用户视图时,用户可以实现快速的移动,同时可以确保自然的控制权。

当用户到达目的地,并希望穿过VR乐园的大门时,他们可以缩放回1:1的比例。

微软指出,这种移动机制存在一系列的优势:它很自然,不需要训练,能够增加沉浸感(与传送相比),并且避免的晕动症。

2. VRoamer:在构建空间的同时解放虚拟现实

如果无需将玩家限制在移除了椅子和凳子等其他障碍物的小房间中,如果玩家可以完全离开房间并安全地穿过现实世界,并且物体和空间能够巧妙地融入游戏世界与故事场景,这是否有可能呢?

微软研究员克里斯蒂安·霍尔兹(Christian Holz),安迪·威尔逊(Andy Wilson)和伊亚尔·欧菲克(Eyal Ofek)希望能解放今天空间限制的自由漫游式VR体验。与前研究实习生郑龙磻一起,团队构建了一个能够在自然非受控制式环境中运行的VR系统(他们计划在日本大阪举行的IEEE VR 2019进行展示)。所述的系统VRoamer可以帮助用户探索大型虚拟现实,同时在完整的物理空间中走动。需要特别提到的是,系统无需有关物理建筑空间的先验知识,亦即能够支持任意物理建筑空间。

VRoamer借助了板载摄像头的内向外六自由度追踪,同时利用头显的深度摄像头来实时分析用户周围的3D结构。VRoamer的实时追踪功能可以判断建筑物中的可行走路径,遮挡用户路径,并高亮潜在危险的物体和周围的人群。这使得VRoamer构建的虚拟现实能够允许用户在避开障碍物的同时绕过巨大的虚拟空间。

图3:对于当前的虚拟现实系统,用户能够穿梭于一个大型虚拟世界(左),但同时限制于在一个小小的物理空房间中(中心)。

微软研究院现在开发了VRoamer,这种VR系统能够帮助用户在大型的建筑环境中进行自然的物理行走,同时又能确保用户的安全和故事的进行。

研究人员面临的最大挑战之一是,VR用户不能忽视周遭的世界,因为否则他们将在不受控制的环境中撞到墙壁,家具,或移动的人与宠物。为了确保用户的安全,系统在虚拟世界渲染每一个可能的障碍物。

然而,相关障碍物的渲染必须符合虚拟世界的故事背景。因此,微软研究员设计了VRoamer来代表已发现的障碍物,例如将餐桌或办公室植物显示为控制站台或大型巨石,具体取决于用户当前是在宇宙飞船中还是在丛林体验之中。VRoamer可以为用户创建一致且连续的虚拟叙事,并将游戏内容即时映射至用户周围的物理环境,又同时保持故事的沉浸特性,以及玩家及其周围人员的安全。

体验或游戏地图通常是由对故事进展至关重要的物品和位置组成。例如,特定物品必须在一个地方采集,并在另一个地方使用。对于所述位置,游戏地图的内容会给游戏渲染出特定的气氛,并引导用户朝下一个目标前景。无论用户的物理环境如何,VRoamer都致力于向其展示相同的故事背景。对于微软开发的系统,玩家正走在由走廊和地下室组成的地牢中。系统将一直追踪用户面前的物理世界几何,并构建可能的路径。当用户到达物理世界的空地时,VRoamer将构建一个特定的叙述位置,并将其显示给用户。另一方面,如果物理环境十分混乱,VRoamer会将用户引导到适合故事开展的其他位置。尽管虚拟体验中的故事开展位置对于所有玩家来说都相似,但取决于周遭的建筑物,其布局和形状将有所不同。

图4:VRoamer用户正在虚拟现实游戏中行走。在物理世界中,他正穿梭于一个不受控制的办公环境环境(左);但VRoamer能够即时构建符合叙事的相应虚拟环境,并引导用户穿过现实世界的障碍(右)。

通过合适的对象渲染,用户可以避开各种障碍物。例如,对于现实世界中的花草盆栽,游戏可以将其渲染成尖刺陷阱,从而引导用户避开它们。

微软研究员表示,他们希望这项研究可以帮助带来适用于不同物理环境的通用VR体验。


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