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                  利用壓縮空氣原理,VR網球拍也能模擬空氣阻力

                  業界 作者:青亭網 2022-07-08 21:45:56

                  Esther?|?編輯

                  沉浸的VR體驗不僅體現在視覺上,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的一項關鍵指標。

                  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生的阻力,可用來模擬網球、羽毛球、乒乓球運動的體感反饋。

                  據青亭網了解,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計,來提升力反饋的逼真感。比如:在350毫秒內,通過增加空氣阻力持續時間來提升感知阻力。如果持續時間翻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球的體感,則力度較小、體驗感不自然。

                  尤其是對于專業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球賽的結果,他們會根據這些微妙的信息,去判斷球將到達對面的位置。而由于VR手柄難以提供準確的擊球體感,VR網球的感覺可能更像是游戲,而缺少真實網球運動所包含的豐富變化。

                  因此,科研人員希望通過可微調的氣壓來模擬打網球時的強力體感。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生的力強四倍。

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

                  除了羽毛球、網球外,該方案還可適用于劍術等其他運動,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、網球三種運動的體感。通過對72名參與者進行體驗調查,結果顯示與基于物理的設計相比,感知設計可以顯著提高非接地力反饋系統的真實感和偏好。

                  當球拍擊中球或羽毛球時,產生的沖量(即短時間內的方向力)會產生球拍的線性和旋轉加速度。使用者手部、手臂、肩部、軀干和腿部的肌肉必須協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節位置和收縮,以對抗通過球拍的沖擊力。

                  方案細節

                  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,該管在軸內運行并連接氣動控制系統。每個設備都配有運動專用手柄,以匹配真實球拍的觸感。

                  AirRacket系統的移動版本,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),其余氣動控制系統重848g。另外,為乒乓球、羽毛球和網球定制的設備重量分別為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次擊球的典型網球比賽(初級到大滿貫賽事)來說已經足夠了。

                  效果優化

                  為了驗證AirRacket效果,科研人員進行了實驗調查并發現,現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+持續時間和縮放+持續時間。

                  觸覺信息對于現實世界中的動態交互至關重要,增加觸覺反饋的動態范圍可以幫助預測軌跡,甚至幫助用戶調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,還將繼續縮減AirRacket手柄部分的重量,甚至與VR手柄的震動反饋結合,模擬更細節的動態力反饋。參考:Mixed.de

                  參考:

                  https://mixed.de/airracket-lufftdruck-schlaeger-simuliert-tennis-und-co-realistisch-in-vr/

                  https://github.com/ntu-hci-lab/AirRacket

                  https://dl.acm.org/doi/fullHtml/10.1145/3491102.3502034

                  ( END)


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