放大用戶來壓縮距離，幫助帶來適用于不同物理環(huán)境的通用VR體驗

虛擬現(xiàn)實研究人員正在探索如何實現(xiàn)自然的移動機(jī)制，它們是如何與故事空間相關(guān)聯(lián)，以及如何將用戶從今天的無障礙設(shè)置中解放出來，從而幫助他們安全地漫游現(xiàn)實世界。

虛擬現(xiàn)實在過去數(shù)年間已經(jīng)逐漸普及開來，越來越多的人知道了這項前沿的技術(shù)。穿戴頭顯后，用戶將能立即傳送至到一個虛構(gòu)的世界里，并仿如現(xiàn)實般沉浸其中。一直以來，VR的追蹤技術(shù)要求用戶局限于傳感器能夠追蹤其位置和移動的房間設(shè)置內(nèi)。另外，你同時需要移除所有的物理障礙，從而確保無法感知現(xiàn)實世界的用戶的安全。

所述限制要求顯示的每個虛擬世界都映射至同一個房間。盡管非沉浸式內(nèi)容同樣允許玩家在游戲世界中移動，但在VR中做同樣的事情會導(dǎo)致暈動癥。當(dāng)視覺運(yùn)動缺乏前庭刺激的匹配時，用戶就會產(chǎn)生頭暈惡心的癥狀。為了解決這個問題，虛擬體驗的設(shè)計者充分發(fā)揮了自己的想象力，嘗試通過各種解決方案來幫助用戶實現(xiàn)虛擬世界的移動，同時確保他們維持在物理游玩空間之內(nèi)，比如說遠(yuǎn)程傳送。

1. 通過放大用戶來壓縮距離

在一項最新的研究中，微軟研究員馬爾·岡薩雷斯·佛朗哥（Mar Gonzalez-Franco）和伊亞爾·歐菲克（Eyal Ofek）與倫敦大學(xué)學(xué)院的安東尼·史蒂德（Anthony Steed）教授，以及斯坦福大學(xué)的帕拉斯圖·阿巴泰（Parastoo Abtahi）教授進(jìn)行了合作，嘗試了實現(xiàn)VR自然移動機(jī)制的不同方法。克服空間限制的一種方案是：改變空間或移動的尺度比例?！稅埯惤z夢游仙境》和《小木匠漢斯的七里靴》（Seven-League Boots）等著名童話故事給研究人員帶來了靈感，并幫助他們創(chuàng)新了導(dǎo)航技術(shù)。具體說來，團(tuán)隊壓縮了整個虛擬世界，并允許只在房間空間中走動的他們訪問巨大的城市。

通過縮小城市尺度，用戶可以自然地行走。用戶在現(xiàn)實世界中走的每一步都相對于城市環(huán)境中的10倍，仿佛用戶是在小人國世界醒來的巨型格列佛。

為了實現(xiàn)超速增益，團(tuán)隊按照名為“Seven-League Boots”（取自《小木匠漢斯的七里靴》的技術(shù)來拉伸每一步。當(dāng)用戶在物理世界中以自然的速度移動時，他們會感覺到虛擬世界的自己正以飛速移動。但是，如果速度達(dá)到一定程度時（大于3倍），用戶將開始失去對移動和加速的控制，從而減慢移動過程并增加其挫折感。

除了超速，研究人員同時考慮縮放用戶相對于虛擬世界的大小。與速度增益方法相比，這項技術(shù)利用了用戶移動和虛擬化身之間的1：1映射。研究人員發(fā)現(xiàn)即便比例增加到30倍，所述解決方案都能帶來自然的控制。對于行走在較小環(huán)境中的用戶，當(dāng)往下看時，他們會感覺自己仿佛是一位正在探索玩具城的巨人。這樣的視點(diǎn)可能十分適合大型地標(biāo)之間的行進(jìn)，但環(huán)境的距離使得用戶難以發(fā)現(xiàn)周遭的細(xì)節(jié)，如識別道路中的特定門窗。研究人員探索的第二種方法是：眼睛級別的縮放，亦即圍繞用戶頭部縮小周圍的世界，從而產(chǎn)生一種用戶視圖位于正常人高度的錯覺。盡管可見移動相對于小型世界是飛快進(jìn)行，但它維持了用戶的自然控制，并允許其自然地查看地面細(xì)節(jié)。

圖2：用戶在主要街道以常規(guī)比例行走時看到的虛擬城市（左邊）；縮放至巨人比例的視圖（中心）；當(dāng)以地平線高度維持用戶視圖時，用戶可以實現(xiàn)快速的移動，同時可以確保自然的控制權(quán)。

當(dāng)用戶到達(dá)目的地，并希望穿過VR樂園的大門時，他們可以縮放回1：1的比例。

微軟指出，這種移動機(jī)制存在一系列的優(yōu)勢：它很自然，不需要訓(xùn)練，能夠增加沉浸感（與傳送相比），并且避免的暈動癥。

2. VRoamer：在構(gòu)建空間的同時解放虛擬現(xiàn)實

如果無需將玩家限制在移除了椅子和凳子等其他障礙物的小房間中，如果玩家可以完全離開房間并安全地穿過現(xiàn)實世界，并且物體和空間能夠巧妙地融入游戲世界與故事場景，這是否有可能呢？

微軟研究員克里斯蒂安·霍爾茲（Christian Holz），安迪·威爾遜（Andy Wilson）和伊亞爾·歐菲克（Eyal Ofek）希望能解放今天空間限制的自由漫游式VR體驗。與前研究實習(xí)生鄭龍磻一起，團(tuán)隊構(gòu)建了一個能夠在自然非受控制式環(huán)境中運(yùn)行的VR系統(tǒng)（他們計劃在日本大阪舉行的IEEE VR 2019進(jìn)行展示）。所述的系統(tǒng)VRoamer可以幫助用戶探索大型虛擬現(xiàn)實，同時在完整的物理空間中走動。需要特別提到的是，系統(tǒng)無需有關(guān)物理建筑空間的先驗知識，亦即能夠支持任意物理建筑空間。

VRoamer借助了板載攝像頭的內(nèi)向外六自由度追蹤，同時利用頭顯的深度攝像頭來實時分析用戶周圍的3D結(jié)構(gòu)。VRoamer的實時追蹤功能可以判斷建筑物中的可行走路徑，遮擋用戶路徑，并高亮潛在危險的物體和周圍的人群。這使得VRoamer構(gòu)建的虛擬現(xiàn)實能夠允許用戶在避開障礙物的同時繞過巨大的虛擬空間。

圖3：對于當(dāng)前的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，用戶能夠穿梭于一個大型虛擬世界（左），但同時限制于在一個小小的物理空房間中（中心）。

微軟研究院現(xiàn)在開發(fā)了VRoamer，這種VR系統(tǒng)能夠幫助用戶在大型的建筑環(huán)境中進(jìn)行自然的物理行走，同時又能確保用戶的安全和故事的進(jìn)行。

研究人員面臨的最大挑戰(zhàn)之一是，VR用戶不能忽視周遭的世界，因為否則他們將在不受控制的環(huán)境中撞到墻壁，家具，或移動的人與寵物。為了確保用戶的安全，系統(tǒng)在虛擬世界渲染每一個可能的障礙物。

然而，相關(guān)障礙物的渲染必須符合虛擬世界的故事背景。因此，微軟研究員設(shè)計了VRoamer來代表已發(fā)現(xiàn)的障礙物，例如將餐桌或辦公室植物顯示為控制站臺或大型巨石，具體取決于用戶當(dāng)前是在宇宙飛船中還是在叢林體驗之中。VRoamer可以為用戶創(chuàng)建一致且連續(xù)的虛擬敘事，并將游戲內(nèi)容即時映射至用戶周圍的物理環(huán)境，又同時保持故事的沉浸特性，以及玩家及其周圍人員的安全。

體驗或游戲地圖通常是由對故事進(jìn)展至關(guān)重要的物品和位置組成。例如，特定物品必須在一個地方采集，并在另一個地方使用。對于所述位置，游戲地圖的內(nèi)容會給游戲渲染出特定的氣氛，并引導(dǎo)用戶朝下一個目標(biāo)前景。無論用戶的物理環(huán)境如何，VRoamer都致力于向其展示相同的故事背景。對于微軟開發(fā)的系統(tǒng)，玩家正走在由走廊和地下室組成的地牢中。系統(tǒng)將一直追蹤用戶面前的物理世界幾何，并構(gòu)建可能的路徑。當(dāng)用戶到達(dá)物理世界的空地時，VRoamer將構(gòu)建一個特定的敘述位置，并將其顯示給用戶。另一方面，如果物理環(huán)境十分混亂，VRoamer會將用戶引導(dǎo)到適合故事開展的其他位置。盡管虛擬體驗中的故事開展位置對于所有玩家來說都相似，但取決于周遭的建筑物，其布局和形狀將有所不同。

圖4：VRoamer用戶正在虛擬現(xiàn)實游戲中行走。在物理世界中，他正穿梭于一個不受控制的辦公環(huán)境環(huán)境（左）；但VRoamer能夠即時構(gòu)建符合敘事的相應(yīng)虛擬環(huán)境，并引導(dǎo)用戶穿過現(xiàn)實世界的障礙（右）。

通過合適的對象渲染，用戶可以避開各種障礙物。例如，對于現(xiàn)實世界中的花草盆栽，游戲可以將其渲染成尖刺陷阱，從而引導(dǎo)用戶避開它們。

微軟研究員表示，他們希望這項研究可以幫助帶來適用于不同物理環(huán)境的通用VR體驗