资讯
展览资讯 大型展会 灯光节 大型盛典 赛事 中标捷报 产品快讯 热门话题 艺术节 活动 演出 新闻 数艺报道 俱乐部签约
观点
大咖专访 观点洞察 书籍推荐 吐槽 设计观点 企业访谈 问答 趋势创新 论文 职场方法 薪资报价 数艺专访
幕后
幕后故事 团队访谈 经验分享 解密 评测 数艺访谈
干货
设计方案 策划方案 素材资源 教程 文案资源 PPT下载 入门宝典 作品合集 产品手册 电子书 项目对接
  • 0
  • 0
  • 0

分享

利用压缩空气原理,VR网球拍也能模拟空气阻力

原创 2022-07-08

Esther | 编辑

沉浸的VR体验不仅体现在视觉上,听觉、触觉也很重要。尤其是在VR健身、VR运动场景,比如用虚拟球拍击球时如果有逼真的体感反馈,那么不仅沉浸感更强、运动体验也更自然。对于运动员来讲,运动中的体感反馈甚至是提升技术的一项关键指标。

就目前的VR来讲,手柄通常仅提供震动反馈,效果类似于任天堂的Wii,只能通过震动来提示你球拍碰到了球,体验感和真实运动差距较大。

为解决这一问题,台北国立台湾大学科研人员利用压缩空气原理,研发了一款VR体感方案:AirRacket,其特点是可渲染虚拟球拍在空气中挥动时产生的阻力,可用来模拟网球、羽毛球、乒乓球运动的体感反馈。

据青亭网了解,该方案配备了类似于真人CS游戏中气枪所使用的压缩空气筒,当VR中的虚拟球拍打到球时,可以瞬间发射一阵强空气阻力。不过,AirRacket实际上仅能模拟不到10牛顿的阻力,而网球拍击球的力量通常约为400牛顿。为此了弥补这一限制,科研人员采用了一些感知设计,来提升力反馈的逼真感。比如:在350毫秒内,通过增加空气阻力持续时间来提升感知阻力。如果持续时间翻7倍,感知阻力可翻4.1倍。

换句话说,就是延长球拍碰到球这一瞬间的时间,在真实场景中,人们这一瞬间的体感仅持续不到5毫秒,而在VR中,人们可以接受46到337毫秒左右的体感反馈。

解决的痛点

目前,VR手柄支持震动反馈,适用于模拟高尔夫球、乒乓球、羽毛球等等部分运动的体感。这些运动的特点是,打到球的力反馈比较轻。相比之下,如果用手柄的震动来模拟网球的体感,则力度较小、体验感不自然。

尤其是对于专业运动员和爱好者来讲,球拍击球的力度、冲击角度都会影响到网球赛的结果,他们会根据这些微妙的信息,去判断球将到达对面的位置。而由于VR手柄难以提供准确的击球体感,VR网球的感觉可能更像是游戏,而缺少真实网球运动所包含的丰富变化。

因此,科研人员希望通过可微调的气压来模拟打网球时的强力体感。他们将气压喷嘴连接到通用的可伸缩球拍手柄上,以模拟球拍的长度。

当虚拟球击中球拍时,压缩空气从背包中的便携式压缩机压入喷嘴。由于空气以不同的方向喷射,该系统还可以模拟球的撞击角度。

为了进行跟踪,研究人员将Optitrack系统连接到球拍手柄的尖端。也可以采用Vive Tracker,不过会增加额外的重量,而采用的气压喷嘴则是彩弹枪的常见型号。

利用视觉错觉

作为模拟目标,研究人员将乒乓球、羽毛球和网球这三种最受欢迎的球拍运动作为模拟目标,他们希望在虚拟现实中对其进行升级,以更好地感受球的感觉。对受试者的首次测试表明,触觉系统可以增加这些球拍运动的沉浸感和精确度。

在VR中可视化的力,特别是冲击的长度(350毫秒对50毫秒),可以使感觉到的力比喷嘴实际产生的力强四倍。

不过,AirRacket采用的空气压缩设备成本较高,可能不适合家用VR场景,更适合专业的VR培训或是线下VR体验店

除了羽毛球、网球外,该方案还可适用于剑术等其他运动,此外,还为曲棍球、高尔夫、棒球、剑和壁球提供了其他可 3D 打印的握把。

使用压缩空气推进喷射器提供定向冲击力,模拟乒乓球、羽毛球、网球三种运动的体感。通过对72名参与者进行体验调查,结果显示与基于物理的设计相比,感知设计可以显著提高非接地力反馈系统的真实感和偏好。

当球拍击中球或羽毛球时,产生的冲量(即短时间内的方向力)会产生球拍的线性和旋转加速度。使用者手部、手臂、肩部、躯干和腿部的肌肉必须协同工作来引导球拍并保持身体姿势。这种触觉体验包括:1) 手握拍柄的触觉,包括压力、皮肤拉伸和振动,以及 2) 运动感觉和本体感觉,包括多个肌肉群的关节位置和收缩,以对抗通过球拍的冲击力。

方案细节

AirRacket方案包含:一个3D打印手柄、一个碳纤维轴(直径分别为14毫米和23毫米),以及一个3D打印喷嘴支架上的两个降噪喷嘴。每个喷嘴都通过L形配件连接到6毫米低摩擦聚氨酯管,该管在轴内运行并连接气动控制系统。每个设备都配有运动专用手柄,以匹配真实球拍的触感。

AirRacket系统的移动版本,它带有一个1.1L高压空气罐和一个 24V 直流电池,可以轻松放入小背包中。其中的气罐重1.5Kg,支持最大压力31MPa(4500psi),其余气动控制系统重848g。另外,为乒乓球、羽毛球和网球定制的设备重量分别为147g、157g和258g。

它能够在3牛顿时渲染570个脉冲,在 1N 时渲染2000+个脉冲,这对于300∼500次击球的典型网球比赛(初级到大满贯赛事)来说已经足够了。

效果优化

为了验证AirRacket效果,科研人员进行了实验调查并发现,现有方案存在三项限制:

1)力量变化不明显,模拟不同球类运动时,推进力大小差异不大;
2)对网球方向力模拟效果弱,大力挥拍时,空气阻力反馈没有明显加强,与真实的阻力有差距;
3)模拟乒乓球时,方向力太强,破坏逼真感。

于是,科研人员决定延长力反馈时长,来模拟阻力变化程度,并为此设计了力映射模型,模型有四个独立的变量:基线、缩放、最大+持续时间和缩放+持续时间。

触觉信息对于现实世界中的动态交互至关重要,增加触觉反馈的动态范围可以帮助预测轨迹,甚至帮助用户调整下一次击球的挥杆速度,提升目标瞄准的精确度。

未来,科研人员计划提升AirRacket可模拟的力度,以模拟拳击、打击乐、后坐力、踢足球等力反馈场景。此外,还将继续缩减AirRacket手柄部分的重量,甚至与VR手柄的震动反馈结合,模拟更细节的动态力反馈。参考:Mixed.de

参考:

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)

 
每天五分钟,轻松了解前沿科技。    
         —— 青亭网  
阅读原文

* 文章为作者独立观点,不代表数艺网立场转载须知

本文内容由数艺网收录采集自微信公众号青亭网 ,并经数艺网进行了排版优化。转载此文章请在文章开头和结尾标注“作者”、“来源:数艺网” 并附上本页链接: 如您不希望被数艺网所收录,感觉到侵犯到了您的权益,请及时告知数艺网,我们表示诚挚的歉意,并及时处理或删除。

数字媒体艺术 新媒体艺术 科技艺术 VR网球拍 沉浸式

13342 举报
  0
登录| 注册 后参与评论