VR设计中“手”是如何使用的？

雷锋网按：本文作者布格小虎，专注于VR内容及技术，不定期分享VR前沿探讨及技术开发内容。

今天我们将探讨一个有趣的问题：虚拟现实中手的使用。这次的文章是根据Jakob Johansson（CEO Gleechi）和Kai Hubner，PhD （CTO Gleechi）在VRDC讲座中整理的。

首先请大家攥紧拳头试想一下没有手的生活是多么不便，我们不能翻开书本，不能抓取杯子，不能弹奏乐器，不能和朋友击掌，等等。灵活的双手为生活带来了太多便利，是生活中不可或缺的一部分。Gleechi公司致力于研究机械手已经有8年的时间，直到VR市场的打开，Gleechi公司发现机器人和虚拟现实中的角色人物有太多相似的地方，关于如何抓取物品，如何与物体交互？这个在机器人研究中的关键问题，也成为了VR领域所需要解决的问题。 

现在很多的虚拟现实游戏，关于手的操作都有很大的问题，例如物体直接跳到虚拟手上，虚拟手穿过物品，或者当使用隐形的虚拟手时，我们只能看到物体悬浮在空中。而导致这些的原因是因为人手的结构非常复杂，尤其实在人们尝试用手和物品进行交互时，事情就变得更加复杂了。下面我们将具体谈谈如何在VR开发中解决这些问题。

历史上。世界第一个机械手是由devol&Engelberger，Unimate (1960年) 发明的。这个机械手自由度为1DOF (degree of freedom)，只能在一个维度上抓取物品。然而现在的机械手发展与真实世界的手更加接近了。我们将基于以下三个方面谈谈机械手和虚拟手的发展：

1、手的设计和输入（Hands Design & input）：

关于这个话题，我们将通过性能（performance）和灵活性（flexibility）两个方面做出介绍，正如下图：

高性能的手：在工厂里经常使用，它快速，强大，准确，适合做重复性工作。

高灵活性的手：与不同的物体有更多交互，但性能可能较差。

人手：处于居中位置。

所以在应用开发中，我们如何选择输入设备呢？这个问题也可以通过性能和灵活性两个方面做出解答。拥有高性能的动作控制器（motion controller）提供了友好的操作，用户只需要按下简单的按钮去完成任务。然而对于复杂的手指跟踪我们更愿意选择灵活度高的摄像机。

2、物体交互（object interaction）: 

物体是交互中重要的一部分，物体会决定手的交互方式。谈到这个问题我们先来介绍一个简单的概念可供性（affordances）: 是环境与生物体之间的关系，通过一系列的刺激，为生物体提供一个机会执行动作。 比如机器人看见一个锅手把，他会与手把交互，举起锅子。如果看到一个轮子，他会想旋转它，如果是斧子，他会想举起它。

3、抓取分类（Grasp Taxonomies）: 

我们对不同的抓取进行了等级分类，如下图所示：

力量抓取（power grasp）和精确抓取（precision grasp）。根据不同物品和你将对物体进行不同的操作，例如握住一个球或者夹起一根笔。我们从可供性，工具和分类三个方面，决定了如何抓取。Aaron M. Dollar两年前的一个有趣的研究，他对一个佣人和一个机械工程师的日常手部操作进行观察研究发现，两人超过50%的操作都集中于三种抓取动作，但是佣人的力量抓取比例大于精确抓取，而工程师相反。

那么在下图的游戏开发中，我们应该怎么做呢？

我们可以看到场景中有各种物品，我们需要使用力量抓取去得到一个重物例如图中的铁锅，而抓取一个较小的叉子，我们使用精度抓取。

了解了概念之后，我们开始进入重点，虚拟抓取（virtual Grasp）。我们关注于如何让虚拟手在VR世界中更加贴近自然手的操作，我们将从：

手的展示（Representation of hands）。

物体交互(Object interaction) 。

输入 (Input) 。

三个方面的细节谈谈虚拟手。

1、避免恐怖谷(Avoid the uncanny valley) ：恐怖谷理论是一个关于人类对机器人和非人类物体的感觉的假设，它在1969年被提出，其说明了当机器人与人类相像超过一定程度的时候，人类对他们的反应便会突然变得极反感，即哪怕机器人与人类有一点点的差别都会显得非常显眼刺目，从而整个机器人有非常僵硬恐怖的感觉，有如面对行尸走肉。如果VR游戏中，我们使用与人类手非常相像的一双虚拟手，但是虚拟手的行为却不自然，那么用户就会感到害怕和不适。

2、避免特性手 (Avoid hand personalities)，比如很大或者很小的虚拟手。或者一双行动自然的虚拟手，但是皮肤颜色与用户不同。

3、Be consistent(一致性)：关于虚拟手的一致性，比如当我们在应用中选择与真实人手最接近的模型来进行交互时，我们希望交互的效果是最自然的。当我们选用机械手的模型进行交互时，物体可能会跳到虚拟手上。隐形手可能是一种解决虚拟手和物体交叉穿过的好办法。卡通手会在抓取到物体的时候消失。我们也可以让虚拟手拿一个工具来进行交互。

例如下表所示：

上图表格从上到下，手的展示越来越抽象，下图表格，随着手的展示抽象感增强，交互的复杂度随之减少。

4、忽略手臂(skip the arms)： 因为手臂在虚拟场景中会有很大浮动，影响整体效果。

5、思考关注场景中的每个物体(think long and hard about every object in the scene) ： 让场景中的物品尽可能的与虚拟手交互。

6、使交互物品可观察 (make is obvious how to interact with object)： 不要使对一个物品有很多复杂的操作，这样开发会变得更复杂。

7、选择最自然的抓取 (pick the most natural grasps): 思考人们想在虚拟环境中对物体做什么操作，比如一个杯子，我们会用它喝水，把他放进洗碗机，把它摔在地上..等等。另外，正如我们之前提到的，抓取操作有很多种，物体的不同，使用目的不同，抓取的方法也会不同。

8、根据使用案例选择控制器 (choose controller based on the use case)：如之前我们谈到过的运动控制器（Motion controller）在游戏中更容易使用，用户不用考虑太多，只需要按下按钮。而当我们用到肢体语言时，手指的追踪就显得尤为重要了。

9、反馈（use feedback）：告诉用户他成功的拿起了物品，比如使用声音，或者视觉上感受到物体被拿起，或者高亮被操作的物品。

10、有时手的操作回馈会显得奇怪(Some times hands and feedback gets weird)：有时玩家对物体进行预测不到的操作，可能会得到奇怪的反馈。

总结：虚拟手的操作是VR开发中的重要部分，希望大家通过这篇文章对于虚拟手有了更深层次的了解，对于虚拟手在应用中的选择也有了更准确的把握。