这篇文档属于类型a,即报告了一项原创性研究。以下是对该研究的学术报告:
主要作者与机构
本研究的主要作者为Chi-Jung Lee、Hsin-Ruey Tsai和Bing-Yu Chen,分别来自台湾大学(National Taiwan University)和政治大学(National Chengchi University)。该研究发表于2021年5月8日至13日在日本横滨举行的CHI Conference on Human Factors in Computing Systems (CHI ‘21)上,并由ACM出版。
学术背景
本研究的主要科学领域为虚拟现实(Virtual Reality, VR)中的触觉反馈(haptic feedback)。在VR中,触觉反馈是增强用户体验真实感的关键因素之一。用户在触摸虚拟物体时,通常会感知到硬度(stiffness)和粗糙度(roughness)等触觉特征。此外,复杂表面结构的高度差异(surface height differences)也对触觉反馈的真实性至关重要。然而,现有的触觉反馈设备在同时提供硬度、粗糙度和表面高度差异方面存在局限性。因此,本研究提出了一种基于可重构刷毛(reconfigurable brush hairs)的手持设备HairTouch,旨在通过控制刷毛的长度、弯曲方向和针头高度,提供多层次的硬度、粗糙度和表面高度差异反馈,从而提升VR的真实感。
研究流程
本研究分为以下几个主要步骤:
设备设计与开发
HairTouch设备的核心设计基于可重构刷毛和针基结构(pin-based structure)。设备包含两个针头,分别对应食指指尖附近的两个指节。通过控制刷毛的长度和弯曲方向,可以改变刷毛的弹性和尖端方向,从而分别渲染不同的硬度和粗糙度。此外,通过独立控制刷毛配置和针头高度,可以实现硬度、粗糙度和表面高度差异的组合反馈。设备硬件包括两个刷毛束、两个针头、两个管状结构、两个轨道和一个控制器。刷毛的长度范围为4mm至36mm,弯曲角度范围为±45°。设备重量为320g,与现有的手持设备相当,确保了便携性。
感知研究(Perception Study)
为了验证用户对硬度和粗糙度的区分能力,研究团队进行了感知研究。研究招募了12名参与者(6名男性,均为右利手),年龄范围为17至32岁。研究使用HairTouch设备和Vive Pro头戴显示器(HMD),通过Unity3D构建VR场景。参与者需要通过手指按压和滑动来感知硬度和粗糙度反馈,并调整视觉反馈以匹配触觉反馈。研究测试了五个硬度级别(刷毛长度分别为36mm、31mm、21mm、11mm和4mm)和七个粗糙度级别(刷毛弯曲角度分别为45°、35°、25°、0°、-25°、-35°和-45°)。每个级别重复三次,共72次试验。研究结果表明,硬度和粗糙度的区分能力在不同指节上存在显著差异,且参与者对第一指节的反馈更为敏感。
VR体验研究(VR Experience Study)
在感知研究的基础上,研究团队进一步进行了VR体验研究,以验证HairTouch设备在增强VR真实感方面的效果。研究招募了12名参与者(5名女性),年龄范围为20至27岁。研究构建了两个VR应用:虚拟宠物(Virtual Pet)和虚拟购物(Virtual Shopping)。在虚拟宠物应用中,参与者需要抚摸虚拟猫的不同身体部位(耳朵、腹部、背部和头部),每个部位对应不同的硬度级别。在虚拟购物应用中,参与者需要体验四个不同硬度的抱枕和四个不同粗糙度的抱枕套。研究比较了HairTouch设备和控制器振动反馈的效果。结果表明,HairTouch设备在真实感、区分性、享受度和偏好度方面显著优于振动反馈。
主要结果
1. 感知研究结果
感知研究表明,HairTouch设备能够提供四个可区分的硬度级别(刷毛长度分别为31mm、21mm、11mm和4mm)和四个可区分的粗糙度级别(刷毛弯曲角度分别为45°、115°、125°和135°)。参与者在第一指节上的感知能力优于第二指节,且对硬度和粗糙度的区分能力在不同级别上存在显著差异。
结论
本研究提出了一种基于可重构刷毛的手持设备HairTouch,通过控制刷毛的长度、弯曲方向和针头高度,实现了多层次的硬度、粗糙度和表面高度差异反馈。感知研究和VR体验研究验证了HairTouch设备在增强VR真实感方面的有效性。该设备不仅为VR用户提供了更为真实的触觉体验,还为未来触觉反馈设备的设计提供了新的思路。
研究亮点
1. 创新性设计
HairTouch设备首次将可重构刷毛应用于VR触觉反馈,通过物理属性(如刷毛长度和弯曲方向)的变化实现了多层次的硬度和粗糙度反馈。
多维度触觉反馈
设备能够同时提供硬度、粗糙度和表面高度差异的组合反馈,这在现有触觉反馈设备中较为罕见。
用户体验优化
研究通过感知和VR体验研究,验证了设备在增强VR真实感方面的效果,为未来VR应用中的触觉反馈设计提供了重要参考。
其他有价值的内容
研究还探讨了设备在模式切换时的延迟问题,并提出了通过手部轨迹估计方法(hand trajectory estimation methods)来减少延迟影响的潜在解决方案。此外,研究团队还建议未来可以探索其他材料(如橡胶、海绵等)以提供更广泛的触觉反馈。
这篇研究为VR触觉反馈领域提供了重要的理论和实践贡献,具有较高的科学价值和应用前景。