看見籃球的3D全息投影已經不稀奇，但如果你能拍打、觸摸這個籃球幻像，而且能感受到它的彈性呢？

英國格拉斯哥大學的一個工程師團隊提出一種新方法，能創(chuàng)造跟全息投影進行物理交互的感覺。

當你用不同力度拍這個虛擬籃球時，你的手掌會感受到不同的彈性力道，就像在拍一個真球，你的手、手指和手腕都會有逼真的觸感。

而實現(xiàn)這樣宛如科幻片里的互動體驗，完全不需要可穿戴或手持外圍設備，比傳統(tǒng)的VR/AR系統(tǒng)更加輕便。

這項研究的論文題目為《交互式立體顯示的偽全息投影和氣動反饋》，已發(fā)表于WILEY智能系統(tǒng)領域旗艦刊Advanced Intelligent Systems上。

論文鏈接：https://doi.org/10.1002/aisy.202100090

一、三種模式，讓虛擬籃球拍起來像真球

如何做到逼真的籃球彈跳觸感？

研究團隊打造了一個帶有氣動觸覺反饋設備的偽全息投影。

▲用于交互式立體顯示的帶有氣動觸覺反饋的偽全息投影

如圖，其開發(fā)的系統(tǒng)有3個主要組件，分別是偽全息顯示、手勢識別模塊和觸覺反饋設備。這些組件被連接到主計算機，并通過基于Unity平臺的內部構建程序進行控制。

其中，偽全息顯示基于Pepper的幽靈投影方案，創(chuàng)造了一種物體“漂浮”在空中的錯覺；手勢識別模塊使得用戶可用手勢與虛擬對象進行交互。

除了視覺反饋外，該系統(tǒng)通過提供觸覺反饋來提供更真實的交互感。

其觸覺反饋設備名為Aerohaptics，當用戶操縱虛擬物體時，該設備使用指向用戶手上的加壓空氣噴射，來復制觸摸感覺，同時它還提供位置和強度控制，以適應各種交互場景。

根據全息投影與用戶之間的交互性質，Arduino控制器單元可區(qū)分多種操作模式，包括恒壓模式、手部標志選擇模式和手部跟蹤模式。

在恒壓輸出模式下，無論手的空間位置如何，系統(tǒng)都會向用戶提供恒定的氣動反饋，即用戶會感受到相同的壓力。

在手部標志選擇模式下，算法可以選擇用戶手的哪個部分（共6個標志，每個指尖各1個+手掌上1個）是跟蹤系統(tǒng)的目標，系統(tǒng)可以準確地提供氣動觸覺反饋給不同的手部標志。

在手部跟蹤模式下，壓力基于3D虛擬成像的拓撲與用戶手的運動交互，Arduino控制器單元將手指速度值直接映射到壓力調制單元，使用戶感覺像觸碰到一個真實存在的東西。

比如用戶試圖拍打全息籃球時，將收到與拍打球時“感知”的力度成正比的氣動反饋，能感受到球從指尖滾動時“圓圓”的形狀，以及球彈回手掌時的彈跳壓力變化。

二、定位精準到手指，拍得越重反彈越猛

隨后，研究團隊用實驗展示了其系統(tǒng)的兩項功能，即觸覺反饋傳遞的準確定位控制和可調觸覺反饋強度。

首先在控制觸覺反饋傳遞的位置方面，系統(tǒng)可控制空氣噴射以非常高的精度指向不同位置。

系統(tǒng)中的商業(yè)手部跟蹤設備可以檢測到用戶手部的不同位置，包括手指、手掌、手腕等，跟蹤系統(tǒng)和氣體噴嘴能準確控制觸覺反饋的傳遞位置。

為了證明這一點，Aerohaptics系統(tǒng)被編程為按順序瞄準用戶手上的單個指尖，研究人員在用戶指尖上粘了紙條，這樣就能清晰看到噴氣的位置是否精準。

從上圖（d）中可以看到，空氣會集中噴在目標手指上，相鄰手指上粘的紙條沒有受到干擾。

其次，為了提供不同強度的觸覺反饋，其系統(tǒng)包含一個氣流控制機制，以調節(jié)噴到用戶手部的空氣量。這在很多情況下都很有用。

比如，當用戶的手離空氣噴嘴越來越近或越來越遠時，觸覺反饋的強度可以保持不變；當用戶試圖迅速猛拍虛擬籃球，會產生更強的觸覺反應；當用戶拍打幅度很輕時，球的反饋強度也會相應降低。

研究人員在用戶的手掌上放了一個力傳感器，并記錄了觸覺反饋的強度，獲得的圖像結果顯示了虛擬籃球三次硬彈跳后氣流變化，然后是三次較軟的氣流，從而致使傳遞給用戶手的力發(fā)生了變化。

三、比其他全息顯示功能更全

Aerohaptics系統(tǒng)由格拉斯哥大學詹姆斯·瓦特工程學院的Ravinder Dahiya教授領導的可彎曲電子和感應技術（BEST）小組開發(fā)。

Dahiya教授說，近年來，觸覺反饋和立體顯示技術取得了長足的進步，使我們更接近于與虛擬對象進行逼真地交互。

但當前的觸覺技術往往要用到可穿戴或手持外圍設備，其高成本與復雜性可能會阻礙該技術的普及。

與其他交互式全息顯示相比，Aerohaptics系統(tǒng)能將其他系統(tǒng)實現(xiàn)的360°視角、空中手勢識別、觸覺等功能合在一起，同時無需用戶連接設備。

相對于其他在3D虛擬環(huán)境中提供觸覺反饋的技術，啟動觸覺反饋系統(tǒng)擁有反饋定位和強度控制等優(yōu)勢，并保持較低的復雜性和低成本。

結語：未來或引入嗅覺反饋

總體來看，與在虛擬環(huán)境中提供觸覺反饋的其他方法相比，Aerohaptics系統(tǒng)是一個成本效益高的解決方案，復雜性相對較低。

研究團隊正在考慮給系統(tǒng)添加更多觸覺反饋功能，比如溫度變化帶來的感覺，嗅覺反饋也可以通過該系統(tǒng)在氣流中引入各種氣味來提供。隨著后續(xù)進一步發(fā)展，Aerohaptics系統(tǒng)擁有實現(xiàn)多種感官相互作用的潛力。

這在現(xiàn)實生活中的應用有相當廣闊的探索空間，比如可以為遠程電話會議創(chuàng)造更逼真的3D渲染互動，幫醫(yī)生在虛擬空間執(zhí)行棘手的操作，或者讓醫(yī)生遠程指導機器人進行真正的手術。

來源：Tech Xplore