论VR技术的空间限制问题与解决方案

李振洋

摘 要：VR技术现已被广泛应用到一些娱乐行业当中，在一些游乐设施和游戏中，更为常见.现有的VR体验设备对VR技术的矛盾点进行了一些回避和修饰.本文将重点总结和探讨VR技术的空间限制问题与解决方法.VR技术一旦运用到虚拟场景中，其空间限制的矛盾问题会日益凸显，首先在大面积的虚拟场景体验中，VR体验的现实场景的面积要和VR虚拟场景的面积保持一致，才能保证VR体验不会中途中断.但这对VR的现实布景要求是成倍数增加的，造成了现实场景构建的高昂费用.

关键词：VR技术;空间限制;建造成本;体验;现实场景

中图分类号：TE302  文献标识码：A  文章编号：1673-260X（2019）10-0131-03

一项新技术的产生，会给行业带来很多新的视角，给运行多年的技术带来新的活力，并延长行业产品的生命力.当年，在3D打印技术产生时，在全球的制造行业引起了广泛关注，甚至有些学者断言“3D打印技术势必取代传统工艺，改变传统工业的生产模式.然而，3D打印技术被阻隔在了打印材料的强度韧性不足与打印方舱体积过大的门槛上，至今未能被普及推广到各制造业.新技术的产生，被证明是一柄双刃剑，既可以披荆斩棘，也存在自我局限，需要化解矛盾，才能真正地推陈出新，被各行各业广泛认可.

如同3D打印技术一样，VR自产生，便获得了广泛的关注，在游戏、影视、教育等多领域均有尝试，但是随着时间的流逝，与不断的尝试，其自身的局限也越来越凸显，时至今日，VR技术已停滞不前.

VR技术现已被广泛应用到一些娱乐行业当中，在一些游乐设施和游戏中，更为常见.现有的VR体验设备对VR技术的矛盾点进行了一些回避和修饰.但有一些矛盾是无可回避的，比如，焦点同步问题（模拟人眼的活动，在头部不产生运动的前提下，画面上的聚焦位置跟随人眼产生同步变化）、空间限制问题（如何利用有限的活动空间，来实现大范围的跑动和蹦跳）、运动变向问题（如何摆脱直线方向的运动模式，实现变向运动）、交互局限问题（如何将手与虚拟场景中的工具实现关联）.

本文将重点总结和探讨VR技术的空间限制问题与解决方法.VR技术一旦运用到虚拟场景中，其空间限制的矛盾問题会日益凸显，首先在大面积的虚拟场景体验中，VR体验的现实场景的面积要和VR虚拟场景的面积保持一致，才能保证VR体验不会中途中断.但这对VR的现实布景要求是成倍数增加的.[1]

在一些大型游乐场中，一些VR体验是通过采用载具的方式对这一问题进行修饰的，这一途径，主要是从体验者的角度出发，对体验者的视觉感官进行欺骗，如果配合VR实景中的一些道具设备，可以将效果做到亦真亦假，这一效果也接近了AR这一概念的效果.

当AR技术被运用到载具里进行时，其空间问题的矛盾可以被轻易地掩盖，例如在迪斯尼游乐园（上海）的加勒比海盗娱乐项目中（图1-1），海岛船由海底升至海面的过程中，主要是依据海盗船下方的机械臂，通过机械臂的推举产生一种自下而上的升力，进而模拟出木船迅速上浮的错觉（推举力的加速度猛增，在短时间内营造出与长距离相同的位移感）.

在教育行业中，大型载具也多有应用，例如在飞行模拟器中，同样是依靠现实设备的升降摇动，模拟出空间的位移，进而临时解决VR现实空间局限的问题.

然而，当体验者双脚触碰到地面，进而使娱乐体验更加自由开放时，VR技术的空间局限又凸显出来.由于载体的消逝，空间感无法再用感官错觉来蒙蔽，VR的现实场景与虚拟场景的一致性，又要被保证了，现实场景的建造成本又一次变得高昂起来.

VR的现实场景的空间限制主要来源于VR自身开放式的特性，体验者需要在现实空间的运动来匹配虚拟场景中的运动效果，一旦体验者离开载具的模拟，依靠自身行进，其空间的无限式的特性无法得到保证.如果在体验者的站立面下布置多个球形体，可以解决现实空间面积的限制问题.这一解决思路近似于将人摆放在了球面的正上方的位置，人通过两足的踩动，使下方的滚球运动起来，滚球通过滚动的速率，并且撞击传感器，可以模拟计算出现实中人物两腿的运动频率以及运动方向，进而弥合了现实场景与虚拟场景中运动空间的间隙.

将球体运用到设计中，可以化解传统原地运动方式所带来的矛盾.传统的原地跑动运动模式存在着两个致命的缺点——方向唯一性与运动动作的单一性.

当体验者顺着特定的方向和笔直的路径进行奔跑时，是没有任何问题的，但是当虚拟场景的娱乐路径发生更改时，例如：直线转为弧线路径，这个时候，传统的原地运动装置都无法满足要求[2].另外，在运动动作发生改变时，例如从正常行进改为跳跃，多数运动装置也无法满足要求（图1-3）.

万向无极感应器（图1-4）很好地解决了上述的两个矛盾点.球与人体脚面的摩擦，加上球体在球座中的原地滚动，很好地抵消了人在一个特定方向上的运动距离;人体在感应器上进行跳跃和变向，依赖于球体与球座中感应器的碰撞，感应器可以实时计算出，人的运动方向、运动速率与运动动作.

本技术搭配VR技术，可以更好地填补虚拟场景与现实场景难以同步的鸿沟，既节省了现实场景中的宝贵空间，也为VR装置的微型化趋势，但来了推动作用.

万向无极感应器实现感应效果的技术难点有两点，第一个技术难点在于增加鞋底与感应器球体面的摩擦，并同时减小球面与球座的摩擦.这种要求主要是在于对于材料的验证，包含了鞋底材质、球体材质以及与球体直接接触的感应器的材质.增加鞋底与感应器球体面的摩擦，是为了使球滚动起来，进而抵消人的运动距离，否则人在运动时就会超出感应器的感应范围.减小球体与球座的摩擦，是球体产生滚动的第二保证，如果球体与球座的摩擦较大，球体亦无法实现滚动.第二个技术难点在于感应器的布置，为了实时获得体验者的运动方向和运动速度.感应器的感应方式为，球体与感应器的碰撞与接触.在每个球座里布置八个感应方向的感应器，与底端一个感应人物跳动的感应器，共计九个感应器（图1-5）.

当人脚踩在万向无极感应器上时，計算芯片会通过球体与球座里的每一粒感应器的碰撞强度与碰撞的持续时间的长短对人的运动状态进行判断.接触时间短被判定为跑跳，接触时间长被判定为慢走.当双脚离开感应器，又猛烈促使球座底端的感应器与碰撞球接触时，同时蹦起与落地的接触球阵位置与面积基本一致，判定为蹦跳.球体被踩踏数量，被踩踏强度，被踩踏的持续时间，三种变量进行叠加，对人的运动状态进行判断.

感应器需与VR眼镜进行蓝牙连接，搭配VR眼镜与虚拟主机，进行使用.感应器适合自由活动类的单人游戏，即非机械载具类游戏，例如个人探索未知/解谜类型，如此可以将一些PC单机游戏稍加改动引入到VR体验概念里.[3]

万向无极感应器的设计细节为功能调节区与放线器.体验者依据感应垫与VR体验设备连接，达到既定面积内的活动范围.功能调节区主要是针对感应球阵与球座感应触点碰撞的灵敏度进行设置与调节，同时有一部分因素是出于鞋底与球体的摩擦力进行设置，摩擦力源于体验者的体重与摩擦系数.如果摩擦系数不变，为了获得更好的体验效果，势必依据体验者的体重对万能感应器进行设置，体验者的体重与万能感应器的灵敏度成反比，在产品的后期生产验证阶段，将得出具体的算法公式，将其植入芯片.[4]

放线器可以容纳5米长度的连接线，可以连接电源，进行充电，当充电完成后，可自动将电源连接线收入连接器中.感应器内部的锂电池可以支持使用者体验3小时以上，当出现低电量时，为了保证使用者的人身安全，避免事故发生，感应器会有提示音发出，并且提示VR眼镜关闭玩家响应.[5]

万向无极感应器通过使用碰撞球和感应器解决了体验者在VR体验中的运动空间限制问题，可以实时感应体验者的运动状态，节约现实空间，且实时判断体验者的运动方向.一旦批量生产，并与VR体验项目更好兼容，必定会为VR技术的进一步实用化，提供更大的拓展空间.

参考文献：

〔1〕伍烨轩.VR旅游产品开发研究——基于PESTEL分析模型[J].市场周刊（理论研究），2017（07）：55-56+89.

〔2〕The relationship between map drawing and spatial orientation abilities： A study of gender differences[J] . Emanuele Coluccia，Giorgia Iosue，Maria Antonella Brandimonte. Journal of Environmental Psychology . 2007 （2）：45-49.

〔3〕姬喆.基于VR虚拟漫游技术的交互设计应用研究[J].现代电子技术，2019（08）：86-90.

〔4〕吴磊.基于虚拟现实技术（VR）的动画交互性设计分析[J].信息技术，2019（07）：125-128+132.

〔5〕朱金达，张嘉钰，牛虎利，崔洪斌，杨光.基于VR技术的机械设计虚拟仿真实验中心建设与探索[J].科技创新与生产力，2019（6）：46-49.