重定向技术的分类研究

傅斯源 赵子杰 李曜冰

摘  要：近几年，为了增强人们在VR交互体验中的沉浸感，真实的步行穿越沉浸式虚拟环境（IVEs）是提高基于VR交互的自然度的一项重要活动，但由于虚拟世界大小受到物理空间限制，自然行走仍然是一个实现挑战。使用重定向技术是一种很有希望的方法，它通过在虚拟环境中操纵用户的路径来放宽自然行走的空间要求，从而使现实世界的路径保持在物理工作区的边界内。

在本文中，我梳理了重定向技术的发展，根据几何灵活性与用户注意重定向技术的可能性将其分开，其中，我将强调分类为微妙的技术进行重新定向时，“改变盲目性重定向技术”的概念。此外，本文还将引入VR运动中基于细胞的重定向技术的概念，以“书架和鸟”技术为例，解释这种新技术的理念和应用，探讨可行性，介绍被动触觉重定位技术，并在最后提出自己对重定向领域未来发展方向的看法。

关键词：重定向技术;改变盲目性重定向技术;基于细胞的重定向技术;被动触觉重定位技术;虚拟环境

1.引言

自然交互对于创建引人注目的虚拟现实体验至关重要，尤其是运动，这是在与3D 图形环境交互时执行的最常见和最普遍的任务之一。最自然的运动技术，相比真正的行走，已经被证明提供了更大的存在感。替代技术，也就是不采用现实的身体运动，为从业人员使用身临其境的显示器，因为物理空间的限制将最终限制可以探索的虚拟环境的大小。

重定向是一个有希望的解决方案，通过在虚拟环境中操纵用户的路径来放松自然行走的空间限制，使其偏离现实世界的路径。

2.重定向技术的分类（Taxonomy of Redirection Techniques）

Suma 等人根据三个特征提出了重定向技术的分类：改变是微妙的还是公开的，重定向是重新定位还是重新定向，以及这种情况是连续还是谨慎地发生。

原始的重定向行走（RDW）技术属于微妙的重定向的类别，其中的关键是通过利用人类感知的局限性来隐藏用户的变化。与本文的技术更相似的是那些创建公开重定向的技术。Williams等人引入了显式、离散的重定向，将用户的位置或方向重置在跟踪空间的边界上。这些技术使用蛮力 "停止重置" 与预期叙述分开的操作，这很可能会显著破坏用户体验。而Arch-w探系统，在该系统中，体系结构空间被划分为单元（房间），当用户在单元之间转换时，将应用重定向。然而，为了让真正的步行通过任意的建筑模型，Bruder等人根据房间的大小应用不同的步行比例因素，当用户穿过房间之间的门时，使用较大的旋转和曲率增益。这些特征可能会导致距离感知、不适和迷失方向的问题。

3.基于细胞的重定向技术（Cell-Based Redirection）

3.2 书架技术（The Bookshelf Technique）

电影和游戏有时以一个假的书架或壁炉为特色，当激活时，可以围绕其垂直轴旋转，将站在旁边的人带入相邻的密室。书架技术使用了这个比喻。当用户打算前往由墙连接的下一个单元时，他可以踩到连接到书架上的平台，按一个黄色按钮。一旦激活，书架将在虚拟场景中将自己（与用户一起）旋转180度，将用户放置在墙的另一侧的虚拟房间中。由于在现实中没有发生这样的旋转，用户实际上仍然站在同一个实验室空间，面对真实墙的原始一侧（图A-C）。现在，目标虚拟室已重新定向，使其与物理可用的实验室空间位于同一边（图C）。然后，用户可以简单地转身步行遍历虚拟房间，虚拟房间完美地映射到物理运动跟踪空间（图D）。注意需要将书架放在墙的中间。在每一对相邻单元之间重复这种重定向，使用户能够遍历比物理上可用的空间大得多的区域，而不会破坏游戏的叙述。

书架技术中的重定向。黑色矩形表示跟踪的物理房间，而红色和绿色的物理房间表示两个虚拟房间。A：用户从绿色房间开始，走上书架，激活重定向;B：書架在虚拟世界中与用户一起旋转，而他却在现实中静止不动;C：物理空间现在与红色虚拟房间位于同一边，用户转身面对它;D：用户从书架上走下来，穿过红色的虚拟房间。

要想有效，书架技术需要让用户相信他确实在轮换。我们通过多种方式帮助制造这种错觉。首先，这个适用情况本身是可以从大众媒体上获得和熟悉的。第二，虚拟书架的一部分是由半透明玻璃（图6A），这样用户就可以在重新定向的过程中看到下一个房间。这提供了视觉反馈，使感知的旋转更有说服力。第三，我们在两个单元格中提供空间声音，并使用低音炮在书架转动时创建基于振动的触觉反馈。为了将物理空间重新映射到新单元格，书架需要连续旋转180度。如果用户在旋转过程中从书架上走下来，他会认为自己毫无理由地被旋转，也许会穿过虚拟墙，这打破了VR体验。

3.3 基于细胞的重定向技术总结（Cell-Based Redirection）

从表面上看，书架和鸟的适用性似乎有限，因为它们使用了高度特定的适用情况。然而，它们实际上是我们称之为 "基于细胞的重定向"（CBR）的一系列技术的实例。CBR 技术将 VE 划分为离散单元，每个细胞的大小和形状与跟踪空间相同。每个细胞都可以通过真正的行走完全接触到，并与物理空间完美地对齐。

用户通过重新定向（例如，书架）或重新定位（例如，Bird）调用重定向来在相邻单元格之间移动。CBR的主要特点是，每个单元内都使用自然的1：1 步行，而重定向与VE的叙述是一致的。其他适用情况可以在CBR家族中使用，以支持不同的说法。例如，可以在书架的位置上使用旋转门将用户旋转到相邻的房间。与鸟类似，可以提出一个 "天钩" 系统，玩家通过抓住上面铁轨上的钩子，被抬到其他房间。电梯、自动扶梯或任何其他基于车辆的适用情况都可以应用来承载此类接口中的单元之间的用户，只要新单元在过渡后与现实世界工作区重新对齐即可。

参考文献

[1]  E. A. Suma，G. Bruder，F. Steinicke，D. M. Krum，and M. Bolas. A taxonomy for deploying redirection techniques in immersive virtual environments. In IEEE Virtual Reality Workshops（VRW），2012，pp.43-46.

基金项目：“北京工业大学‘国家级大学生创新创业训练计划资助”。

项目编号：GJDC-2019-01-16