日本VR：空中超聲波視覺(jué)觸覺(jué)克隆技術(shù)

日本VR觸覺(jué)技術(shù)的發(fā)展史

日本對(duì)VR觸覺(jué)技術(shù)的研究從1980年左右開(kāi)始，起初是針對(duì)機(jī)器人和流水線作業(yè)等應(yīng)用進(jìn)行研究，1984年開(kāi)始進(jìn)入電視屏幕的觸控技術(shù)領(lǐng)域，1990年則真正開(kāi)始了虛擬物體(VR虛擬現(xiàn)實(shí))與真實(shí)物體碰撞反饋的研究，2000年左右則可以通過(guò)小型震動(dòng)裝置實(shí)現(xiàn)真實(shí)的觸感反饋，這一技術(shù)之后也應(yīng)用到智能手機(jī)，也就是我們現(xiàn)在常用的震動(dòng)模式。在空氣觸覺(jué)方面的研究則是由東京大學(xué)篠田裕之教授團(tuán)隊(duì)從2007年左右開(kāi)始進(jìn)行，未來(lái)可以應(yīng)用到VR設(shè)備的輔助、醫(yī)學(xué)保健、機(jī)器人技術(shù)等領(lǐng)域，并且也可以大大改善現(xiàn)有的智能手機(jī)操作。

什么是“空中超聲波觸覺(jué)技術(shù)”?

超聲波振子從格狀多位排列的超聲波換能器中發(fā)出，以空中任意位置的超聲波振子為焦點(diǎn)相結(jié)合，形成超聲波，產(chǎn)生了被稱為回聲放射壓的壓力。如果用人類(lèi)手指在此位置表面進(jìn)行按壓，就能產(chǎn)生觸覺(jué)刺激?！翱罩谐暡ㄓ|覺(jué)”就是利用此現(xiàn)象，在VR虛擬現(xiàn)實(shí)中增加觸覺(jué)而產(chǎn)生的。

為何能在虛無(wú)的空間中產(chǎn)生觸感?

也許與影像和音響中豐富的表現(xiàn)出虛構(gòu)的臨場(chǎng)感和現(xiàn)實(shí)感的技術(shù)是一樣的。利用VR(假想現(xiàn)實(shí))和AR(擴(kuò)張現(xiàn)實(shí))技術(shù)表現(xiàn)出無(wú)人見(jiàn)過(guò)的場(chǎng)景。想要接觸這種假想物體的沖動(dòng)屢次三番的驅(qū)使著我們?？墒?，這個(gè)愿望時(shí)至今日依舊沒(méi)有實(shí)現(xiàn)。

實(shí)現(xiàn)此想法的技術(shù)就是空中超聲波觸覺(jué)界面。話雖如此，卻不可能真切的感受到物體的固體形狀。但是，實(shí)際上一旦按壓浮現(xiàn)在空中的影像圖標(biāo)，就可以感受到傳遞給手指的按壓觸感。

開(kāi)發(fā)這個(gè)技術(shù)的是東京大學(xué)研究生部開(kāi)創(chuàng)新領(lǐng)域科學(xué)研究科的篠田裕之教授團(tuán)隊(duì)。篠田教授團(tuán)隊(duì)利用迄今為止的超聲波技術(shù)制作了各種各樣的觸覺(jué)表現(xiàn)技術(shù)。例如，2014年披露的樣品《空中觸覺(jué)觸摸屏》(其他大學(xué)研究室也有類(lèi)似展示、如名古屋工業(yè)大學(xué)等)。這是只要觸碰漂浮在中空箱子里的圖標(biāo)，就可在手指上產(chǎn)生按壓觸感的系統(tǒng)。

可以應(yīng)用此技術(shù)的領(lǐng)域眾多，例如，可以將其應(yīng)用在手術(shù)室和食品加工廠等，避免臟手觸碰到其他物品的場(chǎng)所。還有，如果在門(mén)鎖開(kāi)關(guān)是使用鍵盤(pán)輸入的情況下，可以做到?jīng)]有指紋殘留從而提高安全性。

很早就有利用光學(xué)結(jié)構(gòu)在空中制造出立體影像的技術(shù)，也嘗試著使用利用影像傳感器感知手指活動(dòng)的相同輸入界面，但是，手指和手掌沒(méi)有任何觸感，結(jié)果把立體影像漏過(guò)去了，這是操作方面的課題。觸感的獲得是絕對(duì)有益處的，可以通過(guò)正確的操作得到觸摸感覺(jué)。另外，如果在有圖標(biāo)的地方和沒(méi)有圖標(biāo)的地方觸感發(fā)生變化的話，可能需要進(jìn)行正確操作的指導(dǎo)。

除這類(lèi)實(shí)用性系統(tǒng)之外，也開(kāi)發(fā)了可以應(yīng)用在娛樂(lè)領(lǐng)域中，與影像同步產(chǎn)生觸感的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。例如，《觸覺(jué)放映機(jī)》。將壁虎奔跑的影像投射在放映機(jī)上，一旦人進(jìn)入此影像中，就可以感覺(jué)到摸到了壁虎的皮膚。

觸覺(jué)放映機(jī)

再介紹一個(gè)研究成果。下圖右側(cè)是真正的紙氣球，左側(cè)看到的是光學(xué)映射出的克隆紙氣球。一旦克隆紙氣球與另一個(gè)紙氣球相撞時(shí)，真正的紙氣球也會(huì)被撞飛。(當(dāng)然克隆的紙氣球也一樣會(huì)被撞飛)。還有，一旦搖晃克隆紙氣球，真正的紙氣球也會(huì)跟著晃動(dòng)。這個(gè)技術(shù)被稱為《視覺(jué)觸覺(jué)克隆》

視覺(jué)觸覺(jué)克隆

利用同樣的技術(shù)，離開(kāi)場(chǎng)所的人不僅可以互相看到對(duì)方的樣子，將手伸進(jìn)裝置內(nèi)還能感覺(jué)到與對(duì)方手指互相觸摸的感覺(jué)。

空中超聲波觸感技術(shù)的原理是什么?

產(chǎn)生這種觸感的就是在文章開(kāi)頭提到的超聲波振子。將250個(gè)格狀排列的超聲波振子作為一個(gè)單元，個(gè)別控制每個(gè)超聲波振子發(fā)生的聲波位相。一旦以空中任意位置的超聲波振子為焦點(diǎn)相結(jié)合，就會(huì)產(chǎn)生被稱為回聲放射壓的壓力。用人的身體遮擋這個(gè)位置，皮膚就會(huì)有被按壓的感覺(jué)。平均1單元壓力分布在1平方厘米，重1.6克。這是充分具備獲得觸覺(jué)的數(shù)值。另外，使用復(fù)數(shù)單元可產(chǎn)生大約10克重量的壓力。如果控制回聲放射壓使其與影像同步移動(dòng)的話，應(yīng)該就可以制造出觸覺(jué)放映機(jī)。

使超聲波震動(dòng)波形發(fā)生變化，就可以控制各種各樣的觸感?？梢援a(chǎn)生類(lèi)似于“碰撞輕的物品”、“蟲(chóng)子黏黏糊糊的爬行”、“煙花爆發(fā)”等感覺(jué)。

空中觸覺(jué)觸摸屏在制作立體影像的光學(xué)結(jié)構(gòu)中也是必不可少的。采用市面上出售的空中影像投影技術(shù)，為了使超聲波與空中影像的傳播軸相互重合，將超聲波反射在成像單元的表面。另外，影像傳感中手指觸摸的位置和時(shí)間，可以控制覆蓋在相應(yīng)位置的回聲放射壓。

視覺(jué)觸覺(jué)克隆技術(shù)為了制作克隆影像，使用了采用特殊數(shù)字微鏡元件的雙向復(fù)制光線技術(shù)，此技術(shù)也應(yīng)用于市面出售的裝置上。復(fù)制力學(xué)場(chǎng)是使用1992個(gè)超聲波振子，使其產(chǎn)生上下左右全方位的立體力。另外，通過(guò)使用紅外線深度傳感器，測(cè)量對(duì)象物體的形狀。