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為什么在元宇宙中用自己的雙手那么難？
萬萬沒想到，今年春天VR廠商們?yōu)?ldquo;一雙手”卷起來了。僅2022年上半年，就有四家VR巨頭對自家VR設備的手勢交互技術(shù)操刀改良。
4月20日，Meta旗下的VR頭顯Oculus Quest 2手勢交互版本迭代至2.0，解決了手部定位丟失的問題。4月13日，字節(jié)跳動旗下的VR品牌Pico宣布其兩款企業(yè)級VR頭顯可以通過定制的手部追蹤配件，提升手勢交互體驗。VR廠商HTC也在今年1月發(fā)布了一款新款腕式追蹤器，輔助預測用戶的手部位置。
▲Oculus Quest 2手勢交互1.0版本和2.0版本在手部快速追蹤方面的對比
無論是裸手交互技術(shù)，還是手部追蹤配件，用于VR設備的手勢交互技術(shù)一直在不斷迭代。同時，不少VR企業(yè)還在嘗試尋找新的手勢交互方式，比如說VR手套。
5月6日，荷蘭VR手套制造商Manus宣布其新款采用磁力追蹤技術(shù)的VR手套Quantum Metagloves開啟預售。5月4日，國內(nèi)動捕技術(shù)巨頭諾亦騰發(fā)布Hi5 2.0 VR交互手套。而早在2021年11月，Meta就曾展現(xiàn)自家的VR觸感手套模型，分享自己在VR手勢交互方面的最新成果。
▲從左到右分別為Manus、諾亦騰、Meta的VR手套
不僅如此，蘋果、谷歌、微軟等一些潛在VR玩家還獲批多項與智能戒指有關的專利，試圖將智能戒指打造為下一代手勢交互的關鍵輸入設備。
手勢交互技術(shù)是最基礎也是最自然的交互方式，也是VR設備中主流的交互方式之一。一般來說，手勢交互是指通過數(shù)學算法來識別人類手勢的技術(shù)，包括圖像獲取、手勢追蹤、手勢識別與分析等多個過程。其中，手部追蹤和手勢識別是手勢交互中較為關鍵的兩個步驟。手部追蹤是指準確地在VR頭顯中定位用戶雙手的位置，而如何精準地識別每個手指的動作，識別手的各種形態(tài)等屬于手勢識別。
手勢交互技術(shù)也暗藏巨大的市場空間。國際市場分析公司Markets and Markets發(fā)表報告稱，2024年“手勢識別和無觸碰感知”市場將達到340億美元。VR設備的手勢交互技術(shù)有了哪些新玩法？廠商為何都在近期升級自家VR設備的手勢交互技術(shù)？VR設備的手勢交互技術(shù)發(fā)展究竟如何？我們與諾亦騰CTO戴若犁、夢想綻放（愛奇藝智能）技術(shù)負責人史明以及HTC的技術(shù)負責人等多位行業(yè)人士深度交流后，試圖找到答案。
01.拋開手柄，VR游戲可以裸手玩
相較于其他移動設備，用于VR設備的手勢交互技術(shù)進步較為緩慢。比如說，從3dof到6dof經(jīng)歷了近五年的發(fā)展時間，手柄交互到裸手交互仍處在初期階段。隨著技術(shù)不斷進步，裸手交互也開始在不少消費級VR頭顯上普及。Meta曾在2019年發(fā)布手勢交互1.0版本，并將裸手交互引入Oculus Quest VR頭顯，讓用戶可以直接在虛擬世界中看到自己的雙手，并進行一些簡單的交互操作。
時隔2年后，Oculus Quest 2擁有了手勢交互2.0版本。此次升級主要解決了兩大難題。一是解決了用戶雙手重疊時，手部追蹤困難的問題。在Quest 2的手勢交互1.0版本中，當用戶的雙手相互阻擋或重疊時，系統(tǒng)很難識別用戶的手勢動作。二是在用戶快速揮動雙手時，系統(tǒng)也很容易丟失對于手部的追蹤。這兩種情況的發(fā)生都有可能會造成雙手從虛擬世界中突然消失。
至于是如何解決這兩項問題，Meta在其公告中說明，基于“重新設計的計算機視覺和機器學習方法”，新版本提高了手部跟蹤的性能可靠性。但自從版本更新后，我們看到不少用戶反饋到，盡管手勢交互功能有了更好的體驗，但是系統(tǒng)也出現(xiàn)了明顯的卡頓。
對此現(xiàn)象，戴若犁解釋到VR頭顯處理計算的能力本身就比較有限，而Meta基于計算機視覺獲取數(shù)據(jù)，并將一部分算力資源用來預測用戶手部位置，這種方案無疑將會為VR頭顯帶來較大的計算處理壓力，也是“系統(tǒng)卡頓”現(xiàn)象的主要原因。
HTC也在今年3月推出了新款的腕式追蹤器VIVE Wrist Tracker，并且在去年年底升級自家的手部追蹤版本。據(jù)HTC官網(wǎng)信息介紹，當用戶將腕式追蹤器戴在手腕上時，即使在一段時間內(nèi)雙手離開相機視野，系統(tǒng)也可以通過腕式追蹤器的高頻IMU數(shù)據(jù)和運動學模型預測手部的運動軌跡。HTC的相關負責人還向智東西分享到，相比VIVE Focus 3控制器，VIVE Wrist Tracker移除了按鈕、觸覺輸入等零部件從而縮小電池尺寸，將控制器變得更小更輕。據(jù)介紹，HTC的手腕追蹤器比VIVE Focus 3控制器小85%，重量輕50%。
▲VIVE Wrist Tracker腕式追蹤器
我們可以看到，Meta的裸手交互方案仍是計算機視覺為主，HTC的裸手交互方案則需要依靠腕式追蹤器等外設。前者能幫助用戶快速、有效地體驗裸手交互的樂趣，而后者通過慣性傳感器提高一定程度手勢交互的準確性和可靠性。面對不同的應用場景，不同廠商VR設備的裸手交互方案各有側(cè)重。
但裸手交互一定會給人們帶來更好地體驗嗎？戴若犁在采訪時說：“在技術(shù)成熟度尚未達到的時間點，將裸手交互這類人機交互新方式嵌入操作系統(tǒng)中，會給人們過高的期待。”“從操作成功率和觸感反饋來說，手柄在樂趣以及操作準確性上要遠勝裸手交互。”他解釋到，在人機交互領域，80%的操作準確性和100%的操作準確性給用戶帶來的交互體驗是完全不一樣的。
微軟亞洲研究院網(wǎng)絡圖形組首席研究員童欣曾在2017年接受媒體采訪時證實這一點。“當我手握手柄的時候，手柄不僅是一個輸入設備，同時也是輸出設備，它可以通過震動、力反饋給我一個輸出的反饋。而當我空手在空氣中揮舞的時候，我就失去了自己的輸出渠道。”有限的計算消耗、較高的學習成本、較低的操作準確性等都是阻礙VR設備裸手交互技術(shù)發(fā)展的主要原因。但在交互體驗上，裸手交互也將會給VR內(nèi)容生產(chǎn)者提供更多的發(fā)揮空間。不少VR設備中，裸手交互作為一種輔助的手勢交互方式。
02.大廠們爭著做的VR手套B站100元搞定？
為了在裸手交互帶來的沉浸感和VR手柄提供的高準確性之間尋找到平衡點，VR廠商們又想出了另一種手勢交互方式——VR手套。
目前，VR手套存在比較多的形態(tài)，但是真正可以大規(guī)模量產(chǎn)和銷售的VR手套主要分為基于慣性傳感器和基于彎曲傳感器兩種類型。不同于基于計算機視覺手勢交互的數(shù)據(jù)處理方式，以慣性傳感器為主的VR手套將通過傳感器收集大量的手部定位和手指交互的數(shù)據(jù)。而以彎曲傳感器為主的VR手套則測量精度較低，由于對于貼合程度的要求較高，其可穿戴設備的舒適度也較低。我們有機會搶先體驗到Hi5 2.0 VR交互手套。
一副Hi5 2.0 VR交互手套共有12個慣性傳感器，每只手佩戴六個無線傳感器，分布五個手指和手背上。同時該套裝還將配有一個數(shù)據(jù)收發(fā)器，可以插在電腦或者VR頭顯上傳輸數(shù)據(jù)。
▲Hi5 2.0 VR交互手套
打開傳感器、安裝傳感器、固定好手部追蹤器，選擇校準界面，Hi5 2.0 VR手套的校準方式比我們想象的要復雜一些。在體驗過程中，我們發(fā)現(xiàn)Hi5 2.0 VR交互手套能提供較為精準的手勢識別過程，比如說手部的位置和手勢的變化基本都能實時顯示變化。據(jù)官網(wǎng)介紹，該設備的姿態(tài)計算幀率從180fps提升至500fps，研發(fā)人員還通過算法提高了一定的抗磁干擾程度。
▲諾亦騰研發(fā)人員正在校準Hi5 2.0 VR交互手套
除此之外，研究人員也在嘗試不同的VR手套設計方案。2021年11月，Meta公布了其研發(fā)7年的VR觸感手套原型，這款VR手套用微型氣閥取代了電機，通過復雜的控制系統(tǒng)調(diào)整手指上的充氣儀器，形成擬真壓力，從而模擬各種觸感。
▲Meta觸感手套
荷蘭VR手套開發(fā)商Manus的Quantum Metagloods VR手套則是基于磁力追蹤技術(shù)打造而成。與諾亦騰選擇用算法去減輕天然環(huán)境造成的磁干擾，保證追蹤穩(wěn)定性的方案不同，通過磁力追蹤的手勢交互方案需要兩個設備協(xié)作完成，一個設備內(nèi)設xyz三個方向的線圈，同時VR手套中也將內(nèi)含一個線圈，兩個線圈將以高頻振動的方式產(chǎn)生磁力線，兩條磁力線互相切割，從而獲得手的位置變化。
盡管VR手套能提供較為準確的手勢動作捕捉，但VR手套的價格成本決定了其只能面向小部分極客玩家和商用市場。據(jù)悉，Meta手套的原型成本約為5000美元（約33400元），而Manus的Quantum Metagloods的預售價為9000美元（約6萬元），諾亦騰的Hi5 2.0 VR交互手套，售價為9800元人民幣。
▲從左到右分別為Manus、諾亦騰、Meta的VR手套
Meta曾將研發(fā)VR觸感手套的項目描述為“登月計劃”。“當我們開始研發(fā)VR觸感手套時，我們希望打造一款可以大規(guī)模量產(chǎn)，消費者買得起的消費設備，讓人們在任何地方都能體驗到虛擬世界。”Meta的項目負責人說：“但這幾乎不可能。”在調(diào)查的過程中，我們還發(fā)現(xiàn)B站上有不少UP主自制VR手套，這些價格的成本從100元到350元不等，部分VR手套甚至擁有力反饋功能。我們看到這些自制的VR手套可以用于一些簡單的VR游戲中，可以做出拿、捏、翻轉(zhuǎn)等一些簡單手勢動作，但其顯示延遲情況也較為明顯，時常會出現(xiàn)一些鬼畜場景。
面對VR手套的巨大價格差距，一位從事VR手套的行業(yè)人士分析認為面向B端市場的VR手套成本主要在研發(fā)投入、零部件以及人力資源成本上，價格根據(jù)市場需求而定。這意味著可能做一幅普通VR手套的價格并不高，但做一副可以面向商用場景、提供準確精度的VR手套需要較高的成本。盡管VR手套能兼顧VR設備的沉浸感和手勢交互的準確性，如何降低VR手套的價格將是VR手套發(fā)展必須要解決的難題。
03.想要擁有自由的“雙手”？要從算法、工程、交互設計攻克難題
從裸手交互和VR手套交互兩種方式來看，VR設備的手勢交互技術(shù)發(fā)展正在不斷更新迭代，此前面臨的一些困境也逐步尋找到了解決方法。但整體而言，用于VR設備的手勢交互技術(shù)還存在不少難點。
到底是什么阻礙了我們?nèi)拥鬡R手柄，無法采用新的手勢交互方式？國內(nèi)VR頭顯奇遇系列的研發(fā)人員、夢想綻放（愛奇藝智能）的技術(shù)負責人史明在接受智東西采訪時給出了三個要點。首先是算法層面。目前用于VR設備的手勢交互技術(shù)基本采用深度學習技術(shù)，因此研發(fā)過程中需要依賴大量的業(yè)務場景標注數(shù)據(jù)。而基于手勢的三維數(shù)據(jù)獲取成本高，并且難以保證數(shù)據(jù)質(zhì)量和一致性。
▲手勢交互的關鍵點識別
其次，手勢交互技術(shù)在工程優(yōu)化方面比較復雜。手勢交互技術(shù)需要以一個優(yōu)異模型為前提，需要做小模型推理演繹。而推理過程中，研究人員既要保證算法的精確度，又要保證數(shù)據(jù)的實時高效性。最后是在交互使用方面的設計。VR研發(fā)人員需要在設計手勢交互相關操作時規(guī)避視覺死角問題，同時還要為用戶提供較好的交互體驗。關于手勢交互的設計這一點，曾擔任Facebook Reality Labs設計師劉曉雨也曾在采訪中提到手勢交互技術(shù)很容易在使用期間出現(xiàn)遮擋情況，設計手勢交互動作時還需要考慮用戶的學習成本。
除此之外，微軟亞洲研究院網(wǎng)絡圖形組首席研究員童欣還曾提到對于手勢識別而言，機器很難分清輸入狀態(tài)和非輸入狀態(tài)。與鍵盤的按鍵交互方式不同，機器很難去分辨你搖手的動作，是做出一個揮手的手勢，還是玩累了想要甩手休息。
總體而言，用于VR設備的手勢交互技術(shù)整體上主要面臨兩個方面的難題。一方面是哪一種手勢交互方式能兼顧沉浸感、準確性并且成本低，能用于所有的VR設備。另一方面是，如何根據(jù)VR設備的基礎配置打造出最適合這款設備的手勢交互功能?？梢灶A見的是，在裸手交互技術(shù)能獲得較高的精度、VR手套成本下降之前，手柄將仍是VR設備手勢交互的主流方案之一。
04.結(jié)語：手勢交互技術(shù)或成VR體驗升級關鍵
目前，用于VR設備的手勢交互總共分為三個方向：現(xiàn)有的手柄交互方式、正在逐步成為主流的裸手交互方式、和仍在小眾階段的外接可穿戴設備的交互方式。但值得注意的是，這三種交互方式并非替代關系，是可以實現(xiàn)共存。
在手機、電腦快速發(fā)展的時期，無論是鍵入，還是觸屏的交互模式，都曾給人們帶來新的交互體驗，手勢交互同樣會給VR設備體驗和VR內(nèi)容生產(chǎn)帶來新的變化。手勢交互的技術(shù)發(fā)展總會有無窮無盡的方向，但被時代所留下的手勢交互技術(shù)終究是少數(shù)，用于VR設備的手勢交互技術(shù)將會如何演進，或許時間能告訴我們答案。
作者 | 徐珊
編輯 | 云鵬
