MotionBlocks：用于虚拟现实中更易于访问的上半身运动的模块化几何运动重映射

研究背景与问题

• 发现的问题或挑战：作者指出虚拟现实 (VR) 应用程序中的用户交互通常对用户的身体能力假设隐性需求，而这些需求对具有行动障碍的用户来说可能难以实现，甚至不可能实现。这种需求包括对上肢范围内的复杂动作以及频繁交互的要求，导致有行动障碍的用户难以使用当前的 VR 应用程序。同时，现有的 VR 运动可访问性解决方案缺乏可以普遍适用的方法，尤其是跨运动类型的应用。
• 重要性：随着空间计算设备和 VR 技术逐渐成为主流社区的重要组成部分，可访问性问题的解决能够避免将行动受限人士排除在技术进步之外。这种排斥可能进一步加剧教育、经济和社会的隔离。因此，设计一个详细、通用且可调的运动可访问性解决方案变得特别重要。
• 研究动机与相关工作：与本文相关的研究集中在挖掘 VR 可访问性挑战以及找到针对性方法，例如大范围输入、硬件适配或双手交互优化等。这些既往的研究虽然有价值，但不能涵盖具体的运动重映 (motion remapping) 在广泛动作和对个人能力匹配上的创新潜力。

解决方案

• 方法或解决方案：作者提出了一种名为 MotionBlocks 的方法，通过模块化的几何运动重映 (modular geometric motion remapping) 来实现更直观、更便捷的上肢交互。MotionBlocks 通过将用户能力范围的控制空间 (control space) 映射至 VR 应用所需的交互空间 (transfer space)，支持用户通过较小范围的物理运动完成更大、复杂的 VR 交互需求。

• 创新之处：

  1. 引入了“运动基本元素 (motion primitives)”的概念，将复杂的 3D 运动简化为基于几何形状的输入，例如线、平面、球面等。
  2. 通过这些运动基本元素设计了通用输入重映框架，使得用户可以根据不同能力和需求自定义输入范围，并实现与应用程序运动需求的重映。
  3. 提供了一种技术性工具，使得非原生支持的 VR 应用也可以受益于这种运动重映。

• 实施步骤与关键技术：

  1. 使用基于用户实际能力的几何“控制空间”对用户的运动输入建模，并利用更高维度的“传递空间”定义游戏或应用的需求。
  2. 将“控制空间”中的输入矢量归一化 (normalized input vector)，然后通过运动基本元素映射至“传递空间”。
  3. 实现了对不同的输入设备 (如单手控制器、摇杆或键盘) 和不同维度输入的兼容性。
  4. 设计了一种模块化系统，可方便调整控制和传递空间，实现自定义化的运动支持配置。

研究成果

• 具体成果：

  1. 提出了运动基本元素 (motion primitives)，如 Line、Sphere、Plane 等几何形状，对身体运动进行简化建模。
  2. 开发了 MotionBlocks 系统，能够根据用户的运动能力自定义和重映复杂的虚拟交互需求。
  3. 证明此系统能够显著改善行动障碍人群在游戏应用中操作的体验，提高游戏流畅性、体感舒适度与任务完成度。

• 与现有解决方案的比较与优势：

  1. MotionBlocks 提供了通用性而非单一类别的运动优化（例如仅优化双手交互或仅优化坐轮椅用户）。
  2. 使用几何化语言清晰描述用户能力与应用需求间的差距，具有可扩展性及开发工具适应性。
  3. 引入了多维输入配置和激活方案，缩小了身体能力不足者和游戏需求高者间的交互差距。

• 实验或评估结果：

  1. 用户在基于 MotionBlocks 的重映输入条件下，感知的身体负荷降低，并显著减少了时间负荷和总体努力程度 (NASA-TLX 测量)。
  2. 实验表明，参与者能够更舒适地完成复杂交互任务，例如倾斜、躲避以及快速切割，而不必大幅度移动。
  3. 在不同 VR 应用中，用户的满意度均显著提高。

• 局限性与未来方向：

  1. 目前的配置过程需要实验管理员进行手动调试，自动化和用户自助化是未来研究方向。
  2. 实验游戏和用户样本相对有限，未来应扩展到更多应用类别和更广泛的用户群体以确保普适性。
  3. 集成更便捷的配置界面，直接嵌入用户当前使用的 VR 应用程序。
  4. 研究针对输入缺失情况（例如 2D 转换为 3D）的推断算法和映射补偿策略。

总结

本文直面 VR 中上肢运动可访问性问题，提出了运动基本单元的几何描述语言，并开发了一个创新性、高度可配置的输入重映系统 MotionBlocks。通过实验验证，该系统有效提高了虚拟交互的包容性和多样适配性。未来的工作可进一步推广此方法，以涵盖更多输入类型、使用场景和用户需求。