多比耳朵：通过触觉重定向诱导身体错觉的耳朵变形

研究背景与问题

• 发现的问题或挑战：当前虚拟现实(VR)技术已广泛用于创造身体错觉以增强虚拟化身的身体归属感，但现有方法通常依赖机械装置或代理物提供触觉反馈，对复杂身体部位形状（如耳朵）难以实现精细的变形错觉。
• 重要性：耳朵是面部的重要特征，对虚拟化身外观及用户沉浸体验的影响显著，同时耳部形状固定且与头戴显示设备（HMD）位置始终保持一致，是研究变形模拟的理想部位。解决这一问题将为虚拟化身设计和沉浸式用户体验带来更多可能性。
• 研究动机与相关工作：
  • 过去的研究通过多感官刺激（视觉和触觉）诱导身体归属感，但依赖复杂实验装置或简单的单维度变化（如长度扩展），难以扩展到复杂形状的变形。
  • 触觉重新定向技术（Haptic Retargeting）可通过引导用户手部运动重新分配真实和虚拟触觉位置，无需同步的机械反馈，具备诱导更复杂身体错觉的潜力。

解决方案

• 提出的方法或解决方案：
  • 本文利用触觉重新定向技术，将用户在虚拟耳朵处的手部触觉映射到自己真实耳朵的物理位置，从而诱导耳部变形的身体错觉，增强虚拟化身的身体归属感。
• 创新之处：
  • 提出了一种无需机械装置和同步反馈即可诱导耳朵变形的创新方法。
  • 结合线性映射与接触点 retargeting，使虚拟和物理耳朵的轮廓能够被动态匹配，实现细腻的触觉体验。
  • 首次探讨通过触觉重新定向对用户身体归属感的影响范围。
• 实施步骤与关键技术：
  1. 触觉映射：引入映射算法，将用户虚拟耳朵触点偏移到真实耳朵触点，同时调整物理和虚拟手部的空间偏移。
  2. 轮廓匹配：线性映射虚拟耳朵轮廓至物理耳朵轮廓，确保手指沿耳廓滑动时始终接触正确的物理位置。
  3. 实验设计：通过用户实验验证触觉重新定向的受容程度和对虚拟化身身体归属感的增强作用，实验涵盖不同角度偏移、尺寸变化和形状变化的耳朵。

研究成果

• 具体成果：
  • 确定了用户对耳朵触觉重新定向的接受范围（角度偏移范围为-10°至50°或-20°至40°）。
  • 证明触觉重新定向可显著增强虚拟耳朵的身体归属感，无论耳朵的尺寸或形状是否异于真实耳朵。
  • 在非人类化身（如狗耳）中，触觉重新定向仍能够提升虚拟归属感。
• 与现有解决方案相比的优势：
  • 无需专用机械装置：大幅减少系统复杂性和实验成本。
  • 适用范围广：不仅限于线性形变，还支持复杂形状轮廓的变形归属感。
  • 用户负担轻：只需要简单校准即可实现，无需3D体扫描，比现有研究更易于适配和推广。
• 实验或评估结果：
  • 研究一：用户广泛接受10°至50°（无头部）和-20°至40°（有头部）的虚拟耳朵角度偏移。
  • 研究二：无论耳朵是否被拉伸或按比例调整尺寸，触觉重新定向均显著增强了虚拟耳朵的身体归属感，对原始大小耳朵的效果尤为显著。
  • 研究三：即便耳朵变形为非人类形式（如猫耳或狗耳），触觉重新定向仍显著提高了用户对虚拟耳朵的归属感。
• 局限性与未来方向：
  • 局限性：
    1. 当前方法仅支持固定起点和终点的轮廓触摸，不支持用户自由选择触点。
    2. 用户头部移动可能动态改变触觉重新定向偏移，影响体验一致性。
  • 未来方向：
    1. 扩展到其他身体部位（如下巴、前臂）以诱导更复杂的身体错觉。
    2. 优化算法以支持动态目标位置和自由触摸。
    3. 探索更复杂耳型（如佩戴耳饰情境）下的重定向效果和归属感影响。

通过此次研究，作者展示了触觉重新定向在增强虚拟身体归属感和拓展虚拟外观设计能力中的潜力，为未来虚拟现实技术在人机交互中的广泛应用奠定了基础。