手指肌腱振动：用于沉浸式虚拟物体交互的手指运动错觉

文献标题

Finger Tendon Vibration: Finger Movement Illusions for Immersive Virtual Object Interaction

出版信息

• 主题领域: 虚拟现实物体交互中的动觉触觉反馈
• 关键词: 手指肌腱振动, 动觉错觉, 虚拟现实, 触觉反馈, 身体所有权, 沉浸式交互, VR物体交互, 触觉感知, 运动错觉, 触觉渲染

背景与问题

• 问题/挑战: 现有的动觉触觉设备通常体积庞大、结构复杂，容易导致用户疲劳，限制了其与VR系统的整合。伪触觉和皮肤拉伸等替代方法在VR物体交互中缺乏足够的真实感。手指肌腱振动（FTV）尚未被探索为一种可行的VR触觉反馈方法。
• 重要性: 提升VR物体交互的真实感和沉浸感对于培训、游戏和虚拟协作等应用至关重要。真实的触觉反馈可以改善身体所有权和用户体验。
• 动机与相关工作: 先前的研究已探索了针对大肌肉的肌腱振动，但其在手指上的应用仅限于康复领域。关于短时FTV及其在实时VR交互中的潜力的研究仍然缺乏。

解决方案

• 提出的方法: 本文提出手指肌腱振动（FTV）作为一种新颖的方法，通过简单的硬件（两个振动马达）为VR物体交互创造手指运动的动觉错觉。
• 创新点:
  1. 将短时FTV（<5秒）应用于实时VR触觉反馈。
  2. 通过感知研究确定FTV诱发错觉的最短持续时间及其对自主和非自主手指运动的影响。
  3. 开发六种基于FTV的VR场景并评估触觉渲染方法。
  4. 将FTV与简单振动和无振动进行比较，证明其在增强VR体验方面的有效性。
• 流程与关键技术:
  1. 进行感知研究，确定FTV的最短持续时间（0.75秒）及其对感知力和运动的影响。
  2. 设计六种VR场景（如按按钮、拖动、提起物体）以展示FTV的应用。
  3. 基于用户体验评估四种触觉渲染方法（碰撞、预测、全程、固定）。
  4. 在身体所有权、触觉感知、真实感、沉浸感和享受度方面，将FTV与简单振动和无振动进行比较。

结果

• 具体发现:
  • 可感知错觉的FTV最短持续时间为0.75秒。
  • 短时FTV对感知的自主力量影响不显著，但能有效诱发非自主运动错觉。
  • FTV通过提供真实的阻力感和方向感显著改善了VR体验，尤其是在身体所有权方面。
• 相较基线的优势:
  • FTV在增强身体所有权和提供方向性阻力方面优于简单振动和无振动。
  • 较长时间的振动触觉提示改善了用户对恒定力场景的期望。
• 实验/评估:
  • 对28–31名参与者进行感知研究，评估FTV对力量和运动的影响。
  • 在六种VR场景中对16名参与者进行触觉渲染方法评估，采用问卷和访谈形式。
  • 在VR体验评估中，比较FTV、简单振动和无振动，参与者为16人。
• 局限性与未来工作:
  • 当前设置仅支持食指及屈伸运动。
  • 校准耗时，马达的放置可能导致视觉遮挡。
  • 未来工作包括探索多手指FTV、变化振动参数，以及将FTV与伪触觉相结合。

总结

本文提出了手指肌腱振动（FTV）作为一种新颖的方法，为VR物体交互提供动觉触觉反馈。通过感知研究，作者确定FTV需要至少0.75秒的持续时间以诱发可感知的运动错觉，并且不会影响感知的自主力量。开发了六种VR场景以展示FTV的应用，并评估了触觉渲染方法以优化用户体验。与简单振动和无振动相比，FTV通过提供真实的方向性阻力显著增强了VR体验，尤其是在身体所有权方面。研究结果表明，FTV是一种具有潜力的沉浸式VR应用方法，并为多手指及全手交互的进一步发展提供了可能性。