虚拟漫游控制及校准方法探索

目前，在基于步行行为的虚拟环境漫游控制领域，以步行姿态驱动的控制模块研究有望解决上述问题。它通过主动或被动的运动补偿机制，将运动中的步行者限制在一定的空间范围内，侦测其姿态的动态变化，计算出虚拟环境中对应的移动速度。由于操作者在实际步行运动中，其各身体器官都有真实的感受，所以这类控制模块相较于那些间接控制设备而言，大大提高了使用中的沉浸感[9]。这一领域的研究开始于20世纪80年代末，其核心技术的发展，即对于被试脚掌运动的侦测（限制），经历了从“1自由度”（前后移动），到“2自由度”（平面移动），再到“3自由度”（平面移动+原地转身），以及出现对于各种脚掌高程变化响应的发展过程。再根据其对运动步伐的补偿方式不同，可被分为被动式与主动式两大类。在被动式模块的研究中，早期的2自由度模块[12][13]，都是通过一件马甲将被试限定在空间中，通过与脚掌联系的踏板接收其迈出的“太空步”轨迹信号。而3自由度模块的发展则呈现出多样性，主要有：Iwata于1995年的VirtualPerambulator模块（将马甲改成了一个置于腰部的支撑限定环，脚下的踏板也被改为一个低阻尼平面，操作者可以原地自由转动，而平面移动时腰部抵住圆环，脚掌的运动被滑动的相对位移补偿，移动方向由位于脚部的无线传感器采集）[12]；Huang的压力感应平台（腰部固定,地面为浅碗状支撑面,上面遍布“球形滚轮压力传感器”,通过这些传感器,可以识别脚掌的运动轨迹.从而驱动虚拟漫游）[14]；Fernandes等人2003年提出的Cybersphere构思则让操作者进入一个被安放在一组滚轮上的巨大半透明球体，从外投射其上的全景画面可以被从内侧观察到，人站在球内可以在原地转向、向四处步行移动，巨球则在滚轮上逆向转动抵消移动，同时移动矢量可以由滚轮运动情况换算而得[15]；Suryajaya等人在2009年提出的模块则采用了浅碗状支撑面，上布满滚珠，腰部设环状固定，四肢上安放光斑来采集运动矢量[16]；Swapp等人在2010年提出了Wizdish，承载部分也是浅碗状光滑支撑面，被试穿着底部变阻尼的特制鞋，不设腰部支撑，步行更像“滑雪”（难度较高，需要稍作训练才能保持平衡），而移动信息靠光学侦测实现[17]；Virtuix公司在2013年通过互联网向外发售其产品Omni，承载部分是带有中心放射状线槽的浅碗状光滑支撑面，被试穿着底部变阻尼的特制鞋（前脚掌有一个颗粒突起，可以嵌入支撑面的线槽，有助于保持身体平衡），腰部设环状支撑并有压力传感器，可以侦测到重心移动的方向[18]。

在主动式模块的研究中，最简单的1自由度模块借用了“跑步机”的概念，仅增加了侦测与对跑步机电机的调速功能，有些还通过其他间接设备实现转向[19][20][21]。2自由度模块则要复杂得多，他们有两块具有独立感知与运动能力的脚掌踏板，通过对被试的脚掌空间运动轨迹的侦测，按照一定的轨迹预测算法，驱动踏板去动态迎接将要落下的脚掌，测算能、无法的是于1造极置变实时坡度四块两块测，可以与D步机制跑[24][依靠分力即被式模然的是，运动响应小时的体全性段时动式鞋底等）别、操作撑环，其轨迹也就算法的准确性、相互缠绕碰法实现原地转是3自由度模1999年开发的极其复杂的双变化被侦测后时控制双向跑度）；2005年块可以在地面块随时位于脚，快速机动到以对原地跳跃DeLuca等人机架在转盘上跑步机的速度25]；Souman等靠红外技术追因为被动式力，或者被试被试步伐不尽模块尝试通过的步行行为而，由于目前主动预测尚没有应目前的极速时[23]），以及体积、不可避性，都使得主时间内，都无式模块仍将占显然，被动底配合的光滑）、运动方向、光斑识别、作者重心限制环等，或者如孙澄宇，陈海就提供了运动性、两个脚掌碰撞的可能，转动[12][22][23]。模块，实现方式的TorusTrea双向跑步机，后，根据算法跑步机予以补年他又开发了面快速自主运脚下进行运动到下一个落脚跃实现响应）人在2013年开上，通过一系度与转盘的转等人在2011年追踪肢体轨迹式模块一般依试有意识的步尽与日常情况过机电侦测与而言，是具有主动模块的核有完全可靠的速是1.2米每及设备高昂的避免的运行噪主动式模块在无法完全满足占有主导地位动式模块系统滑踏面（如：向侦测设备腰部压力传制机构（如：如Cybersphe海粟，白文峰，动方向信息，掌支撑运动机步伐必须较。

主动式模块式也较为多样admill模块操作者的头法预测出运动补偿，同时提了CirculaFl运动的踏板单动补偿，而另脚点等待踩踏）[12]；Zhao等开发的模块都系列的肢体光转角来补偿操年开发了双向迹[26]；依靠重力在光步伐控制来实况相同，所以与主动迎合来有一定的先天核心技术上的的预测算法[2每秒，仅相当于的造价与维护噪音、无法确在目前，甚至足广泛使用的位。统一般包含：浅碗状底座（如：电磁定传感、脚底压力空间定位马ere与Wizdis柯勋，涂鹏：但受限于预机电机构的性较为缓慢，亦块中最为复杂样,有：Iwat（一个履带构头部和脚部位动方向，然后提供各种平面loor模块（以单元为基础，另两块根据预踏。该系统还等人在2009年都是将一台跑光斑识别，控操作者的运动向跑步机平台光滑斜面上的实现运动补偿以相比于主动来实现完全自天弱势的。但的局限（脚掌27]；机电实时于4.32公里每护费用、庞大确保的动态安至在今后的一的需要，而被与脚掌特殊座、滚轮底座定位、红外识力传感等）、马甲、腰部支sh项目那样不步行姿态驱动预性亦杂ta构位后面以预还跑控动台，的偿，动自但掌时每大安一被殊座识、支不设限制的效果腿部轨被动式即如何度——目Wizdi算），基于一“等心解决采3自主为问题的动式虚频识别步一个倒被试穿由转身伐由沿制机构视载平台LED蓝绿标（应动的虚拟漫游控制机构，完全果）。

正是由轨迹与其在平式模块研发都何将在系统中—它极大地影目前的换算都sh就采用碗其存在着明一套自行开发心率速度换算采集速度与平主研发的被为了支撑之前的虚拟步行实虚拟漫游控制别驱动系统两步行承载平台倒锥形空间，穿上底部粘有身、朝任意方沿斜面的重力构。图1视频识别驱动台正上方的摄绿光标（应对应对偏冷的环控制及校准方全由操作者自由于这样的系平地上的有所都面临着输出中侦测到的采影响着步行者都采用取经验内采集速度乘明显的科学依发的被动式漫算函数”的校平地速度间的被动式模块前的面向公共实验[6]，研究制模块，它分两大部分。台（图1，已获由杜邦黑色亚有无纺布的鞋方向进行不同力分力补偿，万向步行承载动系统的硬件摄像头与可以对偏暖的环境环境光）组成法初探自己平衡肢体系统组成，迫所区别，所以出速度校准的采集速度换算者漫游感受的验值的主观乘以2.5的经依据缺失。而漫游控制模块校准方法，尝的换算问题。简介共建筑空间认究者自主开发分为步行承载获国家专利）亚光可丽耐材鞋后，可以在同速度的步行不需要额外载平台剖面件由一个安置以佩戴在被试境光，图2）成。摄像头实3体达成限制迫使被试的以，目前的的关键问题，算成平地速的逼真程度。观方法（如经验值来换而本研究则块，提出了尝试科学地认知与寻路发了一套被载平台与视）[28]内部是材料制成。在其中作自行运动。步外的重心限置于步行承试膝盖上的或红黄光实时捕捉操作者的顶视图，当其迈步时，画面中将交替出现蓝色与绿色的光斑。

作者：孙澄宇 陈海粟 白文峰 单位：同济大学建筑与城市规划学院