手上戴个“圈”就能玩 VR，这是什么新玩意？
▼
一说到玩 VR 游戏，想必你脑袋里已经浮现出一个看起来有点奇怪的人──他戴着一个硕大的头戴装置、两手握着厚重的控制器，手臂在空气中张牙舞爪。虚拟游戏中，他的手紧握手把，变成了哆啦 A 梦一般的圆球，灵活的手指在磅礴奇幻的新世界却毫无用武之处。
不过很快，我们就不用握手把了。虚拟世界中的手，也将恢复自由。
来自康乃尔大学和威斯康辛大学麦迪逊分校的华人科学家，近日联合打造了一副“3D 手环”──FingerTrak。
戴上这个“圈”，你十指的动作就都能被精准捕捉，而且它在未来的玩法，可能比你想到的还要多。
研究成果已经发表在《ACM 互动，行动，可穿戴和普及技术期刊》上。
它的面世，意味着可穿戴感测器技术又迎来了新突破。
一个能读懂你手的“圈”
近年来，精准的手指运动关注，已经成了 VR 和 AR 领域研究的热门技术。
如果你是一个动画师，应该就知道捕捉人手有多复杂了，手部每个关节的每次弯曲、伸展，都有着无数种可能。
FingerTrak 的最大特色，就是用了一种新技术，来准确预测每根手指的位置——热感测器关注。
这个“圈”看起来就像一个双层的手环，不过重点是手环周围安装的 4 个热像仪。
（Source：影片截图，下同）
这些热像仪非常小，长 5.7mm、直径 9.3mm，就跟豌豆大小差不多。
它们的尖端都有一个低解析度的红外线镜头，指向手指的一面。虽然解析度较低，只有 3224 像素，但它们能够精准地关注佩戴者手的运动。
研究里呈现的红外热像仪图像中，可以看到手指橙色和黄X区域在随着指尖移动不断变化。
再透过系统中专门设计的深度神经网络（DNN），就能准确地根据手腕轮廓，预测 20 个手指关节的位置。最后，将各个轮廓的图像连结在一起，就能以 3D 方式重构整只手。
接着，重构的手势讯息就能在虚拟模型甚至是机器人的手上再现。
在研究人员的测试中，装置能够准确地仿生人类动作。
学会翻书：
拿笔写字：
拿杯子喝水：
玩手机：
热感测器关注的新方式，极大改善了手部动作的辨识能力。
因为装置不再是透过镜头直接捕捉手指位置，而是结合热成像和机器学习技术来“隐形”获取。镜头拍不到的地方、检测不到的细微运动，将都可以被“看到”。
这也是第一个基于手腕轮廓来重建全手姿势的系统。
在对 11 位受试者的测试中，研究结果表明辨识角度误差为 6.46 至 8.06，而且背景越均匀，错误率就越低。
不能说已经实现了高精度关注，但是至少实现了一种更好的手指关注解决方案。
玩 VR 不用手把了，但不止于此
研究中的 FingerTrak 原型，是连接 Raspberry Pi 进行的运作。但研究人员表示，未来升级的版本将可以与智慧手机连接，与 VR 眼镜连接，甚至可以无线连接。
连上之后，你戴着手环就可以玩 VR 游戏了，手指也能在游戏中进行更自然和多样化的操作。
在日常生活中，它的用处就更贴近每个人了。
FingerTrak 将能像智慧手表一般，监测我们的健康状况，但比智慧手表厉害的地方在于，只要你动动手，它就能传达你的身体状态好坏。
这对于老年人尤其受用，特别是透过老年人日常生活如何使用双手，进而监测帕金森氏症和阿兹海默症等疾病的早期征兆。
在人机互动方面，你还能透过 FingerTrak 介入，让家里的机器人模仿人类的动作，更好地为我们服务。
研究人员还指出了一个最有希望的潜在应用：翻译手语。
毕竟当前的手语翻译技术，不是需要用户戴手套，就是需要使用到相机，这两者体验都比较麻烦，而 FingerTrak 将能让手语翻译变得直接、快速、人性化。
但是，FingerTrak 现在仍处于早期的研究阶段，商业化可能还需要几年时间，毕竟上述所说的任一场景实际使用都不简单。
比如说，如果要和 VR / AR 应用匹配，替代装置中的手把控制器，首先就得考虑精准度问题，以及手指之间的配合问题。
毕竟在现实中，少了一根手指，偏移一点位置，我们手中的东西可能都会掉在地上，所以精准度和现实稍有偏失，虚拟世界中的真实体验就会错乱。
不过，研究人员表示该装置采用的组件价格都很实惠，而且数据已经能达到相当高的准确度，这是未来商业化前值得庆幸的一件事。
虚拟实境仍处于起步阶段，FingerTrak 的出现已经为我们带来了新的可能性，也让人看到了它在未来的巨大潜力。
据悉，FingerTrak 预计将在今年 9 月中旬的 ACM 普及计算国际会议上发布。
我们离理想的手部关注还有多远？
如果只是监测整只手，其实智慧手表就可以了。
我们生活中常见的可穿戴装置，使用陀螺仪和加速计等感测器就能监测手部运动，比如抬起手腕，萤幕就会自动点亮等。
但是，未来要在虚拟世界逼近真实体验，必须得检测到每根手指的运动，智慧手表的监测还做不到。
▲ Google Project Soli 计划，一种基于雷达的手势辨识技术。（Source：影片截图）
手指是表达人类感情的重要一环。手部关注技术的研发其实已经走很长一段路了，各种新兴技术每年都纷繁显现。
比如深度感应镜头或红外感测器──普渡大学的科学家就利用深度感应镜头来捕获手部动作，利用深度学习网络来了解数百万种手势，然后将它们在虚拟世界中准确显示。
（Source：影片截图）
有人还使用运动感应手套──加州大学洛杉矶分校（UCLA）的研究人员公布了一种手套式装置，透过机器学习辅助的可伸缩感测器阵列，能够将手语转换为语音对话，并在手机上播放。
（Source：影片截图）
甚至还有使用电磁感测器──Oculus 研究部门的成员在 2015 年开发过一种电磁感测器系统，透过安装在用户指尖的电磁体和 4 个磁力计来关注指尖运动，人们就可以在 VR 游戏途中停下来，用指尖选择弹钢琴或画画。
（Source：影片截图）
但它们都有相同的弊端：要不就是装置太大太笨重了，要不就是需要高性能 PC 支援、反应滞后，大部分都无法商用。
近年来，随着 AR / VR 等领域的发展，装置舒适度和视觉逼真度方面都在升级，研究人员一直在开发比手持控制器更自然的方案，因此手部关注技术也更新换代极快。
这种进步主要体现在两个方面：一是关注手指运动的准确性提升，二是装置尺寸减小及重量减轻。
前者譬如 Sony 在今年 5 月份发布了“可高精度关注手指运动的下一代 VR 游戏控制器”原型，这个握柄根据电极感应来确定手指运动，已经能关注到手指的细微动作了，可以做出握拳、弯曲手指，上能比“耶”，下能比“666”，11 种姿势任君挑选。
（Source：影片截图）
研究模拟中，玩家可以用手拿起虚拟空间的积木，并一个个搭建起来，只是手指姿势辨识依然有限。
后者譬如今年 2 月份，华盛顿大学的研究人员开发出一个名为 AuraRing 的戒指，它利用新型的电磁关注系统，能够进行高解析度的光学关注，人们只需要在食指套一个 3D 列印的电线线圈，加上遍布感测器的腕带，手指就能在虚拟世界书写、敲击、轻拂、挤压物体等。
（Source：影片截图）
轻是轻，小是小，但它的问题就在于，戒指是腕带感应能力的扩展，要在虚拟世界全盘操作，恐怕得戴满整只手才行。
而在 VR 市场，做为代表的 Sony、Oculus、HTC 三家厂商中，Oculus 在头戴式装置 Oculus Quest 上也使用到“手势关注”的新技术，它甩开别家厂商的优势就在于，可以完全不用任何实物就实现手部关注。
玩家戴上头盔，双手就会映射进虚拟空间，然后你就可以用双手在里面做你能做的任何事。
（Source：影片截图）
这都是基于 Oculus Quest 顶上那 4 颗外置镜头，它不仅能扫描周边空间，确认玩家所处的位置，还能在你望向手指操作时，细化分析每根手指的运动，并延伸到虚拟世界中。
Oculus Quest 已经做到了脱离手机和电脑的一体式设计，再加上手部关注技术，就能更让玩家沉浸感更强，它还可能做为 Facebook AR 头戴装置的开端，将真实世界的物体带入 VR 世界。
不过也因为电脑视觉和定位技术的局限，Oculus Quest 的手势应用在实际中还是会受到一些限制。
回过头看，FingerTrak 的设计虽然要带“手环”，但是最大的优势就在于“手环”轻便、小巧、可自由移动。
研究团队表示，透过进一步的工程设计，它的尺寸还能变得更小。
总而言之，手部关注要在虚拟世界变得自然无形，必然还有一定距离，但这个距离并不远。
祖克柏坚信，VR 和 AR 会在 10 年内成为继行动装置之后的下一代主要电脑平台，直接改变我们的工作与生活。
调研机构 Gartner 也指出，在 5G 和 AI 的驱动下，从现在到 2028 年，VR 和 AR 将让用户体验将在两个方面发生巨大变化──用户对于数位世界的感知，和用户与数位世界的互动方式。
这意味着我们与数位世界的互动不再只局限于二维萤幕，而是在 VR 和 AR 中充分发挥人类完整的能力，让数位和现实完全无缝融合。
Oculus 首席科学家 Michael Abrash 在 2020 年电脑视觉和模式辨识大会指出：
未来的 VR 头显能够实现 200 度视场，视网膜解析度，可变焦距，逼真音频，而 AR 眼镜则是“超级时尚”，完全可以取代智慧手机，并赋予佩戴者感知超能力。
这也需要同等水平的技术升级，包括光学系统、介面、触觉、虚拟化身、人体工学等，而手部关注，就是其中至关重要的一环。
（Source：Project Soli）
当然，对我们来说，最理想的情况，是根本不需要特定方式来关注手部。
不过 VR 和 AR 就像一块崭新而巨大的拼图，所有可能性都摊落在这片未来的蓝图之中。人人都知道新面貌终将面世，但在这之前，我们还得继续寻找答案，我们也正努力填充答案。
（本文由 爱范儿 授权转载；首图来源：影片截图）
▼
特别声明 本页内容仅供参考，版权终归原著者所有，若有侵权，请联系我们删除。
