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雷鋒網按：本文作者布格小虎，專注于VR內容及技術，不定期分享VR前沿探討及技術開發內容。
今天我們將探討一個有趣的問題：虛擬現實中手的使用。這次的文章是根據Jakob Johansson（CEO Gleechi）和Kai Hubner，PhD （CTO Gleechi）在VRDC講座中整理的。
首先請大家攥緊拳頭試想一下沒有手的生活是多么不便，我們不能翻開書本，不能抓取杯子，不能彈奏樂器，不能和朋友擊掌，等等。靈活的雙手為生活帶來了太多便利，是生活中不可或缺的一部分。Gleechi公司致力于研究機械手已經有8年的時間，直到VR市場的打開，Gleechi公司發現機器人和虛擬現實中的角色人物有太多相似的地方，關于如何抓取物品，如何與物體交互？這個在機器人研究中的關鍵問題，也成為了VR領域所需要解決的問題。
現在很多的虛擬現實游戲，關于手的操作都有很大的問題，例如物體直接跳到虛擬手上，虛擬手穿過物品，或者當使用隱形的虛擬手時，我們只能看到物體懸浮在空中。而導致這些的原因是因為人手的結構非常復雜，尤其實在人們嘗試用手和物品進行交互時，事情就變得更加復雜了。下面我們將具體談談如何在VR開發中解決這些問題。
歷史上。世界第一個機械手是由devol&Engelberger，Unimate (1960年) 發明的。這個機械手自由度為1DOF (degree of freedom)，只能在一個維度上抓取物品。然而現在的機械手發展與真實世界的手更加接近了。我們將基于以下三個方面談談機械手和虛擬手的發展：
關于這個話題，我們將通過性能（performance）和靈活性（flexibility）兩個方面做出介紹，正如下圖：
高性能的手：在工廠里經常使用，它快速，強大，準確，適合做重復性工作。
高靈活性的手：與不同的物體有更多交互，但性能可能較差。
人手：處于居中位置。
所以在應用開發中，我們如何選擇輸入設備呢？這個問題也可以通過性能和靈活性兩個方面做出解答。擁有高性能的動作控制器（motion controller）提供了友好的操作，用戶只需要按下簡單的按鈕去完成任務。然而對于復雜的手指跟蹤我們更愿意選擇靈活度高的攝像機。
物體是交互中重要的一部分，物體會決定手的交互方式。談到這個問題我們先來介紹一個簡單的概念可供性（affordances）: 是環境與生物體之間的關系，通過一系列的刺激，為生物體提供一個機會執行動作。 比如機器人看見一個鍋手把，他會與手把交互，舉起鍋子。如果看到一個輪子，他會想旋轉它，如果是斧子，他會想舉起它。
我們對不同的抓取進行了等級分類，如下圖所示：
力量抓取（power grasp）和精確抓取（precision grasp）。根據不同物品和你將對物體進行不同的操作，例如握住一個球或者夾起一根筆。我們從可供性，工具和分類三個方面，決定了如何抓取。Aaron M. Dollar兩年前的一個有趣的研究，他對一個傭人和一個機械工程師的日常手部操作進行觀察研究發現，兩人超過50%的操作都集中于三種抓取動作，但是傭人的力量抓取比例大于精確抓取，而工程師相反。
那么在下圖的游戲開發中，我們應該怎么做呢？
我們可以看到場景中有各種物品，我們需要使用力量抓取去得到一個重物例如圖中的鐵鍋，而抓取一個較小的叉子，我們使用精度抓取。
了解了概念之后，我們開始進入重點，虛擬抓取（virtual Grasp）。我們關注于如何讓虛擬手在VR世界中更加貼近自然手的操作，我們將從：
手的展示（Representation of hands）。
物體交互(Object interaction) 。
輸入 (Input) 。
三個方面的細節談談虛擬手。
1、避免恐怖谷(Avoid the uncanny valley) ：恐怖谷理論是一個關于人類對機器人和非人類物體的感覺的假設，它在1969年被提出，其說明了當機器人與人類相像超過一定程度的時候，人類對他們的反應便會突然變得極反感，即哪怕機器人與人類有一點點的差別都會顯得非常顯眼刺目，從而整個機器人有非常僵硬恐怖的感覺，有如面對行尸走肉。如果VR游戲中，我們使用與人類手非常相像的一雙虛擬手，但是虛擬手的行為卻不自然，那么用戶就會感到害怕和不適。
2、避免特性手 (Avoid hand personalities)，比如很大或者很小的虛擬手。或者一雙行動自然的虛擬手，但是皮膚顏色與用戶不同。
3、Be consistent(一致性)：關于虛擬手的一致性，比如當我們在應用中選擇與真實人手最接近的模型來進行交互時，我們希望交互的效果是最自然的。當我們選用機械手的模型進行交互時，物體可能會跳到虛擬手上。隱形手可能是一種解決虛擬手和物體交叉穿過的好辦法。卡通手會在抓取到物體的時候消失。我們也可以讓虛擬手拿一個工具來進行交互。
例如下表所示：
上圖表格從上到下，手的展示越來越抽象，下圖表格，隨著手的展示抽象感增強，交互的復雜度隨之減少。
4、忽略手臂(skip the arms)： 因為手臂在虛擬場景中會有很大浮動，影響整體效果。
5、思考關注場景中的每個物體(think long and hard about every object in the scene) ： 讓場景中的物品盡可能的與虛擬手交互。
6、使交互物品可觀察 (make is obvious how to interact with object)： 不要使對一個物品有很多復雜的操作，這樣開發會變得更復雜。
7、選擇最自然的抓取 (pick the most natural grasps): 思考人們想在虛擬環境中對物體做什么操作，比如一個杯子，我們會用它喝水，把他放進洗碗機，把它摔在地上..等等。另外，正如我們之前提到的，抓取操作有很多種，物體的不同，使用目的不同，抓取的方法也會不同。
8、根據使用案例選擇控制器 (choose controller based on the use case)：如之前我們談到過的運動控制器（Motion controller）在游戲中更容易使用，用戶不用考慮太多，只需要按下按鈕。而當我們用到肢體語言時，手指的追蹤就顯得尤為重要了。
9、反饋（use feedback）：告訴用戶他成功的拿起了物品，比如使用聲音，或者視覺上感受到物體被拿起，或者高亮被操作的物品。
10、有時手的操作回饋會顯得奇怪(Some times hands and feedback gets weird)：有時玩家對物體進行預測不到的操作，可能會得到奇怪的反饋。
總結：虛擬手的操作是VR開發中的重要部分，希望大家通過這篇文章對于虛擬手有了更深層次的了解，對于虛擬手在應用中的選擇也有了更準確的把握。
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