南加利福尼亚大学提出一种VR海上冲浪运动模拟系统
VR冲浪模拟系统
（映维网Nweon 2024年09月23日）在一项研究中，南加利福尼亚大学提出了一种VR冲浪模拟系统，利用六自由度运动平台实现了冲浪运动的再现和用户发起的推进力。团队提出了一种算法方法来准确地呈现冲浪板运动学和交互式划桨动力学，并通过参与者的实验评估进行了验证。
结果表明，系统有效地再现了各种加速度水平，而海洋波纹的存在放大了加速的感觉。另外，系统旨在增强虚拟现实冲浪的真实感和交互性，为未来VR冲浪疗法和交互式水上VR体验的发展奠定基础。
随着触觉反馈的加入，VR模拟变得越来越复杂和逼真。然而，水生模拟研究，特别是冲浪，其在创造高保真度和具有适当动觉反馈的交互式模拟能力方面滞后。大多数集成了六自由度运动平台的模拟器都面向飞行器和地面载具。
将相关方法直接应用到水上模拟具有挑战性，尤其是像冲浪这样的活动，因为水上活动涉及独特的动力学。
在水生环境中，与不断变化的水面、波浪动力学以及所需的复杂机动技能的相互作用与相对稳定和可预测的空中或地面环境明显不同。复杂的运动动力学使得使用最初为空中或地面载具设计的仿真模型准确复制冲浪体验变得困难。
另外，传统的运动线索算法MCAs和washout滤波器在准确再现低水平加速度时面临挑战。MCAs用于将车辆动力学转化为运动平台可感知的物理运动，而MCAs必不可少的washout滤波器则旨在随着时间的推移重置模拟器的位置，防止运动平台达到其物理极限，同时保持对运动的逼真感知。
由于传统的MCAs不足以复制水生相互作用中的大规模运动，我们必须创建一种新的算法。
在研究中，南加利福尼亚大学团队介绍了一种VR冲浪运动生成和映射的方法，通过集成一个六自由度运动平台来模拟冲浪板的动态并提供运动反馈。
先前使用运动平台的水生模拟研究主要集中在复制由海浪、风和水流等外力驱动的船只或船只运动。船舶的升沉、俯仰和横摇主要受波浪的影响，而其浪涌、摇摆和偏航则受螺旋桨、方向舵和水流等外力的影响。
随后的研究探索了横摇、俯仰和偏航对虚拟航行体验的影响，从而产生了增强临场感的运动系统。尽管相关模拟器能够复制外部驱动的运动，但它们没有考虑用户产生的力量，例如划桨或划船，而这是冲浪等活动的一个关键方面。
创建一个响应用户生成的运动的模拟器，在确保与用户运动同步的同时，准确地呈现低幅度的加速力是一个独特的挑战。
有研究人员提出了一种具有多模态反馈的划船模拟器，可以响应来自桨的用户生成输入，但相关研究主要使用屏幕或CAVE设置来显示虚拟环境。与CAVE设备相比，现代VR头显提供了更多功能、更具成本效益和个性化的沉浸式体验。
另外，有研究表明，虚拟现实冲浪通过提供安全、可控和愉快的环境而吸引了广泛的用户。同时，冲浪有望作为一种治疗干预，通过将身体活动与自然水生环境相结合来提供超越传统疗法的好处。
例如，冲浪疗法已证明可以改善身体健康、心理健康和社交，特别是对于需要社会支持的年轻人、慢性背痛和其他残疾较轻的个体以及退伍军人等人群。
尽管在海洋中冲浪疗法已经发现了积极的结果，但VR冲浪模拟器是否会有类似的治疗效果尚未获得研究。同时，虚拟现实的一个主要优点是，它比传统冲浪更容易获得，并将为更大的人群开放冲浪疗法。
团队的实验旨在提供对这种仿真系统的设计考虑、算法方法和经验验证的见解。他们构建了一种映射算法以估计VR中的冲浪板运动学并将其转化为运动平台输出。
实验评估验证了系统在创造令人信服的沉浸式冲浪体验方面的有效性。其中，研究人员评估了用户识别不同水平的水中加速度的能力，以及各种身体姿势和海洋涟漪对加速度感知的影响。
数据显示，在三个加速度水平上，感知加速度的平均值逐渐增加，在海洋波纹条件下，感知加速度的值略有增加。结果表明，在VR中导航时体验到的动觉感觉与虚拟冲浪板的运动密切相关。除了冲浪板的动作令人信服外，对用户输入的响应性使模拟更具沉浸感和乐趣。
另外，模拟的有效性得到了参与者投入的时间的支持。他们在VR模拟中完成了40分钟的总持续时间，除了两个人因为轻微的模拟器病症状而在大约33分钟时稍早停止参与。
总体而言，SSQ分数表明，大多数参与者没有产生模拟器眩晕感，而考虑到参与者在VR中花费的时间，这样的系统显得尤其有希望。
有参与者表示，这是他们迄今为止体验过的最好、最真实的VR体验。一个值得注意的方面是，当他们沉浸在VR中时，他们明显没有意识到时间的流逝。
相关论文：Perception and Control of Surfing in Virtual Reality using a 6-DoF Motion Platform
总的来说，团队开发并评估了一个使用六自由度运动平台的VR冲浪系统，重点是模拟由用户生成的推进力驱动的水生运动。团队的算法方法将冲浪板运动学映射到运动输出，并通过17名参与者的实验验证。
结果证实，系统能够明显地再现各种加速度水平。结果同时表明，尽管身体姿势对加速度感知没有显著影响，但海洋波纹的引入明显地放大了加速度感知。另外，问卷调查中的发现证实了在增强用户参与度和感知方面生成逼真运动线索的方法。
研究人员指出，从娱乐和训练目的到治疗用途，这项研究为多种应用开辟了道路。它同时为冲浪疗法提供了一种潜在的媒介，从而帮助增强身体健康、心理健康和社会互动。这有利于高危青少年和残疾人士等群体，包括患有慢性背痛的人和退伍军人，因为他们相对缺乏真正的冲浪机会。
