Осязание в Виртуальности: Иллюзия Сопротивления для Иммерсивного Взаимодействия

Автор: Денис Аветисян

Новый подход к тактильной обратной связи в виртуальной реальности использует вибрацию сухожилий пальцев для создания реалистичных ощущений сопротивления при взаимодействии с виртуальными объектами.

Пока крипто-инвесторы ловят иксы и ликвидации, мы тут скучно изучаем отчетность и ждем дивиденды. Если тебе близка эта скука, добро пожаловать.

Купить акции "голубых фишек"

Вибрация сухожилий пальцев создает иллюзию движения, требующую минимальной продолжительности 0,75 секунды для восприятия, при этом кратковременные импульсы не влияют на воспринимаемое усилие, а продолжительность иллюзорного движения прямо пропорциональна длительности вибрации, что позволяет использовать данный эффект для создания более реалистичных взаимодействий в виртуальной реальности.

Исследование демонстрирует эффективность кратковременной вибрации сухожилий пальцев для имитации кинестетических ощущений и улучшения погружения в VR-среду.

Отсутствие тактильной обратной связи при взаимодействии с виртуальными объектами снижает реалистичность и эффект погружения. В работе «Finger Tendon Vibration: Finger Movement Illusions for Immersive Virtual Object Interaction» предложен новый подход, использующий вибрацию сухожилий пальцев (FTV) для создания иллюзии движения и кинестетических ощущений. Эксперименты показали, что кратковременная вибрация сухожилий пальцев эффективно имитирует сопротивление и усиливает чувство владения телом в виртуальной среде. Возможно ли, используя FTV, создать более реалистичный и интуитивно понятный интерфейс для взаимодействия с виртуальными объектами, расширяя границы возможностей виртуальной реальности?

Иллюзия Осязания: Преодоление Разрыва Между Виртуальным и Реальным

Несмотря на значительный прогресс в области виртуальной реальности, отсутствие реалистичной тактильной обратной связи остаётся существенным препятствием для достижения полного погружения. Современные VR-системы способны визуально и аудиально убедительно имитировать окружающую среду, однако взаимодействие с виртуальными объектами часто лишено ощущения физического контакта. Это несоответствие между визуальным и тактильным восприятием нарушает иллюзию присутствия и снижает эффективность использования VR в различных сферах, от игр и развлечений до профессионального обучения и медицинских симуляций. Пользователь, не ощущая текстуру, вес или температуру виртуального объекта, подсознательно воспринимает его как нереальный, что снижает степень вовлечённости и ограничивает возможности полноценного взаимодействия с цифровым миром.

Современные решения в области тактильной обратной связи, несмотря на прогресс, зачастую сталкиваются с проблемой компромисса между реалистичностью ощущений и практичностью применения. Многие устройства либо не способны передать тонкие нюансы прикосновений, ограничиваясь лишь простыми вибрациями, либо оказываются громоздкими и неудобными для длительного использования, что препятствует их широкому распространению. Недостаточная точность и сложность конструкции снижают эффект погружения в виртуальную реальность, а большие габариты и вес делают использование неудобным, особенно в динамичных сценариях, таких как игры или профессиональные тренажеры. Таким образом, разработка компактных, легких и высокоточных тактильных устройств остается ключевой задачей для достижения полного эффекта присутствия в виртуальной среде.

Создание убедительных ощущений прикосновения играет ключевую роль в повышении эффекта присутствия и удобства использования виртуальной реальности. Недостаток тактильной обратной связи существенно ограничивает погружение пользователя в виртуальную среду, препятствуя естественному взаимодействию с объектами и снижая реалистичность происходящего. Исследования показывают, что добавление тактильных ощущений не только усиливает восприятие виртуального мира, но и значительно улучшает когнитивные функции, такие как запоминание и пространственная ориентация. В конечном итоге, реалистичная тактильная обратная связь позволяет пользователю воспринимать виртуальную реальность как более правдоподобную и интуитивно понятную, открывая новые возможности для обучения, развлечений и профессиональных приложений.

Иллюзии, создаваемые тактильной обратной связью (FTV), позволяют пользователю ощущать взаимодействие с виртуальными объектами, например, нажатие кнопки, сопротивление, силу тяжести или трение, за счет имитации соответствующих сил, действующих на палец (обозначены стрелками: зеленые - сгибание, синие - растяжение). — Иллюзии, создаваемые тактильной обратной связью (FTV), позволяют пользователю ощущать взаимодействие с виртуальными объектами, например, нажатие кнопки, сопротивление, силу тяжести или трение, за счет имитации соответствующих сил, действующих на палец (обозначены стрелками: зеленые — сгибание, синие — растяжение).

Вибрация Сухожилий: Искусство Обмана Проприоцепции

Вибрация сухожилий пальцев представляет собой перспективный метод для создания кинестетических иллюзий осязания и силы. Данный подход основан на стимуляции веретен мышц, что позволяет индуцировать ощущение движения и взаимодействия без фактического физического контакта. В отличие от традиционных методов, требующих прямого давления или деформации кожи, вибрация сухожилий воздействует на проприоцептивные рецепторы, ответственные за восприятие положения и движения конечностей. Это открывает возможности для создания реалистичной тактильной обратной связи в виртуальной реальности и роботизированных системах, где требуется имитация ощущения взаимодействия с виртуальными объектами или удаленными средами.

Стимуляция мышечных веретен является основой создания иллюзии движения и взаимодействия без физического контакта. Мышечные веретена — это сенсорные рецепторы, расположенные в мышцах, которые регистрируют изменения в длине и скорости сокращения мышц. Искусственная активация этих рецепторов посредством вибрации позволяет мозгу интерпретировать сигнал как реальное движение или взаимодействие с объектом, даже если физического воздействия не происходит. Этот процесс обманывает проприоцептивную систему, отвечающую за ощущение положения тела и его частей в пространстве, создавая ощущение тактильного взаимодействия.

Ключевым элементом создания иллюзии тактильного взаимодействия является понимание «Минимального порога длительности» — минимальной продолжительности вибрации, необходимой для восприятия. Наша серия перцептивных исследований установила данный порог на уровне 0.75 секунды. Вибрации, продолжительностью менее 0.75 секунды, как правило, не воспринимаются пользователем как тактильное ощущение, в то время как вибрации, превышающие этот порог, надежно инициируют ощущение взаимодействия. Точное соблюдение этого порога критически важно для эффективного использования вибрации сухожилий в качестве средства передачи тактильной обратной связи.

Для обеспечения точной и деликатной тактильной обратной связи в средах виртуальной реальности используется техника, основанная на применении ERM-двигателя (Eccentric Rotating Mass Motor). Данные двигатели генерируют вибрации, которые, при точном контроле амплитуды и частоты, позволяют создавать иллюзию прикосновения и воздействия на пользователя без фактического физического контакта. Использование ERM-двигателей позволяет достичь высокой степени детализации и реалистичности тактильных ощущений, что критически важно для повышения погружения и улучшения пользовательского опыта в VR-приложениях. Преимуществом данной технологии является её относительно низкая стоимость и простота интеграции в существующие VR-системы.

Для создания тактильного обмана, имитирующего сгибание и разгибание пальца, система FTV использует два вибромотора с эксцентричными вращающимися массами, управляемые микроконтроллером и драйвером мотора, установленные на проксимальной фаланге указательного пальца.

Проверка Реальности: Подтверждение Эффективности Иллюзий

Эффективность вибрации сухожилий пальцев была продемонстрирована в различных сценариях взаимодействия с виртуальными объектами. Исследования показали, что применение данной технологии улучшает восприятие тактильной отдачи при взаимодействии с виртуальными элементами, включая нажатие виртуальных кнопок, перемещение ползунков, захват виртуальных шаров, перетаскивание прямоугольников и даже имитацию подъема гири. Данный метод успешно применяется в широком спектре приложений, направленных на повышение реалистичности и погружения в виртуальную среду, за счет создания иллюзии физического контакта и сопротивления.

Эффективность вибрации сухожилий пальцев продемонстрирована в широком спектре сценариев взаимодействия с виртуальными объектами. Применение охватывает как простые действия, такие как взаимодействие с кнопками и полосами прокрутки, так и более сложные задачи, включающие захват шара, перетаскивание прямоугольников и даже имитацию подъема гири. Это демонстрирует универсальность технологии в создании тактильной обратной связи для различных типов виртуальных взаимодействий, от простых пользовательских интерфейсов до реалистичных симуляций физических действий.

Для повышения реалистичности взаимодействия в виртуальной среде используются методы обнаружения столкновений и прогнозирования контакта. Обнаружение столкновений определяет момент физического контакта виртуального объекта с виртуальной поверхностью или другим объектом, обеспечивая соответствующую тактильную обратную связь. Прогнозирование контакта, в свою очередь, позволяет системе предвидеть возможное взаимодействие до его фактического начала, что дает возможность подготовить тактильные ощущения и улучшить синхронизацию между визуальным и тактильным восприятием. Эти техники позволяют создать более плавный и убедительный опыт взаимодействия, минимизируя задержки и повышая ощущение присутствия в виртуальной среде.

Применение вибрации фиксированной длительности или на протяжении всего времени взаимодействия объекта с пользователем позволяет модулировать восприятие интенсивности и реалистичности тактильных ощущений. Вибрация фиксированной длительности, как правило, используется для обозначения момента начала взаимодействия, в то время как вибрация на протяжении всей длительности обеспечивает более продолжительное и, следовательно, более убедительное ощущение контакта. Изменение длительности вибрации напрямую влияет на субъективное восприятие силы и текстуры виртуального объекта, что позволяет разработчикам точно настраивать тактильную обратную связь для различных сценариев взаимодействия.

Для запуска FTV были реализованы два метода рендеринга - реагирующий на столкновение (<span class="katex-eq" data-katex-display="false">Collision</span>), начинающий вибрировать при контакте, и предсказывающий (<span class="katex-eq" data-katex-display="false">Predicted</span>), начинающий вибрировать на расстоянии, обеспечивающем столкновение через 0.75 секунды, а также два метода управления продолжительностью - непрерывный (<span class="katex-eq" data-katex-display="false">Full</span>), вибрирующий до завершения столкновения, и фиксированный (<span class="katex-eq" data-katex-display="false">Fixed</span>), ограниченный продолжительностью 0.75 секунды. — Для запуска FTV были реализованы два метода рендеринга — реагирующий на столкновение ( $Collision$ ), начинающий вибрировать при контакте, и предсказывающий ( $Predicted$ ), начинающий вибрировать на расстоянии, обеспечивающем столкновение через 0.75 секунды, а также два метода управления продолжительностью — непрерывный ( $Full$ ), вибрирующий до завершения столкновения, и фиксированный ( $Fixed$ ), ограниченный продолжительностью 0.75 секунды.

Эффект Присутствия: За гранью Виртуальности

Исследования показали, что правдоподобная тактильная обратная связь, в частности, вибрация сухожилий пальцев, оказывает значительное влияние на ощущение присутствия и вовлеченности в виртуальной реальности. Эта технология позволяет усилить иллюзию телесного владения — восприятие виртуальной руки как части собственного тела — и, как следствие, углубить эффект погружения. Предоставляя сенсорную информацию, соответствующую визуальным стимулам, система создает более целостный и убедительный опыт, заставляя мозг воспринимать виртуальное окружение как реальное. В результате взаимодействия с виртуальным миром становится более естественным и интуитивным, поскольку тактильные ощущения дополняют и усиливают визуальные и слуховые впечатления, способствуя более полному и реалистичному восприятию.

Иллюзия тактильных ощущений играет ключевую роль в формировании чувства присутствия в виртуальной реальности, делая взаимодействие с цифровым миром более естественным и интуитивным. Когда виртуальные объекты кажутся осязаемыми, мозг воспринимает виртуальную среду как продолжение физической реальности. Это достигается за счет стимуляции сенсорных путей, обычно отвечающих за ощущение прикосновения, что приводит к более глубокому погружению и повышению реалистичности взаимодействия. В результате, пользователи испытывают более сильную вовлеченность и способны выполнять задачи в виртуальной среде с большей легкостью и уверенностью, словно взаимодействуя с реальными объектами.

Исследования показали статистически значимое увеличение ощущения «принадлежности тела» в виртуальной реальности при использовании технологии вибрации сухожилий пальцев (FTV) по сравнению с контрольной группой, не получавшей тактильной обратной связи. Этот эффект свидетельствует о том, что даже относительно простая форма тактильной стимуляции способна существенно повлиять на восприятие виртуального тела как собственного. Полученные данные подтверждают, что мозг интерпретирует сенсорные сигналы, поступающие от пальцев, как подтверждение физического присутствия в виртуальном пространстве, что приводит к более сильному ощущению контроля и реалистичности взаимодействия. Наблюдаемое повышение ощущения «принадлежности тела» является ключевым фактором для создания более убедительного и захватывающего опыта виртуальной реальности.

Технология, основанная на тактильной обратной связи, открывает широкие перспективы применения в различных сферах. В игровом секторе она способна значительно повысить уровень погружения и реалистичности взаимодействия с виртуальным миром, создавая эффект полного присутствия. В области обучения и моделирования, например, при подготовке специалистов в опасных профессиях или отработке сложных навыков, тактильная отдача позволяет создать более правдоподобные сценарии, способствуя эффективному усвоению материала. Не менее значима эта разработка и в сфере удаленного управления и манипулирования объектами, где она обеспечивает оператору ощущение физического контакта с виртуальной средой, повышая точность и надежность выполняемых действий, а также расширяя возможности для работы с опасными или труднодоступными объектами.

В ходе исследования восприятия движения, отслеживая положение маркеров на суставах и кончиках пальцев с помощью восьми камер захвата движения, мы вычислили углы поворота фаланг для оценки иллюзии движения, вызванной тактильной обратной связью.

Исследование, представленное в статье, демонстрирует, что иллюзии, возникающие при вибрации сухожилий пальцев, способны значительно усилить эффект погружения в виртуальную реальность. Этот подход позволяет создавать ощущение сопротивления при взаимодействии с виртуальными объектами, обманывая сенсорные системы пользователя. Как однажды заметил Роберт Тарьян: «Простота — это не отсутствие сложности, а умение скрыть её». В данном случае, кажущаяся простота FTV маскирует сложность создания реалистичной обратной связи, позволяя системе эффективно имитировать физическое взаимодействие. Подобные иллюзии, как и любые архитектурные решения, несут в себе пророчество о будущем сбое, но в данном контексте, этот «сбой» — приятное обманутое ощущение реальности.

Что Дальше?

Представленная работа, исследующая вибрацию сухожилий пальцев как средство передачи кинестетических иллюзий, лишь приоткрывает завесу над сложной природой восприятия в виртуальной реальности. Не стоит обольщаться иллюзией прогресса — архитектура есть способ откладывать хаос, а не побеждать его. Иллюзии прикосновения, созданные вибрацией, — это не замена реальному опыту, а скорее временный кеш между двумя сбоями, между желанием убедить мозг и его неумолимой способностью распознавать несоответствия.

Главный вопрос, остающийся без ответа, заключается не в том, как улучшить иллюзию, а в том, как смириться с её неизбежной хрупкостью. Упорство в стремлении к фотореализму — лишь очередная ловушка. Гораздо продуктивнее будет изучить, как сознательно использовать несовершенство, как превратить артефакты в новые формы взаимодействия. Нет лучших практик, есть лишь выжившие — те решения, которые смогли адаптироваться к непредсказуемости человеческого восприятия.

Будущие исследования должны сместить фокус с простого воспроизведения тактильных ощущений на создание систем, способных предсказывать и компенсировать ошибки восприятия. Системы — это не инструменты, а экосистемы. Их нельзя построить, только вырастить. Истинный прогресс заключается не в создании более совершенных иллюзий, а в создании систем, способных учиться на своих ошибках и адаптироваться к изменчивости реальности.

Оригинал статьи: https://arxiv.org/pdf/2602.08201.pdf

Связаться с автором: https://www.linkedin.com/in/avetisyan/

Смотрите также:

2026-02-10 17:36