# 【ImpactVest: 在 VR 中對身體進行時空多層次衝擊力反饋的渲染】 論文閱讀

論文名稱 : ImpactVest: Rendering Spatio-Temporal Multilevel Impact Force Feedback on Body in VR
論文出處 : ACM CHI 2022
論文連結 : ImpactVest: Rendering Spatio-Temporal Multilevel Impact Force Feedback on Body in VR
論文作者 : Hsin-Ruey Tsai, Yu-So Liao, Chieh Tsai

# Abstract 摘要

過去的研究強調了對頭部、四肢的觸覺衝擊反饋增強 VR 的真實感，但對於身體部位的衝擊反饋較少討論。
本文提出了 ImpactVest，用於在身體上呈現時間空間多層次的衝擊反饋。作者使用彈力控制 9 個衝擊裝置，以不同的強度、位置和時間產生衝擊。
進行了以下 3 種研究:

• JND 研究 ：以了解使用者區分衝擊的強度
• 時間間隔閥值研究 ：區分兩個衝擊波是同時衝擊、連續衝擊、或離散衝擊
• VR 體驗研究 ：驗證 ImpactVest 的衝擊反饋增強 VR 的真實感

Keywords: Haptics, force feedback, impact, wearable device, virtual reality

# 1 Introduction 介紹

透過觸覺反饋來增強 VR 的真實感是近年來被廣泛研究的議題。
在 VR 中，各種不同的撞擊效果，例如在射擊遊戲中被槍擊或手榴彈爆炸、或在格鬥遊戲中被拳打腳踢、甚至被劍砍，都是常見的。
這種撞擊力不僅會影響到使用者的頭部、四肢，也會影響到他們的身體。
身體相對於其他部位擁有更大的表面積，透過在身體上排列多個衝擊裝置，使用者可以感受到不同層次的撞擊，並且可以透過不同的空間和時間組合產生不同的感覺，甚至產生一種連續的撞擊效果，從而提高 VR 的多樣性。

本文提出了以下貢獻:

• 在身體呈現時空多層次的衝擊反饋，並提供瞬間且強烈的衝擊反饋
• 區分對身體的衝擊力
• 研究 3 種衝擊反饋的時間間隔閥值 (同時衝擊、連續衝擊、或離散衝擊)
• 與震動觸覺模式相比，更能增強 VR 的真實感
• 提出 ImpactVest 幾個應用場景

# 2 Related Work 先前文獻

1. 振動觸覺驅動 、 氣動驅動 、 電機牽引 、 螺旋槳牽引 呈現包括衝擊在內的各種類型的觸覺反饋，儘管這些方式模擬了有效的觸覺反饋，但這種反饋並不是產生即時與強烈的衝擊力。
2. 利用電力刺激肌肉 、 氣流噴射 、 彈力 呈現衝擊力反饋，對使用者的頭部和四肢產生影響，但這個方法並不關注對身體部位的衝擊。

總結 ：以前的論文比較多研究頭部與四肢的衝擊，少數使用振動觸覺驅動、氣動驅動的時間空間觸覺反饋模式，因為裝置的侷限性，無法提供夠強大的衝擊力。

# 3 ImpactVest 介紹與架構

# 3.1 Design Considerations 設計考量

• 真實感 ：為了呈現真實的衝擊反饋，力的衝擊需要足夠快，因此使用彈力來呈現即時的衝擊反饋。
• 多功能性 : ImpactVest 呈現空間和時間的多層次衝擊反饋，甚至可以連續碰撞，以適用於多種 VR 應用。
• 舒適與安全 ：雖然更強的衝擊反饋可以實現更刺激與真實的 VR 體驗，但舒適和安全仍然是第一優先的考量
• 移動性 ：可穿戴設備的能讓使用者在 VR 中自由移動和探索

# 3.2 Implementation 實行

ImpactVest 由九個衝擊裝置組成，排列在一個 3×3 的背心上。
每個衝擊裝置都由鬆緊帶、馬達、機械式制動器 (mechanical brake)、砲身和影響代理 (impact proxy) 組成。

進行了一個試驗以決定九個衝擊裝置的位置，遵循以下原則:

1. 不應該傷害使用者，符合舒適和安全的設計考量。
2. 不應該使使用者難以感受到衝擊，所以衝擊裝置需要緊密附著於平整的身體部位。

# 4 Just-Noticeable difference Study JND 研究

感知在身體的不同部位上可能是不同的，例如胸部、肋骨和腹部。
此外，由於身體的前側不是一個平面，衝擊裝置可能以不同的緊密程度接觸身體部位。
這種現象不僅存在於不同性別或個人之間，也存在於同一個使用者之間。
所以本文在不同部位分別進行了 JND 研究，得到了最好與最差的情況。

# 4.1 Apparatus and Participants 裝置與參與者

一共招募了 12 名參與者。
參與者穿著 ImpactVest，配戴 Vive Pro HMD 頭戴式裝置阻絕現實世界中的視線，並佩戴耳機防止噪音。

# 4.2 Force Stimuli 力的刺激

進行 JND 研究時，需要量化刺激強度。
所以本文建造了一個裝置以測量馬達轉速與衝擊力之間的關係。

# 4.3 Task and Procedure 任務與程序

每一次試驗中會呈現三個衝擊力度的刺激，包括兩個 參考刺激(S) 和一個 測試刺激(S ± △S) 。

• S 被設置為 2N，是刺激強度範圍中間的強度。
• △S 是一個自適應決定的正數，表示參考和測試刺激之間的力度差異。

受測者使用控制器選擇哪個刺激與其他不同，並依據受測者的反應決定下一輪試驗的 △S 。
初始 △S 為 0.2N。如果受測者連續兩次回答正確 (選擇 測試刺激(S ± △S) )， △S 會減少 0.2N。如果他們每次回答錯誤， △S 會增加 0.2N。

實驗總共會進行 8次反轉 ，前 2 次的 △S 為 0.2N，後 6 次為 0.1N。
判斷為 反轉 的條件如下:

• 當 △S 由減少變成增加 (使用者回答正確變成回答錯誤)
• 當 △S 由增加變成減少 (使用者回答錯誤變成回答正確)
• 當 △S = 0
• 當 △S > 1.1N

最後的結果會由後 6 次 反轉 的平均值決定。
每次試驗的三個刺激的順序是隨機的。包括第一排左 / 右和中間衝擊裝置的兩個位置被平衡地排列。

# 4.4 Results and Discussion 結果與討論

在 最佳情況下的平均閾值為0.935N(JND=46.75%) 和 最差情況下的0.942N(JND=47.1%) ，兩者之間沒有顯著差異。
這些結果顯示，衝擊力大小的變化必須高於或低於當前衝擊力至少 47.1% ，使用者才能清楚地區分出差異。

# 5 Time Interval Threshold Study 時間間隔閥值研究

對於呈現不同的時空多層次衝擊力反饋，兩次衝擊刺激之間的時間間隔至關重要。本文在此定義兩個衝擊刺激之間的同時、連續和離散衝擊。

1. 當兩個衝擊刺激開始的時間間隔太短，幾乎為 0，並低於時間閾值 t1 時，使用者會感知到在同一時間呈現的衝擊刺激，這被定義為 同時衝擊刺激(0 ≤ time interval < t1) 。
2. 當時間間隔太長，超過時間閾值 t2 時，使用者會感覺到兩個離散的衝擊刺激，這被定義為 離散衝擊刺激(t2 < time interval) 。
3. 當時間間隔介於 t1 和 t2 之間時，使用者可能會感知到連續的觸覺衝擊，這被定義為 連續衝擊刺激(t1 < time interval < t2) 。

進行了這項研究，以找出時間間隔閾值 t1 和 t2 ，以區分這三種類型的衝擊。 t1 和 t2 也代表了產生連續衝擊的時間間隔下限和上限。

# 5.1 Apparatus and Participants 裝置與參與者

與上一個研究相同。

# 5.2 Task and Procedure 任務與程序

參與者穿上 ImpactVest 並在站立時感受衝擊刺激。一個試驗中會從兩個不同的衝擊裝置產生兩個衝擊刺激。
基於上一個研究的結果，衝擊力被設置為 2N 。

1. 對於時間間隔上限，兩個衝擊刺激之間的初始時間間隔為 160ms ，參與者被問及是否感受到 離散 的衝擊刺激， 是 則時間間隔會減少。 否 則間隔將增加。
2. 對於時間間隔下限，兩個衝擊刺激之間的初始時間間隔為 0ms ，參與者被問及是否感受到 同時 的衝擊刺激， 是 則時間間隔會增加。 否 則間隔將減少。

# 5.3 Results and Discussion 結果與討論

時間間隔下限閾值(t1) 的平均值為 29.79 毫秒 。
時間間隔上限閾值(t2) 的平均值為 68.99 毫秒 。
基於這些結果，本文將 最高的下限值(25.2公分時的32.57毫秒) 和 最低的上限值(10.5公分時的61.87毫秒) 進行平均，得出了連續衝擊在 ImpactVest 中的刺激之間的時間間隔為 47.22毫秒 。

# 6 VR Experience Study VR 體驗研究

進行了一項 VR 體驗研究，觀察不同的時空多層次衝擊力反饋如何影響使用者的 VR 體驗。
並驗證 ImpactVest 的衝擊反饋比振動觸覺驅動更加真實。

# 6.1 Apparatus and Participants 裝置與參與者

與上一個研究相同。

# 6.2 Task and Procedure 任務與程序

參與者一開始在一個房間裡，隨後出現七個敵人，包括兩名士兵、兩名劍客、兩名拳擊手和一門大砲。
分別以射擊、砍劈、拳擊和爆炸等方式逐一攻擊他們。

# 6.3 Results and Discussion 結果與討論

# 7 Limitations and Future Work 限制與未來展望

# 目前限制

無法從同一個衝擊裝置產生連續的衝擊刺激。
解決方法1 : 採用更強力的馬達，雖然會增加衝擊裝置的重量，但是由整個身體支撐，所以在可接受的範圍。
解決方法2 : 採用更強彈力帶或彈簧。

# 未來展望

1. 進一步減小衝擊裝置的大小，並將它們排列在更密集的佈局上，以獲得更高分辨率的衝擊反饋。
2. 結合振動觸覺驅動，以呈現更真實與多樣化的衝擊反饋。

# 8 Conclusion 結論

本文提出了一種可穿戴設備 ImpactVest，使用 3×3 個衝擊裝置向身體呈現時空多層次衝擊力反饋。
並進行了 3 種研究，分別確認了衝擊強度的區分、不同衝擊的區分、明顯增強了 VR 體驗的真實感。