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LEVITATE-以懸浮式立體顯像技術打造全新人機互動模式

歐盟補助LEVITATE研發計畫期在打造可取代現有人機介面的新人機互動模式。本研發計畫利用電腦控制的懸浮物質,在空中投射出能見、有質感並可以刺激使用者觸覺和聽覺反應的虛擬物像。這項技術將促使人類和電子科技在現實中直接互動。使用者可不必再透過任何工具就可直接操縱系統,未來可以衍生出從視聽娛樂到科學研究等各種領域的全新應用。透過超音波懸浮技術,該團隊打造出了可獨立控制的懸浮物體,搭配上參數化音頻和多模式互動等技術,便能打造出更貼近真實的立體顯像技術。

 

本文:

 

隨著科技日新月異,傳統上,人們使用滑鼠和鍵盤等輸入裝置來指揮電腦的方式正逐漸被觸控螢幕、語音指令乃至非觸控式的互動裝置(例如: Kinect)等新式人機介面所取代。儘管介面科技不斷朝向更加便利的趨勢發展,許多使用者仍會產生輸入指令時,缺少體感反應的不安與不信任感。

 

全新的人機互動模式

 

鑒於以上體感缺憾,歐盟補助研發LEVITATE研究計畫,開發一全新人機互動模式,並以此概念模式打造出原型機。該計畫的概念是利用空間中的懸浮物質來投射出虛擬的三維物體,以便使用者能看到、摸到、操縱甚至聽到此三維虛擬物體,彷彿其真的存在現實空間之中。使用者因此不再需要使用任何實體介面,只要直接走向系統,就可以操作。

 

LEVITATE團隊指出:「在我們想像的願景中,電腦將能控制由懸浮原子(levitated atoms)組成的複雜懸浮物體,控制其存在、形式以及外觀。」使用者則能觸摸到空氣中的懸浮物體,感受到當與實際物體有所接觸時的觸感。這個新的人機互動模式將完全改變人類對科技產品的使用方式,因為這會是人類首次可在虛擬現實中指揮實體科技產品,彷彿在真實環境裡操控真實物品一樣。

 

這種全新的技術有許多優點和應用。例如: 在玩虛擬的網球遊戲時,玩家不再只是控制電視螢幕中的虛擬人物,而是可以實際感受揮擊實體網球拍的重量與力道,還有擊中電腦控制的懸浮微粒所組成的網球時的觸感。生物科學家可以在半空中投影出蛋白質的結構,以不同方式摺疊蛋白質,顯微觀察蛋白質間的交互作用。藝術家可以用懸浮粒子在公共空間創造新形式的虛擬裝置藝術。建築工程師可以直接與客戶走入漂浮的虛擬模型中,針對建築師的設計結果,直接討論與修改。

 

關鍵技術研發

 

為達LEVITATE計畫的研究目標,關鍵問題在於如何將虛擬層面的互動轉譯為物理層面的實際影響?研發團隊發現必要的關鍵技術有三個,分別為(1)超音波懸浮(ultrasound levitation)、(2)參數化音頻(parametric sound)以及(3)多模式互動(multimodal interaction)。

 

研發團隊應用超音波懸浮技術,利用了音波可以在空氣、水和生物組織等介質中,讓不同尺寸和材料的顆粒進行懸浮的原理。使用頻段在40kHz至70kHz之間的超音波模擬出所有元件。再透過超音波轉能器(ultrasound transducer)來重組相控陣列(phased array),打造出可控制的懸浮物體,讓用戶在操縱這些懸浮物體時得到即時觸感反應。

 

參數化音頻的原理則是預先使音頻訊號失真,將變頻之後輸入負載器(carrier)的超音波中。研發團隊應用空氣中因為非線性而產生的訊號解調變,以便適用於更多元的操作情境。此外,系統中所具備的轉能器陣列操縱超音波束(ultrasound beam),可以將聲音訊號透過懸浮物體反射或直接傳遞的方式,進入使用者耳裡。

 

至於多模式互動技術的目的,是要讓使用者能以多種感官模式和電腦進行互動。要讓人體的感知過程與實質操控達到同步,並非易事。但是若經過聚焦的超音波在空氣中創造接觸點,便可創造出使用者相對應的觸覺回饋。若再加上投影方式將更多影像投射在懸浮物質上,便能夠更豐富與多樣地呈現近似於現實物體的視覺效果。

 

延伸應用

 

LEVITATE計畫的研究人員選擇許多不同的使用方式來創造該項科技的衍伸應用,如: 設計小型浮動裝置(floating widget)、微粒顯示器(particle display)和紋理式觸覺顯示器(textured haptic display)等儀器設備開發,以及諸如餐點外送服務乃至虛擬實境音樂遊戲等生活應用。

 

LEVITATE計畫與團隊簡介

 

LEVITATE為歐盟在Horizon 2020下所補助的計畫,由英國University of Glasgow的研究團隊主導,與其他五所產學單位共同合作的跨域研發國際團隊。為期五年的計畫從2017年1月開始執行,總研發經費約3百萬歐元。該團隊至今已在國際會議和相關期刊發表逾16篇與計畫相關的研究論文或研究報告,內容包括: 討論人機互動、電腦視覺和虛擬實境等研究成果,多項成果亦拍成影片展示與說明,可在計畫官方網站(https://www.levitateproject.org/)上閱覽。

 

特約編輯:莊愷莘

 

關鍵字詞:立體顯示、人機互動、超音波懸浮技術

 

參考資料:

 

http://ec.europa.eu/research/infocentre/article_en.cfm?id=/research/headlines/news/article_19_02_20_en.html?infocentre&item=Infocentre&artid=49922

https://cordis.europa.eu/project/rcn/207474/factsheet/en

https://www.levitateproject.org/about

更新日期 : 2019/06/12