第二章 文獻回顧
2.2.2 虛擬手部抓取模擬
人類在日常生活中最常使用的抓取方式便是使用手部抓取，因此，在虛擬實 境中，模擬人類的手部抓取，便是研究者努力探究的課題之一。常見的手部模擬 方式可以分為以下三種(1)Rigid proxies、(2)Articulated rigid hand、(3)Deformable hand。以系統計算量而言，由左至右增大；擬真度亦是由左至右增加，如圖 2.2 所示。大多數的虛擬組裝都是使用 Rigid proxies 和 Articulated rigid hand。
PHANToM Omni® 力回饋裝置因為只有單一輸入點，因此，在進行人手模擬 時，虛擬手部會完全呈現剛體狀態，其使用的就是 Rigid proxies。
三種人類手部模擬方法(Talvas,2014)
Articulated rigid hand 因在外觀與操作上皆近似於人類真實手部樣態，因此，
許多研究用此方法在虛擬實境中模擬人類的手部，希望能使虛擬組裝更擬真。以 下提供三種 Articulated rigid hand 的應用。
Aleotti & Caselli (2007)提出了利用抓取手勢來判斷在虛擬環境中，使用者與 物體的接觸關係。作者建立一個人手抓取物件的資料庫，資料庫有 11 個抓取手 勢終點。作者在虛擬環境中，將使用者手部模型的 22 個關節都設定一個碰撞偵 測器，而其中有 19 個關節是作者認為會影響到抓取姿勢的。而這 19 個關節之碰 撞偵測器在碰觸到虛擬物件時會產生 19 個相對應的向量，資料庫藉由這 19 個向 量比對出對應的抓取結果。此種抓取效果可以增加使用者在虛擬環境中的真實感
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受，並且可以簡化程式邏輯。但是，藉由資料庫去比對抓取姿勢並不能提供使用 者抓取物件時的高度自由度。物件抓取資料庫比對流程圖，如圖 2.3 所示。
抓取手勢資料庫與比對流程(Aleotti & Caselli, 2007)
Holz et al. (2008) 所提出的多點接觸抓取互動方式，對於在虛擬實境中抓取 物件可以提供使用者高度自由度以及準確度。抓取邏輯，如圖 2.4 所示。作者在 虛擬環境中製作一虛擬手作為接觸介質，然後在手的關節處放置 26 個圓形碰撞 器 Si，當兩個以上的碰撞器接觸到物體時，碰撞器之間會以碰撞器的圓心為端點 產生一向量𝑉ij，以及碰撞器與物體接觸面的法向量ni , nj，若∠(ni, 𝑉ji) ≤ αmax 且∠(nj, 𝑉ij) ≤ αmax (其中αmax 為人手與物體間產生滑動的最大角度，與物體的 摩擦力有關)，則物體確定抓取。成功抓取物體後，作者將物件的移動分為位移和 旋轉，若為兩點碰觸，則以𝑉ij的中點為重心，若為多點碰觸，則為𝑉ij所圍成的形 狀之重心為中心進行位移與旋轉，藉此方式完成物件的抓取與移動。 此種 Articulated rigid hand 的應用使用了啟發法(heuristics)。當使用者手部的動作啟發 抓取模式後（例如有兩只以上的手指觸碰到物體），系統才會開始判定物體是否
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符合抓取條件，因此，可以節省掉必須隨時監控手部動作以判定抓取的運算資源。
若符合抓取條件，物體便會被設定為抓取並跟隨著使用者所設定的錨點作旋轉和 移動。
手指碰撞對抓取邏輯(Holz et al.,2008)
Jacobs et al. (2012)把以往安設在手掌的替身點(proxy points)改為安設人類的 手掌加指節共 16 節的位置上，如圖 2.5 所示。虛擬實境中，當手指觸碰到虛擬 物體時，使用者在真實世界裡的手卻沒有觸碰到任何實際物體，因此，使用者 的觸碰感受完全只有力回饋裝置所給的回饋。這種情況下，使用者的手指會穿 入虛擬物體，替身點就是在此時出現在物體表面，讓系統以彈簧力的計算方式 𝐹 = 𝑘(𝑋𝑝𝑟𝑜𝑥𝑦− 𝑋𝑜𝑏𝑗𝑒𝑐𝑡)，給手指力回饋感受。這種替身點的回饋方式由於是漸 進式的，不會讓使用者感到驚嚇，且可以有效避免手部穿刺進入虛擬物體的狀 況，而手部模擬採內建骨骼的方法也讓操作更加擬真。不過，使用 16 個替身點 必須要避免各個指節之間的衝突，因此計算上較為複雜。
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手指上的剛性替身點(Jacobs et al.,2012)