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阿凡达技术正在实现:远程呈现机器人化身

  远程呈现机器人,顾名思义,就是用户能在遥远的地方通过机器人替身去查看和感知机器人所处的环境。在太空机构、科研和军用领域,这样的设备已经出现了,它们能带给研究者和士兵身临其境的使用体验,但这些高端的设备造价高昂,没几百万美元就不要想了。而消费者市场的远程呈现机器人(如Double或Beam)虽然造价较低,但所能带来的体验却很差劲——不过是传输到你的显示器上面的视频流而已。

  

  现在,一个来自美国宾夕法尼亚大学的机器人专家小组正在使用经济实惠的传感器、执行器和虚拟现实技术(Oculus Rift)如搭建一个平台,来为用户提供能与高端远程呈现系统相媲美的价格合理的系统。该系统名叫DORA (Dexterous Observational Roving Automaton轻便型观察用巡回自动机) 。该系统能够精确跟踪人的头部运动,并将相应的运动传递到通过信号连接的机器人上,然后人可以根据机器人上配置的相关传感器反馈的信号获得身临其境的体验。他们的目标是让用户能够远程操控机器人,甚至会让用户忘记自己并不在现场。

  当你戴上Oculus Rift这样的虚拟现实设备时,你就进入到了一个虚拟的世界之中。而随着该系统能几乎实时地追踪你的头部运动,软件更新也能以超过你能感知的速度对你眼前的屏幕进行刷新。就我的感觉来说,这个系统的效果非常好,几乎能让人短暂地沉浸在那样的场景中。

  但是,如果系统中的所有组件并不能完美地协作,就会对体验产生巨大的影响。糟糕的时候甚至会让你感到头晕目眩。因为我们的眼镜、内耳和大脑对于真实的体验有严格的标准,当我们的各个感受器官不匹配时,会给大脑带来严重的分歧,从而引起不适感。所以我们需要知道怎样的传感才是正确合适的。

  这也是远程实景体验难以实现的原因,因为信号传输必然存在的延迟,我们只能让体验尽可能地完美。所以要解决的问题不仅是设计出能够准确跟踪你的头部运动的机器人,而且还要让机器人传送回来的信息能够骗过你的大脑,这样才能呈现出身临其境的真实体验。为了实现这一目标,你需要一些复杂的东西,这也是DORA系统试图成功的地方。

  “Dora基于基本的人类体验——也就是通过视觉和听觉的刺激形成对世界的感知,在忽略微妙的暗示时也使用这种方式实现人与人之间的交互。在其核心,DORA平台探索当一个人处于某个场景中时和一个人的存在如何对空间中的其他人产生影响时出现的问题。”

  是的,他们就是这么说的。

  让我们来看看DORA的工作过程吧。

  Oculus头设使用IMU(惯性测量单元)追踪运动,使用红外信标确定运动位置。然后得到的位置数据通过无线信号发送给机器人上面安装的Arduino或Intel Edison微控制器,然后机器人在根据收到的信号做出反应:俯仰、移动、转向、翻转等。

  

  DORA的每个相机都能回传30帧每秒的976 x 582的视频数据,当然,这一参数比Oculus所能处理的最高分辨率和刷新率都低。这主要是因为DORA还是一个原型系统,在信号处理上进行了一些预留,即使之后研究人员对相机进行升级,整个系统也是能够处理的。

  对于这样一个系统,延迟是其中的一个最大的问题。当你移动你的脑袋的时候,你能预料到进入你视野的场景会发生怎样的变化。如果延迟过大,就可能带来眩晕和恶心的感觉。

  使用像Oculus这样的虚拟现实系统,传感器必须要能够测量你的头部运动并将数据发送到你的计算机,然后你的计算机必须计算出你视野发生的改变,并将相应的场景呈现在你的眼前。Oculus曾援引虚拟现实研究的结论说“60毫秒的延迟是可接受的虚拟现实的上限……而当延迟低于20毫秒时,延迟将变得不可察觉”。

  DORA面临的主要挑战不只是无线网络连接的问题,还有机械部件的运动限制问题。DORA的创造者说在典型的使用场景下,系统的延迟为70毫秒。该团队承认这仍然过高,但还不算完全不能接受,我们期望看到未来能实现更多优化。

  

  行走中的DORA机器人

  目前,DORA依靠一个无线链路进行连接,工作范围为7公里。这就是DORA设计的目的,但如果要将这一系统应用到远程博物馆或远程控制平台上,那显然要将连接过渡到WiFi或4G网络上。而这又会带来额外的延迟,但DORA团队希望随着无线基础设施的改善,未来可以在更远的地方访问DORA。

  DORA团队的领头人是机器人学教授Vijay Kumar称他们已经在50位志愿者身上对这一系统进行了测试,而其中只有三例报告了某种程度的运动不适,不过这和典型的Oculus场景带给他们的感觉差不多。

  我自己(笔者)还没试过DORA系统,但该团队的成员之一Emre Tan?rgan这样描述了远程呈现所带来的临场感:

  “你感觉到你被传送到了真实世界的另一个地方,而不是处在一个虚拟的环境中。事实上你可以看见人们和你进行交互,好像他们就在那里,而目前来看要从虚拟场景中实现相同的体验还比较困难。你可以说虚拟现实使用的实时的计算机图像不久就能赶上真实世界,但还有一个不同就是DORA带来的感觉是完全鲜活的。另外像这样的系统还有内在的不可预测性,除非你去过那里,不然你没法知道你会遇到什么。”

  该团队告诉我们他们将进行一些集资活动,并且会正式推出一些产品,但目前该团队还并未拿出一个切实可行的计划。其早期的应用市场可能包括相对性控制、博物馆这样的半结构化坏境和一些紧急响应系统;当然,感兴趣的玩家也是目标市场之一,而事实上这也是我最感兴趣的地方。

  Suitable Technologies这样的远程呈现公司已经在测试参观博物馆这样的远程呈现体验了。而使用DORA,你也能获得相似的体验,而且还能体会到身临其境的感觉,而不只是观看屏幕上显示的动态图像。当然,目前这套系统还不能和真实场景匹敌,但DORA揭示了未来的方向,至少我们离那一天已经不远了。