遠(yuǎn)程呈現(xiàn)機(jī)器人化身

你對(duì)阿凡達(dá)電影中的遠(yuǎn)程機(jī)器人還有印象嗎？ 遠(yuǎn)程呈現(xiàn)機(jī)器人，顧名思義，就是用戶能在遙遠(yuǎn)的地方通過機(jī)器人替身去查看和感知機(jī)器人所處的環(huán)境。在太空機(jī)構(gòu)、科研和軍用領(lǐng)域，這樣的設(shè)備已經(jīng)出現(xiàn)了，它們能帶給研究者和士兵身臨其境的使用體驗(yàn)，但這些高端的設(shè)備造價(jià)高昂，沒幾百萬美元就不要想了。而消費(fèi)者市場的遠(yuǎn)程呈現(xiàn)機(jī)器人(如Double或Beam)雖然造價(jià)較低，但所能帶來的體驗(yàn)卻很差勁——不過是傳輸?shù)侥愕娘@示器上面的視頻流而已。

現(xiàn)在，一個(gè)來自美國賓夕法尼亞大學(xué)的機(jī)器人專家小組正在使用經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的傳感器、執(zhí)行器和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)(Oculus Rift)如搭建一個(gè)平臺(tái)，來為用戶提供能與高端遠(yuǎn)程呈現(xiàn)系統(tǒng)相媲美的價(jià)格合理的系統(tǒng)。該系統(tǒng)名叫DORA (Dexterous Observational Roving Automaton輕便型觀察用巡回自動(dòng)機(jī)) 。該系統(tǒng)能夠精確跟蹤人的頭部運(yùn)動(dòng)，并將相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)傳遞到通過信號(hào)連接的機(jī)器人上，然后人可以根據(jù)機(jī)器人上配置的相關(guān)傳感器反饋的信號(hào)獲得身臨其境的體驗(yàn)。他們的目標(biāo)是讓用戶能夠遠(yuǎn)程操控機(jī)器人，甚至?xí)層脩敉涀约翰⒉辉诂F(xiàn)場。

當(dāng)你戴上Oculus Rift這樣的虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備時(shí)，你就進(jìn)入到了一個(gè)虛擬的世界之中。而隨著該系統(tǒng)能幾乎實(shí)時(shí)地追蹤你的頭部運(yùn)動(dòng)，軟件更新也能以超過你能感知的速度對(duì)你眼前的屏幕進(jìn)行刷新。就我的感覺來說，這個(gè)系統(tǒng)的效果非常好，幾乎能讓人短暫地沉浸在那樣的場景中。

但是，如果系統(tǒng)中的所有組件并不能完美地協(xié)作，就會(huì)對(duì)體驗(yàn)產(chǎn)生巨大的影響。糟糕的時(shí)候甚至?xí)屇愀械筋^暈?zāi)垦?。因?yàn)槲覀兊难坨R、內(nèi)耳和大腦對(duì)于真實(shí)的體驗(yàn)有嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)我們的各個(gè)感受器官不匹配時(shí)，會(huì)給大腦帶來嚴(yán)重的分歧，從而引起不適感。所以我們需要知道怎樣的傳感才是正確合適的。

這也是遠(yuǎn)程實(shí)景體驗(yàn)難以實(shí)現(xiàn)的原因，因?yàn)樾盘?hào)傳輸必然存在的延遲，我們只能讓體驗(yàn)盡可能地完美。所以要解決的問題不僅是設(shè)計(jì)出能夠準(zhǔn)確跟蹤你的頭部運(yùn)動(dòng)的機(jī)器人，而且還要讓機(jī)器人傳送回來的信息能夠騙過你的大腦，這樣才能呈現(xiàn)出身臨其境的真實(shí)體驗(yàn)。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，你需要一些復(fù)雜的東西，這也是DORA系統(tǒng)試圖成功的地方。

“Dora基于基本的人類體驗(yàn)——也就是通過視覺和聽覺的刺激形成對(duì)世界的感知，在忽略微妙的暗示時(shí)也使用這種方式實(shí)現(xiàn)人與人之間的交互。在其核心，DORA平臺(tái)探索當(dāng)一個(gè)人處于某個(gè)場景中時(shí)和一個(gè)人的存在如何對(duì)空間中的其他人產(chǎn)生影響時(shí)出現(xiàn)的問題。”

是的，他們就是這么說的。

讓我們來看看DORA的工作過程吧。

Oculus頭設(shè)使用IMU(慣性測量單元)追蹤運(yùn)動(dòng)，使用紅外信標(biāo)確定運(yùn)動(dòng)位置。然后得到的位置數(shù)據(jù)通過無線信號(hào)發(fā)送給機(jī)器人上面安裝的Arduino或Intel Edison微控制器，然后機(jī)器人在根據(jù)收到的信號(hào)做出反應(yīng)：俯仰、移動(dòng)、轉(zhuǎn)向、翻轉(zhuǎn)等。

DORA的每個(gè)相機(jī)都能回傳30幀每秒的976 x 582的視頻數(shù)據(jù)，當(dāng)然，這一參數(shù)比Oculus所能處理的最高分辨率和刷新率都低。這主要是因?yàn)镈ORA還是一個(gè)原型系統(tǒng)，在信號(hào)處理上進(jìn)行了一些預(yù)留，即使之后研究人員對(duì)相機(jī)進(jìn)行升級(jí)，整個(gè)系統(tǒng)也是能夠處理的。

對(duì)于這樣一個(gè)系統(tǒng)，延遲是其中的一個(gè)最大的問題。當(dāng)你移動(dòng)你的腦袋的時(shí)候，你能預(yù)料到進(jìn)入你視野的場景會(huì)發(fā)生怎樣的變化。如果延遲過大，就可能帶來眩暈和惡心的感覺。

使用像Oculus這樣的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，傳感器必須要能夠測量你的頭部運(yùn)動(dòng)并將數(shù)據(jù)發(fā)送到你的計(jì)算機(jī)，然后你的計(jì)算機(jī)必須計(jì)算出你視野發(fā)生的改變，并將相應(yīng)的場景呈現(xiàn)在你的眼前。Oculus曾援引虛擬現(xiàn)實(shí)研究的結(jié)論說“60毫秒的延遲是可接受的虛擬現(xiàn)實(shí)的上限……而當(dāng)延遲低于20毫秒時(shí)，延遲將變得不可察覺”。

DORA面臨的主要挑戰(zhàn)不只是無線網(wǎng)絡(luò)連接的問題，還有機(jī)械部件的運(yùn)動(dòng)限制問題。DORA的創(chuàng)造者說在典型的使用場景下，系統(tǒng)的延遲為70毫秒。該團(tuán)隊(duì)承認(rèn)這仍然過高，但還不算完全不能接受，我們期望看到未來能實(shí)現(xiàn)更多優(yōu)化。

行走中的DORA機(jī)器人

目前，DORA依靠一個(gè)無線鏈路進(jìn)行連接，工作范圍為7公里。這就是DORA設(shè)計(jì)的目的，但如果要將這一系統(tǒng)應(yīng)用到遠(yuǎn)程博物館或遠(yuǎn)程控制平臺(tái)上，那顯然要將連接過渡到WiFi或4G網(wǎng)絡(luò)上。而這又會(huì)帶來額外的延遲，但DORA團(tuán)隊(duì)希望隨著無線基礎(chǔ)設(shè)施的改善，未來可以在更遠(yuǎn)的地方訪問DORA。

DORA團(tuán)隊(duì)的領(lǐng)頭人是機(jī)器人學(xué)教授Vijay Kumar稱他們已經(jīng)在50位志愿者身上對(duì)這一系統(tǒng)進(jìn)行了測試，而其中只有三例報(bào)告了某種程度的運(yùn)動(dòng)不適，不過這和典型的Oculus場景帶給他們的感覺差不多。

我自己(筆者)還沒試過DORA系統(tǒng)，但該團(tuán)隊(duì)的成員之一Emre Tan?rgan這樣描述了遠(yuǎn)程呈現(xiàn)所帶來的臨場感：

“你感覺到你被傳送到了真實(shí)世界的另一個(gè)地方，而不是處在一個(gè)虛擬的環(huán)境中。事實(shí)上你可以看見人們和你進(jìn)行交互，好像他們就在那里，而目前來看要從虛擬場景中實(shí)現(xiàn)相同的體驗(yàn)還比較困難。你可以說虛擬現(xiàn)實(shí)使用的實(shí)時(shí)的計(jì)算機(jī)圖像不久就能趕上真實(shí)世界，但還有一個(gè)不同就是DORA帶來的感覺是完全鮮活的。另外像這樣的系統(tǒng)還有內(nèi)在的不可預(yù)測性，除非你去過那里，不然你沒法知道你會(huì)遇到什么。”

該團(tuán)隊(duì)告訴我們他們將進(jìn)行一些集資活動(dòng)，并且會(huì)正式推出一些產(chǎn)品，但目前該團(tuán)隊(duì)還并未拿出一個(gè)切實(shí)可行的計(jì)劃。其早期的應(yīng)用市場可能包括相對(duì)性控制、博物館這樣的半結(jié)構(gòu)化壞境和一些緊急響應(yīng)系統(tǒng);當(dāng)然，感興趣的玩家也是目標(biāo)市場之一，而事實(shí)上這也是我最感興趣的地方。

Suitable Technologies這樣的遠(yuǎn)程呈現(xiàn)公司已經(jīng)在測試參觀博物館這樣的遠(yuǎn)程呈現(xiàn)體驗(yàn)了。而使用DORA，你也能獲得相似的體驗(yàn)，而且還能體會(huì)到身臨其境的感覺，而不只是觀看屏幕上顯示的動(dòng)態(tài)圖像。當(dāng)然，目前這套系統(tǒng)還不能和真實(shí)場景匹敵，但DORA揭示了未來的方向，至少我們離那一天已經(jīng)不遠(yuǎn)了。