Reconstructed Reality: Enabling Teleportation-Based Locomotion in Immersive Telepresence

想象一下，你戴着一个沉重的头盔在房间里行走，头盔显示的是另一个房间的实时视频画面，但视频延迟了近两秒。每当你转头或迈步时，你看到的图像都会滞后于你的实际动作。这种视觉与内耳平衡感之间的不匹配，是导致虚拟现实中晕动症的主要原因。多年来，这种感官冲突一直是利用机器人进行远程任务（例如查看年迈的亲人或检查遥远设施）的主要障碍。当操作员使用标准摇杆控制机器人移动时，延迟会让导航感觉迟缓且令人迷失方向，通常会导致恶心，迫使他们不得不停止操作。研究人员长期以来一直在寻求一种方法，让人们能够在不承受这种延迟带来的身体痛苦的情况下，感受到身临其境的感觉。

芬兰奥卢大学的一个研究小组开发了一种方法来解决这个问题，即通过改变人们在这些远程空间中的移动方式。该系统不是尝试像驾驶汽车一样持续操控机器人，而是允许用户在远程房间的数字地图中瞬间“传送”到新位置。当用户在数字空间中移动时，实际的机器人会自行前往该地点。由于用户并没有在观看机器人挣扎着克服延迟的过程，因此不会产生通常由延迟引起的晕动症。研究人员分两个阶段测试了这个想法：首先是使用预制的数字地图，然后是使用一个随着机器人移动而实时构建地图的系统。他们的研究结果表明，这种传送方法显著减少了晕生感，并帮助人们更快地完成任务，即使在视频连接缓慢的情况下也是如此。

问题的核心在于人类大脑如何处理运动。当一个人戴着头盔并看到机器人移动的视频时，眼睛告诉大脑他们正在旅行；然而，负责平衡的内耳却感觉到他们正坐着不动。这种矛盾造成了冲突，大脑会将这种冲突解释为中毒的迹象，从而引发恶心和眩晕的症状。这个问题在使用360度摄像头传输机器人视频时尤为严重，因为高质量的视频需要传输更多的数据，从而增加了延迟。在上述实验中，机器人的动作与用户屏幕上看到的画面之间的延迟约为1.8秒。在这种速度下，试图用摇杆驾驶机器人既令人沮丧又耗费体力，往往会导致表现不佳，因为操作员必须不断猜测当视频终于跟上时机器人在哪里。

为了解决这个问题，研究人员引入了一个名为VEIPE的系统，全称为“虚拟环境接口物理环境”（Virtual Environment Interface to a Physical Environment）。在这种设置下，用户并不直接驾驶机器人。相反，他们在头盔中观察远程房间的3D重建模型。这个数字房间是根据真实的房间构建的。当用户想要移动时，他们在数字房间的地板上点击一个点。用户会瞬间出现在虚拟世界的那个位置，随后机器人开始自动驶向那里。在机器人行驶的过程中，用户会在数字空间中看到机器人的移动，但由于用户自身的身体并未移动，感官冲突被降到了最低。一旦机器人到达，视图就会切换回实时视频流，以便用户能清晰地看到真实世界。

研究人员首先使用了一个在实验开始前就已创建好的数字地图来测试这一概念。他们要求参与者在房间内引导机器人寻找特定物体，例如检查药瓶是否存在或垃圾桶是否已满。一半的参与者使用传统的摇杆方法，另一半则使用传送系统。结果非常明确：使用传送法的参与者报告的恶心感明显较少。在衡量晕动症的标准量表中，摇杆组的分数要高得多，表明存在严重的身体不适，而传送组的分数接近于零。此外，传送组在相同时间内完成了更多的导航任务。他们还表示心理疲劳感较低。参与者压倒性地更倾向于传送方法，大多数人表示如果再次控制机器人，他们会选择这种方法。

为了确保这些结果不仅仅是由于预制地图带来的偶然现象，团队进行了第二次更具挑战性的研究。这一次，他们使用了一个配备了特殊摄像头的机器人，该摄像头可以扫描房间并在移动过程中构建3D地图。这意味着数字环境是实时生成的，而不是预先制作的完美副本。任务也更加复杂，要求机器人行驶更长的距离并在更大的空间内执行观察检查，模拟了如养老护理助手之类的现实场景。由于视频质量更高且需要处理实时地图，该设置下的视频流延迟略高，测量值为1.8秒。

即使面对了实时构建地图带来的复杂性，传送法依然表现优异。使用实时系统的参与者比使用摇杆的人经历的晕动症明显较少，尽管由于任务持续时间较长，整体晕动症评分比第一次研究略高。传送组也更成功地完成了更多任务。研究人员发现，机器人行驶所需的时间并没有阻碍用户规划路线的能力，因为用户可以在数字地图中看到整个路径并立即跳转到目的地。这消除了试图在延迟的视频流中操控机器人的挫败感。此外，传送组的心理负荷（即用户感觉自己工作有多辛苦）也显著降低。

然而，研究也揭示了一个关于用户偏好的有趣细微差别。虽然传送法在健康和性能方面在客观上更优，但参与者并未一致选择它作为最爱。在第二次研究中，只有大约三分之二的参与者更倾向于传送法，其余的人仍然选择了传统的摇杆。研究人员指出，一些用户在能够亲自操控机器人时会感到更强的控制感，即便这会让他们感到不适。一位参与者提到，使用传送系统时会有一种“脱离躯体”的感觉，相比之下更喜欢摇杆带来的直接连接感。这表明，虽然这项技术解决了生理上的晕动症问题，但人类对直接控制的心理需求仍然是一个设计者必须考虑的因素。

研究人员还考察了系统的易用性。传送法在可用性评分上略高，但得分并未高得离谱。一些参与者发现，当机器人无法到达他们在数字地图中选择的位置（例如当他们传送到太靠近墙壁或物体的地方）时，会感到沮丧。这表明系统需要变得更智能，以识别哪些位置是可达的，例如通过显示清晰的路径或将传送限制在安全区域内。尽管存在这些细小的可用性问题，数据证实了该方法是有效的。研究人员得出结论，使用3D重建环境进行机器人传送，是克服高延迟连接限制的一种可行且有效的方法。

这项工作表明，远程机器人技术的未来并不一定取决于更快的互联网或更好的摄像头来减少延迟。相反，它可能取决于改变人类与机器交互的方式。通过允许用户跳过延迟的旅程并瞬间出现在目的地，该系统消除了导致晕动症的感官冲突。研究提供了强有力的证据，证明这种方法即使在连接缓慢的情况下，也能让人们更高效、更舒适地在远程环境中导航。虽然这项技术尚不完美，且仍有一些用户偏好直接控制的感觉，但结果为使远程呈现系统面向大众使用提供了一条清晰的路径。这种无需感到不适即可查看亲人或检查远程现场的能力，可能会改变我们与触及范围之外的世界互动的方式。