虚拟现实中自由步行（free-space walking）

之前我们讲到了虚拟现实中漫游方式的分类。虚拟现实中的漫游（travel/navigate）方式，即是应用提供给用户的，在虚拟环境中移动的方式。虚拟现实的漫游方式中，有一种被称为“完全动作线索”¹，即用户需要用真实的、完全的步行动作，来进行虚拟环境中的漫游。比如本篇要提到的自由步行（free-space walking）。

自由步行即使用户能够在一定的空间内自由的走动，他／她的移动会被系统记录，并且反映到他／她在虚拟环境中的移动上。其优势就是整个的交互和现实生活中是一样的，所以非常自然，不需要学习，也不太可能导致晕动症。但是它对定位技术有相当的要求，需要在3D空间中的准确定位，所以一般会让用户佩戴一些多余的设备（电线、背包、捆绑在身上的定位装置等），所以也并非完全“自由”，会导致一些略显尴尬体验。同时，以当前的技术，自由步行一般只能限制在一个小区域中，如果需要漫游的虚拟区域很大，也不能完美处理。并且，自由步行也会消耗用户体力，使得用户使用应用时会更容易疲惫。

根据Kruij和Riecke教授在IEEE VR会议上的讲座¹，自由步行技术也有一些不同的类别。其中，第一种类别是当前主流的方式，在行业中广泛地被应用，后两种是为了解决第一种方式存在的空间受限的问题，属于较为实验性的、在学术研究中被提出的方式。

1. 真实的步行 real walking

_{SteamVR, HTC Vive setup. image from https://www.wareable.com/vr/htc-vive-review}

用户往前走一步，在虚拟环境中就往前走一步，用户往左转多少角度，在虚拟环境中就往左转。完全的一一对应，现实环境中用户在什么位置，虚拟环境中用户就相应的在什么位置。这是当前大部分应用采用的方式。不过由于受限于房间大小，或者准确的说，能够被定位到的区域的大小，所以如果只采用这一种交互方式的话，很难让用户在虚拟环境中，能够漫游到超出定位区域的地方。大部分应用采取的方式有：“传送门”（直接将用户传送到另一个空间）、驾驶式漫游（用户使用某交通工具进行漫游，实际上在现实空间中用户呆在原地）。不过，勇于思考和探索学者们还提出了以下两种类别的自由步行：

2. 重定向处理的步行 redirected walking

可以理解为，当系统发现用户要离开可监测区域的时候，做一些事情来让用户不要离开。比如当用户走动时，让虚拟环境缓缓地改变方向，使得用户慢慢改变前进方向，但是还以为自己仍然在“走直线”^2，3。或者当用户快走出去的时候，用一些物体、事件吸引用户的注意力，使得用户走回监测区域中间^3，4。也有不只是让用户在“撞了南墙”才回头，而是在整个过程中一直不停缓慢改变虚拟环境，让用户只围绕环境中间走动，等等方式。如果要在用户缓慢地改变虚拟环境的方向，那么改变的速度必须非常慢，否则用户会意识到运动方向的改变，导致认知冲突。当前研究表明，如果要让用户行走时旋转角度不同，大概可以是比真实旋转速度高25%或低33%以内⁵。

_{Bruder et al. 2015}

3. 缩放处理的步行 scaled walking

这个方式通过名字也比较好理解，就是把用户现实中的步长，在虚拟环境中做一个缩放（扩大）。使得用户在虚拟环境中走了12米，在现实中只走了10米。同样的，这个缩放的比例也是不能太夸张，虚拟的移动可以比真实的移动少12%或者多35%以内⁵。

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1 Kruij E, Riecke BE. Navigation interfaces for virtual reality and gaming: Theory and practice. In Virtual Reality (VR), 2017 IEEE 2017 Mar 18 (pp. 433-434). IEEE. http://ispace.iat.sfu.ca/project/vr-navi-tutorial/

2 Hodgson, Eric, Eric Bachmann, and Tyler Thrash. "Performance of redirected walking algorithms in a constrained virtual world." IEEE transactions on visualization and computer graphics 20.4 (2014): 579-587.

3 Bruder, Gerd, Paul Lubas, and Frank Steinicke. "Cognitive resource demands of redirected walking." IEEE transactions on visualization and computer graphics 21.4 (2015): 539-544.

4 Razzaque, Sharif, Zachariah Kohn, and Mary C. Whitton. "Redirected walking." Proceedings of EUROGRAPHICS. Vol. 9. 2001.

5 Steinicke, Frank, et al. "Estimation of detection thresholds for redirected walking techniques." IEEE transactions on visualization and computer graphics 16.1 (2010): 17-27.