一說到玩 VR 遊戲，想必你腦袋裡已經浮現出一個看起來有點奇怪的人 ——

他戴着一個碩大的頭戴設備、兩手握着厚重的控制器，手臂并不輕松地在空氣中張牙舞爪。虛拟遊戲中，他的手緊握手柄，變成了哆啦 A 夢一般的圓球，靈活的手指在磅礴奇幻的新世界卻毫無用武之處。

不過很快，我們就不用握手柄了。虛拟世界中的手，也将恢複自由。

來自康奈爾大學和威斯康星大學麥迪遜分校的華人科學家，近日聯合打造了一副「3D 手環」—— FingerTrak。

戴上這個「圈」，你十指的動作就都能被精準捕捉，而且它在未來的玩法，可能比你想到的還要多。

研究成果已經發表在了 《ACM 互動，移動，可穿戴和普及技術期刊》上。

它的面世，意味着可穿戴傳感器技術又迎來了新突破。

近年來，精準的手指運動跟蹤，已經成了 VR 和 AR 領域研究的熱門技術。

如果你是一個動畫師，應該就知道捕捉人手有多複雜了，手部每個關節的每次彎曲、伸展，都有着無數種可能。

FingerTrak 的最大特色，就是用了一種新技術，來準确預測每根手指的位置 —— 熱傳感器跟蹤。

這個「圈」看起來就像一個雙層的手環，不過重點是手環周圍安裝的四個熱像儀。

這些熱像儀非常小，長 5.7mm，直徑 9.3mm，就跟豌豆大小差不多。

它們的尖端都有一個低分辨率的紅外攝像頭，指向手指的一面。雖然分辨率較低，隻有 32 x 24 像素，但它們能夠精準地跟蹤佩戴者手的運動。

研究裡呈現的紅外熱像儀圖像中，可以看到手指橙色和黃色區域在随着指尖移動不斷變化。

再通過系統中專門設計的深度神經網絡（DNN），就能準确地根據手腕輪廓，預測 20 個手指關節的位置。

最後，将各個輪廓的圖像連結在一起，就能以 3D 方式重構整隻手。

接着，重構的手勢信息就能在虛拟模型甚至是機器人的手上再現。

在研究人員的測試中，設備能夠準确地仿生人類動作。

學會翻書：

拿筆寫字：

拿杯子喝水：

玩手機：

熱傳感器跟蹤的新方式，極大改善了手部動作的識别能力。

因為設備不再是通過攝像頭直接捕捉手指位置，而是結合熱成像和機器學習技術來「隐形」獲取。攝像頭拍不到的地方、檢測不到的細微運動，将都可以被「看到」。

這也是第一個基于手腕輪廓來重建全手姿勢的系統。

在對 11 位受試者的測試中，研究結果表明識别角度誤差為 6.46° 至 8.06°，而且背景越均勻，錯誤率就越低。

不能說已經實現了高精度跟蹤，但是至少實現了一種更好的手指跟蹤解決方案。

研究中的 FingerTrak 原型，是連接 Raspberry Pi 進行的運作。但研究人員表示，未來升級的版本，将可以與智能手機連接，與 VR 眼鏡連接，甚至可以無線連接。

連上之後，你戴着手環就可以玩 VR 遊戲了，手指也能在遊戲中進行更自然和多樣化的操作。

在日常生活中，它的用處就更貼近每個人了。

FingerTrak 将能像智能手表一般，監測我們的健康狀況，但比智能手表厲害的地方在于，隻要你動動手，它就能傳達你的身體狀态好壞。

這對于老年人尤其受用，特别是通過老年人日常生活如何使用雙手，從而監測帕金森氏症和阿爾茨海默氏症等疾病的早期征兆。

在人機交互方面，你還能通過 FingerTrak 介入，讓的家裡的機器人模仿人類的動作，更好地為我們服務。

研究人員還指出了一個最有希望的潛在應用：翻譯手語。

畢竟當前的手語翻譯技術，要不是需要用戶戴手套，要不是需要使用到相機，這兩者體驗都比較麻煩，而 FingerTrak 将能讓手語翻譯變得直接、快速、人性化。

但是，FingerTrak 現在仍處于早期的研究階段，商業化可能還需要幾年時間，畢竟上述所說的任一場景實際使用都不簡單。

比如說，如果要和 VR／AR 應用匹配，替代設備中的手柄控制器，首先就得考慮精度問題，以及手指之間的配合問題。

畢竟在現實中，少了一根手指，偏移一點位置，我們手中的東西可能都會掉在地上，所以精度和現實稍有偏失，虛拟世界中的真實體驗就會錯亂。

不過，研究人員表示該設備采用的組件價格都很實惠，而且數據已經能實現相當高的準确度，這是未來商業化前值得慶幸的一件事。

而且小荷才露尖尖角，虛拟現實也仍處于起步階段，FingerTrak 的出現已經為我們帶來了新的可能性，也讓人看到了它在未來的巨大潛力。

據悉，FingerTrak 預計将在今年 9 月中旬的 ACM 普适計算國際會議上發布。

如果隻是監測整隻手，其實智能手表就可以了。

我們生活中常見的可穿戴設備，使用陀螺儀和加速計等傳感器就能監測手部運動，比如擡起手腕，屏幕就會自動點亮等。

但是，未來要在虛拟世界逼近真實體驗，必須得檢測到每根手指的運動，智能手表的監測還做不到。

▲ Google Project Soli 計劃，一種基于雷達的手勢識别技術

手指是表達人類感情的重要一環。手部跟蹤技術的研發其實已經走很長一段路了，各種新興技術每年都紛繁顯現。

比如深度感應攝像頭或紅外傳感器 —— 普渡大學的科學家就利用深度感應攝像頭來捕獲手部動作，然後利用深度學習網絡來了解數百萬種手勢，然後将它們在虛拟世界中準确顯示。

有人還使用運動感應手套 —— 加利福尼亞大學洛杉矶分校（UCLA）的研究人員公布了一種手套式設備，通過機器學習輔助的可伸縮傳感器陣列，能夠将手語轉換為語音對話，并在手機上播放。

甚至還有使用電磁傳感器 ——Oculus 研究部門的成員在 2015 年開發過一種電磁傳感器系統，通過安裝在用戶指尖的電磁體和四個磁力計來跟蹤指尖運動，人們就可以在 VR 遊戲途中停下來，用指尖選擇彈鋼琴或畫畫。

但它們都有着相同的弊端：要不就是設備太大太笨重了，要不就是需要高性能 PC 支持、反應滞後，大部分都無法商用。

近年來，随着 AR／VR 等領域的發展，設備舒适度和視覺逼真度方面都在升級，研究人員一直在開發比手持控制器更自然的方案，因此手部跟蹤技術也更新換代極快。

這種進步主要體現在兩個方面：一是跟蹤手指運動的準确性提升，二是設備尺寸減小及重量減輕。

前者譬如索尼在今年 5 月份發布了 「可高精度追蹤手指運動的下一代 VR 遊戲控制器」原型，這個握柄根據電極感應來确定手指運動，已經能跟蹤到手指的細微動作了，可以做出握拳、彎曲手指，上能比「耶」，下能比「666」，11 種姿勢任君挑選。

研究模拟中，玩家可以用手拿起虛拟空間的積木，并一個個搭建起來，隻是手指姿勢識别依然有限，很多人無法比出的下面這個手勢，這個設備也無法識别：

後者譬如今年 2 月份，華盛頓大學的研究人員開發出一個名為 AuraRing 的戒指，它利用新型的電磁跟蹤系統，能夠進行高分辨率的光學跟蹤，人們隻需要在食指套一個 3D 打印的電線線圈，加上遍布傳感器的腕帶，手指就能在虛拟世界書寫、敲擊、輕拂、擠壓物體等。

輕是輕，小是小，但它的問題就在于，戒指是腕帶感應能力的擴展，要在虛拟世界全盤操作，恐怕得戴滿整隻手才行。

而在 VR 市場，作為代表的索尼、Oculus、HTC 三家廠商中，Oculus 在頭戴式設備 Oculus Quest 上也使用到「手勢追蹤」的新技術，它甩别家幾條街的地方就在于，可以完全不用任何實物就實現手部跟蹤。

玩家戴上頭盔，雙手就會映射進虛拟空間，然後你就可以用雙手在裡面做你能做的任何事。

這都是基于 Oculus Quest 頂上那 4 顆外置攝像頭。它不僅能掃描周邊空間，确認玩家所處的位置，還能在你望向手指操作時，細化分析每根手指的運動，并延伸到虛拟世界中。

Oculus Quest 已經做到了脫離手機和電腦的一體式設計，再加上手部跟蹤技術，就能更讓玩家沉浸感更強，它還可能作為 Facebook AR 頭戴設備的開端，将真實世界的物體帶入 VR 世界。

不過也因為計算機視覺和定位技術的局限，Oculus Quest 的手勢應用在實際中還是會受到一些限制。

回過頭看，FingerTrak 的設計雖然要帶「手環」，但是最大的優勢就在于「手環」輕便、小巧、可自由移動。

研究團隊表示通過進一步的工程設計，它的尺寸還能變得更小。

總而言之，手部跟蹤要在虛拟世界變得自然無形，必然還有一定距離，但這個距離并不遠。

紮克伯格堅信，VR 和 AR 會在 10 年内，成為繼移動設備之後的下一代主要計算平台，直接改變我們的工作與生活。

調研機構 Gartner 也指出，在 5G 和 AI 的驅動下，從現在到 2028 年，VR 和 AR 将讓用戶體驗将在兩個方面發生巨大變化 —— 用戶對于數字世界的感知，和用戶與數字世界的交互方式。

這意味着我們與數字世界的交互不再隻局限于二維屏幕，而是在 VR 和 AR 中充分發揮人類完整的能力，讓數字和現實完全無縫融合。

Oculus 首席科學家 Michael Abrash 在 2020 年計算機視覺和模式識别大會指出：

未來的 VR 頭顯能夠實現 200 度視場，視網膜分辨率，可變焦距，逼真音頻，而 AR 眼鏡則是「超級時尚」，完全可以取代智能手機，并賦予佩戴者感知超能力。

這也需要同等水平的技術升級，包括光學系統、界面、觸覺、虛拟化身、人體工學等，而手部跟蹤，就是其中至關重要的一環。

▲ 圖片來自：Project Soli

當然，對我們來說，最理想的情況，是根本不需要特定方式來跟蹤手部。

不過 VR 和 AR 就像一塊嶄新而巨大的拼圖，所有可能性都攤落在這片未來的藍圖之中。

人人都知道新面貌終将面世，但在這之前，我們還得繼續尋找答案，我們也正努力填充答案。

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