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──他戴著一個碩大的頭戴裝置、兩手握著厚重的控制器，手臂在空氣中張牙舞爪。虛擬遊戲中，他的手緊握手把，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，我們就不用握手把了。虛擬世界中的手，也將恢復自由。
來自康乃爾大學和威斯康辛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《ACM 互動，行動，可穿戴和普及技術期刊》上。
它的面世，意味著可穿戴感測器技術又迎來了新突破。
一個能讀懂你手的「圈」
近年來，精準的手指運動追蹤，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，都有著無數種可能。
FingerTrak 的最大特色，就是用了一種新技術，來準確預測每根手指的位置——熱感測器追蹤。
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 4 個熱像儀。
（Source：影片截圖，下同）
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解析度的紅外線鏡頭，指向手指的一面。雖然解析度較低，只有 32×24 像素，但它們能夠精準地追蹤佩戴者手的運動。
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隨著指尖移動不斷變化。
再透過系統中專門設計的深度神經網路（DNN），就能準確地根據手腕輪廓，預測 20 個手指關節的位置。最後，將各個輪廓的圖像連結在一起，就能以 3D 方式重構整隻手。
接著，重構的手勢訊息就能在虛擬模型甚至是機器人的手上再現。
在研究人員的測試中，裝置能夠準確地仿生人類動作。
學會翻書：
拿筆寫字：
拿杯子喝水：
玩手機：
熱感測器追蹤的新方式，極大改善了手部動作的辨識能力。
因為裝置不再是透過鏡頭直接捕捉手指位置，而是結合熱成像和機器學習技術來「隱形」獲取。鏡頭拍不到的地方、檢測不到的細微運動，將都可以被「看到」。
這也是第一個基於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，研究結果表明辨識角度誤差為 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追蹤，但是至少實現了一種更好的手指追蹤解決方案。
玩 VR 不用手把了，但不止於此
研究中的 FingerTrak 原型，是連接 Raspberry Pi 進行的運作。但研究人員表示，未來升級的版本將可以與智慧手機連接，與 VR 眼鏡連接，甚至可以無線連接。
連上之後，你戴著手環就可以玩 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 將能像智慧手錶一般，監測我們的健康狀況，但比智慧手錶厲害的地方在於，只要你動動手，它就能傳達你的身體狀態好壞。
這對於老年人尤其受用，特別是透過老年人日常生活如何使用雙手，進而監測帕金森氏症和阿茲海默症等疾病的早期徵兆。
在人機互動方面，你還能透過 FingerTrak 介入，讓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，不是需要用戶戴手套，就是需要使用到相機，這兩者體驗都比較麻煩，而 FingerTrak 將能讓手語翻譯變得直接、快速、人性化。
但是，FingerTrak 現在仍處於早期的研究階段，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，替代裝置中的手把控制器，首先就得考慮精準度問題，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，所以精準度和現實稍有偏失，虛擬世界中的真實體驗就會錯亂。
不過，研究人員表示該裝置採用的組件價格都很實惠，而且數據已經能達到相當高的準確度，這是未來商業化前值得慶幸的一件事。
虛擬實境仍處於起步階段，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 預計將在今年 9 月中旬的 ACM 普及計算國際會議上發布。
我們離理想的手部追蹤還有多遠？
如果只是監測整隻手，其實智慧手錶就可以了。
我們生活中常見的可穿戴裝置，使用陀螺儀和加速計等感測器就能監測手部運動，比如抬起手腕，螢幕就會自動點亮等。
但是，未來要在虛擬世界逼近真實體驗，必須得檢測到每根手指的運動，智慧手錶的監測還做不到。
▲ Google Project Soli 計畫，一種基於雷達的手勢辨識技術。（Source：影片截圖）
手指是表達人類感情的重要一環。手部追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。
比如深度感應鏡頭或紅外感測器──普渡大學的科學家就利用深度感應鏡頭來捕獲手部動作，利用深度學習網路來了解數百萬種手勢，然後將它們在虛擬世界中準確顯示。
（Source：影片截圖）
有人還使用運動感應手套──加州大學洛杉磯分校（UCLA）的研究人員公布了一種手套式裝置，透過機器學習輔助的可伸縮感測器陣列，能夠將手語轉換為語音對話，並在手機上播放。
（Source：影片截圖）
甚至還有使用電磁感測器──Oculus 研究部門的成員在 2015 年開發過一種電磁感測器系統，透過安裝在用戶指尖的電磁體和 4 個磁力計來追蹤指尖運動，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。
（Source：影片截圖）
但它們都有相同的弊端：要不就是裝置太大太笨重了，要不就是需要高性能 PC 支援、反應滯後，大部分都無法商用。
近年來，隨著 AR / VR 等領域的發展，裝置舒適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，因此手部追蹤技術也更新換代極快。
這種進步主要體現在兩個方面：一是追蹤手指運動的準確性提升，二是裝置尺寸減小及重量減輕。
前者譬如 Sony 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確定手指運動，已經能追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。
（Source：影片截圖）
研究模擬中，玩家可以用手拿起虛擬空間的積木，並一個個搭建起來，只是手指姿勢辨識依然有限。
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，它利用新型的電磁追蹤系統，能夠進行高解析度的光學追蹤，人們只需要在食指套一個 3D 列印的電線線圈，加上遍布感測器的腕帶，手指就能在虛擬世界書寫、敲擊、輕拂、擠壓物體等。
（Source：影片截圖）
輕是輕，小是小，但它的問題就在於，戒指是腕帶感應能力的擴展，要在虛擬世界全盤操作，恐怕得戴滿整隻手才行。
而在 VR 市場，做為代表的 Sony、Oculus、HTC 三家廠商中，Oculus 在頭戴式裝置 Oculus Quest 上也使用到「手勢追蹤」的新技術，它甩開別家廠商的優勢就在於，可以完全不用任何實物就實現手部追蹤。
玩家戴上頭盔，雙手就會映射進虛擬空間，然後你就可以用雙手在裡面做你能做的任何事。
（Source：影片截圖）
這都是基於 Oculus Quest 頂上那 4 顆外置鏡頭，它不僅能掃描周邊空間，確認玩家所處的位置，還能在你望向手指操作時，細化分析每根手指的運動，並延伸到虛擬世界中。
Oculus Quest 已經做到了脫離手機和電腦的一體式設計，再加上手部追蹤技術，就能更讓玩家沉浸感更強，它還可能做為 Facebook AR 頭戴裝置的開端，將真實世界的物體帶入 VR 世界。
不過也因為電腦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於「手環」輕便、小巧、可自由移動。
研究團隊表示，透過進一步的工程設計，它的尺寸還能變得更小。
總而言之，手部追蹤要在虛擬世界變得自然無形，必然還有一定距離，但這個距離並不遠。
祖克柏堅信，VR 和 AR 會在 10 年內成為繼行動裝置之後的下一代主要電腦平台，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 將讓用戶體驗將在兩個方面發生巨大變化──用戶對於數位世界的感知，和用戶與數位世界的互動方式。
這意味著我們與數位世界的互動不再只局限於二維螢幕，而是在 VR 和 AR 中充分發揮人類完整的能力，讓數位和現實完全無縫融合。
Oculus 首席科學家 Michael Abrash 在 2020 年電腦視覺和模式辨識大會指出：
未來的 VR 頭顯能夠實現 200 度視場，視網膜解析度，可變焦距，逼真音頻，而 AR 眼鏡則是「超級時尚」，完全可以取代智慧手機，並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、介面、觸覺、虛擬化身、人體工學等，而手部追蹤，就是其中至關重要的一環。
（Source：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追蹤手部。
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將面世，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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