探讨影响虚拟现实博物馆系统的视觉不舒适度因素及减缓方法
2018-02-15王新悦聂光宇刘越
王新悦,聂光宇,刘越
(北京理工大学 光电信息技术与颜色工程研究所,北京100081)
1 引言
虚拟现实(Virtual Reality,VR)的核心为计算机技术,生成在视觉、听觉、触觉等方面产生与真实环境近似的数字环境。虚拟现实的典型特征为“4I”,即沉浸感(Immersion)、交互性(Interaction)、构想性(Imagination)、智能性(Intelligence)[1]。由于这些特征具有其他传统设备不具备的优点,因此在近几年受到越来越多的重视与快速发展。而头盔显示器(HMD)的产生,如HTC VIVE、Oculus等理论上作为理想的个体用户虚拟现实使用设备,具有高渲染质量、低价格、使用代码开源等特点,在虚拟现实市场上得到广泛应用[2]。但是大量体验者在使用HMD后都产生不适感,这些症状主要表现为头痛、恶心、头晕、眼睛疲劳等,被称为虚拟现实晕动症[3]。本文探讨了漫游虚拟博物馆的过程中产生的视觉不舒适度因素,分析了产生这些症状的原因,并针对引起这些症状的因素设计了对视场进行动态模糊和减小引起视觉感知冲突的渲染系统,实验表明,该系统可以大幅减轻虚拟现实博物馆体验的不舒适度。
2 相关工作
2.1 由视觉引起晕动症的产生原因
用户在使用头部控制的虚拟现实系统后产生的晕动病称为虚拟现实晕动症,用户在自身不动的情况下观察动态场景,会产生强烈的运动错觉[3]。感知冲突理论认为,人的不同感知器官如果对外部的环境刺激产生的感知不同,就很容易产生晕动症,在虚拟现实晕动症中,视觉与前庭的冲突最为明显[5]。姿态稳定理论认为,晕动病是由于身体或某个部位姿势控制不稳定造成的,失去稳定性通常与失去控制感有关,例如跌倒[4]。
2.2 由视觉引起的晕动症的解决方法
目前,研究者针对如何减缓基于视觉引起的晕动症进行了大量研究。Robert S.Kennedy等人研究表明晕动症会因为反复暴露而消退[8]。Rizzo Sierra等认为,电偶前庭刺激(GVS)可以改善晕动症和空间适应综合症[9]。Cha等人指出,重复的经颅磁刺激可以减少晕动症[10]。此外,氯苯甲嗪、茶苯海明联肉桂苯哌嗪、异丙嗪联D-苯丙胺可以改善晕动症[11]。Mark等人提出在汽车驾驶中减少加速度可以减小晕动症[12]。Stoffregen等人发现被试姿势的稳定性可以影响晕动症的发病率。Duh等人提出独立视觉背景(IVB)可以减轻视觉和惯性产生的矛盾[16]。此外研究显示,降低视场角(FOV)可以有效的减缓晕动症[15]。
2.3 知觉感知
(1)模糊的知觉感知
在立体显示中,模糊与双眼视差共同完成感知物体大小、深度等信息的任务。添加基于景深的模糊梯度和周围模糊可以改善单显示屏的游戏质量和真实感,基于景深的模糊可以减少单眼区域竞争,因此可以在不影响虚拟现实质量的情况下减少视觉不舒适度。模糊可以通过屏蔽高频空间数据,缓解融合立体内容以此缓解立体显示中的朝向适应矛盾,提高观看舒适度。
(2)景深的知觉感知
焦点暗示包括模糊和方向适应,这个方法可以减少视觉疲劳,进而提高三维体验的质量。改善立体显示中关注内容的焦点可以减少由朝向适应矛盾造成的压力,进而减少视觉疲劳和不适。而且添加模糊(甚至是模糊程度很大的情况下)并不会影响被试对虚拟环境的距离与速度的感知[18]。
3 系统原理
用户头戴头盔显示器在虚拟现实场景中漫游时,大约86%的固定时间和82%的关注时间都在屏幕的中心[17],所以用户的头部朝向即可定义为用户的眼睛关注方向,但是由于头盔的分辨率偏低,像素间的角距离比真实角距离大,因此不能认为屏幕中心的对象就是双眼实际关注的焦点。Carnegie K等人提出采取透射多条射线求取平均值[2]的方法计算焦点位置,与之不用,本系统投射13条射线,屏幕中心一条,剩下12条以规则小角度环绕着中心射线进行投射,然后求取13条射线去掉离群值的平均值作为焦点的距离。被试旋转或者加速行走时,对视场进行模糊处理,模糊处理采用N×N高斯核进行卷积滤波。为了减少计算量,将二维高斯函数拆分成两个一维高斯函数,在shader中调用两个pass,第一个pass采用水平方向的一维高斯核对图像进行滤波,第二个pass采用竖直方向的高斯核对图像进行滤波。如图2(c)所示,针对场景二,由于每个展台的尺寸为1×1m2,展台之间的距离为2m,所以以焦点物体景深加减4为最大阈值,阈值内图像清晰,阈值外图像进行模糊处理,并且以焦点中心为圆心,以简单辐射状模式将FOV减小20%。
4 实验一
实验一的目的是让被试熟悉手柄操作。
4.1 被试
实验随机挑选了身体健康的四名男性和四名女性参与实验,被试的年龄在18-32岁之间。所有人都有正常的视力或者矫正视力,并且均符合以下标准:没有视觉疾病,没有影响身体平衡或者姿势控制的神经系统疾病,没有前庭功能障碍。
4.2 实验材料
被试基本信息表:
基本信息表用于调查收集实被试的基本信息及相关病史,即有无晕动症历史,有无视觉疾病,有无前庭功能障碍。
4.3 实验设备
如图1(a)所示,被试通过头戴HTC VIVE的六自由度跟踪定位的VR头戴式显示器(HMD)并操纵手柄实现在虚拟现实场景中漫游。实验场景由unity3d引擎搭建,版本为2017.1。
(a)被试手持设备手柄,头戴头盔显示器端坐于计算机屏幕前,座椅为无靠背座椅
(b)实际实验场景中目标点的位置示意图
(c)实验一的场景图1
4.4 实验场景设计
场景中有六个展柜(图1(c)),位置如图1(b)所示,每个展柜上分别有一个被标记为1到6的标签。
4.5 实验过程
实验前,被试先填写基本信息表,如果被试存在相关病史,则不能参与实验,实验中,被试被要求保持静止姿势,目视前方,头戴头盔显示器并通过控制手柄进行行走和转弯,按照标记的数字顺序拾取并销毁当前展台。左手Pad键的上、下、左、右键分别控制前、后、左、右移动,右手Pad键的左、右键分别控制左、右旋转,当手柄触碰到方块,按Trigger键将其销毁。被试在场景中的移动速度为2m/s,转动速度为30°/s,均为匀速运动。
5 实验二
实验二的目的是评估该系统在减缓虚拟现实博物馆场景中由视觉引起的不舒适度方面的表现。
5.1 被试
进行过实验一的八位被试需要继续进行实验二。
5.2 实验材料
模拟器症状调查问卷:
模拟器症状调查问卷(Simulator Sickness Questionnaire,SSQ)[19]被广泛应用于虚拟现实系统的评估,问卷包括浑身不适、疲劳、头痛、视疲劳、难以集中注意力等十六项指标,总结为眼部不适程度(Oculomotor)、方向迷失程度(Disorientation)和恶心程度(Nausea)等三大类。症状严重程度(即SSQ总分)可以根据每个类别的分数加权求和得到,得分越高则症状的程度越高。
5.3 实验设备
本次实验用到的实验设备与实验一相同。
5.4 实验场景设计
如图2所示,对比实验为两个场景,均为圆形博物馆场馆,场馆中摆放着间隔2m,尺寸为1×1×1m3的25个展台,场馆墙体和展台为黑白竖条纹不反光漆质材料,条纹宽度0.1m,如图2(a)所示,每个展台上有一个标签,标签上显示简单且不同的四则运算,如“3+3+3”,为了避免被试站在一个方向可以总览全部标签,标签的朝向随机摆放。地板为打蜡木质材料地板。手柄上会显示不同的文物模型,如面具、青铜食器、摆件等。每个文物下也有一个标签且也有简单四则运算。两个场景的区别为场景一的图像清晰不模糊(图2(b));场景二为应用该模糊系统的场景(图2(c))。同时为了防止被试二次实验时对场景的标签与位置有记忆,将两个场景标签上的数字运算题进行随机改动。
(a)根据展柜的标签和手柄上的标签,将文物放在合适的位置
(b)条纹清晰场景
(c)条纹背景模糊场景图2 实验二的实验场景
5.5 实验过程
实验分为对照组(场景一)和实验组(场景二),每位被试均需要在两天的同一时间分别完成两组实验。被试初始位置均位于场馆门口并背对展台,头戴头盔显示器通过控制手柄在虚拟场景中漫游,按Trigger键在虚拟手柄上显示文物,按Grip键放置文物。只有当文物标签上面的数字运算结果与展台上面数字结果相同,按Grip键有效,否则无效。当手柄上没有文物时,按Trigger键继续出现新的文物,以此循环,被试的任务是正确放置10件文物模型。在实验开始之前,被试先填写SSQ问卷,若SSQ问卷总分大于10,则需要让被试休息至少5分钟,待状态稳定后再次填写SSQ问卷,若问卷得分仍不理想(大于10),则需要更改实验日期。实验中,每位被试被随机分配实验场景,被试需要端坐于没有靠背的座椅上,并保持上身挺直,目视前方,实验过程中通过HTC VIVE眼镜系统基站的Lighthouse定位系统跟踪被试佩戴头盔的六个自由度(即头盔的世界坐标位置X,Y,Z以及相对于基站的X,Y,Z坐标轴的旋转角度)并记录被试2次/秒的头部位置及角度坐标。实验中若被试明显感到非常不适,则立刻终止实验,不论完成与否均需要在每次实验结束后再进行一次填写SSQ问卷。
6 结果
实验中,共有8位被试参与并完成了对比实验,并对两次实验下每位被试的数据进行了收集,包括SSQ得分和头部运动数据。图3显示了对照组和实验组中每个被试的SSQ得分情况,如图所示,在应用该系统后,恶心程度、眼部不适程度、方向迷失程度、症状严重程度明显降低。表1为对照组和实验组中,对每个被试的SSQ问卷中的以上四个方面进行配对T-检验法的展示表,图4显示了对照组和实验组中每位被试的头部运动情况,通过比较发现,应用该系统后被试的头部运动幅度明显减小。
7 分析
据表1所示,针对该系统的减缓晕动症的效果,本研究使用配对T-检验法对同一组被试在不同时间参加的两次实验(对照组和实验组)关于晕动症SSQ问卷在恶心程度、眼部不适程度、方向迷失程度、症状严重程度等四个方面的测试结果的综合均值之间是否存在显著统计差异进行了分析。分析结果表明,这一组被试在不同时间进行对比实验的关于晕动症SSQ问卷在以上四个方面的评分综合值之间存在显著统计差异。对于恶心程度,t=5.057,df=7,p=0.001,对于眼部不适程度,t=4.333,df=7,p=0.003,对于迷失方向程度,t=4.583,df=7,p=0.003,对于症状严重程度,t=5.199,df=7,p=0.001,因为p值均小于0.05,所以对于这一组被试,应用该系统后的舒适度明显提升。所以,该系统能有效地减缓晕动症,从而减小在虚拟博物馆中漫游时产生的不适感。
(b)为眼部不适程度(O)的值
(c)为方向迷失程度(D)的值
(d)为症状严重程度(TS)的值图3 被试在实验组和对照组中的SSQ得分情况注:1-8分别为每个被试的编号。
(a)对照组中被试的头部运动情况
(b)实验组中被试的头部运动情况图4 实验中的被试的头部运动情况
变量均值标准差tdfp恶心程度5.05770.001对照组52.4727.46实验组15.5010.12眼部不适程度4.33370.003对照组31.2627.61实验组18.9520.25方向迷失程度4.58370.003对照组80.0446.91实验组27.8419.68症状严重程度5.19970.001对照组31.1317.94实验组11.608.33
根据图3、图4观察可知,两种实验场景都会引发不舒适感。根据感知冲突理论,被试在场景中漫游而身体处于静止,容易引起视觉与前庭冲突并引发晕动症。人眼的视网膜分为两个区域,中心区域用来感知和识别物体,但是不能感知物体的运动和相对位置情况,而周围区域可以感知物体的运动和位置信息,实验中,被试将全部注意力都集中在展台和文物,视网膜中心区域可以对展台上的标签和文物进行快速识别并对放置位置进行准确判断,视网膜中心区域的物体识别只针对显著性物体而不针对背景,当被试在场景中移动时,竖直条纹容易被视网膜周围区域感知,并引起运动错觉,从而引起视觉与前庭感知冲突,导致晕动症。而当被试者产生较为强烈的不舒适感时会加剧身体及头部的运动,根据姿态稳定理论,晕动病与身体或某个部位姿势控制不稳定有很大的关系,身体与头部的运动更容易失去稳定性从而失去控制感,即晕动症引起姿态不稳,姿态不稳又反作用于晕动症,从而加剧症状。而通过添加动态模糊,改变用户视场,视网膜由需要感知屏幕中的全部场景信息减少到只需要感知当前关注的部分场景信息,视网膜周围区域对物体的运动与位置信息的感知度减少,降低方向适应冲突,从而可以在一定程度上减轻晕动症的症状。
8 结束语
本文分析了在虚拟现实博物馆中漫游时,引起被试不适的主要症状,分析了晕动症产生的原理,提出了动态模糊改变用户视场来减少引起视觉感知冲突的渲染系统,并通过实验证明了该系统可以改善用户在虚拟现实博物馆漫游的舒适度。该渲染系统通过添加景深和视场模糊的场景,有效地减轻了用户的不舒适程度,而且并没有对其完成任务与体验感造成太大影响。但是本次实验选取的实验人数较少,在进一步的实验中会增加实验人数对该系统及实验结果进行充分的论证。