基于CAVE的虛擬現實關鍵技術研究

王慶月

摘 要： 虛擬現實技術發展迅速，已廣泛應用于諸多領域，傳統CAVE系統由于占地面積大、成本高、裝調困難，難以推廣和普及。因此，便攜式CAVE系統的研究與開發對虛擬現實技術的普及與發展具有重要意義。針對此現狀，根據便攜式CAVE系統的特點，設計了目視光學系統，研究了投影圖像的畸變矯正和隨機點立體圖的生成算法，搭建了基于目視光學系統調節的近距立體顯示系統。設計并實施視覺舒適度的主觀評估實驗，探究近距顯示引起的視疲勞程度與視差大小的關系，對基于目視光學系統調節的立體顯示系統的視覺舒適度進行評估。該研究為便攜式CAVE系統的研究提供了參考依據，對虛擬現實技術的發展和立體視覺舒適度的研究具有一定的實際意義。

關鍵詞： 虛擬現實； 雙目視差； 近距顯示； 視覺舒適度

中圖分類號： TN27?34； TM417 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）01?0140?05

Abstract： The virtual reality technology developed rapidly， and has been widely used in many fields， but the traditional CAVE system is difficult to promote and popularize due to the large floor space， high cost and difficult installation and adjustment， therefore， the research and development of the portable CAVE system has great significance to the popularization and development of the virtual reality technology. According to the features of the portable CAVE system， the visual optical system was designed， the distortion correction of the projected image and random dot stereogram generation algorithm are studied， and the close range stereoscopic display system based on visual optical system adjustment was built. The subjective evaluation experiment of the visual comfort degree was designed and implemented to explore the relationship between the visual fatigue degree and parallax caused by the close range display. The visual comfort degree of the stereoscopic display system based on visual optical system was assessed. This technology provides a reference foundation for the study of the portable CAVE system， and has a certain practical significance to the development of the virtual reality technology and the study of the stereoscopic visual comfort degree.

Keywords： virtual reality； binocular disparity； close range display； visual comfort degree

0 引 言

近年來，虛擬現實技術發展迅速，已經被廣泛應用于軍事訓練、醫學實習、娛樂游戲等諸多領域。傳統的虛擬現實顯示系統雖然技術成熟，但存在一些弊端，因此便攜式CAVE系統的概念應運而生。本文搭建了近距立體顯示原型系統，通過主觀實驗，探究了便攜式CAVE系統中雙目視差的感知深度和單眼聚焦感知深度的差異，以及用戶可接受的視覺舒適范圍，對基于目視光學系統調節的立體顯示系統的視覺舒適度進行評估。

1 立體視覺舒適度的評估方法

1.1 刺激方法的選擇

為了避免視差的時間積累效應，實驗采用雙刺激連續分級法。為控制實驗過程中產生的習慣誤差，不同視差的立體圖按照隨機序列交替呈現，且各視差出現的次數相等，整個序列中在前在后的機會相等。

實驗的具體刺激方法是：將波紋中心在零視差處的刺激物記為基準圖波紋中心在其他位置的刺激物記為待評估圖每次施測依次顯示三個刺激物，其順序為或者其目的是強迫用戶改變雙眼的輻輳角度。每個刺激物顯示1.5 s，三個刺激物共顯示4.5 s，不同視差的待評估圖像隨機出現。被試者要獨立地進行觀測，選出其中一個與其他兩個波動方向不同的刺激物，并對該過程的視覺舒適度進行主觀評分。同一組圖像需隨機顯示兩次以便對評分結果進行一致性檢查。

1.2 反應指標的選擇

反應指標的選擇應依據以下原則：

（1） 無害性。所選取的反應指標不應對被試者產生身體傷害，同時不能對被試者產生負面心理影響，阻礙實驗的繼續進行。

（2） 無干擾性。所選取的反應指標在測量過程中不能干擾被試者正常觀看圖像。

（3） 敏感性。所選反應指標應該能夠有效地反應出視覺舒適度和視覺疲勞程度。

根據分析，實驗主要采用主觀評估方法對視覺舒適度進行研究。主觀評價方法更適用于對視覺舒適度進行綜合評價。舒適度的主觀評價方法[1]主要是讓被試者在觀看立體圖像前后根據自身的視覺狀況填寫問卷，并對問卷的結果進行統計分析。

1.3 主觀量表設計方法

主觀量是指用戶對客觀刺激產生的主觀度量，又稱心理量[2]。在視覺實驗中，主觀評估方法需對被試者心理量進行測量。主觀實驗中的心理度量表主要包括：強迫選擇度量表、圖示度量表和數值度量表。

（1） 強迫選擇度量表。強迫選擇度量表是在主觀評估實驗時主試者提供一些對立相反的詞語讓被試者做出選擇。強迫選擇度量表可以避免被試者受到他人的影響，但可能會使被試者產生抵觸情緒，因為大多數人不愿意讓自己處于兩難選擇的境地。

（2） 圖示度量表。圖示度量表好比一個溫度計，通常用一條直線表示，直線兩端具有相反程度的詞語。這條直線可以是水平的，也可以是垂直的。實驗中被試者需在直線上做標記，實驗后主試者用標尺對標記進行度量，將它轉換成數字并進行統計。圖示度量表的數據統計工作較為復雜和繁瑣，本文實驗的數據量巨大，因此圖示度量表并不適用。

（3） 數值度量表。在數值度量表中，被試者根據事先定義的數字等級進行評定，一般為7級評分或5級評分。在視覺舒適度研究中，可設計度量表如下：非常舒適、舒適、一般、不舒適、非常不舒適。設定等級分值時可以考慮“非常不舒適”為-2分，“不舒適”為-1分，“一般”為0分，“舒適”為1分，“非常舒適”為2分；也可以考慮“非常不舒適”為1分，“不舒適”為2分，“一般”為3分，“舒適”為4分，“非常舒適”為5分。通常情況下不管哪種處理和分析得到的結果是等效的。

本文實驗為了使被試者容易理解，考慮一般人的思維模式，將數值度量表等級設計為：“非常舒適”為1分，“舒適”為2分，“一般”為3分，“不舒適”為4分，“極不舒適”為5分。舒適度量表如表1所示。

2 近距立體顯示實驗系統

2.1 目視光學系統

在便攜式CAVE系統中，需要利用目視光學系統調節用戶眼睛的調節距離，使人眼不再聚焦于屏幕上。本文實驗的目的是研究經過目視光學系統調節后的單眼調節距離和雙眼輻輳距離的差異對用戶視覺舒適度的影響。實驗中需通過改變目視光學系統的屈光度來改變被試者單眼的調節距離。考慮到人眼作為自然界的最高級光學接收系統，具有極強的自我適應和調節能力，因此，本系統選用單片式目鏡即可滿足基本的成像要求。

2.2 隨機點立體圖的生成

隨機點立體圖像對的生成算法如下：

設基面為視差面為

（1） 將基面沿縱方向均分成塊，左邊第一塊區域為原始區，其余各塊區域均為重復區域。重復間距為d必須小于瞳距。

（2） 在原始區內畫一個隨機點

（3） 令得到一新的點如果點在面內，則令如果點不在面內，則令然后在處畫出這個新點。

（4） 重復上述步驟（2）、步驟（3），直到圖面上布滿適當密度的隨機點為止。

2.3 投影圖像的畸變矯正

本系統應采用側投影的方式，在這種情況下投影圖像會產生畸變，應進行投影圖像的畸變矯正。進行投影圖像的畸變矯正的模型是將真實投影機的投影圖像變換為虛擬投影機的投影圖像，從而恢復原始圖像[5]。其基本過程是：根據透視變換原理，先計算出投影機圖像平面到投影平面的單映矩陣，再將投影機圖像平面上的所有像素點乘以這個單映矩陣后進行顯示，那么屏幕上獲得的圖像就是校正后的圖像。

3 近距立體顯示系統的舒適度評估實驗

3.1 實驗目的及原理

本實驗的主要目的是研究基于目視光學系統調節的近距立體顯示系統中單眼感知深度（調節距離）和雙眼感知深度（輻輳距離）[5]的差異對用戶視覺舒適度的影響。

由式（8）可知，當眼睛到屏幕的距離和瞳距一定時，通過改變立體圖像對的水平視差可以改變被試者的雙眼感知深度（輻輳距離）。

3.2 被試者篩選及培訓

篩選工具：數字化立體視覺檢查圖（立體視覺檢查卡、立體視銳度檢查卡）、瞳距測量尺。

本實驗被試者的篩選流程如下：

第一步：詢問被試者眼部的健康狀況、有無色盲、是否做過眼部手術、是否有眼部病史，如結膜炎、眼眶骨折等，篩選出眼睛健康且無病史的被試者。

第二步：進行立體視覺測試，檢查被試者的雙目立體視覺是否正常，排除立體盲。

第三步：對立體視覺正常的被試者進行立體視銳度測試，篩選出立體視銳度小于60 arcmin的被試者。

第四步：對被試者的年齡、性別、視力、瞳距、有無主觀實驗經驗、是否從事立體視覺相關工作等基本信息進行記錄[6]。

為了避免被試者由于不熟悉實驗流程和操作過程而影響實驗結果的準確性，實驗前需對被試者進行相關培訓和模擬練習。

首先，采用無偏向性的語氣向被試者講解實驗目的、評價類型、評價等級和時間限制等內容，使被試者正確透徹地理解評判標準，并向被試者展示舒適度明顯不同的若干立體圖像示例。

然后，讓被試者進行模擬練習，模擬練習的內容與正式的實驗過程類似。被試者連續觀看三組立體圖像后，用選擇器輸入差異圖像的編號并對該組立體圖像引起的視疲勞程度進行評分，練習時間為3 min。

培訓完成后，被試者即可進行正式的主觀視覺舒適度評價實驗。

3.3 實驗過程

實驗1：探究近距顯示引起的視覺疲勞與視差的關系

被試者佩戴屈光度為0的目視光學系統，在距離屏幕0.6 m的位置觀察隨機出現的立體圖像，并進行視覺任務測試和主觀舒適度評分。實驗1設定刺激物的中心到被試者的距離（輻輳距離）分別為0.79 m，0.94 m，1.15 m，1.50 m，2.14 m，3.75 m，且隨機出現。調節距離為0.6 m。

實驗1共進行36組小測試。每組測試會連續出現3幅立體圖像，被試者雙眼融像[7]后，可看到立體圖像出現正弦波紋的效果，被試者需選出一個與其他兩個正弦波動方向不同的立體圖像，利用選擇器將它的編號輸入到主機系統中。然后對該組小測試產生的視覺疲勞癥狀進行主觀評分。

時間安排及流程：三種位置（1，2，3）×6種輻輳距離（0.79 m，0.94 m，1.15 m，1.50 m，2.14 m，3.75 m）×2種顯示序列（B?Xi?B或Xi?B?Xi）=36次施測，每次施測時間為1 min×36次=36 min。

實驗2：探究基于目視光學系統調節的立體視覺舒適度

被試者隨機佩戴屈光度分別為的目視光學系統，在距離屏幕0.6 m的位置依次進行3個亞組的實驗，實驗2中設定刺激物的中心到被試者的距離（輻輳距離）分別為0.79 m，0.94 m，1.15 m，1.50 m，2.14 m，且隨機出現。人眼的調節距離分別為1.09 m，1.50 m，2.40 m。

實驗2中每個亞組各進行30組小測試。每組測試會連續出現3幅立體圖像，被試者雙眼融像后，可以看到立體圖像出現正弦波紋的效果，被試者需選出一個與其他兩個正弦波動方向不同的立體圖像，利用選擇器將它的編號輸入主機中，然后對該組小測試產生的視覺疲勞癥狀進行主觀評分。

時間安排及流程：3種透鏡度數×3種位置（1，2，3）×5種輻輳距離（0.79 m，0.94 m，1.15 m，1.50 m，2.14 m）×2種顯示序列（B?Xi?B或Xi?B?Xi）=90次施測，每次施測調節時間為1 min×90+15 min間隔休息×2=120 min。

3.4 實驗結果分析

（1） 近距顯示引起的視覺疲勞與視差絕對值[8]呈正相關

將實驗1中24個被試者的舒適度主觀評分根據不同的輻輳距離進行均值統計。當視差取絕對值時，視差絕對值和視覺舒適度主觀評分值經過線性擬合后得到兩者的關系模型為：

視差絕對值和視覺舒適度主觀評分值的線性相關度為具體見圖2。實驗結果表明，視覺舒適度的主觀評分與視差值呈線性關系，也就是說，對于近距立體顯示單眼聚焦和雙眼輻輳的不一致性所引起的視覺疲勞與立體視差值成正比關系。單眼聚焦和雙眼輻輳的差異越大，產生的視疲勞程度越大，這個結果與大部分研究結果相一致。

（2） 主觀舒適度與理論值的符合度基本一致

將實驗2中24個被試者的視覺舒適度主觀評分根據不同的輻輳距離和調節距離進行均值統計，并將每個亞組的理論舒適度和實驗獲得的主觀舒適度進行比較。

目視光學系統的屈光度為0.75D，1.00D，1.25D的實驗結果，如圖3～圖5所示。

實驗結果表明，當調節距離一定時，分別為1.09 m，1.5 m，2.4 m，由輻輳距離的改變引起的視疲勞癥狀與理論計算得到的結果在總趨勢上大體一致。在基于目視光學系統調節的立體顯示系統中，輻輳距離越小，符合度越好。在相同視差條件下，經過目視光學系統調節后產生更大的不適感。

（3） 視差舒適度曲線

將實驗2中三個亞組的所有情況的視差值與主觀舒適度評分進行綜合統計，繪制舒適度曲線如圖6所示。

實驗結果表明，基于目視光學系統調節的立體顯示系統中，視差絕對值越小，視覺舒適度越高。在同等視差條件下，非交叉視差的舒適度優于交叉視差。與傳統立體顯示設備相比，舒適視域向非交叉視差方向偏移。

4 結 論

本文在充分了解雙目立體視覺原理、視差型立體顯示技術原理、立體顯示引起視覺疲勞的根本原因等理論知識的基礎上，搭建近距虛擬現實顯示系統原型作為實驗系統，設計實驗研究了基于目視光學系統調節的立體顯示系統的視覺舒適度問題。對虛擬現實技術的發展和立體視覺舒適度的研究具有一定的實際意義。

參考文獻

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