虛擬現實終端檢測白皮書（2019年）

2016年以來，虛擬現實技術正與制造、教育、文化、軍事、醫療等多行業進行著深度技術融合，不斷改造著行業應用模式。隨著虛擬現實產品全景感知和沉浸體驗的不斷完善，虛擬現實各行業用戶對虛擬現實產品的指標要求也不斷提高，因此需加快虛擬現實相關設備的檢測工作，發揮其在衡量和引導產業高質量發展方面的標尺和標桿作用，使其擔當起促進虛擬現實產業高質量發展的重任。

虛擬現實終端檢測產業發展現狀

虛擬現實終端檢測的內涵

1.基本概念。虛擬現實是融合三維顯示技術、計算機圖形學、三維建模技術、傳感測量技術和人機交互技術等多種前沿技術的綜合技術。虛擬現實以臨境、交互性、想象為特征，創造了一個虛擬的三維交互場景，用戶借助特殊的輸入輸出設備，可以體驗虛擬世界并與虛擬世界進行自然的交互。廣義的虛擬現實技術包括虛擬現實技術（VR）、增強現實技術（AR）、混合現實（MR）技術。其中，增強現實技術是以虛實結合、實時交互、三維注冊為特征，將計算機生成的虛擬物體或其它信息疊加到真實世界中，從而實現對現實的“增強”。混合現實技術是指將虛擬世界和真實世界合成創造一個新的三維世界，物理實體和數字對象并存實時相互作用的技術。本白皮書中在不刻意區分的情況下，用“虛擬現實”指代包含VR、AR、MR在內的全部內容。隨著技術和產業生態的持續發展，虛擬現實的概念不斷演進。業界對虛擬現實的研討不再拘泥于特定終端形態，而是強調關鍵技術、產業生態與應用落地的融合創新。

虛擬現實終端檢測是應虛擬現實技術而產生的。廣義上的虛擬現實終端檢測是指對虛擬現實相關的設備、技術及數字內容等方面進行檢測和評估，檢測方式可包含硬件測試、軟件測評、調查評估等多種方式。狹義上的虛擬現實終端檢測是指對 VR/AR 顯示設備和 VR/AR 交互設備（跟蹤定位設備，姿態捕捉設備，力觸覺交互設備，嗅覺、運動覺與人人交互裝置等）兩大類產品的關鍵指標參數的檢測，其中以VR/AR 顯示設備的檢測最為常見。

2.虛擬現實檢測的意義。虛擬現實檢測技術對于虛擬現實產業的整體發展具有至關重要的作用。隨著虛擬現實行業的快速發展，急需一套標準化的技術規范與測量手段來對這些大量的產品進行描述與約束。首先，精確、快速的檢測技術是確保虛擬環境真實性和強烈沉浸感的基石。其次，虛擬現實檢測技術的發展有利于不同企業虛擬現實設備規范化，促進形成虛擬現實行業規范。最后，虛擬現實檢測技術可以引領技術創新，促進虛擬現實行業的進一步發展。

國內發展狀況

我國虛擬現實產業正處于初級發展階段，專業的虛擬現實檢測機構較少。現階段，以高校實驗室（如北航、北京理工、北京大學、北京師范大學等）和企業（如歌爾、小鳥看看、 HTC 等）內部檢測為主。下面，簡要介紹國內的重點虛擬現實檢測機構和檢測企業。

1.（南昌）北京理工大學虛擬現實標準檢測與評測中心。2016 年 10 月北京理工大學作為國家重要的虛擬現實研究機構，與南昌市政府通力合作成立（南昌）北京理工大學虛擬現實標準檢測與評測中心，該中心隸屬于北京理工大學北京市混合現實與新型顯示工程技術研究中心，對虛擬現實行業的基礎研究工作與產業發展工作進行探索與支持。

作為南昌虛擬現實產業基地重要支撐，同時也是基地內唯一的虛擬現實行業標準規范機構，中心代表南昌虛擬現實產業基地參與《信息技術：虛擬現實頭戴式顯示設備通用規范》等首批虛擬現實國家標準的制定工作，自主研發一系列虛擬現實檢測設備。

2.南昌虛擬現實檢測技術有限公司。南昌虛擬現實檢測技術有限公司以南昌市紅谷灘新區管理委員會與北京理工大學于共同簽訂虛擬現實產學研平臺合作共建協議為契機，于2017年1月成立，服務于虛擬現實產學研平臺建設，即中國南昌虛擬現實產業基地標準平臺。

經過江西省市場監督管理局專家評審組的現場評審，南昌虛擬現實檢測技術有限公司于2019 年6 月25 日獲得CMA檢驗檢測機構資質認定證書，成為全國首個獲得虛擬現實行業資質認定證書的檢測機構。CMA認定標志著公司可正式開展業務，擁有向社會出具具有證明作用的第三方公正數據和結果的資質，具備了虛擬現實產品、技術等行業的檢驗檢測資質，擁有虛擬現實領域檢測能力，為虛擬現實行業及技術發展奠定了重要基礎。

國外發展狀況

目前，國外專門針對虛擬現實產品進行檢驗檢測、提供認證的公司或機構尚未見公開報導。通常情況下，國外虛擬現實設備檢測采用美國聯邦通信委員會（FCC）認證;此外，也有部分虛擬現實技術企業研發了相應的檢測儀器。

1.FCC檢測認證。FCC通過控制無線電廣播、電視、電信、衛星和電纜來協調國內和國際的通信，確保與生命財產有關的無線電和電線通信產品的安全性，同時負責無線電應用產品、通信產品和數字產品等設備認可方面的事務。采用無線頻譜資源進行通信的虛擬現實產品在美國的發行與流通必須經過 FCC 認證，通過產品傳導、輻射等性能的測試。

2.芬蘭 OptoFidelity（歐拓飛） 公司。2017年2月，美國美國保險商實驗室（UL）集團麾下的工業標準基準測試軟件開發商Futuremark（評測先鋒）與全球認可的機器人輔助測試和質量控制先驅歐拓飛公司共同發布了其協作開發的綜合性 VR 延遲測試平臺。該平臺包含VRMark 和歐拓飛的 VR“萬用表” 頭戴顯示設備解決方案， 可以測試出關鍵的 VR 性能參數，比如運動延遲、 像素留存和掉幀等。該平臺最核心的測試方案，便是可以在 3D 渲染的環境中測量運動延遲，對每一幀進行分析以發現導致延遲的原因，展示3D引擎、VR應用程序接口和圖形處理器（GPU）所消耗的時間。此外，該解決方案還提供了兩種硬件設計，一種是完整頭戴式顯示器（HMD） 測試，另一種是移動設備 VR 測試。通過添加模組，該平臺也可以測試增強現實方案。該平臺硬件功能包括高精度構架，可以實現精確動作控制和高度的測試可重復性，并可以通過測試序列進行完全自動化的整合測試。

同時，歐拓飛還研發了 OptoFidelity HMD IQ 測試系統。該系統適用于基于菲涅爾透鏡、光波導及曲面反射鏡的近眼顯示器（NED）。其中，HMD IQ 的關鍵部分為HMD Eye的成像裝置， HMD Eye 由校準相機和專用鏡頭組合。通過HMD IQ 測試系統，可檢測近眼顯示器的眼動范圍、瞳孔間距、視場角（FOV，高達120度）、幾何失真、色差、調制傳遞函數（MTF）、 棋盤格對比度、色度差異和相對亮度等重要虛擬現實設備參數指標。

3.日本 Konica Minolta（柯尼卡美能達）公司。2018年2月，柯尼卡美能達旗下的照明和顯示設備視覺測試與檢測系統的領先提供商Radiant Vision Systems宣布發布一款ProMetric 成像亮度計和色度計使用的全新 AR/VR 鏡頭。該 AR/VR 鏡頭采用緊湊的硬件和模擬人眼大小及其在頭戴式設備內位置的光圈設計，并配備寬視場光學元件，使所連接的成像系統能夠采集顯示器多達120度的水平視場，涵蓋人類目視覺的平均范圍以及大多數AR/虛擬現實設備的視場。配合ProMetric成像亮度計和色度計，可用于測量虛擬現實、混合現實和增強現實頭戴式設備內NED的視覺質量。此測量方案是一款緊湊的相機/鏡頭總承包解決方案，最大限度地減少了設置和集成時間、設備和專業知識方面的需求。

虛擬現實終端檢測的關鍵指標

虛擬現實設備清晰度性能關鍵指標

1.虛擬現實頭戴式顯示設備的有效像素比（Effective pixelratio）是指能夠被人眼看到的像素數量與顯示元件整體像素數量的比值。

在整體像素數量（即顯示分辨率）固定的情況下， 有效像素比決定了人眼實際看到的像素數量，直接影響設備清晰度。一般要求設備有效像素比大于 65%。

2.顯示分辨率（Display resolution）是指虛擬現實頭戴式顯示設備單個顯示元件輸出圖像的分辨率。

顯示分辨率是虛擬現實設備顯示屏的關鍵性能指標，直接影響虛擬現實設備顯示顆粒感強弱，是決定設備清晰度的重要因素之一。一般，顯示分辨率應大于 1200 像素×1080 像素。目前市場上，愛奇藝VR iQIYI-A2 和Pico G2 4K均采用3840像素×2160像素的4K超高清顯示屏。

3.角分辨率（Pixels per degree）是指在用戶視野中，沿某一方向，每個單位角度內能夠看到的顯示設備所輸出像素的數量。

PPD 直接影響用戶在使用虛擬現實設備時所感受到的清晰度。人眼正常視力下的分辨能力是 60PPD，即頭戴式顯示設備產品的角分辨率越接近 60PPD，產品的成像清晰度就越接近人眼的分辨極限，人眼看圖像就覺得越清晰。

虛擬現實設備沉浸感性能

關鍵指標

1.視場角（Field of view）是指虛擬現實頭戴式顯示設備所形成的圖像中，人眼可觀察到圖像的邊緣與觀察點（人眼瞳孔中心）連線的夾角。

視場角決定了人眼能觀看的場景范圍。目前，市場上HTC Vive Pro、 華為 VR2、愛奇藝 VR、 PICO、小米 VR、 大朋 P1 PRO 等虛擬現實設備視場角在 100°—120°。通常，視場角越大，體驗越好。一般視場角需要達到110°，能達到較好的體驗效果。但是，實際設計應用需要折中考慮設備視場角大小與設備體積、視覺畸變程度以及設備成本等實際因素。

2.屏幕刷新率（Screen refresh rate）是指屏幕上每秒內圖像更新的次數。這一指標與 VR 延遲有直接的關系，即直接影響用戶體驗。 VR 延遲是指從人的頭部移動開始一直到頭戴式顯示設備的光學信號映射到人眼上面全部的等待時間。當延遲較大，會引起設備用戶暈眩等不適。

刷新率的高低對保護眼睛很重要，當刷新率低于60Hz的時候，屏幕顯示會有明顯的抖動，一般要到 72Hz 以上才能較好的保護眼睛。目前，HTC Vive Pro、三星炫龍頭戴式顯示設備均采用 90Hz 的刷新率。

3.跟蹤模式（Tracking mode）是指虛擬現實頭戴式顯示設備能夠被跟蹤的自由度多少，可以分為無跟蹤、三自由度（3DoF） 跟蹤、六自由度（6DoF）跟蹤三種模式。 自由度是設備在自由空間移動的不同基本方式。

虛擬現實設備自由度越高，用戶的沉浸式體驗效果越好。3DoF VR產品，只能感知到頭部的轉動，而對用戶在空間中的位移無能為力，進而導致無法用自然的身體動作來變換視角或進行交互; 而對于6DoF的虛擬現實設備， 用戶可以在虛擬現實世界內不受拘束地自由移動，從站起、蹲下、前后移動任意角度觀察物體，甚至在 VR 空間內行走。 對于支持跟蹤的頭戴式顯示設備，至少支持3DoF，推薦支持6DoF。目前，市場大朋 P1 PRO等大部分 VR 一體機設備支持 3DoF;Pico Neo VR 一體機內建高精度頭部 6DoF 空間定位功能，商用版Pico Neo還支持6DoF手柄雙手位置追蹤， Oculus Quest支持 6DoF 的頭部和手部跟蹤。

4.動顯延遲（Motion-to-photo latency）是指從用戶運動開始，一直到對應的圖像變化并通過頭戴式顯示設備映射到人眼上面全部的時間。

一般要求動顯時延低于20ms。 降低動顯時延， 一方面需要提高顯示器的屏幕刷新率至 75Hz 以上，另一方面需要升GPU的渲染性能。目前， 為降低 GPU 負載，瑞典Tobii 公司是與美國英偉達合作開發用于VR頭戴式顯示設備的 Tobii眼動追蹤硬件可實現 VR 圖形渲染降低 57%的 GPU 負載;美國 Oculus公司開發減少 VR 頭戴式顯示設備動顯延遲的專用組件， 取代部分 GPU 功能，實現改良頭戴式顯示設備用戶體驗。

5.傳輸速度（Transmission speed）是指為滿足虛擬現實畫質及畫面流暢度等觀看要求的虛擬現實數據網絡傳輸速率性能。

虛擬現實傳輸速度是影響虛擬現實高清晰度視頻播放流暢程度的重要因素，與視頻卡頓、延遲等有密切關系。通常，虛擬現實應用的內容包含海量信息的立體虛擬環境，同時需要滿足用戶間、用戶與虛擬環境中空間數據的實時、交互傳輸。當下， 5G 高速無線通信技術的快速發展為打造高速、低時延的虛擬現實實際應用提供了技術支撐。為了提高用戶觀看體驗（按照 8K 全景視頻），通常要求 100—300Mbps 的傳輸速度。

虛擬現實設備功耗與續航時間指標

1.功耗（Power Consumption）是指虛擬現實設備在單位時間中所消耗的能源數量，常用瓦特表示，可分為工作功耗與待機功耗。

目前，市場虛擬現實頭戴現實設備多采用可充電鋰電池供電， 虛擬現實手柄一般采用 5 號或者 7 號電池。隨著虛擬現實技術和設備的不斷升級進步，為輕量化設計、提高用戶使用舒適度，低功耗虛擬現實產品的需求也越來越迫切。功耗應由產品說明書規定，與產品說明書標明值誤差不超過15%。

2.虛擬現實設備的續航時間（Life time） 是指不充電的情況下最大觀影、游戲等應用體驗時間。

電影模式下續航時間應大于120min，游戲模式下續航時間應大于60min。目前，市場產品提高續航時間的方法主要有：提高GPU性能，降低設備功耗或者設計專業組件代替高功耗的GPU;增大電池容量或者設備支持邊用邊充電模式。

虛擬現實設備其他性能參數指標

1.光學/顯示/成像指標。

（1）虛擬現實頭戴式顯示設備的瞳距范圍（Inter-pupillarydistance range） 是指兩個光學系統（分別給雙目使用）的光軸之間距離的可調節范圍。虛擬現實頭戴式顯示設備設備光學系統的雙目入射光瞳中心距離 PD 是可調節的，其最大及最小可調節距離即為瞳距范圍。如果設備瞳距可調，最大瞳距應不超過 75mm，并且最小瞳距大于等于 50mm;如果設備瞳距不可調，瞳距值應在 50mm—75mm之間。

（2）出瞳距離（Exit pupil distance）為出瞳平面與光軸交點到虛擬現實頭戴式顯示設備的光學目鏡鏡片外表面（靠近人眼一側）的距離。通常情況下，虛擬現實設備的出瞳距離應不小于10mm。

（3）出瞳直徑（Exit pupil diameter）為出瞳平面內能夠看全整個圖像的人眼可移動范圍的內切直徑。 若產品說明書沒有標示出瞳距離，在出瞳距離為 10mm 的位置上出瞳直徑應不小于 4mm;如果標示出瞳距離，在標示出瞳距離的位置上出瞳直徑應不小于 4mm。

（4）畸變（Image distortion）是指成像過程中所產生的圖像像元的幾何位置相對于參照系統發生的擠壓、伸展、偏移和扭曲等，使圖像的幾何位置、尺寸、形狀、方位等發生的改變。通過軟件算法對視頻圖像校正畸變之后，在0.3倍全視場角下，畸變應不大于5%。

（5）色散（Chromatic aberration）是指通過虛擬現實頭戴式顯示設備光學系統觀察圖像像元產生的圖像時，產生的不同顏色分離及色彩失真的程度。在0.3倍全視場角下，色散應不大于3%。

（6）視度（Diopter）是指虛像位置與出瞳平面之間距離的倒數。虛擬現實設備視度的調整方式為雙目同時調節或雙目分別調節，可調范圍大于等于6視度。

（7）亮度對比度（Luminance contrast）是指虛擬現實頭戴式顯示設備顯示元件中心位置在純白圖像和純黑圖像下的亮度的比值。當前虛擬現實設備采用液晶顯示屏（LCD）或者有機發光二極管（OLED）顯示屏，采用 LCD 的設備亮度對比度應大于等于 300：1， 采用 OLED 的設備亮度對比度應大于等于 1000∶1。

（8）虛像距離（Virtual image distance）是指虛擬現實頭戴式顯示設備所成虛像平面到出瞳（人眼瞳孔）的距離。一般虛像距離大于等于0.3m。

2.定位追蹤指標。

（1）移動跟蹤范圍（Tracking area）是指虛擬現實頭戴式顯示設備在移動位置時，能夠跟蹤的區域，通常以跟蹤區域面積來描述。一般，虛擬現實設備跟蹤范圍小于3m×3m為桌面尺度跟蹤，大于等于3m×3m跟蹤范圍的為房間尺度跟蹤。具體設備要求因產品而異。

（2）角度漂移（Drift）是指虛擬現實頭戴式顯示設備經過隨機旋轉回到原位后，跟蹤系統所測得的姿態與初始姿態之間的差值。 通常要求角度漂移量不超過18°。

（3）角度采樣頻率（Angular sampling frequency）是指角度傳感設備的采樣頻率。通常要求角度傳感設備的角度采樣頻率大于等于60Hz。

（4）位置采樣頻率（Position sampling frequency）指位置跟蹤系統的采樣頻率。通常要求位置跟蹤系統的角度采樣頻率大于等于60Hz。

（5）轉動跟蹤誤差（Rotation tracking error）是指虛擬現實頭戴式顯示設備在發生旋轉時，跟蹤系統所測得的姿態與實際姿態的平均偏差。通常，虛擬現實頭戴式顯示設備角度跟蹤誤差應保證每轉動 10°，誤差不超過2°。

（6）移動跟蹤誤差（Translation tracking error）是指虛擬現實頭戴式顯示設備發生位移時，跟蹤系統所測得的位移與實際位移的平均偏差。一般虛擬現實頭戴式顯示設備移動跟蹤誤差每移動100mm 誤差應不超過5mm。

虛擬現實終端檢測未來展望

（一）虛擬現實檢測行業市場需求潛力巨大。國內外虛擬現實產業市場具有良好前景。國外多家大型市場研究機構預計，2020 年全球虛擬現實產業規模將達到150億元到300 億美元之間。相比較之下，國內外虛擬現實檢測行業正處在發展之初的萌芽階段，多以高校實驗研究或者企業內部測試為主。當前， 虛擬現實終端檢測相關測試指標單一化，不具有體系性，這一現象造成使用過程中出現測試術語交流困難、測試數據難以溯源等問題。隨著虛擬現實產業的發展，未來虛擬現實檢測行業市場需要潛力巨大。

（二）虛擬現實檢測設備與測試指標逐漸標準化。未來的虛擬現實檢測需以虛擬現實技術為研究載體，研究各種虛擬現實呈現硬件、軟件內容評測的物理參量、測試規范、流程及方法，確定與觀察者視覺感知和視覺健康相關的核心物理參數指標體系，探索觀看環境的光譜、亮度、照度、光分布、色度以及軟件刷新速率、延時、內容暴力程度對于用戶的影響，建立虛擬現實標準制定過程中需要具備的檢測項目和檢測能力，指導形成測試規范和建立仿真人眼的測量方法及研制儀器設備。

（三）虛擬現實檢測產業逐漸向檢測內容和方法體系發展。目前，虛擬現實檢測主要集中于虛擬現實顯示和虛擬現實交互設備的終端硬件的關鍵性能參數指標檢測。未來，隨著終端設備和技術的日益成熟完善，虛擬現實檢測產業逐漸朝著從視覺、生理、心理健康出發，形成虛擬現實檢測內容和方法體系。通過建立、健全完整的標準體系向虛擬現實消費者傳播虛擬現實產品概念，促進信息產品消費，并排除市場上概念混淆和低質量的產品，保證行業的健康發展。