改進的VR顯示設備延遲性能測試方法及裝置

韓世洋 王瀟瀟 楊葉花 林潔芙

（廣州計量檢測技術研究院 廣東省廣州市 510000）

1 引言

虛擬現實技術(英文名稱：Virtual Reality，縮寫為VR)，是20世紀發展起來的一項全新的實用技術。虛擬現實技術囊括計算機、電子信息、仿真技術于一體，其基本實現方式是計算機模擬虛擬環境從而給人以環境沉浸感。隨著社會生產力和科學技術的不斷發展，各行各業對VR 技術的需求日益旺盛。VR 技術也取得了巨大進步，并逐步成為一個新的科學技術領域。[1]頭戴顯示是虛擬現實系統中最重要的信息呈現方式，越來越廣泛的被消費者接受和應用。目前，頭戴顯示技術正在向著穿戴無擾化、輸出高清化、呈現舒適化的方向發展。

依據2020年7月1日發布實施的GB/T 38259-2019《信息技術 虛擬現實頭戴式顯示設備通用規范》，VR 頭戴顯示設備與移動相關的參數包括：移動延遲、移動靈敏度、移動跟蹤誤差等。移動延遲是指用戶動作（頭部、手、身體移動或轉動等）到計算機系統根據用戶新的視點生成相應的視景所需要的時間。研究表明，人能夠感覺到30 ms 的延遲，若延遲超過300 ms，則虛擬現實系統的沉浸感開始遭到破壞并導致用戶產生運動病。視覺延遲是由于虛擬現實系統硬件設備（包括頭部、身體、手等用戶位置跟蹤系統的精度和反應時間，計算機的計算速度和容量等）的性能達不到預期的要求所致[2]。移動跟蹤誤差是指頭戴式顯示設備在發生位移時，跟蹤系統所測得的位移與實際位移的平均偏差[3]。該項目主要由定位器的準確性和精度決定，在實際應用中，同樣對沉浸度和舒適感有重要影響。因此，準確檢測VR 頭戴顯示設備的延遲特性是判斷設備的品質，解決設備開發中遇到的問題，以及評估設備舒適性過程中重要的環節。

2 延遲性能檢測技術現狀

目前，對于VR 頭戴顯示設備移動延遲測量裝置的差異主要體現在外部移動信號的獲取方式。北京理工大學的翁冬冬、荀航等人提出了分別以激光管、漸變編碼、光柵尺等方式標定外部位置坐標（外部位置坐標是相對于VR 自身位置數據而言的）的方法[4～13]，裝置簡圖見圖1。圖中1 位置設有光敏傳感器1，該傳感器緊貼光編碼器，用于VR 移動過程中外部位置數據的采集，2 位置設有光敏傳感器2，該傳感器用于采集VR 設備中的黑白畫面顯示規律。當對標外部位置編寫的視頻在VR 中顯示時，運動的VR 使兩個光敏傳感器回傳的信號產生不同步，該時間差即為延遲的測試結果。2019年12月發布的《GB/T 38259-2019 信息技術 虛擬現實頭戴式顯示設備通用規范》中對延遲項目的測試即采用了該方法[3]。旋轉運動與移動運動的延遲測試原理類似，裝置簡圖見圖2。捷開通訊（深圳）有限公司的黃靜宇、謝灼倫提出了以光源光強隨距離變化而變化的特點，通過檢測光強度獲取外部位移特征的方式，進行VR 頭顯的延遲測試，裝置簡圖見圖3。[14]

3 改進的延遲性能檢測裝置及方法

圖1：移動延遲設備的裝置簡圖[4]

圖2：轉動延遲設備的裝置簡圖[3]

圖3：延遲測試的裝置簡圖[14]

圖4：裝置結構示意圖

目前，市場上的虛擬現實頭戴現實設備主要包括3 自由度和6自由度兩類。6 自由度的設備除了涉及旋轉運動還包括三維的移動運動。在現有的移動特性檢測裝置中，一個實驗周期只能進行一個項目（延遲或移動跟蹤誤差）的測試，進行另外項目的測試需要進入下一個試驗周期，進行另外兩個方向的位移特性測試還需要改變頭戴設備工作姿態重新操作。現實中，虛擬頭戴顯示設備在正常工作姿態X、Y、Z 三個方向均有移動，多數情況下是三個方向運動的集合，這就要求測試在三個方向上分別進行或同時進行，以得到接近使用狀態的測試結果。本論文設計了一套多項目多方向虛擬頭戴設備移動特性綜合檢測裝置，在執行國標的同時可進一步準確還原VR 的工作狀態，并在該狀態下進行多項目的同時測試，提高檢測質量及效率。

圖5：系統數據傳輸流向圖

圖6：三維臺回傳位置坐標與時刻的關系

圖7：光電傳感器回傳信號與時刻的關系

3.1 裝置結構及控制

設備機械結構包括可沿水平、垂直和前后方向移動的三條直線滑軌、位于垂直滑軌的樣品臺、用于采集VR 顯示信號的光電傳感器（采樣率不低于1kHz）以及計算機。待測樣品安裝于樣品臺上，光電傳感器置于VR 眼鏡單眼的出瞳位置，由程序控制樣品臺移動，并獲取相應的位置坐標。裝置結構圖見圖4。采用PC 機作為上位機負責采集數據的分析與顯示、運動控制卡、單片機的通信及待測樣品的控制器，運動控制卡作為下位機直接與電機進行運動控制和位置監測，控制結構框架圖見圖5。

圖8：采集數據處理走向圖

圖9：延時結果示意圖

3.2 測試步驟

（1）初始化：對三維臺移動路徑進行預設，并以三維臺位置坐標選取等間隔的10 點（移動路徑可以是直線或折線）。令三維臺以小于0.05m/s 的速度沿預設路徑移動。同時記錄到達三維臺各預設位置時的VR 頭戴顯示設備計算出的位置坐標。

（2）生成測試顯示信號：運行VR 頭戴顯示設備（以下簡稱VR）測試程序，使VR 在1 位置顯示白畫面，到達2 位置轉為黑畫面，再到3 位置轉為白畫面，依次類推直到10 位置。

（3）正式測試：再次按預置路徑以0.5m/s 的速度勻速移動VR，采集三維臺到達各個預置位的時刻及位置坐標（見圖6），同時采集VR 到達各個預置位的位置坐標，同時記錄光電傳感器回傳的信號與時刻的關系數據（見圖7）。

3.3 數據處理

數據處理關系見圖8。在一個試驗周期，待測VR 從初始位置按預設路徑移動到終點位置，期間以VR 回傳的位置數據及三位臺回傳的位置數據可計算移動跟蹤誤差的測試結果，而以光電傳感器回傳數據和三維臺回傳位置數據與時間的關系，可求出移動延遲的測試結果。為確保移動跟蹤誤差的準確性，三維臺的移動準確度需定時進行校準，周期通常為1年。

由三維臺回傳位置數據及光電傳感器回傳電平數據與時刻的關系，見圖6、圖7。提取圖7 中1～10 位置對應時刻，與圖6 進行對比，可得出1～10 各個位置對應的時間差t1～t10，見圖9 延遲結果示意圖，由公式（1）可得延遲結果。

式中：Ti —— 圖像傳感器出現第i 個電平變化拐點經歷的時間；

Ti' —— 三維臺到達第i 個預置位所經歷的時間；

i —— 預置位編號；

t —— 移動延遲結果。

以VR 回傳位置數據計算各個記錄點與其相鄰記錄點之間的距離，按下式計算移動跟蹤誤差：

式中：TTE—— 移動跟蹤誤差

dstep—— 步長

di——各個記錄點與其相鄰記錄點之間的距離

n——總步進次數

4 總結

隨著虛擬現實頭戴設備的消費市場日趨擴大，對于虛擬頭戴顯示設備的性能檢測也成為眾多業內人士關注的問題。影響虛擬現實產品使用舒適度的重要因素之一就是其移動特性的優劣，特別是延遲帶來的眩暈成為產品舒適度的主要殺手。因此，對于延遲和移動跟蹤誤差的檢測是評測虛擬頭戴顯示產品的主要指標。本論文中設計的虛擬現實頭戴顯示設備移動特性檢測裝置主要有以下特點：

（1）檢測過程進一步貼近產品的使用狀態；

（2）移動過程中同步采集延遲及移動跟蹤誤差的數據，在一個實驗周期完成兩個項目的檢測。既增強了檢測結果的可信度，又提高了檢測過程的時效。