王新悅，聶光宇，劉越

(北京理工大學(xué) 光電信息技術(shù)與顏色工程研究所，北京100081)

1 引言

虛擬現(xiàn)實(shí)(Virtual Reality，VR)的核心為計(jì)算機(jī)技術(shù)，生成在視覺(jué)、聽覺(jué)、觸覺(jué)等方面產(chǎn)生與真實(shí)環(huán)境近似的數(shù)字環(huán)境。虛擬現(xiàn)實(shí)的典型特征為“4I”，即沉浸感(Immersion)、交互性(Interaction)、構(gòu)想性(Imagination)、智能性(Intelligence)[1]。由于這些特征具有其他傳統(tǒng)設(shè)備不具備的優(yōu)點(diǎn)，因此在近幾年受到越來(lái)越多的重視與快速發(fā)展。而頭盔顯示器(HMD)的產(chǎn)生，如HTC VIVE、Oculus等理論上作為理想的個(gè)體用戶虛擬現(xiàn)實(shí)使用設(shè)備，具有高渲染質(zhì)量、低價(jià)格、使用代碼開源等特點(diǎn)，在虛擬現(xiàn)實(shí)市場(chǎng)上得到廣泛應(yīng)用[2]。但是大量體驗(yàn)者在使用HMD后都產(chǎn)生不適感，這些癥狀主要表現(xiàn)為頭痛、惡心、頭暈、眼睛疲勞等，被稱為虛擬現(xiàn)實(shí)暈動(dòng)癥[3]。本文探討了漫游虛擬博物館的過(guò)程中產(chǎn)生的視覺(jué)不舒適度因素，分析了產(chǎn)生這些癥狀的原因，并針對(duì)引起這些癥狀的因素設(shè)計(jì)了對(duì)視場(chǎng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)模糊和減小引起視覺(jué)感知沖突的渲染系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)可以大幅減輕虛擬現(xiàn)實(shí)博物館體驗(yàn)的不舒適度。

2 相關(guān)工作

2.1 由視覺(jué)引起暈動(dòng)癥的產(chǎn)生原因

用戶在使用頭部控制的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)后產(chǎn)生的暈動(dòng)病稱為虛擬現(xiàn)實(shí)暈動(dòng)癥，用戶在自身不動(dòng)的情況下觀察動(dòng)態(tài)場(chǎng)景，會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的運(yùn)動(dòng)錯(cuò)覺(jué)[3]。感知沖突理論認(rèn)為，人的不同感知器官如果對(duì)外部的環(huán)境刺激產(chǎn)生的感知不同，就很容易產(chǎn)生暈動(dòng)癥，在虛擬現(xiàn)實(shí)暈動(dòng)癥中，視覺(jué)與前庭的沖突最為明顯[5]。姿態(tài)穩(wěn)定理論認(rèn)為，暈動(dòng)病是由于身體或某個(gè)部位姿勢(shì)控制不穩(wěn)定造成的，失去穩(wěn)定性通常與失去控制感有關(guān)，例如跌倒[4]。

2.2 由視覺(jué)引起的暈動(dòng)癥的解決方法

目前，研究者針對(duì)如何減緩基于視覺(jué)引起的暈動(dòng)癥進(jìn)行了大量研究。Robert S.Kennedy等人研究表明暈動(dòng)癥會(huì)因?yàn)榉磸?fù)暴露而消退[8]。Rizzo Sierra等認(rèn)為，電偶前庭刺激(GVS)可以改善暈動(dòng)癥和空間適應(yīng)綜合癥[9]。Cha等人指出，重復(fù)的經(jīng)顱磁刺激可以減少暈動(dòng)癥[10]。此外，氯苯甲嗪、茶苯海明聯(lián)肉桂苯哌嗪、異丙嗪聯(lián)D-苯丙胺可以改善暈動(dòng)癥[11]。Mark等人提出在汽車駕駛中減少加速度可以減小暈動(dòng)癥[12]。Stoffregen等人發(fā)現(xiàn)被試姿勢(shì)的穩(wěn)定性可以影響暈動(dòng)癥的發(fā)病率。Duh等人提出獨(dú)立視覺(jué)背景(IVB)可以減輕視覺(jué)和慣性產(chǎn)生的矛盾[16]。此外研究顯示，降低視場(chǎng)角(FOV)可以有效的減緩暈動(dòng)癥[15]。

2.3 知覺(jué)感知

(1)模糊的知覺(jué)感知

在立體顯示中，模糊與雙眼視差共同完成感知物體大小、深度等信息的任務(wù)。添加基于景深的模糊梯度和周圍模糊可以改善單顯示屏的游戲質(zhì)量和真實(shí)感，基于景深的模糊可以減少單眼區(qū)域競(jìng)爭(zhēng)，因此可以在不影響虛擬現(xiàn)實(shí)質(zhì)量的情況下減少視覺(jué)不舒適度。模糊可以通過(guò)屏蔽高頻空間數(shù)據(jù)，緩解融合立體內(nèi)容以此緩解立體顯示中的朝向適應(yīng)矛盾，提高觀看舒適度。

(2)景深的知覺(jué)感知

焦點(diǎn)暗示包括模糊和方向適應(yīng)，這個(gè)方法可以減少視覺(jué)疲勞，進(jìn)而提高三維體驗(yàn)的質(zhì)量。改善立體顯示中關(guān)注內(nèi)容的焦點(diǎn)可以減少由朝向適應(yīng)矛盾造成的壓力，進(jìn)而減少視覺(jué)疲勞和不適。而且添加模糊(甚至是模糊程度很大的情況下)并不會(huì)影響被試對(duì)虛擬環(huán)境的距離與速度的感知[18]。

3 系統(tǒng)原理

用戶頭戴頭盔顯示器在虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中漫游時(shí)，大約86%的固定時(shí)間和82%的關(guān)注時(shí)間都在屏幕的中心[17]，所以用戶的頭部朝向即可定義為用戶的眼睛關(guān)注方向，但是由于頭盔的分辨率偏低，像素間的角距離比真實(shí)角距離大，因此不能認(rèn)為屏幕中心的對(duì)象就是雙眼實(shí)際關(guān)注的焦點(diǎn)。Carnegie K等人提出采取透射多條射線求取平均值[2]的方法計(jì)算焦點(diǎn)位置，與之不用，本系統(tǒng)投射13條射線，屏幕中心一條，剩下12條以規(guī)則小角度環(huán)繞著中心射線進(jìn)行投射，然后求取13條射線去掉離群值的平均值作為焦點(diǎn)的距離。被試旋轉(zhuǎn)或者加速行走時(shí)，對(duì)視場(chǎng)進(jìn)行模糊處理，模糊處理采用N×N高斯核進(jìn)行卷積濾波。為了減少計(jì)算量，將二維高斯函數(shù)拆分成兩個(gè)一維高斯函數(shù)，在shader中調(diào)用兩個(gè)pass，第一個(gè)pass采用水平方向的一維高斯核對(duì)圖像進(jìn)行濾波，第二個(gè)pass采用豎直方向的高斯核對(duì)圖像進(jìn)行濾波。如圖2(c)所示，針對(duì)場(chǎng)景二，由于每個(gè)展臺(tái)的尺寸為1×1m2，展臺(tái)之間的距離為2m，所以以焦點(diǎn)物體景深加減4為最大閾值，閾值內(nèi)圖像清晰，閾值外圖像進(jìn)行模糊處理，并且以焦點(diǎn)中心為圓心，以簡(jiǎn)單輻射狀模式將FOV減小20%。

4 實(shí)驗(yàn)一

實(shí)驗(yàn)一的目的是讓被試熟悉手柄操作。

4.1 被試

實(shí)驗(yàn)隨機(jī)挑選了身體健康的四名男性和四名女性參與實(shí)驗(yàn)，被試的年齡在18-32歲之間。所有人都有正常的視力或者矯正視力，并且均符合以下標(biāo)準(zhǔn)：沒(méi)有視覺(jué)疾病，沒(méi)有影響身體平衡或者姿勢(shì)控制的神經(jīng)系統(tǒng)疾病，沒(méi)有前庭功能障礙。

4.2 實(shí)驗(yàn)材料

被試基本信息表：

基本信息表用于調(diào)查收集實(shí)被試的基本信息及相關(guān)病史，即有無(wú)暈動(dòng)癥歷史，有無(wú)視覺(jué)疾病，有無(wú)前庭功能障礙。

4.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

如圖1(a)所示，被試通過(guò)頭戴HTC VIVE的六自由度跟蹤定位的VR頭戴式顯示器(HMD)并操縱手柄實(shí)現(xiàn)在虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中漫游。實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景由unity3d引擎搭建，版本為2017.1。

(a)被試手持設(shè)備手柄，頭戴頭盔顯示器端坐于計(jì)算機(jī)屏幕前，座椅為無(wú)靠背座椅

(b)實(shí)際實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景中目標(biāo)點(diǎn)的位置示意圖

(c)實(shí)驗(yàn)一的場(chǎng)景圖1

4.4 實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景設(shè)計(jì)

場(chǎng)景中有六個(gè)展柜(圖1(c))，位置如圖1(b)所示，每個(gè)展柜上分別有一個(gè)被標(biāo)記為1到6的標(biāo)簽。

4.5 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

實(shí)驗(yàn)前，被試先填寫基本信息表，如果被試存在相關(guān)病史，則不能參與實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中，被試被要求保持靜止姿勢(shì)，目視前方，頭戴頭盔顯示器并通過(guò)控制手柄進(jìn)行行走和轉(zhuǎn)彎，按照標(biāo)記的數(shù)字順序拾取并銷毀當(dāng)前展臺(tái)。左手Pad鍵的上、下、左、右鍵分別控制前、后、左、右移動(dòng)，右手Pad鍵的左、右鍵分別控制左、右旋轉(zhuǎn)，當(dāng)手柄觸碰到方塊，按Trigger鍵將其銷毀。被試在場(chǎng)景中的移動(dòng)速度為2m/s，轉(zhuǎn)動(dòng)速度為30°/s，均為勻速運(yùn)動(dòng)。

5 實(shí)驗(yàn)二

實(shí)驗(yàn)二的目的是評(píng)估該系統(tǒng)在減緩虛擬現(xiàn)實(shí)博物館場(chǎng)景中由視覺(jué)引起的不舒適度方面的表現(xiàn)。

5.1 被試

進(jìn)行過(guò)實(shí)驗(yàn)一的八位被試需要繼續(xù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)二。

5.2 實(shí)驗(yàn)材料

模擬器癥狀調(diào)查問(wèn)卷：

模擬器癥狀調(diào)查問(wèn)卷(Simulator Sickness Questionnaire，SSQ)[19]被廣泛應(yīng)用于虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的評(píng)估，問(wèn)卷包括渾身不適、疲勞、頭痛、視疲勞、難以集中注意力等十六項(xiàng)指標(biāo)，總結(jié)為眼部不適程度(Oculomotor)、方向迷失程度(Disorientation)和惡心程度(Nausea)等三大類。癥狀嚴(yán)重程度(即SSQ總分)可以根據(jù)每個(gè)類別的分?jǐn)?shù)加權(quán)求和得到，得分越高則癥狀的程度越高。

5.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

本次實(shí)驗(yàn)用到的實(shí)驗(yàn)設(shè)備與實(shí)驗(yàn)一相同。

5.4 實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景設(shè)計(jì)

如圖2所示，對(duì)比實(shí)驗(yàn)為兩個(gè)場(chǎng)景，均為圓形博物館場(chǎng)館，場(chǎng)館中擺放著間隔2m，尺寸為1×1×1m3的25個(gè)展臺(tái)，場(chǎng)館墻體和展臺(tái)為黑白豎條紋不反光漆質(zhì)材料，條紋寬度0.1m，如圖2(a)所示，每個(gè)展臺(tái)上有一個(gè)標(biāo)簽，標(biāo)簽上顯示簡(jiǎn)單且不同的四則運(yùn)算，如“3+3+3”，為了避免被試站在一個(gè)方向可以總覽全部標(biāo)簽，標(biāo)簽的朝向隨機(jī)擺放。地板為打蠟?zāi)举|(zhì)材料地板。手柄上會(huì)顯示不同的文物模型，如面具、青銅食器、擺件等。每個(gè)文物下也有一個(gè)標(biāo)簽且也有簡(jiǎn)單四則運(yùn)算。兩個(gè)場(chǎng)景的區(qū)別為場(chǎng)景一的圖像清晰不模糊(圖2(b))；場(chǎng)景二為應(yīng)用該模糊系統(tǒng)的場(chǎng)景(圖2(c))。同時(shí)為了防止被試二次實(shí)驗(yàn)時(shí)對(duì)場(chǎng)景的標(biāo)簽與位置有記憶，將兩個(gè)場(chǎng)景標(biāo)簽上的數(shù)字運(yùn)算題進(jìn)行隨機(jī)改動(dòng)。

(a)根據(jù)展柜的標(biāo)簽和手柄上的標(biāo)簽，將文物放在合適的位置

(b)條紋清晰場(chǎng)景

(c)條紋背景模糊場(chǎng)景圖2 實(shí)驗(yàn)二的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景

5.5 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

實(shí)驗(yàn)分為對(duì)照組(場(chǎng)景一)和實(shí)驗(yàn)組(場(chǎng)景二)，每位被試均需要在兩天的同一時(shí)間分別完成兩組實(shí)驗(yàn)。被試初始位置均位于場(chǎng)館門口并背對(duì)展臺(tái)，頭戴頭盔顯示器通過(guò)控制手柄在虛擬場(chǎng)景中漫游，按Trigger鍵在虛擬手柄上顯示文物，按Grip鍵放置文物。只有當(dāng)文物標(biāo)簽上面的數(shù)字運(yùn)算結(jié)果與展臺(tái)上面數(shù)字結(jié)果相同，按Grip鍵有效，否則無(wú)效。當(dāng)手柄上沒(méi)有文物時(shí)，按Trigger鍵繼續(xù)出現(xiàn)新的文物，以此循環(huán)，被試的任務(wù)是正確放置10件文物模型。在實(shí)驗(yàn)開始之前，被試先填寫SSQ問(wèn)卷，若SSQ問(wèn)卷總分大于10，則需要讓被試休息至少5分鐘，待狀態(tài)穩(wěn)定后再次填寫SSQ問(wèn)卷，若問(wèn)卷得分仍不理想(大于10)，則需要更改實(shí)驗(yàn)日期。實(shí)驗(yàn)中，每位被試被隨機(jī)分配實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景，被試需要端坐于沒(méi)有靠背的座椅上，并保持上身挺直，目視前方，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)HTC VIVE眼鏡系統(tǒng)基站的Lighthouse定位系統(tǒng)跟蹤被試佩戴頭盔的六個(gè)自由度(即頭盔的世界坐標(biāo)位置X，Y，Z以及相對(duì)于基站的X，Y，Z坐標(biāo)軸的旋轉(zhuǎn)角度)并記錄被試2次/秒的頭部位置及角度坐標(biāo)。實(shí)驗(yàn)中若被試明顯感到非常不適，則立刻終止實(shí)驗(yàn)，不論完成與否均需要在每次實(shí)驗(yàn)結(jié)束后再進(jìn)行一次填寫SSQ問(wèn)卷。

6 結(jié)果

實(shí)驗(yàn)中，共有8位被試參與并完成了對(duì)比實(shí)驗(yàn)，并對(duì)兩次實(shí)驗(yàn)下每位被試的數(shù)據(jù)進(jìn)行了收集，包括SSQ得分和頭部運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)。圖3顯示了對(duì)照組和實(shí)驗(yàn)組中每個(gè)被試的SSQ得分情況，如圖所示，在應(yīng)用該系統(tǒng)后，惡心程度、眼部不適程度、方向迷失程度、癥狀嚴(yán)重程度明顯降低。表1為對(duì)照組和實(shí)驗(yàn)組中，對(duì)每個(gè)被試的SSQ問(wèn)卷中的以上四個(gè)方面進(jìn)行配對(duì)T-檢驗(yàn)法的展示表，圖4顯示了對(duì)照組和實(shí)驗(yàn)組中每位被試的頭部運(yùn)動(dòng)情況，通過(guò)比較發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用該系統(tǒng)后被試的頭部運(yùn)動(dòng)幅度明顯減小。

7 分析

據(jù)表1所示，針對(duì)該系統(tǒng)的減緩暈動(dòng)癥的效果，本研究使用配對(duì)T-檢驗(yàn)法對(duì)同一組被試在不同時(shí)間參加的兩次實(shí)驗(yàn)(對(duì)照組和實(shí)驗(yàn)組)關(guān)于暈動(dòng)癥SSQ問(wèn)卷在惡心程度、眼部不適程度、方向迷失程度、癥狀嚴(yán)重程度等四個(gè)方面的測(cè)試結(jié)果的綜合均值之間是否存在顯著統(tǒng)計(jì)差異進(jìn)行了分析。分析結(jié)果表明，這一組被試在不同時(shí)間進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)的關(guān)于暈動(dòng)癥SSQ問(wèn)卷在以上四個(gè)方面的評(píng)分綜合值之間存在顯著統(tǒng)計(jì)差異。對(duì)于惡心程度，t=5.057，df=7，p=0.001，對(duì)于眼部不適程度，t=4.333，df=7，p=0.003，對(duì)于迷失方向程度，t=4.583，df=7，p=0.003，對(duì)于癥狀嚴(yán)重程度，t=5.199，df=7，p=0.001，因?yàn)閜值均小于0.05，所以對(duì)于這一組被試，應(yīng)用該系統(tǒng)后的舒適度明顯提升。所以，該系統(tǒng)能有效地減緩暈動(dòng)癥，從而減小在虛擬博物館中漫游時(shí)產(chǎn)生的不適感。

(b)為眼部不適程度(O)的值

(c)為方向迷失程度(D)的值

(d)為癥狀嚴(yán)重程度(TS)的值圖3 被試在實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組中的SSQ得分情況注：1-8分別為每個(gè)被試的編號(hào)。

(a)對(duì)照組中被試的頭部運(yùn)動(dòng)情況

(b)實(shí)驗(yàn)組中被試的頭部運(yùn)動(dòng)情況圖4 實(shí)驗(yàn)中的被試的頭部運(yùn)動(dòng)情況

變量均值標(biāo)準(zhǔn)差tdfp惡心程度5.05770.001對(duì)照組52.4727.46實(shí)驗(yàn)組15.5010.12眼部不適程度4.33370.003對(duì)照組31.2627.61實(shí)驗(yàn)組18.9520.25方向迷失程度4.58370.003對(duì)照組80.0446.91實(shí)驗(yàn)組27.8419.68癥狀嚴(yán)重程度5.19970.001對(duì)照組31.1317.94實(shí)驗(yàn)組11.608.33

根據(jù)圖3、圖4觀察可知，兩種實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景都會(huì)引發(fā)不舒適感。根據(jù)感知沖突理論，被試在場(chǎng)景中漫游而身體處于靜止，容易引起視覺(jué)與前庭沖突并引發(fā)暈動(dòng)癥。人眼的視網(wǎng)膜分為兩個(gè)區(qū)域，中心區(qū)域用來(lái)感知和識(shí)別物體，但是不能感知物體的運(yùn)動(dòng)和相對(duì)位置情況，而周圍區(qū)域可以感知物體的運(yùn)動(dòng)和位置信息，實(shí)驗(yàn)中，被試將全部注意力都集中在展臺(tái)和文物，視網(wǎng)膜中心區(qū)域可以對(duì)展臺(tái)上的標(biāo)簽和文物進(jìn)行快速識(shí)別并對(duì)放置位置進(jìn)行準(zhǔn)確判斷，視網(wǎng)膜中心區(qū)域的物體識(shí)別只針對(duì)顯著性物體而不針對(duì)背景，當(dāng)被試在場(chǎng)景中移動(dòng)時(shí)，豎直條紋容易被視網(wǎng)膜周圍區(qū)域感知，并引起運(yùn)動(dòng)錯(cuò)覺(jué)，從而引起視覺(jué)與前庭感知沖突，導(dǎo)致暈動(dòng)癥。而當(dāng)被試者產(chǎn)生較為強(qiáng)烈的不舒適感時(shí)會(huì)加劇身體及頭部的運(yùn)動(dòng)，根據(jù)姿態(tài)穩(wěn)定理論，暈動(dòng)病與身體或某個(gè)部位姿勢(shì)控制不穩(wěn)定有很大的關(guān)系，身體與頭部的運(yùn)動(dòng)更容易失去穩(wěn)定性從而失去控制感，即暈動(dòng)癥引起姿態(tài)不穩(wěn)，姿態(tài)不穩(wěn)又反作用于暈動(dòng)癥，從而加劇癥狀。而通過(guò)添加動(dòng)態(tài)模糊，改變用戶視場(chǎng)，視網(wǎng)膜由需要感知屏幕中的全部場(chǎng)景信息減少到只需要感知當(dāng)前關(guān)注的部分場(chǎng)景信息，視網(wǎng)膜周圍區(qū)域?qū)ξ矬w的運(yùn)動(dòng)與位置信息的感知度減少，降低方向適應(yīng)沖突，從而可以在一定程度上減輕暈動(dòng)癥的癥狀。

8 結(jié)束語(yǔ)

本文分析了在虛擬現(xiàn)實(shí)博物館中漫游時(shí)，引起被試不適的主要癥狀，分析了暈動(dòng)癥產(chǎn)生的原理，提出了動(dòng)態(tài)模糊改變用戶視場(chǎng)來(lái)減少引起視覺(jué)感知沖突的渲染系統(tǒng)，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了該系統(tǒng)可以改善用戶在虛擬現(xiàn)實(shí)博物館漫游的舒適度。該渲染系統(tǒng)通過(guò)添加景深和視場(chǎng)模糊的場(chǎng)景，有效地減輕了用戶的不舒適程度，而且并沒(méi)有對(duì)其完成任務(wù)與體驗(yàn)感造成太大影響。但是本次實(shí)驗(yàn)選取的實(shí)驗(yàn)人數(shù)較少，在進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)中會(huì)增加實(shí)驗(yàn)人數(shù)對(duì)該系統(tǒng)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行充分的論證。