周 強(qiáng)，張敏雄，吳新麗，李 昕，黃金鵬，楊文珍，潘志庚

體感交互虛擬漫游的沉浸感評(píng)價(jià)

周 強(qiáng)1，張敏雄1，吳新麗1，李 昕1，黃金鵬1，楊文珍1，潘志庚2,3

(1. 浙江理工大學(xué)虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310018；2.杭州師范大學(xué)數(shù)字媒體與人機(jī)交互研究中心，浙江 杭州 311121；3. 廣州玖的數(shù)碼科技有限公司，廣東 廣州 510623)

沉浸感是虛擬漫游的重要特征，目前體感交互的虛擬漫游存在嚴(yán)重的感知失真問題，虛擬場(chǎng)景運(yùn)動(dòng)的視覺感知與人機(jī)交互的體感感知不能相互匹配，破壞了虛擬漫游的沉浸感?；贑atmull-Rom曲線的非等距插值算法、等距插值算法和實(shí)時(shí)插值算法，分別構(gòu)建3種不同的虛擬漫游路徑，評(píng)價(jià)體感交互虛擬漫游的沉浸感。主觀評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)和仿真實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明：Catmull-Rom曲線的非等距插值漫游路徑，無論是勻速漫游還是變速漫游，均存在明顯的感知失真現(xiàn)象；基于Catmull-Rom曲線的等距插值漫游路徑適用于勻速漫游，但不太適合用于變速漫游；基于Catmull-Rom曲線的實(shí)時(shí)插值漫游路徑能實(shí)現(xiàn)真實(shí)運(yùn)動(dòng)速度與場(chǎng)景運(yùn)動(dòng)速度的匹配，較好地解決虛擬漫游時(shí)視覺感知與身體運(yùn)動(dòng)感知不一致的問題，增強(qiáng)了虛擬漫游的沉浸感。

虛擬漫游；體感交互；Catmull-Rom曲線；漫游路徑；沉浸感評(píng)價(jià)

虛擬漫游能讓用戶游覽虛擬世界，獲得身臨其境的沉浸感和人機(jī)互動(dòng)的趣味性。傳統(tǒng)的虛擬漫游通常是指人們通過鼠標(biāo)、鍵盤等交互設(shè)備，用手指輸入交互指令，游覽虛擬場(chǎng)景。近年來，人們研發(fā)了各種體感交互設(shè)備[1-4]，進(jìn)行虛擬漫游，包括虛擬駕駛、虛擬騎行、虛擬太空旅游等，極大拓展了虛擬漫游的應(yīng)用領(lǐng)域。這類新型漫游形式通常需要用戶的身體參與人機(jī)交互并感受虛擬場(chǎng)景反饋的信息，可以統(tǒng)稱為體感漫游。比如，虛擬騎行是以自行車為交互設(shè)備[5]，用戶以真實(shí)的速度在虛擬場(chǎng)景中騎行，通過體感察覺到身體運(yùn)動(dòng)，通過視覺觀察到虛擬場(chǎng)景運(yùn)動(dòng)，達(dá)到健身和娛樂的目的。

然而，體感漫游存在著感知失真問題，降低了用戶的體驗(yàn)感。在體感漫游過程中，如果身體感受到的運(yùn)動(dòng)信息與場(chǎng)景反饋的視覺信息不同步，就會(huì)產(chǎn)生體感不一致的現(xiàn)象，即體感失真。此時(shí)，用戶無法獲得在現(xiàn)實(shí)世界中運(yùn)動(dòng)的感覺，影響了虛擬環(huán)境的沉浸感和真實(shí)性。這種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與視覺狀態(tài)不一致的體感失真對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)暈動(dòng)癥有很大的影響，用戶的暈動(dòng)癥程度會(huì)隨著真實(shí)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與視覺一致性的減小而提升，在極端條件下可產(chǎn)生用戶無法承受的生理不適狀況[6-7]。VR健身單車的暈動(dòng)癥測(cè)試表明：虛實(shí)運(yùn)動(dòng)體感不一致更容易產(chǎn)生暈動(dòng)癥，其主要癥狀產(chǎn)生的先后順序?yàn)轭^脹、視覺模糊、頭暈、視覺疲勞(眼花)和惡心感[8-9]。

通過體感漫游的實(shí)際應(yīng)用[10]，總結(jié)出3種虛實(shí)運(yùn)動(dòng)體感不一致現(xiàn)象：即啟停、勻速、變速運(yùn)動(dòng)體感不一致。①啟停運(yùn)動(dòng)體感不一致是指虛擬場(chǎng)景的運(yùn)動(dòng)不能實(shí)時(shí)匹配用戶身體啟動(dòng)或停止運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象，有明顯的滯后感，如用戶已停止騎車，但場(chǎng)景還繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng)，或者用戶已開始騎車，但場(chǎng)景卻不移動(dòng)。②勻速運(yùn)動(dòng)體感不一致是指虛擬場(chǎng)景的運(yùn)動(dòng)速度不能匹配用戶身體感知到的實(shí)際勻速運(yùn)動(dòng)速度，如用戶在勻速騎行，但視覺上卻感覺場(chǎng)景的運(yùn)動(dòng)速度時(shí)快時(shí)慢。③變速運(yùn)動(dòng)體感不一致是指虛擬場(chǎng)景的運(yùn)動(dòng)速度變化率不能匹配用戶身體感知到的實(shí)際運(yùn)動(dòng)速度變化率，如用戶正在加速騎車，但是視覺上卻感覺不到場(chǎng)景在加速運(yùn)動(dòng)。

在虛擬漫游系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)獲取用戶運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)并渲染虛擬場(chǎng)景的條件下，本文研究發(fā)現(xiàn)漫游路徑的生成是引起體感不一致性的重要因素。目前，漫游路徑主要是由曲線插值算法生成[11-14]，包括Bezier曲線、Hermite曲線和Catmull-Rom曲線等插值算法。Bezier曲線插值算法靈活性強(qiáng)，能夠擬合出復(fù)雜的曲線，已用于虛擬漫游的路徑生成[15-16]。然而，在Bezier曲線插值算法生成漫游路徑時(shí)，除了要在虛擬道路上放置若干個(gè)路徑點(diǎn)外，還需在每段Bezier曲線上人工添加2個(gè)控制點(diǎn)以調(diào)整曲線曲率。由于體感漫游的虛擬道路很長(zhǎng)，曲線段數(shù)目很多，人工增加Bezier曲線控制點(diǎn)，不僅工作量較大，而且難以保證生成的漫游路徑與虛擬道路有較好的重合度。Hermite曲線是由給定起點(diǎn)和終點(diǎn)坐標(biāo)，以及起點(diǎn)和終點(diǎn)處的切線矢量來確定的一條曲線。若由多段Hermite曲線組成一條虛擬漫游路徑，需要給出每段Hermite曲線的起點(diǎn)和終點(diǎn)的切線值[17]。然而，切線值作為曲線參數(shù)并不直觀，且無法手動(dòng)調(diào)整。相對(duì)于Bezier和Hermite曲線，Catmull-Rom曲線[18-19]可以通過曲線上已知的端點(diǎn)，直接擬合出曲線，不需要人工額外增加控制點(diǎn)，減少了工作量，更適用于體感漫游的路徑生成。

本文基于Catmull-Rom曲線提出非等距插值算法、等距插值算法和實(shí)時(shí)插值算法，分別生成體感漫游路徑，并開展體感一致性評(píng)價(jià)的實(shí)驗(yàn)，探討基于Catmull-Rom曲線的插值算法與體感一致性的關(guān)系，為解決體感失真問題提供思路。

1 Catmull-Rom曲線非等距插值的漫游路徑

在虛擬漫游系統(tǒng)中，漫游路徑通常是由已知路徑點(diǎn)(或稱控制點(diǎn))，經(jīng)曲線插值算法生成。漫游路徑由多段曲線組成，在每段曲線上有若干個(gè)插值點(diǎn)。

1.1 Catmull-Rom曲線插值

Catmull-Rom曲線由4個(gè)連續(xù)控制點(diǎn)確定，且控制點(diǎn)均在曲線上(圖1)。在已知曲線上4個(gè)點(diǎn)的情況下，Catmull-Rom曲線只能計(jì)算出1和2點(diǎn)之間的插值點(diǎn)，即Catmull-Rom曲線不經(jīng)過首尾2個(gè)點(diǎn)[20-21]。

圖1 Catmull-Rom曲線

圖1中，1，2，3，4為Catmull-Rom曲線上的控制點(diǎn)。已知1，2，3，44個(gè)路徑點(diǎn)，由Catmull-Rom曲線插值公式，可以求得12路徑上的插值點(diǎn)，得到其漫游路徑，即

其中，為插值參數(shù)；()為插值點(diǎn)坐標(biāo)。若要在12路徑上獲得個(gè)插值點(diǎn)，值可以從1/，2/，3/，4/依次遞增至1，當(dāng)=0時(shí)，插值點(diǎn)位于點(diǎn)1處，當(dāng)=1時(shí)，插值點(diǎn)位于點(diǎn)2處。

1.2 Catmull-Rom曲線非等距插值漫游路徑

式(1)只能求得1，22個(gè)路徑點(diǎn)之間的插值點(diǎn)，不能生成經(jīng)過首尾路徑點(diǎn)0，3的的漫游路徑。為此，本文添加2個(gè)輔助點(diǎn)，以便Catmull-Rom曲線穿過首尾路徑點(diǎn)，生成整條漫游路徑。已知虛擬道路有1,2,···P(≥4)路徑點(diǎn)，可構(gòu)建出首尾2個(gè)輔助點(diǎn)0和P+1，其中，0=21–2， P+1=2P–P–1。則插值公式為

令：

=2P–1，=P–P–2

=2P–2–5P–1+4P+P+1

=–P–2+3P–1–P+P+1

式(2)可以化簡(jiǎn)為

因此，只需利用已知的路徑點(diǎn)，就可以由式(3)生成整條漫游路徑。在生成漫游路徑時(shí)，直線段通常只需2個(gè)路徑點(diǎn)，曲率較大的曲線段則需要布置多個(gè)路徑點(diǎn)，以保證生成的漫游路徑與虛擬道路有較好的重合度。然而，式(3)會(huì)在2個(gè)路徑點(diǎn)之間生成相同個(gè)數(shù)的插值點(diǎn)，這會(huì)使得曲率較大曲線段處有更多插值點(diǎn)。如圖2所示，相同距離下，曲線段比直線段的插值點(diǎn)更多。

在虛擬漫游時(shí)，視點(diǎn)會(huì)沿著漫游路徑從一個(gè)插值點(diǎn)依次移動(dòng)到下一個(gè)插值點(diǎn)。當(dāng)距離間隔相同時(shí)，沿著Catmull-Rom曲線非等距插值漫游路徑勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)覺得直線段漫游速度要比曲線段漫游速度快，感受到運(yùn)動(dòng)失真。為此，需要改進(jìn)Catmull-Rom曲線插值算法，以生成等距插值的漫游路徑。

2 基于Catmull-Rom曲線等距插值的漫游路徑

在一條虛擬路道上，如果路徑點(diǎn)是均勻布置的，通過式(3)可以生成等距插值的漫游路徑，但是，人工很難放置出均勻的路徑點(diǎn)。本文提出一種基于Catmull-Rom曲線的等距插值算法，生成插值點(diǎn)均勻分布的的漫游路徑。在已知插值點(diǎn)總數(shù)目的條件下，基于Catmull-Rom曲線等距插值算法的核心是求出曲線總長(zhǎng)度，然后根據(jù)距離進(jìn)行插值，使得插值點(diǎn)之間的長(zhǎng)度相同。要根據(jù)距離進(jìn)行曲線插值，首先要獲取曲線段的長(zhǎng)度；然后計(jì)算出點(diǎn)在曲線上的位置。已知根據(jù)參數(shù)可計(jì)算曲線上插值點(diǎn)的位置坐標(biāo)。因此只要找出曲線長(zhǎng)度與參數(shù)的關(guān)系，即可獲得某長(zhǎng)度下插值點(diǎn)的位置坐標(biāo)。在Catmull-Rom曲線算法中，為插值參數(shù)，而根據(jù)距離插值，需要將弧長(zhǎng)也作為參數(shù)。因此等距插值的重點(diǎn)在于弧長(zhǎng)參數(shù)化。

2.1 Catmull-Rom曲線長(zhǎng)度求解

從數(shù)學(xué)模型角度，式(3)可以看作是時(shí)間處位置為()的粒子的路徑。求出粒子在處的速度函數(shù)()，將()在?[min,max]上積分，可以獲得2個(gè)值之間的弧長(zhǎng)，由此獲得弧長(zhǎng)與曲線參數(shù)的函數(shù)()，即

若=1，()為曲線總長(zhǎng)度。

2.2 基于曲線長(zhǎng)度的插值點(diǎn)坐標(biāo)求解

將曲線均分為份，每份距離為/，將/，2/，···，代入()中，可求得每份距離對(duì)應(yīng)的值。并通過牛頓迭代法求出的近似解，設(shè)()=()–(0≤≤)，為弧長(zhǎng)，求出值，使得()=0。

由牛頓迭代法可得

將(t)=(t)–代入式(6)

(7)

迭代起始值可以設(shè)置為弧長(zhǎng)與曲線總長(zhǎng)度的比值

設(shè)置迭代誤差和迭代次數(shù)，將t值代入式(7)進(jìn)行迭代，可以求出t+1的近似解。

牛頓迭代可能會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤解的情況，主要原因如下：由于()=()≥0，可知()是非遞減函數(shù)。如果在?[0,1]上，()≥0，則()為凸函數(shù)，牛頓迭代收斂，在?[0,1]上一定有解。但在?[0,1]上，()可能為負(fù)值，導(dǎo)致牛頓迭代的解在?[0,1]之外。為了避免在的定義域之外進(jìn)行迭代，可將牛頓迭代法和二分法結(jié)合，求解值，如圖3所示。按圖3流程獲得的值后，將值代入式(3)，獲得對(duì)應(yīng)的插值點(diǎn)的坐標(biāo)。

2.3 基于Catmull-Rom曲線的等距插值

假設(shè)有一條漫游路徑，其點(diǎn)為1,2,···,P，輔助點(diǎn)為0，P+1，則基于Catmull-Rom曲線等距插值的過程描述如下(圖4)：

圖3 求解t的流程圖

圖4 Catmull-Rom曲線的等距插值

(3) 將整條漫游路徑均勻劃分為份，即在漫游路徑上添加個(gè)插值點(diǎn)，每個(gè)插值點(diǎn)據(jù)曲線起始點(diǎn)1的距離依次為

其中，S為插值點(diǎn)距離P+1點(diǎn)的弧長(zhǎng)；為插值點(diǎn)據(jù)曲線起始點(diǎn)1的距離；L為插值點(diǎn)之前的曲線段累加長(zhǎng)度。

(6) 求得插值點(diǎn)的坐標(biāo)值，即

通過上述步驟，可以求得均勻布置的插值點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)在整條漫游路徑上的均勻插值，生成等距插值的漫游路徑。在相同時(shí)間間隔情況下，人們沿著Catmull-Rom曲線等距插值漫游路徑勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)，就不會(huì)覺得直線段漫游速度比曲線段漫游速度快，可以感受到虛擬場(chǎng)景的勻速運(yùn)動(dòng)。

3 基于Catmull-Rom曲線實(shí)時(shí)插值的漫游路徑

無論是非等距插值還是等距插值，虛擬漫游系統(tǒng)需要預(yù)先計(jì)算出大量插值點(diǎn)，并且漫游過程中涉及多個(gè)插值點(diǎn)的計(jì)算，增加了虛擬漫游系統(tǒng)的開銷。本文提出了一種基于Catmull-Rom曲線的實(shí)時(shí)插值算法，可動(dòng)態(tài)生成漫游路徑。

假設(shè)虛擬漫游系統(tǒng)記錄當(dāng)前幀用戶已經(jīng)漫游的距離為S(即用戶在整段漫游路徑上已經(jīng)走過的弧長(zhǎng))，并接收到用戶的速度數(shù)據(jù)為V，那么下一幀漫游的總距離為

其中，為虛擬漫游系統(tǒng)2幀之間的時(shí)間間隔。

由2.3節(jié)中的第(4)步，可以判斷出插值點(diǎn)位于哪段曲線，將S+1代入式(9)中，可得

其中，S為當(dāng)前漫游位置在本段曲線的弧長(zhǎng)。

由2.3節(jié)中的第(5)和(6)步，可以求得下一幀插值點(diǎn)的坐標(biāo)值。在下一幀函數(shù)執(zhí)行時(shí)，視點(diǎn)(Camera)直接移動(dòng)到此位置，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)插值，動(dòng)態(tài)生成漫游路徑。

通過上述方法，可以實(shí)時(shí)獲得用戶的漫游位置，要實(shí)現(xiàn)虛擬漫游，還需要實(shí)時(shí)更新用戶的視角。通過讓用戶對(duì)著某段時(shí)間后用戶應(yīng)該在的位置，獲得用戶的當(dāng)前視角。

4 體感漫游一致性評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)

虛擬騎行是一種典型的體感漫游，通過開展虛擬騎行的體感一致性評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)，探討基于Catmull-Rom曲線插值算法與體感一致性的關(guān)系。

4.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境的構(gòu)建

虛擬騎行體感漫游實(shí)驗(yàn)環(huán)境主要由動(dòng)感單車模塊、藍(lán)牙通訊模塊和虛擬騎行場(chǎng)景模塊組成。動(dòng)感單車模塊通過光電測(cè)速傳感器以200 Hz的采樣頻率，獲取用戶的騎行速度，經(jīng)藍(lán)牙通訊模塊j將速度數(shù)據(jù)傳輸給虛擬騎行場(chǎng)景。虛擬騎行場(chǎng)景運(yùn)行在Windows 7操作系統(tǒng)的Boxx (3DBOXX 8500)工作站上，通過巴可Galaxy NW-12投影機(jī)，呈現(xiàn)在2.7 m×0 m的環(huán)形屏幕中，如圖5所示。工作站能夠?qū)崟r(shí)渲染虛擬場(chǎng)景。

圖5 虛擬騎行的實(shí)驗(yàn)環(huán)境

圖6 虛擬騎行的道路模型

圖7 虛擬道路上的路徑點(diǎn)

4.2 體感一致性的主觀評(píng)價(jià)

運(yùn)用Catmull-Rom曲線的非等距插值算法(插值點(diǎn)分別為10，20，40，100個(gè))、等距插值算法(插值點(diǎn)分別為10，20，40，100個(gè))和實(shí)時(shí)插值算法，分別生成9條虛擬騎行的漫游路徑。實(shí)驗(yàn)人員由50名身體健康人組成，其中男性30名，女性20名，年齡16~62歲；有騎車經(jīng)驗(yàn)且非專業(yè)運(yùn)動(dòng)員，志愿參加虛擬騎行體驗(yàn)。其事先不知道是哪個(gè)算法生成的漫游路徑，也不知道有多少個(gè)插值點(diǎn)。每位實(shí)驗(yàn)人員要在每條漫游路徑上重復(fù)騎行5次，共45次的虛擬騎行體驗(yàn)。

本文要求在每次體驗(yàn)過程中實(shí)驗(yàn)人員要有意識(shí)地控制騎車速度，分別進(jìn)行勻速騎行和變速騎行，并完成體感一致性問卷調(diào)查，結(jié)果見表1。

表1 體感一致性的主觀評(píng)價(jià)結(jié)果

從表1中得出：①動(dòng)停體感一致性與漫游路徑的生成算法基本無關(guān)；②無論是勻速騎行還是變速騎行，非等距插值漫游路徑的體驗(yàn)效果不佳；③無論是勻速騎行還是變速騎行，實(shí)時(shí)插值漫游路徑的體驗(yàn)效果比較好；④對(duì)于等距插值的漫游路徑，勻速騎行的體驗(yàn)效果較好，變速騎行的體驗(yàn)效果很一般。

所有參與實(shí)驗(yàn)人員，事先不知道是哪個(gè)算法生成的漫游路徑，在非等距插值漫游路徑的體驗(yàn)過程中，有人反應(yīng)在勻速騎行時(shí)，直道比彎道的騎行速度要快一些；在等距插值的體驗(yàn)過程中，有人反應(yīng)在變速騎行時(shí)，視覺上感受不到場(chǎng)景也在變速運(yùn)行；在實(shí)時(shí)插值的體驗(yàn)過程中，有人反應(yīng)在快速騎行時(shí)，場(chǎng)景有時(shí)會(huì)抖動(dòng)不夠連續(xù)。

4.3 非等距插值漫游路徑的仿真實(shí)驗(yàn)

在Windows 7操作系統(tǒng)的PC機(jī)(i7-4700MQ@ CPU 2.40 GHz，16.0 GB)上，開展非等距插值漫游路徑的仿真實(shí)驗(yàn)，設(shè)置視點(diǎn)以10 m/s的均速運(yùn)動(dòng)，記錄各段曲線段的漫游時(shí)間，見表2。

表2 非等距插值各曲線段的漫游時(shí)間(s)

由表2可以得到，直線段與曲線段的平均漫游時(shí)間，見表3。

表3 非等距插值直線段與曲線段漫游的平均時(shí)間(s)

經(jīng)分析，本文通過視點(diǎn)函數(shù)更新視點(diǎn)的位置和方向?qū)崿F(xiàn)虛擬漫游，視點(diǎn)函數(shù)的執(zhí)行會(huì)消耗一定的時(shí)間。在漫游過程中，視點(diǎn)沿著曲線的插值點(diǎn)依次移動(dòng)，即每2個(gè)插值點(diǎn)均需要執(zhí)行一次視點(diǎn)函數(shù)以更新位置與方向。因此插值點(diǎn)越多，函數(shù)執(zhí)行的次數(shù)越多，所需要的計(jì)算時(shí)間越多，這會(huì)造成插值點(diǎn)較少的直線段比插值點(diǎn)較多的曲線段漫游時(shí)間更少。

4.4 等距插值漫游路徑的仿真實(shí)驗(yàn)

在開展等距插值漫游路徑的仿真實(shí)驗(yàn)，設(shè)置視點(diǎn)以10 m/s的均速運(yùn)動(dòng)，記錄各段曲線段的漫游時(shí)間，見表4。

表4 等距插值各曲線段的漫游時(shí)間(s)

由表4可知：①在相同插值點(diǎn)個(gè)數(shù)下，相同距離的直線段和曲線段的漫游時(shí)間相同；②隨著插值點(diǎn)個(gè)數(shù)的增加，相同距離所需的漫游時(shí)間增長(zhǎng)。

進(jìn)而，在每段曲線上均勻插入4 000個(gè)插值點(diǎn)，以不同的速度進(jìn)行漫游，記錄各段曲線段的漫游時(shí)間，見表5。

表5 不同速度下等距插值各曲線段的漫游時(shí)間(s)

從表5可以發(fā)現(xiàn)，在插值點(diǎn)數(shù)量較多時(shí)，當(dāng)漫游速度提高到一定時(shí)，繼續(xù)加速，相同距離需要漫游時(shí)間并沒有明顯減少。此時(shí)，真實(shí)騎行加速與場(chǎng)景運(yùn)動(dòng)加速不匹配，會(huì)出現(xiàn)變速體感不一致現(xiàn)象。

原因在于將曲線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)為點(diǎn)與點(diǎn)之間的直線運(yùn)動(dòng)需要一定的計(jì)算時(shí)間，當(dāng)騎行速度過快時(shí)，在漫游路徑上會(huì)經(jīng)過更多的插值點(diǎn)，計(jì)算時(shí)間也會(huì)更多，最后會(huì)多于一幀所需要的時(shí)間。即騎行速度達(dá)到一定速度后，由于PC計(jì)算能力的限制，一幀的時(shí)間最多只能計(jì)算這么多插值點(diǎn)，繼續(xù)加速，一幀的時(shí)間，能到達(dá)的距離沒有太大的變化，這時(shí)速度對(duì)漫游前進(jìn)距離的影響就很小了。此時(shí)影響虛擬漫游速度的主要為插值點(diǎn)數(shù)目，當(dāng)插值點(diǎn)過多時(shí)，虛擬漫游速度會(huì)很慢。

5 總 結(jié)

體感漫游是近年來出現(xiàn)的一種新型虛擬漫游，存在著感知失真問題，會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的暈動(dòng)癥，用戶的體驗(yàn)感差，制約了其在娛樂、旅游和軍事等行業(yè)的應(yīng)用。在Catmull-Rom曲線的非等距插值算法的基礎(chǔ)上，本文提出了基于Catmull-Rom曲線的等距插值算法，能夠?qū)崿F(xiàn)勻速運(yùn)動(dòng)體感一致；本文提出了基于Catmull-Rom曲線的實(shí)時(shí)插值算法，能夠?qū)崟r(shí)動(dòng)態(tài)地生成漫游路徑，滿足虛擬漫游體感一致性的需求，用戶有較好的體驗(yàn)感，提升了虛擬漫游的沉浸感。

通過實(shí)驗(yàn)分析得出：Catmull-Rom曲線的非等距插值漫游路徑，無論是勻速漫游還是變速漫游，存在明顯的體感失真，特別是在插值點(diǎn)較多的情況下，場(chǎng)景運(yùn)動(dòng)速度與實(shí)際漫游速度的匹配程度更低，體感不一致的現(xiàn)象更為突出；基于Catmull-Rom曲線的等距插值漫游路徑能夠用于勻速的體感漫游，但是在變速漫游時(shí)，插值點(diǎn)個(gè)數(shù)不能太多，否則會(huì)出現(xiàn)變速體感不一致的現(xiàn)象；基于Catmull-Rom曲線的實(shí)時(shí)插值漫游路徑能夠用于勻速漫游和變速漫游，但是在高速度的虛擬漫游時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)場(chǎng)景不連續(xù)現(xiàn)象，需要提高虛擬漫游的場(chǎng)景渲染能力加以解決。在實(shí)驗(yàn)過程中，測(cè)試者感覺到明顯的體感不一致會(huì)加重暈動(dòng)癥[6,22]，這二者之間的定量化關(guān)系有待進(jìn)一步揭示。

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Immersion evaluation of virtual roaming with proprioceptive interaction

ZHOU Qiang1, ZHANG Min-xiong1, WU Xin-li1, LI Xin1, HUANG Jin-peng1, YANG Wen-zhen1, PAN Zhi-geng2,3

(1. Virtual Reality Laboratory, Zhejiang Sci-Tech University, Hangzhou Zhejiang 310018, China; 2. Digital Media & Interaction Research Center, Hangzhou Normal University, Hangzhou Zhejiang 311121, China; 3. Guangzhou NINED Digital Technology Co. Ltd, Guangzhou Guangdong 510623, China)

Immersion is significantly characteristic of virtual roaming. Currently perceptual distortion is a serious problem in virtual roaming with proprioceptive interaction. Thus, the visual perception of virtual scene motion cannot match the somatosensory perception, which undermines the immersion of virtual roaming. The curve non-equidistant interpolation algorithm, isometric interpolation algorithm and the real-time interpolation algorithm were established based on Catmull-Rom curve, so as to carry out the immersion evaluation of virtual roaming with proprioceptive interaction. The results of subjective evaluation experiments and simulation experiments show that the non-equidistant interpolated roaming paths of Catmull-Rom curves had obvious somatosensory distortions both in uniform roaming and in variable-speed roaming. The equidistant interpolation roaming path based on Catmull-Rom curve was suitable for uniform roaming, but unsuitable for variable-speed roaming. The real-time interpolated roaming path based on Catmull-Rom curve can match the real-motion speed with the scene-motion speed, thus solving the inconsistency between the visual perception and body motion perception in virtual roaming. Therefore, the proposed algorithms can improve the immersion of virtual roaming.

virtual roaming; proprioceptive interaction; Catmull-Rom curve; roaming path; somatosensory evaluation

TP 391

10.11996/JG.j.2095-302X.2020030342

A

2095-302X(2020)03-0342-08

2019-12-10；

2020-01-03

廣州創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)領(lǐng)軍團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目(CXLJTD-201609)；浙江省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(LY20F020019，LQ19F020012，LQ20F020001)；國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2018YFB1004901)；浙江省基礎(chǔ)公益研究計(jì)劃項(xiàng)目(LGF19E050005)

周 強(qiáng)(1996-)，男，浙江余杭人，碩士研究生。主要研究方向?yàn)樘摂M現(xiàn)實(shí)、人機(jī)交互。E-mail：2947093807@qq.com

楊文珍(1976-)，男，浙江義烏人，教授，博士，碩士生導(dǎo)師。主要研究方向?yàn)樘摂M現(xiàn)實(shí)、人機(jī)交互。E-mail：ywz@zstu.edu.cn