俞志榮

（中國聯(lián)通福建省分公司，福建 福州 350007）

0 引言

近年來，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)迅猛發(fā)展，觸覺傳感作為物聯(lián)網(wǎng)感知中的重要一環(huán)，亦受到了越來越多研究人員的關(guān)注。觸感通信可將觸覺信息反饋給用戶，從而大大增強(qiáng)用戶的真實(shí)感和沉浸感，因此觸感通信技術(shù)具有巨大的發(fā)展前景，它已被廣泛應(yīng)用于遠(yuǎn)程醫(yī)療、維修、虛擬游戲等領(lǐng)域[1-5]。質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)是觸感通信技術(shù)研究中的重要環(huán)節(jié)，它的準(zhǔn)確性對(duì)觸感通信實(shí)際質(zhì)量有重要影響。當(dāng)前在觸感通信中仍采用與傳統(tǒng)通信相同的質(zhì)量評(píng)價(jià)方式，即采用加權(quán)均方誤差（WMSE）衡量通信失真[6-8]，并依此評(píng)判通信質(zhì)量。但是，觸感通信具備有別于傳統(tǒng)通信的死區(qū)特性，而WMSE未考慮此特性，忽略了人體感知界限，因此其往往不能正確反映觸感用戶的真實(shí)感受。為了解決此問題，本文基于觸感死區(qū)特性，提出了一種新的適用于觸感通信的質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)，并設(shè)計(jì)主觀實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該指標(biāo)的性能。

1 傳統(tǒng)觸感通信質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)及其缺陷

目前觸感通信采用的質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)為WMSE，其公式[7]如下所示：

式中N是樣本總數(shù)，為觸感通信系統(tǒng)發(fā)送端的原始數(shù)據(jù)，為接收端的數(shù)據(jù)，從式（1）可明顯看出，WMSE僅從數(shù)據(jù)失真方面度量通信質(zhì)量，并未考慮人體的真實(shí)感受，這個(gè)缺陷影響了其評(píng)價(jià)觸感通信質(zhì)量的精確度。

在心理物理學(xué)中，由于人類對(duì)刺激的感知是有限的，因此無法感知一定范圍的刺激變化。Hinterneer[9]等人根據(jù)以上結(jié)論，將人體無法察覺的刺激范圍稱為死區(qū)，并定義了死區(qū)參數(shù)k如下：

式中x是觸覺樣本，△x是可感知的變化閾值。根據(jù)上述死區(qū)的概念可知，當(dāng)觸感通信中的數(shù)據(jù)變化閾值不超過死區(qū)參數(shù)時(shí)，人體將無法感知數(shù)據(jù)的變化，這就是觸感通信的死區(qū)特性。顯然，為確保精度，觸感通信質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)應(yīng)考慮此死區(qū)特性，也就是說，為使評(píng)價(jià)指標(biāo)的計(jì)算結(jié)果符合人體實(shí)際感受，應(yīng)忽略死區(qū)范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)失真。然而，從式（1）所示的WMSE計(jì)算公式可明顯看出，WMSE并沒有甄別數(shù)據(jù)失真是否在死區(qū)范圍，因此利用其衡量觸感通信質(zhì)量往往無法正確反映用戶的真實(shí)感受。因此，有必要基于觸感死區(qū)特性提出一種更符合人體實(shí)際感受的質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)。

2 基于觸感死區(qū)特性的通信質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)

由觸感死區(qū)特性可知，如果接收到的數(shù)據(jù)和發(fā)送的數(shù)據(jù)之間的差異在死區(qū)范圍內(nèi)，則人體將無法感知該差異，因此在針對(duì)觸感通信設(shè)計(jì)質(zhì)量評(píng)價(jià)時(shí)應(yīng)考慮此特性，也就是說，指標(biāo)亦應(yīng)該忽略死區(qū)范圍內(nèi)的差異，以適應(yīng)人體的真實(shí)感受?；谏鲜鲈?，本文設(shè)計(jì)的觸感通信質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)如下。

首先，定義函數(shù)D(i)，若接收端和發(fā)送端的數(shù)據(jù)之差未超出死區(qū)范圍，則令D(i)為0，反之設(shè)為1，公式如下：

式中k為式（2）所示的死區(qū)參數(shù)，一般取經(jīng)驗(yàn)值0.1。然后，令：

式中N為傳輸?shù)臄?shù)據(jù)總數(shù)。則式（4）所示的HPM即為本文所提適用于觸感通信的質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為驗(yàn)證本文所提指標(biāo)與傳統(tǒng)的WMSE相比是否更能符合人體真實(shí)感受，本文設(shè)計(jì)了主觀實(shí)驗(yàn)，并通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行性能對(duì)比。

3.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

本文搭建的觸感通信仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖1所示。該平臺(tái)采用兩臺(tái)Geomagic Touch 觸感設(shè)備作為觸感通信發(fā)送端和接收端。這是目前應(yīng)用最廣泛的力反饋設(shè)備，是一種具有六個(gè)自由度的筆式的觸感設(shè)備，可以精確測(cè)量三維位置，并向測(cè)試者提供真實(shí)的力反饋。

圖1 觸感通信仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

3.2 主觀實(shí)驗(yàn)

根據(jù)國際電信聯(lián)盟ITU頒布的《主觀測(cè)試建議書》（ITU-R BT.500）[10]，本文基于上述觸感通信仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)規(guī)范地設(shè)計(jì)并完成了主觀實(shí)驗(yàn)。

20名志愿者參加了本次實(shí)驗(yàn)，均為非專業(yè)人員。他們對(duì)觸感通信在不同丟包率情況下（本文測(cè)試了8種丟包率，分別為是：0%、5%、10%、15%、20%、30%、40%、50%）的主觀感受進(jìn)行了實(shí)時(shí)評(píng)分。評(píng)分采用11分制，0分為最優(yōu)，10分為最差，具體評(píng)分細(xì)則表1所示。

表1 主觀實(shí)驗(yàn)評(píng)分細(xì)則

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，本文根據(jù)《主觀測(cè)試建議書》要求，對(duì)測(cè)試者的主觀評(píng)分進(jìn)行了平均計(jì)算，獲得了平均意見分（MOS）[11]，計(jì)算公式如下：

式中si表示每個(gè)測(cè)試者在某個(gè)丟包率下的主觀評(píng)分，M代表測(cè)試人員的數(shù)量。

根據(jù)式（5）所得的MOS值代表了用戶最真實(shí)的主觀感受，因此將式（1）和式（4）計(jì)算所得的WMSE和HPM分別與MOS值求相關(guān)性，即可判斷哪個(gè)指標(biāo)更能符合人體主觀感受。本文采用Pearson相關(guān)系數(shù)來計(jì)算上述相關(guān)性。

基于測(cè)試者在主觀實(shí)驗(yàn)中的評(píng)分，利用上述方法計(jì)算所得的相關(guān)系數(shù)如表2所示。從該表數(shù)據(jù)可看出，本文所提的指標(biāo)HPM與測(cè)試者主觀評(píng)分MOS的相關(guān)系數(shù)為0.72，明顯高于WMSE的0.64，這表明HPM相比于WMSE更符合人體的主觀感受。

表2 WMSE與HPM的相關(guān)系數(shù)

4 結(jié)論

本文在分析觸感通信傳統(tǒng)質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)缺陷的基礎(chǔ)上，根據(jù)觸感死區(qū)特性，提出了一種新的觸感通信質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)HPM，并通過主觀實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了指標(biāo)性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明本文所提HPM指標(biāo)相比于傳統(tǒng)的WMSE更符合人體主觀感受。該指標(biāo)可為觸感通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供更加精確的指導(dǎo)。