探討影響虛擬現(xiàn)實博物館系統(tǒng)的視覺不舒適度因素及減緩方法

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(Virtual Reality，VR)的核心為計算機技術(shù)，生成在視覺、聽覺、觸覺等方面產(chǎn)生與真實環(huán)境近似的數(shù)字環(huán)境。虛擬現(xiàn)實的典型特征為“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，因此在近幾年受到越來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體用戶虛擬現(xiàn)實使用設(shè)備，具有高渲染質(zhì)量、低價格、使用代碼開源等特點，在虛擬現(xiàn)實市場上得到廣泛應(yīng)用[2]。但是大量體驗者在使用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)實暈動癥[3]。本文探討了漫游虛擬博物館的過程中產(chǎn)生的視覺不舒適度因素，分析了產(chǎn)生這些癥狀的原因，并針對引起這些癥狀的因素設(shè)計了對視場進(jìn)行動態(tài)模糊和減小引起視覺感知沖突的渲染系統(tǒng)，實驗表明，該系統(tǒng)可以大幅減輕虛擬現(xiàn)實博物館體驗的不舒適度。

2 相關(guān)工作

2.1 由視覺引起暈動癥的產(chǎn)生原因

用戶在使用頭部控制的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)后產(chǎn)生的暈動病稱為虛擬現(xiàn)實暈動癥，用戶在自身不動的情況下觀察動態(tài)場景，會產(chǎn)生強烈的運動錯覺[3]。感知沖突理論認(rèn)為，人的不同感知器官如果對外部的環(huán)境刺激產(chǎn)生的感知不同，就很容易產(chǎn)生暈動癥，在虛擬現(xiàn)實暈動癥中，視覺與前庭的沖突最為明顯[5]。姿態(tài)穩(wěn)定理論認(rèn)為，暈動病是由于身體或某個部位姿勢控制不穩(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 由視覺引起的暈動癥的解決方法

目前，研究者針對如何減緩基于視覺引起的暈動癥進(jìn)行了大量研究。Robert S.Kennedy等人研究表明暈動癥會因為反復(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癥[11]。Mark等人提出在汽車駕駛中減少加速度可以減小暈動癥[12]。Stoffregen等人發(fā)現(xiàn)被試姿勢的穩(wěn)定性可以影響暈動癥的發(fā)病率。Duh等人提出獨立視覺背景(IVB)可以減輕視覺和慣性產(chǎn)生的矛盾[16]。此外研究顯示，降低視場角(FOV)可以有效的減緩暈動癥[15]。

2.3 知覺感知

(1)模糊的知覺感知

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)量和真實感，基于景深的模糊可以減少單眼區(qū)域競爭，因此可以在不影響虛擬現(xiàn)實質(zhì)量的情況下減少視覺不舒適度。模糊可以通過屏蔽高頻空間數(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)景深的知覺感知

焦點暗示包括模糊和方向適應(yīng)，這個方法可以減少視覺疲勞，進(jìn)而提高三維體驗的質(zhì)量。改善立體顯示中關(guān)注內(nèi)容的焦點可以減少由朝向適應(yīng)矛盾造成的壓力，進(jìn)而減少視覺疲勞和不適。而且添加模糊(甚至是模糊程度很大的情況下)并不會影響被試對虛擬環(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)實場景中漫游時，大約86%的固定時間和82%的關(guān)注時間都在屏幕的中心[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角距離大，因此不能認(rèn)為屏幕中心的對象就是雙眼實際關(guān)注的焦點。Carnegie K等人提出采取透射多條射線求取平均值[2]的方法計算焦點位置，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的距離。被試旋轉(zhuǎn)或者加速行走時，對視場進(jìn)行模糊處理，模糊處理采用N×N高斯核進(jìn)行卷積濾波。為了減少計算量，將二維高斯函數(shù)拆分成兩個一維高斯函數(shù)，在shader中調(diào)用兩個pass，第一個pass采用水平方向的一維高斯核對圖像進(jìn)行濾波，第二個pass采用豎直方向的高斯核對圖像進(jìn)行濾波。如圖2(c)所示，針對場景二，由于每個展臺的尺寸為1×1m2，展臺之間的距離為2m，所以以焦點物體景深加減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，并且以焦點中心為圓心，以簡單輻射狀模式將FOV減小20%。

4 實驗一

實驗一的目的是讓被試熟悉手柄操作。

4.1 被試

實驗隨機挑選了身體健康的四名男性和四名女性參與實驗，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)：沒有視覺疾病，沒有影響身體平衡或者姿勢控制的神經(jīng)系統(tǒng)疾病，沒有前庭功能障礙。

4.2 實驗材料

被試基本信息表：

基本信息表用于調(diào)查收集實被試的基本信息及相關(guān)病史，即有無暈動癥歷史，有無視覺疾病，有無前庭功能障礙。

4.3 實驗設(shè)備

如圖1(a)所示，被試通過頭戴HTC VIVE的六自由度跟蹤定位的VR頭戴式顯示器(HMD)并操縱手柄實現(xiàn)在虛擬現(xiàn)實場景中漫游。實驗場景由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算機屏幕前，座椅為無靠背座椅

(b)實際實驗場景中目標(biāo)點的位置示意圖

(c)實驗一的場景圖1

4.4 實驗場景設(shè)計

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

4.5 實驗過程

實驗前，被試先填寫基本信息表，如果被試存在相關(guān)病史，則不能參與實驗，實驗中，被試被要求保持靜止姿勢，目視前方，頭戴頭盔顯示器并通過控制手柄進(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。左手Pad鍵的上、下、左、右鍵分別控制前、后、左、右移動，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。被試在場景中的移動速度為2m/s，轉(zhuǎn)動速度為30°/s，均為勻速運動。

5 實驗二

實驗二的目的是評估該系統(tǒng)在減緩虛擬現(xiàn)實博物館場景中由視覺引起的不舒適度方面的表現(xiàn)。

5.1 被試

進(jìn)行過實驗一的八位被試需要繼續(xù)進(jìn)行實驗二。

5.2 實驗材料

模擬器癥狀調(diào)查問卷：

模擬器癥狀調(diào)查問卷(Simulator Sickness Questionnaire，SSQ)[19]被廣泛應(yīng)用于虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的評估，問卷包括渾身不適、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 實驗設(shè)備

本次實驗用到的實驗設(shè)備與實驗一相同。

5.4 實驗場景設(shè)計

如圖2所示，對比實驗為兩個場景，均為圓形博物館場館，場館中擺放著間隔2m，尺寸為1×1×1m3的25個展臺，場館墻體和展臺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，每個展臺上有一個標(biāo)簽，標(biāo)簽上顯示簡單且不同的四則運算，如“3+3+3”，為了避免被試站在一個方向可以總覽全部標(biāo)簽，標(biāo)簽的朝向隨機擺放。地板為打蠟?zāi)举|(zhì)材料地板。手柄上會顯示不同的文物模型，如面具、青銅食器、擺件等。每個文物下也有一個標(biāo)簽且也有簡單四則運算。兩個場景的區(qū)別為場景一的圖像清晰不模糊(圖2(b))；場景二為應(yīng)用該模糊系統(tǒng)的場景(圖2(c))。同時為了防止被試二次實驗時對場景的標(biāo)簽與位置有記憶，將兩個場景標(biāo)簽上的數(shù)字運算題進(jìn)行隨機改動。

(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)條紋清晰場景

(c)條紋背景模糊場景圖2 實驗二的實驗場景

5.5 實驗過程

實驗分為對照組(場景一)和實驗組(場景二)，每位被試均需要在兩天的同一時間分別完成兩組實驗。被試初始位置均位于場館門口并背對展臺，頭戴頭盔顯示器通過控制手柄在虛擬場景中漫游，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)字運算結(jié)果與展臺上面數(shù)字結(jié)果相同，按Grip鍵有效，否則無效。當(dāng)手柄上沒有文物時，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。在實驗開始之前，被試先填寫SSQ問卷，若SSQ問卷總分大于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問卷，若問卷得分仍不理想(大于10)，則需要更改實驗日期。實驗中，每位被試被隨機分配實驗場景，被試需要端坐于沒有靠背的座椅上，并保持上身挺直，目視前方，實驗過程中通過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自由度(即頭盔的世界坐標(biāo)位置X，Y，Z以及相對于基站的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)。實驗中若被試明顯感到非常不適，則立刻終止實驗，不論完成與否均需要在每次實驗結(jié)束后再進(jìn)行一次填寫SSQ問卷。

6 結(jié)果

實驗中，共有8位被試參與并完成了對比實驗，并對兩次實驗下每位被試的數(shù)據(jù)進(jìn)行了收集，包括SSQ得分和頭部運動數(shù)據(jù)。圖3顯示了對照組和實驗組中每個被試的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為對照組和實驗組中，對每個被試的SSQ問卷中的以上四個方面進(jìn)行配對T-檢驗法的展示表，圖4顯示了對照組和實驗組中每位被試的頭部運動情況，通過比較發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用該系統(tǒng)后被試的頭部運動幅度明顯減小。

7 分析

據(jù)表1所示，針對該系統(tǒng)的減緩暈動癥的效果，本研究使用配對T-檢驗法對同一組被試在不同時間參加的兩次實驗(對照組和實驗組)關(guān)于暈動癥SSQ問卷在惡心程度、眼部不適程度、方向迷失程度、癥狀嚴(yán)重程度等四個方面的測試結(jié)果的綜合均值之間是否存在顯著統(tǒng)計差異進(jìn)行了分析。分析結(jié)果表明，這一組被試在不同時間進(jìn)行對比實驗的關(guān)于暈動癥SSQ問卷在以上四個方面的評分綜合值之間存在顯著統(tǒng)計差異。對于惡心程度，t=5.057，df=7，p=0.001，對于眼部不適程度，t=4.333，df=7，p=0.003，對于迷失方向程度，t=4.583，df=7，p=0.003，對于癥狀嚴(yán)重程度，t=5.199，df=7，p=0.001，因為p值均小于0.05，所以對于這一組被試，應(yīng)用該系統(tǒng)后的舒適度明顯提升。所以，該系統(tǒng)能有效地減緩暈動癥，從而減小在虛擬博物館中漫游時產(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 被試在實驗組和對照組中的SSQ得分情況注：1-8分別為每個被試的編號。

(a)對照組中被試的頭部運動情況

(b)實驗組中被試的頭部運動情況圖4 實驗中的被試的頭部運動情況

變量均值標(biāo)準(zhǔn)差tdfp惡心程度5.05770.001對照組52.4727.46實驗組15.5010.12眼部不適程度4.33370.003對照組31.2627.61實驗組18.9520.25方向迷失程度4.58370.003對照組80.0446.91實驗組27.8419.68癥狀嚴(yán)重程度5.19970.001對照組31.1317.94實驗組11.608.33

根據(jù)圖3、圖4觀察可知，兩種實驗場景都會引發(fā)不舒適感。根據(jù)感知沖突理論，被試在場景中漫游而身體處于靜止，容易引起視覺與前庭沖突并引發(fā)暈動癥。人眼的視網(wǎng)膜分為兩個區(qū)域，中心區(qū)域用來感知和識別物體，但是不能感知物體的運動和相對位置情況，而周圍區(qū)域可以感知物體的運動和位置信息，實驗中，被試將全部注意力都集中在展臺和文物，視網(wǎng)膜中心區(qū)域可以對展臺上的標(biāo)簽和文物進(jìn)行快速識別并對放置位置進(jìn)行準(zhǔn)確判斷，視網(wǎng)膜中心區(qū)域的物體識別只針對顯著性物體而不針對背景，當(dāng)被試在場景中移動時，豎直條紋容易被視網(wǎng)膜周圍區(qū)域感知，并引起運動錯覺，從而引起視覺與前庭感知沖突，導(dǎo)致暈動癥。而當(dāng)被試者產(chǎn)生較為強烈的不舒適感時會加劇身體及頭部的運動，根據(jù)姿態(tài)穩(wěn)定理論，暈動病與身體或某個部位姿勢控制不穩(wěn)定有很大的關(guān)系，身體與頭部的運動更容易失去穩(wěn)定性從而失去控制感，即暈動癥引起姿態(tài)不穩(wěn)，姿態(tài)不穩(wěn)又反作用于暈動癥，從而加劇癥狀。而通過添加動態(tài)模糊，改變用戶視場，視網(wǎng)膜由需要感知屏幕中的全部場景信息減少到只需要感知當(dāng)前關(guān)注的部分場景信息，視網(wǎng)膜周圍區(qū)域?qū)ξ矬w的運動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癥的癥狀。

8 結(jié)束語

本文分析了在虛擬現(xiàn)實博物館中漫游時，引起被試不適的主要癥狀，分析了暈動癥產(chǎn)生的原理，提出了動態(tài)模糊改變用戶視場來減少引起視覺感知沖突的渲染系統(tǒng)，并通過實驗證明了該系統(tǒng)可以改善用戶在虛擬現(xiàn)實博物館漫游的舒適度。該渲染系統(tǒng)通過添加景深和視場模糊的場景，有效地減輕了用戶的不舒適程度，而且并沒有對其完成任務(wù)與體驗感造成太大影響。但是本次實驗選取的實驗人數(shù)較少，在進(jìn)一步的實驗中會增加實驗人數(shù)對該系統(tǒng)及實驗結(jié)果進(jìn)行充分的論證。