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，對視場進行模糊處理，模糊處理采用N×N高斯核進行卷積濾波。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行濾波，第二個pass采用豎直方向的高斯核對圖像進行濾波。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，并且均符合以下標準：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記為1到6的標簽。

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行行走和轉(zhuǎn)彎，按照標記的數(shù)字順序拾取并銷毀當前展臺。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

進行過實驗一的八位被試需要繼續(xù)進行實驗二。

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，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。癥狀嚴重程度(即SSQ總分)可以根據(jù)每個類別的分數(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簽，標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簽，標簽的朝向隨機擺放。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簽與位置有記憶，將兩個場景標簽上的數(shù)字運算題進行隨機改動。

(a)根據(jù)展柜的標簽和手柄上的標簽，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。只有當文物標簽上面的數(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(即頭盔的世界坐標位置X，Y，Z以及相對于基站的X，Y，Z坐標軸的旋轉(zhuǎn)角度)并記錄被試2次/秒的頭部位置及角度坐標。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)計差異進行了分析。分析結(jié)果表明，這一組被試在不同時間進行對比實驗的關(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

變量均值標準差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簽和文物進行快速識別并對放置位置進行準確判斷，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)果進行充分的論證。