王慶月

摘 要： 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)發(fā)展迅速，已廣泛應(yīng)用于諸多領(lǐng)域，傳統(tǒng)CAVE系統(tǒng)由于占地面積大、成本高、裝調(diào)困難，難以推廣和普及。因此，便攜式CAVE系統(tǒng)的研究與開發(fā)對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的普及與發(fā)展具有重要意義。針對(duì)此現(xiàn)狀，根據(jù)便攜式CAVE系統(tǒng)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了目視光學(xué)系統(tǒng)，研究了投影圖像的畸變矯正和隨機(jī)點(diǎn)立體圖的生成算法，搭建了基于目視光學(xué)系統(tǒng)調(diào)節(jié)的近距立體顯示系統(tǒng)。設(shè)計(jì)并實(shí)施視覺舒適度的主觀評(píng)估實(shí)驗(yàn)，探究近距顯示引起的視疲勞程度與視差大小的關(guān)系，對(duì)基于目視光學(xué)系統(tǒng)調(diào)節(jié)的立體顯示系統(tǒng)的視覺舒適度進(jìn)行評(píng)估。該研究為便攜式CAVE系統(tǒng)的研究提供了參考依據(jù)，對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展和立體視覺舒適度的研究具有一定的實(shí)際意義。

關(guān)鍵詞： 虛擬現(xiàn)實(shí)； 雙目視差； 近距顯示； 視覺舒適度

中圖分類號(hào)： TN27?34； TM417 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2017）01?0140?05

Abstract： The virtual reality technology developed rapidly， and has been widely used in many fields， but the traditional CAVE system is difficult to promote and popularize due to the large floor space， high cost and difficult installation and adjustment， therefore， the research and development of the portable CAVE system has great significance to the popularization and development of the virtual reality technology. According to the features of the portable CAVE system， the visual optical system was designed， the distortion correction of the projected image and random dot stereogram generation algorithm are studied， and the close range stereoscopic display system based on visual optical system adjustment was built. The subjective evaluation experiment of the visual comfort degree was designed and implemented to explore the relationship between the visual fatigue degree and parallax caused by the close range display. The visual comfort degree of the stereoscopic display system based on visual optical system was assessed. This technology provides a reference foundation for the study of the portable CAVE system， and has a certain practical significance to the development of the virtual reality technology and the study of the stereoscopic visual comfort degree.

Keywords： virtual reality； binocular disparity； close range display； visual comfort degree

0 引 言

近年來，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)發(fā)展迅速，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于軍事訓(xùn)練、醫(yī)學(xué)實(shí)習(xí)、娛樂游戲等諸多領(lǐng)域。傳統(tǒng)的虛擬現(xiàn)實(shí)顯示系統(tǒng)雖然技術(shù)成熟，但存在一些弊端，因此便攜式CAVE系統(tǒng)的概念應(yīng)運(yùn)而生。本文搭建了近距立體顯示原型系統(tǒng)，通過主觀實(shí)驗(yàn)，探究了便攜式CAVE系統(tǒng)中雙目視差的感知深度和單眼聚焦感知深度的差異，以及用戶可接受的視覺舒適范圍，對(duì)基于目視光學(xué)系統(tǒng)調(diào)節(jié)的立體顯示系統(tǒng)的視覺舒適度進(jìn)行評(píng)估。

1 立體視覺舒適度的評(píng)估方法

1.1 刺激方法的選擇

為了避免視差的時(shí)間積累效應(yīng)，實(shí)驗(yàn)采用雙刺激連續(xù)分級(jí)法。為控制實(shí)驗(yàn)過程中產(chǎn)生的習(xí)慣誤差，不同視差的立體圖按照隨機(jī)序列交替呈現(xiàn)，且各視差出現(xiàn)的次數(shù)相等，整個(gè)序列中在前在后的機(jī)會(huì)相等。

實(shí)驗(yàn)的具體刺激方法是：將波紋中心在零視差處的刺激物記為基準(zhǔn)圖波紋中心在其他位置的刺激物記為待評(píng)估圖每次施測(cè)依次顯示三個(gè)刺激物，其順序?yàn)榛蛘咂淠康氖菑?qiáng)迫用戶改變雙眼的輻輳角度。每個(gè)刺激物顯示1.5 s，三個(gè)刺激物共顯示4.5 s，不同視差的待評(píng)估圖像隨機(jī)出現(xiàn)。被試者要獨(dú)立地進(jìn)行觀測(cè)，選出其中一個(gè)與其他兩個(gè)波動(dòng)方向不同的刺激物，并對(duì)該過程的視覺舒適度進(jìn)行主觀評(píng)分。同一組圖像需隨機(jī)顯示兩次以便對(duì)評(píng)分結(jié)果進(jìn)行一致性檢查。

1.2 反應(yīng)指標(biāo)的選擇

反應(yīng)指標(biāo)的選擇應(yīng)依據(jù)以下原則：

（1） 無害性。所選取的反應(yīng)指標(biāo)不應(yīng)對(duì)被試者產(chǎn)生身體傷害，同時(shí)不能對(duì)被試者產(chǎn)生負(fù)面心理影響，阻礙實(shí)驗(yàn)的繼續(xù)進(jìn)行。

（2） 無干擾性。所選取的反應(yīng)指標(biāo)在測(cè)量過程中不能干擾被試者正常觀看圖像。

（3） 敏感性。所選反應(yīng)指標(biāo)應(yīng)該能夠有效地反應(yīng)出視覺舒適度和視覺疲勞程度。

根據(jù)分析，實(shí)驗(yàn)主要采用主觀評(píng)估方法對(duì)視覺舒適度進(jìn)行研究。主觀評(píng)價(jià)方法更適用于對(duì)視覺舒適度進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。舒適度的主觀評(píng)價(jià)方法[1]主要是讓被試者在觀看立體圖像前后根據(jù)自身的視覺狀況填寫問卷，并對(duì)問卷的結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

1.3 主觀量表設(shè)計(jì)方法

主觀量是指用戶對(duì)客觀刺激產(chǎn)生的主觀度量，又稱心理量[2]。在視覺實(shí)驗(yàn)中，主觀評(píng)估方法需對(duì)被試者心理量進(jìn)行測(cè)量。主觀實(shí)驗(yàn)中的心理度量表主要包括：強(qiáng)迫選擇度量表、圖示度量表和數(shù)值度量表。

（1） 強(qiáng)迫選擇度量表。強(qiáng)迫選擇度量表是在主觀評(píng)估實(shí)驗(yàn)時(shí)主試者提供一些對(duì)立相反的詞語讓被試者做出選擇。強(qiáng)迫選擇度量表可以避免被試者受到他人的影響，但可能會(huì)使被試者產(chǎn)生抵觸情緒，因?yàn)榇蠖鄶?shù)人不愿意讓自己處于兩難選擇的境地。

（2） 圖示度量表。圖示度量表好比一個(gè)溫度計(jì)，通常用一條直線表示，直線兩端具有相反程度的詞語。這條直線可以是水平的，也可以是垂直的。實(shí)驗(yàn)中被試者需在直線上做標(biāo)記，實(shí)驗(yàn)后主試者用標(biāo)尺對(duì)標(biāo)記進(jìn)行度量，將它轉(zhuǎn)換成數(shù)字并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。圖示度量表的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)工作較為復(fù)雜和繁瑣，本文實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)量巨大，因此圖示度量表并不適用。

（3） 數(shù)值度量表。在數(shù)值度量表中，被試者根據(jù)事先定義的數(shù)字等級(jí)進(jìn)行評(píng)定，一般為7級(jí)評(píng)分或5級(jí)評(píng)分。在視覺舒適度研究中，可設(shè)計(jì)度量表如下：非常舒適、舒適、一般、不舒適、非常不舒適。設(shè)定等級(jí)分值時(shí)可以考慮“非常不舒適”為-2分，“不舒適”為-1分，“一般”為0分，“舒適”為1分，“非常舒適”為2分；也可以考慮“非常不舒適”為1分，“不舒適”為2分，“一般”為3分，“舒適”為4分，“非常舒適”為5分。通常情況下不管哪種處理和分析得到的結(jié)果是等效的。

本文實(shí)驗(yàn)為了使被試者容易理解，考慮一般人的思維模式，將數(shù)值度量表等級(jí)設(shè)計(jì)為：“非常舒適”為1分，“舒適”為2分，“一般”為3分，“不舒適”為4分，“極不舒適”為5分。舒適度量表如表1所示。

2 近距立體顯示實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

2.1 目視光學(xué)系統(tǒng)

在便攜式CAVE系統(tǒng)中，需要利用目視光學(xué)系統(tǒng)調(diào)節(jié)用戶眼睛的調(diào)節(jié)距離，使人眼不再聚焦于屏幕上。本文實(shí)驗(yàn)的目的是研究經(jīng)過目視光學(xué)系統(tǒng)調(diào)節(jié)后的單眼調(diào)節(jié)距離和雙眼輻輳距離的差異對(duì)用戶視覺舒適度的影響。實(shí)驗(yàn)中需通過改變目視光學(xué)系統(tǒng)的屈光度來改變被試者單眼的調(diào)節(jié)距離。考慮到人眼作為自然界的最高級(jí)光學(xué)接收系統(tǒng)，具有極強(qiáng)的自我適應(yīng)和調(diào)節(jié)能力，因此，本系統(tǒng)選用單片式目鏡即可滿足基本的成像要求。

2.2 隨機(jī)點(diǎn)立體圖的生成

隨機(jī)點(diǎn)立體圖像對(duì)的生成算法如下：

設(shè)基面為視差面為

（1） 將基面沿縱方向均分成塊，左邊第一塊區(qū)域?yàn)樵紖^(qū)，其余各塊區(qū)域均為重復(fù)區(qū)域。重復(fù)間距為d必須小于瞳距。

（2） 在原始區(qū)內(nèi)畫一個(gè)隨機(jī)點(diǎn)

（3） 令得到一新的點(diǎn)如果點(diǎn)在面內(nèi)，則令如果點(diǎn)不在面內(nèi)，則令然后在處畫出這個(gè)新點(diǎn)。

（4） 重復(fù)上述步驟（2）、步驟（3），直到圖面上布滿適當(dāng)密度的隨機(jī)點(diǎn)為止。

2.3 投影圖像的畸變矯正

本系統(tǒng)應(yīng)采用側(cè)投影的方式，在這種情況下投影圖像會(huì)產(chǎn)生畸變，應(yīng)進(jìn)行投影圖像的畸變矯正。進(jìn)行投影圖像的畸變矯正的模型是將真實(shí)投影機(jī)的投影圖像變換為虛擬投影機(jī)的投影圖像，從而恢復(fù)原始圖像[5]。其基本過程是：根據(jù)透視變換原理，先計(jì)算出投影機(jī)圖像平面到投影平面的單映矩陣，再將投影機(jī)圖像平面上的所有像素點(diǎn)乘以這個(gè)單映矩陣后進(jìn)行顯示，那么屏幕上獲得的圖像就是校正后的圖像。

3 近距立體顯示系統(tǒng)的舒適度評(píng)估實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康募霸?/p>

本實(shí)驗(yàn)的主要目的是研究基于目視光學(xué)系統(tǒng)調(diào)節(jié)的近距立體顯示系統(tǒng)中單眼感知深度（調(diào)節(jié)距離）和雙眼感知深度（輻輳距離）[5]的差異對(duì)用戶視覺舒適度的影響。

由式（8）可知，當(dāng)眼睛到屏幕的距離和瞳距一定時(shí)，通過改變立體圖像對(duì)的水平視差可以改變被試者的雙眼感知深度（輻輳距離）。

3.2 被試者篩選及培訓(xùn)

篩選工具：數(shù)字化立體視覺檢查圖（立體視覺檢查卡、立體視銳度檢查卡）、瞳距測(cè)量尺。

本實(shí)驗(yàn)被試者的篩選流程如下：

第一步：詢問被試者眼部的健康狀況、有無色盲、是否做過眼部手術(shù)、是否有眼部病史，如結(jié)膜炎、眼眶骨折等，篩選出眼睛健康且無病史的被試者。

第二步：進(jìn)行立體視覺測(cè)試，檢查被試者的雙目立體視覺是否正常，排除立體盲。

第三步：對(duì)立體視覺正常的被試者進(jìn)行立體視銳度測(cè)試，篩選出立體視銳度小于60 arcmin的被試者。

第四步：對(duì)被試者的年齡、性別、視力、瞳距、有無主觀實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)、是否從事立體視覺相關(guān)工作等基本信息進(jìn)行記錄[6]。

為了避免被試者由于不熟悉實(shí)驗(yàn)流程和操作過程而影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，實(shí)驗(yàn)前需對(duì)被試者進(jìn)行相關(guān)培訓(xùn)和模擬練習(xí)。

首先，采用無偏向性的語氣向被試者講解實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、評(píng)價(jià)類型、評(píng)價(jià)等級(jí)和時(shí)間限制等內(nèi)容，使被試者正確透徹地理解評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，并向被試者展示舒適度明顯不同的若干立體圖像示例。

然后，讓被試者進(jìn)行模擬練習(xí)，模擬練習(xí)的內(nèi)容與正式的實(shí)驗(yàn)過程類似。被試者連續(xù)觀看三組立體圖像后，用選擇器輸入差異圖像的編號(hào)并對(duì)該組立體圖像引起的視疲勞程度進(jìn)行評(píng)分，練習(xí)時(shí)間為3 min。

培訓(xùn)完成后，被試者即可進(jìn)行正式的主觀視覺舒適度評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)。

3.3 實(shí)驗(yàn)過程

實(shí)驗(yàn)1：探究近距顯示引起的視覺疲勞與視差的關(guān)系

被試者佩戴屈光度為0的目視光學(xué)系統(tǒng)，在距離屏幕0.6 m的位置觀察隨機(jī)出現(xiàn)的立體圖像，并進(jìn)行視覺任務(wù)測(cè)試和主觀舒適度評(píng)分。實(shí)驗(yàn)1設(shè)定刺激物的中心到被試者的距離（輻輳距離）分別為0.79 m，0.94 m，1.15 m，1.50 m，2.14 m，3.75 m，且隨機(jī)出現(xiàn)。調(diào)節(jié)距離為0.6 m。

實(shí)驗(yàn)1共進(jìn)行36組小測(cè)試。每組測(cè)試會(huì)連續(xù)出現(xiàn)3幅立體圖像，被試者雙眼融像[7]后，可看到立體圖像出現(xiàn)正弦波紋的效果，被試者需選出一個(gè)與其他兩個(gè)正弦波動(dòng)方向不同的立體圖像，利用選擇器將它的編號(hào)輸入到主機(jī)系統(tǒng)中。然后對(duì)該組小測(cè)試產(chǎn)生的視覺疲勞癥狀進(jìn)行主觀評(píng)分。

時(shí)間安排及流程：三種位置（1，2，3）×6種輻輳距離（0.79 m，0.94 m，1.15 m，1.50 m，2.14 m，3.75 m）×2種顯示序列（B?Xi?B或Xi?B?Xi）=36次施測(cè)，每次施測(cè)時(shí)間為1 min×36次=36 min。

實(shí)驗(yàn)2：探究基于目視光學(xué)系統(tǒng)調(diào)節(jié)的立體視覺舒適度

被試者隨機(jī)佩戴屈光度分別為的目視光學(xué)系統(tǒng)，在距離屏幕0.6 m的位置依次進(jìn)行3個(gè)亞組的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)2中設(shè)定刺激物的中心到被試者的距離（輻輳距離）分別為0.79 m，0.94 m，1.15 m，1.50 m，2.14 m，且隨機(jī)出現(xiàn)。人眼的調(diào)節(jié)距離分別為1.09 m，1.50 m，2.40 m。

實(shí)驗(yàn)2中每個(gè)亞組各進(jìn)行30組小測(cè)試。每組測(cè)試會(huì)連續(xù)出現(xiàn)3幅立體圖像，被試者雙眼融像后，可以看到立體圖像出現(xiàn)正弦波紋的效果，被試者需選出一個(gè)與其他兩個(gè)正弦波動(dòng)方向不同的立體圖像，利用選擇器將它的編號(hào)輸入主機(jī)中，然后對(duì)該組小測(cè)試產(chǎn)生的視覺疲勞癥狀進(jìn)行主觀評(píng)分。

時(shí)間安排及流程：3種透鏡度數(shù)×3種位置（1，2，3）×5種輻輳距離（0.79 m，0.94 m，1.15 m，1.50 m，2.14 m）×2種顯示序列（B?Xi?B或Xi?B?Xi）=90次施測(cè)，每次施測(cè)調(diào)節(jié)時(shí)間為1 min×90+15 min間隔休息×2=120 min。

3.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

（1） 近距顯示引起的視覺疲勞與視差絕對(duì)值[8]呈正相關(guān)

將實(shí)驗(yàn)1中24個(gè)被試者的舒適度主觀評(píng)分根據(jù)不同的輻輳距離進(jìn)行均值統(tǒng)計(jì)。當(dāng)視差取絕對(duì)值時(shí)，視差絕對(duì)值和視覺舒適度主觀評(píng)分值經(jīng)過線性擬合后得到兩者的關(guān)系模型為：

視差絕對(duì)值和視覺舒適度主觀評(píng)分值的線性相關(guān)度為具體見圖2。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，視覺舒適度的主觀評(píng)分與視差值呈線性關(guān)系，也就是說，對(duì)于近距立體顯示單眼聚焦和雙眼輻輳的不一致性所引起的視覺疲勞與立體視差值成正比關(guān)系。單眼聚焦和雙眼輻輳的差異越大，產(chǎn)生的視疲勞程度越大，這個(gè)結(jié)果與大部分研究結(jié)果相一致。

（2） 主觀舒適度與理論值的符合度基本一致

將實(shí)驗(yàn)2中24個(gè)被試者的視覺舒適度主觀評(píng)分根據(jù)不同的輻輳距離和調(diào)節(jié)距離進(jìn)行均值統(tǒng)計(jì)，并將每個(gè)亞組的理論舒適度和實(shí)驗(yàn)獲得的主觀舒適度進(jìn)行比較。

目視光學(xué)系統(tǒng)的屈光度為0.75D，1.00D，1.25D的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如圖3～圖5所示。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)調(diào)節(jié)距離一定時(shí)，分別為1.09 m，1.5 m，2.4 m，由輻輳距離的改變引起的視疲勞癥狀與理論計(jì)算得到的結(jié)果在總趨勢(shì)上大體一致。在基于目視光學(xué)系統(tǒng)調(diào)節(jié)的立體顯示系統(tǒng)中，輻輳距離越小，符合度越好。在相同視差條件下，經(jīng)過目視光學(xué)系統(tǒng)調(diào)節(jié)后產(chǎn)生更大的不適感。

（3） 視差舒適度曲線

將實(shí)驗(yàn)2中三個(gè)亞組的所有情況的視差值與主觀舒適度評(píng)分進(jìn)行綜合統(tǒng)計(jì)，繪制舒適度曲線如圖6所示。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于目視光學(xué)系統(tǒng)調(diào)節(jié)的立體顯示系統(tǒng)中，視差絕對(duì)值越小，視覺舒適度越高。在同等視差條件下，非交叉視差的舒適度優(yōu)于交叉視差。與傳統(tǒng)立體顯示設(shè)備相比，舒適視域向非交叉視差方向偏移。

4 結(jié) 論

本文在充分了解雙目立體視覺原理、視差型立體顯示技術(shù)原理、立體顯示引起視覺疲勞的根本原因等理論知識(shí)的基礎(chǔ)上，搭建近距虛擬現(xiàn)實(shí)顯示系統(tǒng)原型作為實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)研究了基于目視光學(xué)系統(tǒng)調(diào)節(jié)的立體顯示系統(tǒng)的視覺舒適度問題。對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展和立體視覺舒適度的研究具有一定的實(shí)際意義。

參考文獻(xiàn)

[1] 張英靜，李素梅，衛(wèi)津津，等.立體圖像質(zhì)量的主觀評(píng)價(jià)方案[J].光子學(xué)報(bào)，2012，41（5）：602?607.

[2] KIM D， CHOI S， SOHN K. Visual comfort enhancement for stereoscopic video based on binocular fusion characteristics [J]. IEEE transactions on circuits and systems for video technology， 2013， 23（3）： 482?487.

[3] 王飛，王晨升，劉曉杰.立體顯示技術(shù)的原理、體視因素和術(shù)語[J].工程圖學(xué)學(xué)報(bào)，2010（5）：69?73.

[4] 李志永.立體視覺基礎(chǔ)[J].現(xiàn)代電影技術(shù)，2011（1）：52?55.

[5] 顧郁蓮，蔡宣平.計(jì)算機(jī)立體視圖繪制技術(shù)[J].國(guó)防科技參考，1998，19（1）：63?70.

[6] 敬萬鈞.虛擬現(xiàn)實(shí)中的視覺系統(tǒng)與其實(shí)現(xiàn)技術(shù)[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用，1997，17（3）：5?7.

[7] 李小方，王瓊?cè)A，李大海，等.柱透鏡光柵3D顯示器的視差范圍與立體觀看視疲勞的關(guān)系[J].光電子·激光，2012，23（5）：873?877.

[8] 汪明霓.視差立體圖像的生成算法[J].杭州師范學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2004，3（5）：420?422.