影响AR/VR显示器质量的人为因素

作者:
Anne Corning

增强现实、虚拟现实和混合现实(AR/VR/MR)设备以及其他头戴式显示器(HMD)在显示器行业中非常具有独特性,因为它们专用于在非常近的距离下观看图像。不同于可以在整个房间内看到的电视机或拿在手上在一臂之遥的距离下观看的智能手机,这些被称为“近眼显示器(NED)”的显示设备通常置于与用户的眼睛仅距离1.2-3英寸的位置。

由于观看距离的高度接近性,显示器图像中的任何缺陷或清晰度不足都非常明显。此外,显示器性能问题(比如:较慢的帧速率、较慢的像素刷新速率、失真等)可能会对用户体验产生负面影响。对于VR设备而言,这一点尤为明显,因为VR设备会覆盖佩戴者的整个视野,因此不会提供任何视觉提示来帮助用户适应现实环境。

 

Human Factors Considerations for AR/VR Display Quality

帧速率如何影响图像质量的示例。刷新速率是指显示器进行刷新以显示新图像的次数,以频率Hz(赫兹)为单位表示。因此,60 Hz表示显示器每秒刷新60次以显示新图像。帧速率和刷新速率将共同决定快速移动的图像质量。(图片: © Display Ninja, 来源

显示器的各种质量和性能问题所产生的影响超出了用户对视觉体验不满的范围,这些问题还可能会导致身体不适,比如:头晕和晕动症。这种现象称为“虚拟现实疾病”,可能包括“恶心、头晕/缺乏平衡、嗜睡、发热、出汗、头痛、眩晕、眼疲劳和呕吐。研究表明,在VR体验中,参与者在摘下头戴式VR设备数小时后可能会感到不适。”1这些“人因”挑战对于设备设计人员和制造商而言都至关重要,设备设计人员必须解决这些挑战,而制造商则必须能够在AR/VR/MR硬件投入生产后检测出这些“人因”问题。

人因考虑因素

从AR/VR设备面世初期开始,开发人员就一直在努力解决各种用户体验问题。人眼和人类感官系统是经过精密调整的器官组织,对最微小的不一致性都具有极高的敏感性,因此硬件系统的设计一直是一项持续性的挑战。AR/VR/MR系统的常见人因问题包括:

  • 来自视觉系统和前庭感官系统的不一致提示
    • “感觉到”但“看不到”的运动
    • “看到”但“感觉不到”的运动
    • 两种人体系统都发现了运动,但它们的发现不相一致
  • 视觉体验
    • 由于显示器分辨率“低”(像素间距高)而产生的“纱门”效应
    • 视场(FOV)限制
    • 由于显示器帧速率“低”而导致的运动伪像
  • 系统/人体工程学问题
    • 轻量化、系绳、缓解眼疲劳等
    • 功耗、电池寿命等
    • 追踪设置与“由内而外”追踪之比较;三自由度(DOF)与六自由度之比较
  • 眼球运动(深度感知)不一致提示
    • 人眼调焦/视线会聚不匹配
    • 焦点不正确/模糊提示
    • 本体感受缺失或不一致提示(人体在空间中的方向感知) 2
       

 

来自头戴式VR设备的视觉图像必须与用户从其环境中接收的其他感官提示相匹配。

人类光学/神经处理过程中的一个特别具有挑战性的方面在于我们如何感知周围环境中的深度。眼球运动提示主要基于感知我们眼睛的位置和肌肉张力,这两者都涉及我们眼球的功能:视线聚合(会聚)和焦点调节。

视线会聚和焦点调节

尽管如今的AR/VR/MR设备可以有效地满足用户对系统工程师提出的许多要求,但挑战仍然存在。“近年来,用于定义近眼显示器用户体验质量的许多特征,比如分辨率、刷新速率、对比度和视场,都得到了显著改进。然而,造成视觉不适的主要原因仍然存在,即:视线会聚-焦点调节冲突(VAC),这是由于以下事实引起的,也就是,近眼显示器系统中模拟的是视觉会聚提示(例如,眼球在眼窝内相对旋转),而非聚焦提示(例如,眼睛里的晶状体变形)。实际上,任何现有的近眼显示器都不支持自然聚焦提示。” 3

本质上,视线聚合(会聚)是指眼睛向内移动以聚焦在一个物体上:当两只眼睛的焦点会聚时。焦点调节是指调整镜头形状以在不同的距离下聚焦在一个物体上。在现实世界中,如果您在一定的距离下将眼睛聚焦在一个物体上,那么您的两只眼睛都会将视线会聚,并且会根据相同的距离调节焦点。这种冲突会在AR/VR/MR设备中产生,因为显示屏通常位于与佩戴者的眼睛存在一定距离的位置,但所投影的图像看起来好像距离更远,因此会聚距离与调焦距离将会不相匹配。

 

Human Factors Considerations for AR/VR Display Quality

当您观看现实世界中的物体(左)时,视线会聚距离(即:到您的眼睛指向位置的距离)与焦距是相同的,并且远离焦点[点]的物体会显得很模糊。(右)然而,在典型的3D立体显示器中,您的眼睛将聚焦在显示屏上,但可能指向不同的位置,并且所有物体都出现在焦点上。”4 (图片 © Physics World

信息显示学会 (SID)近期举办的2020显示周 Display Week 虚拟研讨会活动上,多项技术演讲着重介绍了业界在解决AR/VR设备的技术和光学挑战方面的进展,包括视线会聚-焦点调节冲突(VAC)问题的解决方面的新进展。举例来说:

  • 来自 加州大学伯克利分校视觉与光学创新中心 的科学家们确定,最佳焦距的客观测量(相对于主观测量)可能会引入误差(滞后和超前),并且人眼调焦比以前认为的更为准确。5
  •  Facebook研究人员开发了一种用于量化“清晰视觉区域”的方法,该方法定义了在对图像质量产生可觉察的影响之前用户可以容忍的视线会聚-焦点调节冲突(VAC)程度。6
  • The 国立台湾科技大学介绍了有关如何通过纹理模糊处理缓解晕动症方面的研究,他们使用一款第一人称射击类游戏进行此研究。7

确保AR/VR/MR设备的视觉质量

瑞淀开发了一款AR/VR/MR设备测量解决方案,其采用瑞淀专为近眼显示器测试而设计的独特光学组件。将高分辨率ProMetric® 成像色度计 与瑞淀的 AR/VR 镜头TT-ARVR™ 软件 搭配使用,可快速对头戴式AR/VR设备中内置的显示器进行自动化视觉检测。通过使用此解决方案,制造商能够采集到水平方向120°和垂直方向80°视场范围内的数据,通过单个图像同时测试显示器的所有视觉特征。此系统可以测量显示器的各种特征,包括亮度、色度、对比度、对焦、MTF、失真、视场等。

此AR/VR镜头设计可模拟人眼的大小、位置和视野。不同于其他可选镜头(光圈位于镜头内部),AR/VR镜头的光圈位于镜头前面。这确保可将成像系统的入射光瞳定位在头戴式NED设备内部,以便在与人眼相同的位置观看头戴式显示器(HMD),并采集用户所看到的完整视野。

 

 

在TT-ARVR软件中计算调制传递函数(MTF),以确定整体图像清晰度。MTF斜边、MTF线对和瑞淀独特的线扩展函数(LSF)分析可用于确保获得最精确的结果。MTF斜边分析如上图所示。

观看此产品视频,了解瑞淀AR/VR镜头解决方案如何能够通过在实验室和生产线上进行最准确、最高效的测量,从用户的角度出发,评估头戴式设备中内置显示器的视觉质量。
通过此视频,您将了解到:

  • 瑞淀的头戴式设备内置AR/VR显示器完整测试解决方案
  • TT- ARVR软件测试套件,可对AR/VR显示器进行视觉检测,包括亮度、色度、对比度、MTF、对焦一致性、失真、视场等
  • 采用独特的AR/VR镜头,可复制头戴式设备和智能眼镜内人眼瞳孔的大小、位置和视野

 

 

 

引用文献

  1. Virtual reality sickness (VR motion sickness)”, TechTarget. (Retrieved 8/20/2020)
  2. Bhowmik, A., “Fundamentals of Virtual- and Augmented-Reality Technologies”, Short Course delivered for Society for Information Display, May 20, 2018 [bullet points]
  3. Wetzstein, G., “Computational Near-Eye Displays: Engineering the Interface to the Digital World”, Chapter 3 in Frontiers of Engineering: Reports on Leading-Edge Engineering from the 2016 Symposium, National Academy of Engineering. 2017. Washington, DC: The National Academies Press. https://doi.org/10.17226/23659.
  4. Harris, M., “A better virtual experience”, Physics World, May 1, 2018.
  5. Banks, M., Human Factors in Virtual and Augmented Reality”, presented at SID Display Week symposium, August 5, 2020.
  6. Erkelens, I., “Vergence-Accommodation Conflicts in Augmented Reality: Impacts on Perceived Image Quality”, presented at SID Display Week symposium, August 5, 2020.
  7. Tsai, T., “Research on Reducing Motion Sickness in First-Person Shooting VR Game with Texture Blur”, presented at SID Display Week symposium, August 5, 2020.
     
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