CN109632263B - 一种基于光栅尺的vr头盔的移动延迟测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于光栅尺的VR头盔的移动延迟测量方法，采用导轨带动VR头盔运动，在导轨一侧设置光栅尺，并对光栅尺等间隔分段进行编码；VR头盔运动过程中解算光栅尺上分段的编码转变时刻的自身位置；VR头盔再次运动时，在编码转变时刻给VR头盔输入对应的黑白图像，并用光敏传感器感知黑白图像；根据光栅尺上分段编码获得的方波曲线以及光敏传感器感知黑白图像时输出的方波曲线，即可获得VR头盔的延迟时间；该方法使得VR头盔中的黑白图样与VR头盔的光栅尺编码能够进行虚实配准，不再有早期方法中手动对齐波形带来的误差；通过往返多次测量以及线性拟合的方式，极大的增加了测试数据样本，使得数据的期望更接近于真实的延迟时间。

Description

一种基于光栅尺的VR头盔的移动延迟测量方法
技术领域
本发明属于虚拟现实设备技术领域，具体涉及一种基于光栅尺的VR头盔的移动延迟测量方法。
背景技术
头戴显示设备(HMD或VR头盔)的延迟时间与用户的使用体验息息相关，如果时间稍大则可能会引发使用者产生“晕动症”症状。文献“Luca M D.New Method to MeasureEnd-to-End Delay of Virtual Reality[M].MIT Press,2010.”提出了一个延迟测量的简易方案，如图1(a)所示，在HMD外壳与视窗上各固定一个光敏传感器，在显示屏与HMD中都显示出一个灰度渐变的测试图，然后将外壳上的光敏传感器紧贴显示屏，令HMD紧贴显示屏并沿着灰度变化方向往复运动，记录下两个传感器返回的波形(图1(b))。通过计算两个波形之间的相位差，得到该HMD的延迟时间。该方法的缺陷是，需要手动移动，移动过程中的抖动等会给后边的信号处理引入许多噪声；使用手动对齐频域波形的方法解决虚拟空间中图样与显示屏中图样不同步引入的误差，依靠肉眼判断，对于延迟时间这种微小的时间，这种方法有时不仅不能消除误差，反而会引入新的误差；该测试方法对于头盔有HMD，需要其能在如此多遮蔽的情况下计算自身的位置数据，这对许多HMD的跟踪方案是不友好的；所得到的数据有较大的方差，其不稳定性决定其不能够被用来制作测量仪器。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种基于光栅尺的VR头盔的移动延迟测量方法，可以通过简单的设备准确测量VR头盔的移动延迟。
一种基于光栅尺的VR头盔的移动延迟测量方法，使用的测量装置包括光敏传感器(1)、VR头盔(2)、载物台(3)、数控导轨(4)、导轨控制器(5)、光栅尺(6)以及上位机；光敏传感器(1)固定在VR头盔(2)的显示窗口上；光栅尺(6)沿导轨(4)的行程方向布置，用于反馈载物台(3)的实时位置至上位机；光栅尺(6)的量程等间隔分为多段，将各段依次赋予1和0的二进制编码值，即编码0和1间隔对应在各段上；将各段对应的编码值与相邻两段之间的分隔位置作为编码位置数据集记录在上位机中；
所述移动延迟测量方法具体步骤如下：
步骤1、先控制载物台(3)从初始位置沿数控导轨(4)匀速运动，VR头盔(2)时刻计算自身位置；
步骤2、在载物台(3)运动过程中，光栅尺(6)返回载物台(3)的实时位置信息并报给上位机，当光栅尺(6)返回每个间隔位置信息时，上位机根据存储的编码位置数据集，确定该间隔位置左、右两段对应的编码值，并将左段为1、右段为0的间隔位置定义为1-0位置，将左段为0、右段为1的间隔位置定义为0-1位置；同时，每次感知到1-0位置或者0-1位置时，上位机读取在该位置时VR头盔(2)计算出的自身位置，并记录下来；
步骤3、完成整个运动后，最终得到一组VR头盔(2)的位置数据集；
步骤4、然后控制载物台(3)再次从初始位置开始匀速移动，VR头盔(2)计算当前自身位置；上位机同时开始记录光栅尺(6)返回的位置信息与光敏传感器(1)返回的数据；
步骤5、VR头盔(2)根据之前记录的所述位置数据集，结合VR头盔(2)计算的当前自身位置，VR头盔(2)显示对应的黑白画面，即：当计算的位置为1-0位置，向VR头盔(2)输出黑色图案；当计算的位置为0-1位置，向VR头盔(2)输出白色图案；VR头盔(2)显示窗口上的光敏传感器(1)在此过程中，感知VR头盔(2)镜头输出的黑白图像，当感知到白色图像时，光敏传感器(1)返回高电平，当感知到黑色图像时，光敏传感器(1)返回低电平，由此得到一组方波信号，称之为检测波形；
步骤6、与此同时，上位机根据光栅尺(6)返回的位置信息，在之前存储的编码位置数据集中查找各个间隔位置对应的编码值，由此生成一组方波信号，作为参考波形，生成规则为：当编码值为1时返回高电平，当编码值为0时返回低电平；
步骤7、计算检测波形与参考波形的时间延迟Δt，即得到VR头盔(2)的时间延迟。
进一步的，所述步骤7中，对参考波形和检测波形进行线性拟合，然后进行采样，以获得更多数据量，具体方法为：
A、从左到右依次给光栅尺(6)量程各段的分界线赋予编号，则基于光栅尺(6)各段的编码值获得的参考波形、与参考波形对应的检测波形的各个跳变沿也对应取得了编号；
B、以时间为x轴，编号为y轴建立坐标系，以参考波形方波跳变沿的时间信息为x坐标，以跳变沿的编号值为y坐标，以此在坐标系中绘制得到表征跳变沿编号和时间的离散点；同理，得到检测波形各跳变沿对应的离散点；
C、分别对两组离散点进行线性拟合，得到两条曲线，通过对y值进行设定步长的采样，得到同一y值下两曲线间x轴的坐标差值，即检测波形相对于参考波形的一个延迟时间数据；对y轴有效区间进行多次采样后，得到多个延迟时间数据并求取均值，即得到VR头盔(2)的精确时间延迟量。
进一步的，控制载物台(3)在导轨(4)上反复运动，获得多条参考波形和检测波形曲线，由此得到多个时间延迟Δt，取平均后，均值作为VR头盔(2)的精确时间延迟量。
进一步的，分别取光栅尺(6)两侧若干段作为信息头，并采用不同的编码方式。
本发明具有如下有益效果：
本发明公开了一种基于光栅尺的VR头盔的移动延迟测量方法，采用导轨带动VR头盔运动，在导轨一侧设置光栅尺，并对光栅尺等间隔分段进行编码；VR头盔运动过程中解算光栅尺上分段的编码转变时刻的自身位置；VR头盔再次运动时，在编码转变时刻给VR头盔输入对应的黑白图像，并用光敏传感器感知黑白图像；根据光栅尺上分段编码获得的方波曲线以及光敏传感器感知黑白图像时输出的方波曲线，即可获得VR头盔的延迟时间；该方法使得VR头盔中的黑白图样与VR头盔的光栅尺编码能够进行虚实配准，不再有早期方法中手动对齐波形带来的误差；通过往返多次测量以及线性拟合的方式，极大的增加了测试数据样本，使得数据的期望更接近于真实的延迟时间。
附图说明
图1(a)为现有的测量VR头盔移动延迟的实验装置图；
图1(b)为基于图1(a)的实验装置得到的实验信号图；
图2为本发明的测量装置示意图；
图3为本发明中的VR头盔与光敏传感器的安装示意图；
图4为本发明中对光栅尺各段编码示意图；
图5为单次运动获得的检测波形和参考波形；
图6为对图5的拟合波形；
图7为多次往返运动过程中获得的检测波形和参考波形；
图8为对图7的拟合波形。
其中，1-光敏传感器、2-头戴显示设备、3-载物台、4-数控导轨、5-导轨控制器、6-光栅尺。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本发明的一种基于光栅尺的VR头盔的移动延迟测量方法，使用的测量装置如图2所示，包括光敏传感器1、头戴显示设备2、载物台3、高精度数控导轨4、导轨控制器5、光栅尺6以及上位机。其中，如图3所示，光敏传感器1固定在VR头盔2的显示窗口上；光栅尺6沿导轨4的行程方向布置，用于反馈载物台3的实时位置至上位机；光栅尺6的量程等间隔分为多段，将各段依次赋予1和0的二进制编码值；将各段对应的编码值与相邻两段之间的分隔位置作为编码位置数据集记录在上位机中，如图4中的编码区域所示，编码0和1间隔对应在各段上。
为了表明载物台3的运动方向，可通过对光栅尺6量程的两侧的分成的多段采用不同的编码方式，例如在量程中取左侧若干段和右侧若干段作为信息头，分别采用不同的编码方式，当载物台3向左或向右移动时，根据光栅尺6反馈的位置而进行解码时，得到不同的编码，因此可区分不同的运动方向；如图4所示，为本实施中的一种信息头编码方式，左侧信息头各段对应的编码为11100，右侧信息头对应的编码也为11100，正向移动时光敏传感器感知的信息头信号为“11100”，反向移动则感知信号“00111”，以此区分不同运动方向。
本发明的移动延迟测量方法具体步骤如下：
1、先控制载物台3沿数控导轨4匀速运动，此时VR头盔2中不输入图像，但是时刻计算自身位置；
2、在载物台3运动过程中，光栅尺6返回载物台3的实时位置信息并报给上位机，当光栅尺6返回每个间隔位置信息时，上位机根据存储的编码位置数据集，确定该间隔位置左、右两段对应的编码值，并将左段为1、右段为0的间隔位置定义为1-0位置，将左段为0、右段为1的间隔位置定义为0-1位置；同时，每次感知到1-0位置或者0-1位置时，上位机读取在该位置时VR头盔2计算出的自身位置，并记录下来；
3、完成整个运动后，最终得到一组适用于VR头盔2的位置数据集；
4、然后控制载物台3再次从初始位置开始移动，上位机同时开始记录光栅尺6返回的位置信息与光敏传感器1返回的数据；
5、VR头盔2根据之前记录的所述位置数据集，结合计算的自身当前的位置信息，VR头盔2显示对应的黑白画面，即：当计算的位置为1-0位置，向VR头盔2输出黑色图案；当计算的位置为0-1位置，向VR头盔2输出白色图案；VR头盔2显示窗口上的光敏传感器1在此过程中，感知VR头盔2镜头输出的黑白图像，当感知到白色图像时，光敏传感器1返回高电平，当感知到黑色图像时，光敏传感器1返回低电平，由此得到一组方波信号，称之为检测波形；
6、与此同时，上位机根据光栅尺6返回的位置信息，在之前存储的编码位置数据集中查找各个间隔位置对应的编码值，由此生成一组方波信号，作为参考波形，生成规则为：当编码值为1时返回高电平，当编码值为0时返回低电平；
7、载物台3完成移动后，得到两组起点时刻完全一致的方波信号，如图5所示，方波信号中部的图形，就是编码区的返回信号；由于本发明还在编码区两端增加了区分运动方向的信息头，图5中信号两端为信息头返回信号；
8、数据处理：由于VR头盔2的感知有时间延迟，当载物台3运动到某变化位置时，VR头盔2不能马上感知到该位置，有一个时间延迟，因此，如图5所示，检测波形相对于参考波形就会有一个时间延迟Δt；因此，计算出该时间延迟Δt即得到了VR头盔2的移动延迟。通过对检测波形与参考波形上多个时间延迟Δt求平均值，可以得到更精确的VR头盔2的移动延迟。
为了增加多次取平均的数据量，本发明中，对参考波形和检测波形进行线性拟合，然后进行采样，以获得更多数据量，具体方法为：
A、从左到右依次给光栅尺6量程各段的分界线赋予编号，即1号分界线、2号分界线等；则基于光栅尺6各段的编码值获得的参考波形、与参考波形对应的检测波形的各个跳变沿(上升沿和下降沿)也对应取得了编号。
B、以时间为x轴，编号为y轴建立坐标系，以参考波形方波跳变沿的时间信息为x坐标，以跳变沿的编号值为y坐标，以此在坐标系中绘制得到表征跳变沿编号和时间的离散点；同理，得到检测波形各跳变沿对应的离散点。
C、分别对两组离散点进行线性拟合，得到两条曲线，通过对y值进行设定步长的采样，得到同一y值下两曲线间x轴的坐标差值，即检测波形相对于参考波形的一个延迟时间数据；对y轴有效区间进行多次采样后，得到大量延迟时间数据并求取均值，即可得更精确的时间延迟量。
通过使VR头盔2在导轨4上往返运动，可进一步增加数据量；往返运动多次后，利用光编码板6信号的方向性，判断该次运动是前进还是后退，前进时拟合曲线斜率为正，返回时拟合曲线斜率为负，得到图8所示的波形。至此，分组计算有效区域(1～8)内所有的时间延迟Δt，其均值即为设备的延迟时间T。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于光栅尺的VR头盔的移动延迟测量方法，其特征在于，使用的测量装置包括光敏传感器(1)、VR头盔(2)、载物台(3)、数控导轨(4)、导轨控制器(5)、光栅尺(6)以及上位机；光敏传感器(1)固定在VR头盔(2)的显示窗口上；光栅尺(6)沿数控导轨(4)的行程方向布置，用于反馈载物台(3)的实时位置至上位机；光栅尺(6)的量程等间隔分为多段，将各段依次赋予1和0的二进制编码值，即编码0和1间隔对应在各段上；将各段对应的二进制编码值与相邻两段之间的分隔位置作为编码位置数据集记录在上位机中；
所述移动延迟测量方法具体步骤如下：
步骤1、先控制载物台(3)从初始位置沿数控导轨(4)匀速运动，VR头盔(2)时刻计算自身位置；
步骤2、在载物台(3)运动过程中，光栅尺(6)返回载物台(3)的实时位置信息并报给上位机，当光栅尺(6)返回每个间隔位置信息时，上位机根据存储的编码位置数据集，确定该间隔位置左、右两段对应的二进制编码值，并将左段为1、右段为0的间隔位置定义为1-0位置，将左段为0、右段为1的间隔位置定义为0-1位置；同时，每次感知到1-0位置或者0-1位置时，上位机读取在该位置时VR头盔(2)计算出的自身位置，并记录下来；
步骤3、完成整个运动后，最终得到一组VR头盔(2)的位置数据集；
步骤4、然后控制载物台(3)再次从初始位置开始匀速移动，VR头盔(2)计算当前自身位置；上位机同时开始记录光栅尺(6)返回的位置信息与光敏传感器(1)返回的数据；
步骤5、VR头盔(2)根据之前记录的所述位置数据集，结合VR头盔(2)计算的当前自身位置，VR头盔(2)显示对应的黑白画面，即：当计算的位置为1-0位置，向VR头盔(2)输出黑色图案；当计算的位置为0-1位置，向VR头盔(2)输出白色图案；VR头盔(2)显示窗口上的光敏传感器(1)在此过程中，感知VR头盔(2)镜头输出的黑白图像，当感知到白色图像时，光敏传感器(1)返回高电平，当感知到黑色图像时，光敏传感器(1)返回低电平，由此得到一组方波信号，称之为检测波形；
步骤6、与此同时，上位机根据光栅尺(6)返回的位置信息，在之前存储的编码位置数据集中查找各个间隔位置对应的二进制编码值，由此生成一组方波信号，作为参考波形，生成规则为：当二进制编码值为1时返回高电平，当二进制编码值为0时返回低电平；
步骤7、计算检测波形与参考波形的时间延迟Δt，即得到VR头盔(2)的时间延迟。
2.如权利要求1所述的一种基于光栅尺的VR头盔的移动延迟测量方法，其特征在于，所述步骤7中，对参考波形和检测波形进行线性拟合，然后进行采样，以获得更多数据量，具体方法为：
A、从左到右依次给光栅尺(6)量程各段的分界线赋予编号，则基于光栅尺(6)各段的二进制编码值获得的参考波形、与参考波形对应的检测波形的各个跳变沿也对应取得了编号；
B、以时间为x轴，编号为y轴建立坐标系，以参考波形方波跳变沿的时间信息为x坐标，以参考波形方波跳变沿的编号值为y坐标，以此在坐标系中绘制得到表征跳变沿编号和时间的离散点；同理，得到检测波形各跳变沿对应的离散点；
C、分别对两组离散点进行线性拟合，得到两条曲线，通过对y值进行设定步长的采样，得到同一y值下两曲线间x轴的坐标差值，即检测波形相对于参考波形的一个延迟时间数据；对y轴有效区间进行多次采样后，得到多个延迟时间数据并求取均值，即得到VR头盔(2)的精确时间延迟量。
3.如权利要求1或2所述的一种基于光栅尺的VR头盔的移动延迟测量方法，其特征在于，控制载物台(3)在数控导轨(4)上反复运动，获得多条参考波形和检测波形曲线，由此得到多个时间延迟Δt，取平均后，均值作为VR头盔(2)的精确时间延迟量。
4.如权利要求3所述的一种基于光栅尺的VR头盔的移动延迟测量方法，其特征在于，分别取光栅尺(6)两侧若干段作为信息头，并采用不同的编码方式。
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