CN109696191B - 一种虚拟现实头戴显示设备的移动延迟测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种虚拟现实头戴显示设备的移动延迟测量方法，采用导轨带动HMD运动，在导轨一侧设有光编码板，HMD运动过程中根据外设的光敏传感器感知光编码板上的黑白条纹并解算黑白条纹转换时刻的自身位置；HMD再次运动时，在黑白条纹转换的时刻给HMD输入对应的黑白图像，并用另一个光敏传感器感知黑白图像；根据两个光敏传感器感知黑白图像时输出的方波曲线，即可获得HMD的延迟时间；该方法使得HMD中的黑白图样与HMD的光编码图样能够进行虚实配准，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
技术领域
本发明属于虚拟现实设备技术领域，具体涉及一种虚拟现实头戴显示设备的移动延迟测量方法。
背景技术
头戴显示设备(HMD)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 Measure End-to-EndDelay 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遮挡，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虚拟现实头戴显示设备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。
一种虚拟现实头戴显示设备的移动延迟测量方法，使用的测量装置包括第一光敏传感器(1)、头戴显示设备(2)、载物台(3)、数控导轨(4)、导轨控制器(5)、光编码板(6)以及第二光敏传感器(7)；数控导轨(4)的一侧放置光编码板(6)，光编码板(6)上设置有编码图形，编码图形为间隔排列的黑白条纹；数控导轨(4)的载物台(3)在导轨控制器(5)的控制下可沿轨道直线运动，第一光敏传感器(1)和头戴显示设备(2)固定在载物台(3)上，其中，第一光敏传感器(1)在跟随载物台(3)运动过程可感知光编码板(6)上的黑白条纹；第二光敏传感器(7)固定在头戴显示设备(2)的显示窗口上；
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，头戴显示设备(2)实时计算自身位置；
步骤2、在载物台(3)运动过程中，第一光敏传感器(1)感知光编码板(6)上的黑白条纹，在感知到黑条纹转变到白条纹，以及白条纹转变到黑条纹的转换时刻，头戴显示设备(2)计算出在各个转换时刻的自身位置，并记录下来；其中，自身位置包括两种：黑条纹转变到白条纹的位置定义为黑到白位置，白条纹转变到黑条纹的位置定义为白到黑位置；
步骤3、完成运动后，得到一组头戴显示设备(2)的位置数据集；
步骤4、控制载物台(3)再次从初始位置开始匀速移动，运动过程中头戴显示设备(2)实时计算自身位置，同时记录第一光敏传感器(1)与第二光敏传感器(7)返回的数据；
步骤5、根据之前记录的位置数据集，头戴显示设备(2)结合计算的自身当前位置信息，头戴显示设备(2)显示对应的黑白画面，即：当计算的位置为白到黑位置，向头戴显示设备(2)输出黑色图案；当计算的位置为黑到白位置，向头戴显示设备(2)输出白色图案；其上的第二光敏传感器(7)在此过程中，感知头戴显示设备(2)镜头输出的黑白图像，当感知到白色图像时，第二光敏传感器(7)返回高电平，当感知到黑色图像时，第二光敏传感器(7)返回低电平；
步骤6、与此同时，第一光敏传感器(1)在移动过程中感知光编码板(6)上的编码图形，感知到白色条纹时，第一光敏传感器(1)返回高电平，当感知到黑色条纹时，第一光敏传感器(1)返回低电平；
步骤7、完成移动后，得到两组方波信号：由第一光敏传感器(1)返回的波形称之为参考波形，由第二光敏传感器(7)返回的波形称之为检测波形；
步骤8、计算检测波形相对于参考波形的时间延迟Δt，即为头戴显示设备(2)的时间延迟。
进一步的，所述步骤8中，对参考波形和检测波形进行线性拟合，然后进行采样，具体方法为：
A、从左到右依次给光编码板(6)上编码区部分的黑白条纹图案的分界线赋予编号，即1号分界线、2号分界线等；则基于光编码板(6)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，即得到头戴显示设备(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，由此得到多个延迟Δt，取平均后，均值作为头戴显示设备(2)的精确时间延迟量。
进一步的，在光编码板(6)的编码图形两端各设置一个信息头，由黑白条纹按一定排布顺序组合而成；在载物台(3)正向移动和反向移动经过信息头时，第一光敏传感器(1)感知到两个信息头的不同编码，由此区分载物台(3)的运动方向。
本发明具有如下有益效果：
本发明的一种虚拟现实头戴显示设备的移动延迟测量方法，采用导轨带动头戴显示设备运动，在导轨一侧设有光编码板，头戴显示设备运动过程中根据外设的光敏传感器感知光编码板上的黑白条纹并解算黑白条纹转换时刻的自身位置；头戴显示设备再次运动时，在黑白条纹转换的时刻给头戴显示设备输入对应的黑白图像，并用另一个光敏传感器感知黑白图像；根据两个光敏传感器感知黑白图像时输出的方波曲线，即可获得头戴显示设备的延迟时间；该方法使得头戴显示设备中的黑白图样与头戴显示设备的光编码图样能够进行虚实配准，不再有早期方法中手动对齐波形带来的误差；方法流程通过数控电机与电脑软件的配合，可以自动化的执行高精度的移动操作，极大的减小了早期手动移动带来的抖动噪声；通过载物台固定头戴显示设备，于头戴显示设备的主体部分几乎没有遮蔽，最大限度地适配基于不同定位技术的头戴显示设备；
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)为现有的测量头戴显示设备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为本发明中的头戴显示设备与光敏传感器的安装示意图；
图4为本发明中采用的光编码板的示意图；
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-第一光敏传感器、2-头戴显示设备、3-载物台、4-数控导轨、5-导轨控制器、6-光编码板、7-第二光敏传感器。
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。
本发明的一种虚拟现实头戴显示设备的移动延迟测量方法，使用的测量装置如图2所示，包括第一光敏传感器1、头戴显示设备2、载物台3、高精度的数控导轨4、导轨控制器5、光编码板6以及第二光敏传感器7。数控导轨4的一侧放置光编码板6；如图4所示，光编码板6上设置有编码图形，编码图形为间隔排列的黑白条纹。数控导轨4的载物台3在导轨控制器5的控制下可沿轨道直线运动，第一光敏传感器1和头戴显示设备2固定在载物台3上，其中，第一光敏传感器1在跟随载物台3运动过程中可感知光编码板6上的黑白条纹，如图3所示，第二光敏传感器7固定在头戴显示设备2的显示窗口上；
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从初始位置沿数控导轨4匀速运动，此时头戴显示设备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，第一光敏传感器1感知编码板6上的黑白条纹，在感知到黑条纹转变到白条纹，以及白条纹转变到黑条纹的转换时刻，头戴显示设备2计算出在各个转换时刻的自身位置，并记录下来；其中，位置包括两种：黑条纹转变到白条纹的位置定义为黑到白位置，白条纹转变到黑条纹的位置定义为白到黑位置。
3、完成整个运动后，最终得到一组头戴显示设备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，运动过程同时记录第一光敏传感器1与第二光敏传感器7返回的数据；
5、根据之前记录的位置数据集，头戴显示设备2结合计算的自身当前位置信息，头戴显示设备2显示对应的黑白画面，即：当计算的位置为白到黑位置，向头戴显示设备2输出黑色图案；当计算的位置为黑到白位置，向头戴显示设备2输出白色图案；其上的第二光敏传感器7在此过程中，感知头戴显示设备2镜头输出的黑白图像，当感知到白色图像时，第二光敏传感器7返回高电平，当感知到黑色图像时，第二光敏传感器7返回低电平；
6、与此同时，第一光敏传感器1在移动过程中感知光编码板6上的编码图形，感知到白色条纹时，第一光敏传感器1返回高电平，当感知到黑色条纹时，第一光敏传感器1返回低电平；
7、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；由第一光敏传感器1返回的波形称之为参考波形，由第二光敏传感器7返回的波形称之为检测波形。
8、数据处理：由于头戴显示设备2解算位置时有时间延迟，当载物台3运动到某位置时，头戴显示设备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即得到了头戴显示设备2的时间延迟。通过对检测波形与参考波形上多个时间延迟Δt求平均值，可以得到更精确的头戴显示设备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、从左到右依次给光编码板6上编码区部分的黑白条纹图案的分界线赋予编号，即1号分界线、2号分界线等；则基于光编码板6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。
为进一步增加数据量，应当使头戴显示设备2在导轨4上往返运动，获得更多的检测波形和参考波形；但在往返运动中需要确定载物台3的运动方向，为了自动区分运动方向，在光编码板6的编码图形两端各设置一个信息头，由黑白条纹按一定排布顺序组合而成；两个信息头的黑白信号包含一定的方向性，用于反馈头戴显示设备2此时的移动是前进还是后退，图4中展示了一种光编码板6实现方案，按照白色为“1”黑色为“0”的编码方式，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。
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)
1.一种虚拟现实头戴显示设备的移动延迟测量方法，其特征在于，使用的测量装置包括第一光敏传感器(1)、头戴显示设备(2)、载物台(3)、数控导轨(4)、导轨控制器(5)、光编码板(6)以及第二光敏传感器(7)；数控导轨(4)的一侧放置光编码板(6)，光编码板(6)上设置有编码图形，编码图形为间隔排列的黑白条纹；数控导轨(4)的载物台(3)在导轨控制器(5)的控制下可沿轨道直线运动，第一光敏传感器(1)和头戴显示设备(2)固定在载物台(3)上，其中，第一光敏传感器(1)在跟随载物台(3)运动过程可感知光编码板(6)上的黑白条纹；第二光敏传感器(7)固定在头戴显示设备(2)的显示窗口上；
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，头戴显示设备(2)实时计算自身位置；
步骤2、在载物台(3)运动过程中，第一光敏传感器(1)感知光编码板(6)上的黑白条纹，在感知到黑条纹转变到白条纹，以及白条纹转变到黑条纹的转换时刻，头戴显示设备(2)计算出在各个转换时刻的自身位置，并记录下来；其中，自身位置包括两种：黑条纹转变到白条纹的位置定义为黑到白位置，白条纹转变到黑条纹的位置定义为白到黑位置；
步骤3、完成运动后，得到一组头戴显示设备(2)的位置数据集；
步骤4、控制载物台(3)再次从初始位置开始匀速移动，运动过程中头戴显示设备(2)实时计算自身位置，同时记录第一光敏传感器(1)与第二光敏传感器(7)返回的数据；
步骤5、根据之前记录的位置数据集，头戴显示设备(2)结合计算的自身当前位置信息，头戴显示设备(2)显示对应的黑白画面，即：当计算的位置为白到黑位置，向头戴显示设备(2)输出黑色图案；当计算的位置为黑到白位置，向头戴显示设备(2)输出白色图案；其上的第二光敏传感器(7)在此过程中，感知头戴显示设备(2)的显示窗口输出的黑白图像，当感知到白色图像时，第二光敏传感器(7)返回高电平，当感知到黑色图像时，第二光敏传感器(7)返回低电平；
步骤6、与此同时，第一光敏传感器(1)在移动过程中感知光编码板(6)上的编码图形，感知到白色条纹时，第一光敏传感器(1)返回高电平，当感知到黑色条纹时，第一光敏传感器(1)返回低电平；
步骤7、完成移动后，得到两组方波信号：由第一光敏传感器(1)返回的波形称之为参考波形，由第二光敏传感器(7)返回的波形称之为检测波形；
步骤8、计算检测波形相对于参考波形的时间延迟Δt，即为头戴显示设备(2)的时间延迟。
2.如权利要求1所述的一种虚拟现实头戴显示设备的移动延迟测量方法，其特征在于，所述步骤8中，对参考波形和检测波形进行线性拟合，然后进行采样，具体方法为：
A、从左到右依次给光编码板(6)上编码区部分的黑白条纹图案的分界线赋予编号，基于光编码板(6)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，即得到头戴显示设备(2)的精确时间延迟量。
3.如权利要求1或2所述的一种虚拟现实头戴显示设备的移动延迟测量方法，其特征在于，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，由此得到多个延迟Δt，取平均后，均值作为头戴显示设备(2)的精确时间延迟量。
4.如权利要求3所述的一种虚拟现实头戴显示设备的移动延迟测量方法，其特征在于，在光编码板(6)的编码图形两端各设置一个信息头，由黑白条纹按一定排布顺序组合而成；在载物台(3)正向移动和反向移动经过信息头时，第一光敏传感器(1)感知到两个信息头的不同编码，由此区分载物台(3)的运动方向。
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