CN109752097A - 一种基于激光管的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激光管的VR头盔的移动延迟测量方法，采用导轨带动VR头盔运动，在导轨一侧设置激光管，并对激光管进行编码；通过光敏传感器获得激光管的光信号，VR头盔运动过程中解算各个激光管位置处的自身位置；VR头盔再次运动时，在激光管位置处给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；根据激光管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头盔的激光管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
技术领域
本发明属于虚拟现实设备技术领域，具体涉及一种基于激光管的VR头盔的移动延迟测量方法。
背景技术
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 Measure End-to-End Delay ofVirtual 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VR头盔外壳与视窗上各固定一个光敏传感器，在显示屏与VR头盔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VR头盔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VR头盔的延迟时间。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VR头盔，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VR头盔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激光管的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。
一种基于激光管的VR头盔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)、VR头盔(2)、载物台(3)、数控导轨(4)、导轨控制器(5)、激光管(6)、第二光敏传感器(7)以及上位机；所述激光管(6)有多个，等间距排成一列并固定在导轨(4)的一侧，由此将导轨(4)的行程等间隔分割成多段，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各激光管(6)在导轨(4)行程中的位置作为编码位置数据集记录在上位机中；VR头盔(2)固定在导轨(4)的载物台(3)上，第二光敏传感器(7)固定在VR头盔(2)的显示窗口上；第一光敏传感器(1)固定在载物台(3)上，敏感面朝下，并可在随载物台(3)在导轨(4)上移动过程中依次对准各个激光管(6)，探测激光管(6)的光信号；
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)从零点沿数控导轨(4)匀速运动，在此过程中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，在第一光敏传感器(1)接收到各激光管(6)信号的时刻，VR头盔(2)计算出在各个时刻的自身位置并记录，记录的自身位置分为两种：其中，根据导轨(4)行程的各分段对应的编码值，在接收每个激光管(6)信号时，如果该激光管(6)左段对应的编码值为1，则此时VR头盔(2)的自身位置类别为1-0位置；反之，如果左段为0，则此时VR头盔(2)的自身位置类别为0-1位置；
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)再次从零点开始移动，VR头盔(2)时刻计算自身位置，同时开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、VR头盔(2)根据之前记录的数据集，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：当计算的位置类别为1-0位置，向VR头盔(2)输出黑色图案；当计算的位置类别为0-1位置，向VR头盔(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VR头盔(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，由此得到一组方波信号，作为检测波形；
步骤6、与此同时，第一光敏传感器(1)检测各激光管(6)的光信号，生成一组脉冲信号，根据导轨(4)行程各段对应的编码值，生成一组方波信号，生成规则为：当该脉冲对应的激光管(6)左段的编码值为1时，输出高电平，一直持续检测到下一个脉冲；当该脉冲对应的激光管(6)左段的编码值为0时，输出低电平，并一直持续检测到下一个脉冲，由此得到一组方波信号，称之为参考波形；
步骤7、计算检测波形相对于参考波形的时间延迟Δt，即为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、从左到右依次给激光管(6)赋予编号，则基于激光管(6)的脉冲信号获得的参考波形、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，分别取左侧若干和右侧若干激光管(6)，分别不同形式的编码，使得载物台(3)正向移动和反向移动时，第一光敏传感器(1)检测到的编码值不同，由此区分载物台运动方向。
本发明具有如下有益效果：
本发明公开了一种基于激光管的VR头盔的移动延迟测量方法，采用导轨带动HMD运动，在导轨一侧设置多个激光管，并对激光管进行编码；通过光敏传感器获得激光管的光信号，HMD运动过程中解算各个激光管位置处的自身位置；HMD再次运动时，在激光管位置处给HMD输入对应的黑白图像，并用光敏传感器感知黑白图像；根据激光管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HMD的延迟时间；该方法使得HMD中的黑白图样与HMD的激光管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为本发明中激光管的编码方式示意图；
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-VR头盔、3-载物台、4-数控导轨、5-导轨控制器、6-激光管、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。
本发明的一种基于激光管的VR头盔的移动延迟测量方法，使用的测量装置如图2所示，包括第一光敏传感器1、VR头盔2、载物台3、高精度数控导轨4、导轨控制器5、激光管6、第二光敏传感器7以及上位机。其中，如图3所示，激光管6有多个，等间距排成一列固定在导轨4的一侧，由此将导轨4的行程等间隔分割成多段，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各激光管6在导轨4行程中的位置作为编码位置数据集记录在上位机中，如图4所示，编码0和1间隔对应在各段上。VR头盔2固定在导轨4的载物台3上，第二光敏传感器7固定在VR头盔2的显示窗口上；第一光敏传感器1固定在载物台3上，敏感面朝下，并可在随载物台3在导轨4上移动过程中依次对准各个激光管6，探测激光管6的光信号。
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从零点沿数控导轨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，在第一光敏传感器1接收到各激光管6信号的时刻，VR头盔2计算出在各个时刻的自身位置并记录，记录的自身位置分为两种：其中，根据导轨4行程的各分段对应的编码值，在接收每个激光管6信号时，如果该激光管6左段对应的编码值为1，则此时VR头盔2的自身位置类别为1-0位置；反之，如果左段为0，则此时VR头盔2的自身位置类别为0-1位置；
3、完成整个运动后，最终得到一组VR头盔2的位置数据集；
4、然后控制载物台3再次从零点开始移动，同时开始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、VR头盔2根据之前记录的数据集，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：当计算的位置类别为1-0位置，向VR头盔2输出黑色图案；当计算的位置类别为0-1位置，向VR头盔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VR头盔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，由此得到一组方波信号，作为检测波形；
6、与此同时，第一光敏传感器1检测各激光管6的光信号，生成一组脉冲信号，上位机根据导轨4行程各段对应的编码值，生成一组方波信号，生成规则为：当该脉冲对应的激光管6左段的编码值为1时，输出高电平，一直持续检测到下一个脉冲；当该脉冲对应的激光管6左段的编码值为0时，输出低电平，并一直持续检测到下一个脉冲，由此得到一组方波信号，称之为参考波形。
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；
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、从左到右依次给各激光管6依次赋予编号，即1号、2号等；则基于各激光管6脉冲信号获得的参考波形、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HMD在导轨4上往返运动，可进一步增加数据量；但需要确定HMD的运动方向，为了表明载物台3的运动方向，可通过对导轨4量程的两侧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，根据脉冲信号而进行解码时，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，信息头区域左侧各段对应的编码为11100，右侧各段对应的编码也为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。图5中信号两端的信息头返回的信号。
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)
1.一种基于激光管的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第一光敏传感器(1)、VR头盔(2)、载物台(3)、数控导轨(4)、导轨控制器(5)、激光管(6)、第二光敏传感器(7)以及上位机；所述激光管(6)有多个，等间距排成一列并固定在导轨(4)的一侧，由此将导轨(4)的行程等间隔分割成多段，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各激光管(6)在导轨(4)行程中的位置作为编码位置数据集记录在上位机中；VR头盔(2)固定在导轨(4)的载物台(3)上，第二光敏传感器(7)固定在VR头盔(2)的显示窗口上；第一光敏传感器(1)固定在载物台(3)上，敏感面朝下，并可在随载物台(3)在导轨(4)上移动过程中依次对准各个激光管(6)，探测激光管(6)的光信号；
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)从零点沿数控导轨(4)匀速运动，在此过程中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，在第一光敏传感器(1)接收到各激光管(6)信号的时刻，VR头盔(2)计算出在各个时刻的自身位置并记录，记录的自身位置分为两种：其中，根据导轨(4)行程的各分段对应的编码值，在接收每个激光管(6)信号时，如果该激光管(6)左段对应的编码值为1，则此时VR头盔(2)的自身位置类别为1-0位置；反之，如果左段为0，则此时VR头盔(2)的自身位置类别为0-1位置；
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)再次从零点开始移动，VR头盔(2)时刻计算自身位置，同时开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、VR头盔(2)根据之前记录的数据集，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：当计算的位置类别为1-0位置，向VR头盔(2)输出黑色图案；当计算的位置类别为0-1位置，向VR头盔(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VR头盔(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，由此得到一组方波信号，作为检测波形；
步骤6、与此同时，第一光敏传感器(1)检测各激光管(6)的光信号，生成一组脉冲信号，根据导轨(4)行程各段对应的编码值，生成一组方波信号，生成规则为：当该脉冲对应的激光管(6)左段的编码值为1时，输出高电平，一直持续检测到下一个脉冲；当该脉冲对应的激光管(6)左段的编码值为0时，输出低电平，并一直持续检测到下一个脉冲，由此得到一组方波信号，称之为参考波形；
步骤7、计算检测波形相对于参考波形的时间延迟Δt，即为VR头盔2的时间延迟。
2.如权利要求1所述的一种基于激光管的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、从左到右依次给激光管(6)赋予编号，则基于激光管(6)的脉冲信号获得的参考波形、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。
3.如权利要求1或2所述的一种基于激光管的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所述的一种基于激光管的VR头盔的移动延迟测量方法，其特征在于，分别取左侧若干和右侧若干激光管(6)，分别不同形式的编码，使得载物台(3)正向移动和反向移动时，第一光敏传感器(1)检测到的编码值不同，由此区分载物台运动方向。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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