VR时代

消费者版VR头戴设备自2015年面世以来，有许多公司纷纷推出了各自的版本。到2016年，已有230多家公司拥有自己的VR HMD项目，有些公司几乎每年都会发布新产品，包括一体机和PC端版本。Oculus在2019年发布了新的Quest和Rift设备，与此同时，HTC推出新的VIVE设备，Valve发布自家Index眼镜。接着，Varjo凭借其推出的人眼识别产品再次让粉丝大开眼界，还有许多新成立的中国公司也在产品设计和性能方面紧追猛赶。在2020年国际消费电子展上，AR/VR市场涌现出了大批新玩家和产品。可见AR/VR即将进入一个风靡的时代。

当今智能设备行业和研究中最热门的主题之一就是虚拟和增强现实（VR/AR）头戴设备的开发。最先进的空间定位实施方案是利用多个摄像头和传感器来寻找用户头部在周围空间中的位置和方向。这称为六自由度（6DoF）跟踪。与机器人技术类似，即时定位与地图构建（SLAM）算法还可以通过识别墙壁和其他障碍物使头戴设备更好地适应周围环境。例如，高通公司已经在其新开发的移动处理器中实施了SLAM。

头部跟踪的质量和精度是虚拟现实体验的关键因素。跟踪效果不佳可能会使用户产生恶心不适的感觉，或破坏虚拟现实体验的可信度和沉浸感。设备和内容的开发需要采用一种客观的评估跟踪行为的方法。高质量的跟踪可通过观察例如用户运动与更新的显示内容、抖动（内容的随机晃动）或漂移之间的延迟（运动到光子的延迟）来定量。

OptoFidelity品牌实力

多年来，OptoFidelity一直致力于设计和构建用于VR/AR产品和组件的测试和校准系统。这些系统涵盖了移动跟踪精度、延迟及光学和图像质量的解决方案。为此，OptoFidelity与于韦斯屈莱大学物理学系建立了合作关系，我们的合作涉及HMD测试技术领域的学术研究。我们的合作重点是为VR头戴设备的跟踪性能寻求新的光学测量技术和方法。最终，我们开发了一种用于测试HMD的新技术，以提高客户的人机交互体验感。

测试跟踪性能有多种可行方法。例如，访问头戴设备合适的API可以记录和调查头戴设备的跟踪系统、图形堆栈或其他某些组件的数据。此外，还可利用图形内容变化的应用程序来测试光子延迟。通过外部传感器（例如颜色传感器或摄像头）观察显示器的相应变化，并测量两个事件之间的延迟。

图示1：“运动到显示过程”的示意图，即VR/AR系统的组成部分，涉及将用户的运动转换为内容并显示更新，从而带来虚拟现实的体验。

总而言之，将运动转换为显示更新对于用户而言很重要。上面讨论的测量方法不能捕获这种端到端的过程。OptoFidelity开发了一种全新的VR/AR测试仪，可用于端到端的测量。该测试仪包括一个观测头戴设备（戴在头形夹具上）的机器人和一个摄像头，该摄像头可逐帧捕获显示内容并执行计算机视觉分析。通过比较变化的内容和机器人运动配置文件来找到运动到光子的延迟。这种测量方法可捕获VR/AR系统的总累积延迟，如图1所示。图2显示了我们第一个用于运动到光子延迟测量的产品，即OptoFidelity Buddy。Buddy可利用于上述新开发的HMD测试技术。

图示2：BUDDY带有集成的视觉模块和所需的自由度数（1、3或6），可确保最佳的HMD性能，包括运动到光子（M2P）的晃动和真实世界与虚拟世界之间的姿态漂移。使用BUDDY，您甚至可以测量音频到视频的同步以及空间音频的所谓运动到音频的延迟。

VR显示器的工作方式使得捕获它的图像并不是件容易的事，几乎所有VR显示器的像素持久性都较低，这意味着该显示器每帧仅能显示很短的时间（通常为几毫秒）。因此，图像捕获必须准确同步到显示刷新。OptoFidelity采用的是由图像传感器、微控制器和颜色传感器组成的自定义智能摄像头，颜色传感器指向显示器，通过高速采样的微控制器检测显示器照明的上升沿，然后，触发图像曝光并读取图像。

VR测量中使用的机器视觉算法也可以在微控制器上实施。对于1DOF运动到光子的延迟测量，显示内容的运动通过光流算法检测。对于更复杂的测量，可将一组可检测对象放置在虚拟世界中并显示在头戴设备上。摄像头将检测到这些对象在2D图像中虚拟对象的位姿。根据这些3D-2D点对，可以计算出虚拟摄像头的位姿，从而可以进一步计算出头戴设备的跟踪系统估算出的位姿。SakariKapanen的论文中对该算法进行了数学分析。一项特别重要的观察结果显示，由于2D图像中的X旋转和Y平移（反之亦然）之间存在不确定性，因此目标点的平面排列对于6DOF位姿的估算效果无法达到最佳。根据研究，我们可以向目标图案在平面外添点。因此，使用自定义机器视觉摄像头来测量设备显示器的运动情况比较方便，例如，比较一组不同VR头戴设备的运动到光子的延迟非常容易，因为不需要对设备进行侵入式访问，操作员只需要更换头戴设备即可。另外，集成颜色传感器还可以逐帧监视帧间隔和持久性。

测试装置

OptoFidelity的测量装置包括OptoFidelity BUDDY-3设备和多个VR头戴设备，包括Sony PSVR、HTCVive、OculusQuest和ValveIndex。OptoFidelity BUDDY-3通过使用机器人、智能摄像头和信号处理算法来测试VR/AR头戴设备的头部跟踪性能，这些算法允许通过非侵入的方式对显示器进行成像来确定虚拟内容的方向。绝对跟踪的方法在OptoFidelity网站上的博客文章中有详细介绍https://www.optofidelity.com/blog。

图示3：OptoFidelity Buddy-3测试装置

当机器人移动头戴设备时，机器人的实际运动将由编码器计数器设备捕获，然后该设备将同步到与摄像头相同的时钟。这允许内容和机器人方向信号进行时间比较，并计算运动到光子的延迟。

漂移测试

飘逸是指头戴设备在环境或给定韦志中定位的能力。这种测试通常可以检测SLAM（同时定位与构图）的能力。

持续一分钟将机器人全速移至任意位置。重复15次，每次运行之间暂停10秒。下图中的图像显示了10秒暂停结束时每个轴上的漂移情况。

抖动和静态抖动

抖动和静态抖动通常是由于传感器的精度，或者运动预测算法中的问题（大多数情况）引起的。用户在移动或保持静止时可以通过不稳定或振动的图像观察到。通过绘制虚拟世界与实际机器人之间的位姿差异可以看到抖动和跟踪误差，如下图所示：

静态抖动

使机器人保持静止一分钟，然后再移动。

运动到光子（M2P）延迟

M2P延迟是导致用户患上晕动病的主要因素。如今，对于VR来说，低于5ms的延迟均在可接受的范围内，而对于AR来说，延迟应接近0ms。通过分别沿每个轴移动机器人并将姿势与内容进行比较来测量延迟。

跟踪

常规跟踪性能的测量通过转动机器的所有轴并计算头戴设备中编码器数据和渲染内容图像之间的差异来完成。

OptoFidelity

OptoFidelity 成立于2005年，是一个反应敏捷的测试自动化智能制造合作伙伴，在中国珠海、美国加州、芬兰奥卢等分别设立子公司，拥有中欧美的高新技术研发团队，借助地域与时差优势，三地紧密协作，拥有专业系统化的研发及设计能力、标准及定制化制造能力，我们一直致力于通过模拟和测试智能设备的用户交互来提升终端客户的使用体验，尤其在AR/VR领域上，自第一台VR设备投放市场以来，总体跟踪和延迟性能得到了很大改进，并致力于推向标准化。同时，OptoFidelity还可以定制相关的光学计量和机器人测试解决方案，一直致力于帮助AR/VR行业开发和打造市场高端设备！如果您想了解更多信息，请随时与我们联系。

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