首页| 行业资讯| 企业名录| 周边产品| 数字城市| 增强现实| 工业仿真| 解决方案| 虚拟医疗| 行业仿真| 图形处理| 军事战场
用户登录/注册 ×
资讯首页
行业资讯 >> 专业文献
基于视觉空间定向理论的虚拟现实空间重构
时间:2019-10-22    评论:0
    来源:液晶与显示
    作者:夏振平,胡伏原,程成,顾敏明
    单位:苏州科技大学电子与信息工程学院
       苏州市虚拟现实智能交互及应用技术重点实验室

    摘要:立体视觉中,虚拟的中央眼是立体空间定向的依据.中央眼存在个体差异,然而现有虚拟现实技术在立体影像呈现过程中尚未考虑到中央眼的个体差异.模拟的射击实验结果表明,人眼视觉系统对立体空间中,物体之间相对方向的判断极其敏感,实际中央眼位置与理想情况之间的微小偏移会带来显著性的感知差异.虚拟现实技术模拟真实场景的拟真性和交互性可以通过考虑个体中央眼位置的方式进行提升.本文通过对人眼双目定向理论的分析,提出了基于中央眼位置的虚拟空间重构方法,采用对立体相机系统反方向平移的方法补偿由于中央眼偏移带来的偏差.所提出的方法有望为虚拟现实技术拟真性和交互性的提升提供理论依据。

    1、引 言

    归功于虚拟现实(VirtualReality,VR)技术的迅速发展,计算机模拟的虚拟世界越来越逼真,VR技术超越了传统的交互手段,使人们可以更加直接地与计算机互动,以解决更加复杂的问题。

    因此,VR 技术在娱乐。教育。医疗。军事。科学研究等领域得到了广泛的应用[1].在所有的 VR 应用场景当中,沉浸式的感受至关重要[2].实现沉浸式体验最重要的是增强生动性和交互性.生动性是指媒体技术如何全面地给用户呈现模拟的环境.交互性是指用户可以实时。准确地对媒体技术呈现的场景进行作用和修正[3].大规模的商业投资使得虚拟现实技术水平不断提升的同时,价格也降低到消费级的水平.尽管如此,虚拟现实技术中还有大量的问题需要研究和解决,以进一步提高 VR技术的生动性和交互性[4]。

    对于自我所处位置的意识,在真实世界和虚拟世界的体验中都很重要.三维空间中物体的感知,需要确定物体相对自我所处的距离和方向,距离信息来源于双眼视网膜上同一物体的视差信息,以及其他诸如阴影。相对大小。遮挡等单眼深度线索[5].双目视觉下的方向判断依赖于双眼视线方向信息,最终融合成单一的双目视觉方向信息.双目视觉下的视觉方向计算对立体空间感知和物体形状感知尤其重要[6].对于自我位置的意识基于人的中央眼的位置.中央眼是一个虚拟眼,它是双目视觉下判断物体相对自身方位的参考点[7].由于人的双眼功能通常情况下不可能完全一致,因此中央眼的位置在双眼中间位置附近,并且存在个体差异[8]。

    目前,虚拟现实技术中简单假设了中央眼的位置位于双眼连线的中心位置,没有考虑用户存在的个体差异[9].这种理想假设与实际情况的差异会导致不同用户感知体验存在差异,同时会产生用户与VR设备的交互冲突。

    本文基于双目视觉下空间定位的原理,提出了基于中央眼的虚拟现实场景重构方法,试图解决个体视觉特性差异带来的交互冲突。

    2、基于视觉的空间定向

    视觉空间中一个物体的绝对视觉方向主要依赖于两点:(1)由左右眼视网膜提供的眼中心方向信息;(2)左右眼的注视方向.图1是立体视觉空间定向的几何结构示意图.双眼注视点 F 的同时点 P也在视野范围内,在左右眼视网膜上点 P相对于注视点 F 的眼中心方向分别用θ 和φ 表示.虚拟的中央眼是双目视觉下相对方向的判断基准,又称为双目视觉方向中心和自我中心.双目视觉下,点 P相对于注视点 F的眼中心方向用γ 表示。


图1 立体视觉空间定向的几何结构
 
    中央眼的 位 置 存 在 个 体 差 异,是 眼 优 势[10]的一种表现形式.如果在双目视觉方向判断上左眼更 占 优 势,则 中 央 眼 更 靠 近 左 眼,反 之 亦然.与左右 手 的 使 用 情 况 类 似,有 2/3 左 右 的人中央眼 更 靠 近 右 眼,即 右 眼 在 双 目 方 向 判 断上更占 优 势.在 双 眼 连 线 方 向 上,中 央 眼 的 位置通常向优势眼 偏 移 0~1cm.因 为 人 眼 视 觉系统对物体相对位置偏移的分辨精度已经超越了视网膜 上 感 光 细 胞 的 分 布 精 度,其 对 位 置 的微小变化 极 其 敏 感,微 小 的 偏 移 会 影 响 相 对 位置的 判 断.游 标 卡 尺 就 是 依 据 这 个 原 理 发 明的,利用 人 眼 的 这 一 特 性 提 高 测 量 的 精 度.立体空间的相对位置判断虽然会受到深度不同的影响,但还是达到了极 高 的 灵 敏 度[11]。

    研 究 表明,立体空 间 中 不 同 深 度 的 物 体 相 对 位 置 偏 移敏感度阈值达到了34arcsec[12]。 

    3、基于视觉感知的交互

    VR技术中,立体显示技术是最关键的信息交互媒介,承载着从计算机向用户的视觉信息传递.用户再根据接受到的视觉信息,向计算机反馈信息.要达到准确的信息交互,不但要了解计算机的立体影像呈现方式,而且要厘清特定用户的视觉感知方式。

    基于视觉感知的交互中,一个典型的例子就是第一人称下的射击游戏.玩家需要根据感知到的视觉信息瞄准射击,计算机要根据玩家的射击数据进行是否命中目标的反馈.现有 VR系统大多使用红外线瞄准,仅仅作为游戏貌似问题不大,但有些特殊的情况下就不适用了.有一种不能使用红外瞄准的飞碟射击场景,为了迅速准确地判断目标的飞行速度和距离,射手需要在双目视觉下瞄准目标并射击.不管是使用 VR作为游戏平台还是训练的手段,都希望 VR系统能够真实。准确地模拟真实场景下的情形.因此,准确掌握特定玩家的立体视觉空间定位信息尤为重要。

    VR用户的 立 体 视 觉 空 间 定 位 信 息 指 的 是中央眼的位置,在 VR 系统不了解用户中央眼位置时,VR系统默认理想情况下中央眼的位置位于双眼位 置 的 中 心,称 之 为 “理 想”情 况.对用户进 行 中 央 眼 测 试 获 得 的 中 央 眼 位 置 称 为“实际”情况.图2展示了4位受测者参与的模拟射击测试结果。


表1 中央眼相关测试数据

    实验首先测试了受测者的中央眼位置(表1),然后让受测者参与模拟射击实 验.为保持对称性,目标分布在对称的左右15°视角位置,对 应 图 2 中 每 个 受 测 者 的 左 半 图 和右半图.目 标 位 置 固 定,瞄 准 器 位 置 由 实 验 程序随机呈 现,受 测 者 判 断 瞄 准 器 是 否 瞄 准 了 目标,如果是就按下射击键,否则变换位置继续瞄准.每个受测者对每个目标都有上百个射击的机会,所有 成 功 射 击(按 下 射 击 键)的 数 据 都 被记录下来.分别根据“理想”和“实际”情况下中央眼的位 置,计 算 射 击 点 的 视 角 和 目 标 视 角 的偏差,计算结果的平均值和标准差如图2所示。


图2 比较理想和实际情况下射击误差的判断差异

    同时,“理想”和“实 际”情 况 之 间 差 异 的 显 著 性等级也用“。”号 标 识 出 来.结 果 表 明,中 央 眼的位置偏移(理想情况为双眼的中央位置)对场景中物体 相 对 位 置 的 判 断 具 有 显 著 性 的 影 响。

    如果不考虑用户特定的立体空间定向信息,VR系统与用户互动时将产生冲突,除了互动冲突以外,具有不同中央眼位置的用户观看同一立体影像内容时因为是从不同视角观看,其感受也不同,这和内容设计者的初衷也不一致。
 
    4、 虚拟空间重构

    为了解决因不同用户中央眼位置不同造成的VR系统与用户的互动冲突,以及不同用户感知内容不同的问题,本文提出了一种基于中央眼的虚拟空间校正方法.如图3所示,虚拟现实系统的虚拟空间构建经历了立体影像获取。立体影像呈现和虚拟空间感知的过程.首先,真实世界或计算机模拟的世界空间(Xw,Yw,Zw)场景(图3(a))中的物点 Po分别投射到左右相机的感光元件上形成 Ol和 Or,该投射在物体空间(Xo,Yo,Zo)进行.然后,Ol和 Or分别呈现在立体显示屏平面对应的Sl和Sr位置(图3(b)).最后,双眼图像融合后呈现在图像空间(Xi,Yi,Zi)的Pi位置。

(a)立体影像获取                 (b)立体影像呈现与感知
图3 虚拟现实技术影像获取、呈现与感知过程

    因立体空 间 定 向 依 据 中 央 眼 的 位 置,因 此 在 图像空间 以 中 央 眼 为 原 点 建 立 了 感 知 空 间 (Xp,Yp,Zp).感知空间直接代表了特定用户的主观感知角度.所有空间定向在感知空间进行.类似中央眼的概念,本文提出了中央相机的概念。

    由于左右 相 机 的 性 能 几 乎 完 全 一 致,虚 拟 的 中央相机位于两个相机的连线中心位置.中央相机刚好位 于 物 体 空 间 的 原 点,中 央 相 机 的 定 义是为了更直接地表明物体空间与世界空间的平移关系。

    图像空间和感知空间之间是直接的平移关系,如式1所示.其中[xce,yce,zce]T 是中央眼在图像空间的位置坐标。

 

    类似地,物体空间和世界空间也存在简单的平移关系,如式(2)所示.其中,[xcc,ycc,zcc]T是中央相机在世界空间的位置坐标。


    为了简化表述,本文暂不考虑因立体影像获取与显示过程中的参数不匹配所导致的空间畸变问题[13].相关参数完美匹配的情况下,图像空间与物体空间一致(如式3所示).

 
    本文最终的目的是使所有用户从同一视角看到同一空间场景,即感知空间与世界空间一致(如式4所示).在此前提下 VR 系统与用户的交互也将不存在冲突。
 

    最终,根据式(1)~(4)可以推导出式(5).中央相机的位置依据中央眼在图像空间的位置偏移,向相反方向偏移相同的偏移量。


    5、结 论

    立体视觉中,虚拟的中央眼是立体空间定向的依据.中央眼位置存在个体差异,现有虚拟现实技术在立体影像呈现过程中尚未考虑到中央眼的个体差异.理想情况下,中央眼位于双眼连线的中央位置,而一般人中央眼都有些许的偏移。

    立体空间中,人眼对物体之间相对方向的判断极其敏感,中央眼的微小偏移会带来显著性的感知差异.虚拟现实技术模拟真实场景的拟真性和交互性可以通过考虑个体中央眼位置的方式进行提升.本文提出了基于中央眼位置的虚拟空间重构方法,采用对立体相机系统反方向平移的方法补偿由于中央眼平移带来的偏差。

    作者简介:

    夏振平(1985-),男,江苏兴化人,博士,讲师,哈佛大学博士后,主要从事视觉相关的立体显示图像质量测量。评价和优化方面的研究.E-mail:xzp@usts.edu.cn

标签:立体视觉
上一篇:2019中国VR产业50强企业出炉下一篇:不只是新颖:因特尔沉浸式虚拟现实体验指南
网友评论:基于视觉空间定向理论的虚拟现实空间重构
留名: 验证码:
最新评论
查看全部评论0
暂无评论
您可能还需要关注一下内容:
·基于UE4的实时渲染视频制作解决方案
·关于增强现实技术潜在发展方向的思考
·王连云:裸眼3D技术现状及产业推进六大建议
·集成成像桌面真3D显示技术原理与应用
·微纳加工技术:无视疲劳裸眼3D显示助推器
·基于Unity3D的可变视点数裸眼立体图像合成算法
·基于网络CAVE系统的搭建及图像的几何校正
·空域计算全息三维成像技术
·飞行模拟器虚拟环境下飞行员视觉特征
·微软Mise-Unseen眼动分析,实时改变VR视觉细节
☏ 推荐产品

小宅 Z5 2018青春版
商家:小宅

杰瑞特运动平台
商家:杰瑞特智能

Dikalis眼动追踪
商家:赢富仪器

魔神 Hawk
商家:魔神运动分析

5DT Binoculars
商家:四维宇宙

Christie DS+750
商家:四维宇宙

Zalman M220W
商家:四维宇宙

全息360°
商家:四维宇宙

PD F10 AS3D
商家:四维宇宙

PHANTOM系列
商家:四维宇宙
☞ 外设导航
☏ 企业名录
【深圳】深圳市观度科技有限公司
【沈阳】沈阳中申高新科技有限公司
【北京】北京未尔锐创科技有限公司
【南昌】南昌虚拟现实检测技术有限公司
【上海】上海桥媒信息科技有限公司
【宁波】宁波维真显示科技股份有限公司
【潍坊】歌尔股份有限公司
【上海】霍尼韦尔(中国)有限公司
【北京】科视Christie-中国
【北京】北京华如科技股份有限公司
关于本站联系我们融资计划免责声明网站建设广告服务咨询策划行业推广
北京第三维度科技有限公司 版权所有 京ICP备15051154号-3
2008-2020 Beijing The third dimension Inc. All Rights Reserved.
Email:d3dweb@163.com  QQ:496466882
Mob:13371637112(24小时)
关注虚拟现实
关注第三维度