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OptoFidelity 博客

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新型HMD测试技术–检测VR头戴设备跟踪性能的光学测量技术

By OptoFidelity on 20-5-29 上午10:56

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。如果HMD的跟踪性能不佳,将对最终用户体验产生巨大影响。OptoFidelity多年来一直在进行用户界面测试的研究。随着HMD受到越来越多消费者的青睐,高质量测试技术的需求也将水涨船高.

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。和机器人技术类似,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 [1]。

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(运动的光子延迟)来定量。

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,还可利用图形内容已更改的应用程序的光子延迟测量来进行测试。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。

OptoFidelity content rendering

图1:“运动的光子路径”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。

但是,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行为。OptoFidelity开发了一种全新的VR/AR测试仪,用于端到端的测量。包括一个启动头戴设备(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。通过比较内容运动和机器人运动配置文件来找到运动的光子延迟。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的光子延迟测量的产品,即OptoFidelity VR万用表。VR万用表可利用上述新开发的HMD测试技术。

OptoFidelity Buddy

图2:OptoFidelity VR万用表以一个自由度测量运动的光子延迟。是OptoFidelity HMD测试技术产品组合的一部分。

显示器的工作方式使得捕获VR显示器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一小段时间(通常为几毫秒)。因此,图像捕获必须准确同步到显示刷新。为此,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,并利用用于检测显示器照明的上升沿的微控制器高速采样。然后,微控制器触发图像曝光并读取图像。本公司员工SakariKapanen在硕士论文[2]中描述了这款摄像头的部分开发细节。

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运动的光子延迟测量,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。摄像头将检测到所捕获的2D图像中虚拟对象的位置。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。论文[2]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位姿的估算效果不能达到最佳。根据研究,我们可以向目标图案在平面外添加点。

总体而言,使用自定义机器视觉摄像头测量设备的显示器的运动情况比较方便。例如,比较一组不同VR头戴设备的运动的光子延迟非常容易,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。集成颜色传感器还可以逐帧监视帧间隔和持久性。更复杂的3DOF和6DOF测量平台正在开发中,类似的测量方法(包括摄像头)已在此进行了介绍。

完整的学术研究包含在韦斯屈莱大学物理系的发表论文中。如果您有兴趣查阅我们的其他帖子并想了解有关HMD测试技术的更多信息,请在我们的博客中搜索“VR”或访问我们的VR测试解决方案页面。

 

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VR头戴设备跟踪性能比较

By OptoFidelity on 20-5-22 下午1:58

消费者版VR头戴设备自2015年面世,当时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。其中有大多数已经结束,很多公司走向破产,但是有些项目几乎每年都会发布新产品,包括独立版和捆绑版。Oculus(Facebook)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,VR和AR市场涌现出大批新玩家和产品。[1] [2]

尽管我们也推出了不少高质量的新产品,但实际的销售额并不尽如人意。截至今日,索尼成为最大赢家,占据了VR头戴设备的大部分市场份额索尼于2014年公开了他们的Morpheus项目(PSVR),并于2016年10月发布。截至2019年3月,PSVR的销量已超过420万件。根据SuperData2018年第四季度的XR市场报告数据显示,索尼的PSVR成为最畅销产品,销量达700,000件,在所有头戴设备类别中销量高居榜首 在所有头戴设备类别中销量高居榜首。相比之下,独立版Oculus Go售出555,000件,而捆绑版Oculus Rift和HTC Vive分别仅售出160,000和130,000件。 [3][4][5]

索尼是如何做到的呢?显而易见,PS4生态系统和VR内容访问的便捷性在其中发挥了重要作用。此外,我们大多数技术爱好者也很好奇PSVR在跟踪和图像质量方面的表现,因为这些是定义HMD质量好坏的主要因素。网络上有很多新闻和博客对AR/VR HMD沉浸式技术的基本原理以及在满足当今和未来标准方面面临的技术挑战进行了详细分析。如需了解更多内容,我们建议您可以查看UploadVR、NextReality、RoadtoVR、Karl Guttag的博客、Daniel Wegner的文章、Antony Vitillo的博客以及Steven Lavalle的《虚拟现实》。

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和延迟以及光学和图像质量的解决方案。近期,Oliver Kreylos对PlayStation的VR头戴设备的视场和分辨率进行了测评。我们想对其进行研究并通过一些测试来验证PSVR的跟踪性能是否比市场上其他热门的头戴设备更出色。[6]

测试装置

我们的测量装置包括OptoFidelity BUDDY-3设备和多个VR头戴设备,包括Sony PSVR、HTC Vive、Oculus Quest和Valve Index。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,这些算法允许仅通过以非侵入性的方式对显示器进行成像来确定虚拟内容的方向。绝对跟踪法在OptoFidelity网站上的博客文章中有详细介绍。

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和摄像头相同的时钟。这允许内容和机器人方向信号进行时间比较,并计算运动的光子延迟。

OptoFidelity Buddy-3

图1:OptoFidelity Buddy-3测试装置

漂移测试

漂移是指头戴设备在环境或给定位置中定位的能力。这种测试通常可以检测SLAM(同时进行本地化和映射)的能力如何。

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。

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图2:索尼PSVR

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图3:HTC Vive

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图4:Oculus Quest

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图5:Valve Index

抖动和静态抖动

抖动和静态抖动通常是由于传感器数据不正确,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。

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图6:索尼PSVR

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图7:HTC Vive

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图8:Oculus Quest

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图9:Valve Index

静态抖动

使机器人保持静止一分钟,然后再移动。

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图10:索尼PSVR

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图11:HTC Vive

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图12:Oculus Quest

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图13:Valve Index

运动的光子(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。

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图14:索尼PSVR

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图15:HTC Vive

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图16:Oculus Quest

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图17:Valve Index

跟踪

常规跟踪性能的测量通过同时移动所有机器人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。

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图18:索尼PSVR

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图19:HTC Vive

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图20:Oculus Quest

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图21:Valve Index

摘要

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。虽然HMD模型之间的跟踪精度和延迟差异看似并不大,但它们可能会对沉浸感产生巨大影响,并可能导致用户患上晕动病。PSVR在性能跟踪方面的能力似乎总是领先于新的竞争者。如前所述,推动PSVR销售增长主要是内容和生态系统。但是,销售额并不能说明这些购买设备的实际利用率,尤其是在VR市场。

在未来几年中,将有越来越多的设备依赖外部计算单元进行信号处理和图像渲染。无论是云还是手机,数据传输都是跟踪性能非常重要的因素。

OptoFidelity致力于帮助AR/VR行业开发和打造市场最佳设备!如果您有任何疑问或反馈,请随时与我们联系,我们在美国、欧盟和亚太地区办事处的专家将为您提供支持。

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基于波导光栅的增强现实显示器表征

By OptoFidelity on 20-5-15 上午10:00

衍射波导光栅是头戴式增强现实(AR)设备最有发展前景的显示技术之一。验证这些光栅的质量要求极高精度的光学测量,OptoFidelity是这一专业领域的佼佼者。

增强现实显示器

增强现实(AR)显示器具有多种具有竞争性的技术解决方案,包括波导、微棱镜、级联镀膜反射镜和视网膜激光技术。其中,具有表面起伏光栅的波导最受欢迎,已在Microsoft Hololens和Magic Leap One中得到应用。

这些产品基于出瞳扩展,该创意来自诺基亚的研究人员,于2010年获得专利权。简单来说,其基本工作原理就是将微型投影仪的出瞳放在玻璃板的表面上,其中光栅进行大角度光偏转,由于全内反射,光将在玻璃内部被捕获。然后使用其他一两个光栅逐步提取光,使出瞳的多个部分产生位移。最后,一个较大的显示窗口进入增强现实,供用户浏览。该技术的另一个直接优势是不再要求眼睛位置的精度,并且各种瞳孔间距(IPD)的用户都适用。

但是,如果要获得用户体验满意度,即保证高水平的图像均匀性、对比度和亮度,就必须对衍射光栅进行精度极高的纳米加工。为了保证整个显示图像上亮度的均匀性,必须改变给定光栅的光栅特性。只有通过精确的测量,才能验证所生产的光栅是否符合严格的质量标准。

衍射光栅

当光束照射到衍射光栅上时,光束会被削弱,分裂成多个部分(衍射级),并朝不同的方向传播。对于线条光栅来说,光栅周期(线间距)决定了衍射光束的输出角度。衍射方向垂直于光栅线,且所有衍射级次的效率取决于光栅横截面轮廓的形状和高度。

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图1衍射出瞳扩展的原理图。表面起伏光栅将入射光衍射成多个衍射级次。方向由光栅周期的长度决定。如果角度足够大,则光将发生全内反射并在平板玻璃波导内部被捕获。然后可以通过另一个光栅逐步提取光,将初始光束扩展到所需的大小。

由于波导光栅的特征可能使光小于可见光的波长,因此表征光栅具有一定的挑战性。例如,光学显微镜无法通过分辨率或通量来准确表征大面积的AR波导光栅。

在理想的情况下,可以在整个光栅的表面区域上测量光栅线条的具体形状和方向。从原则上来说,可以用激光照射光栅并构造衍射仪以测量所有衍射级次的强度和角度。可以先通过合理的判断猜测光栅形状,然后解决所谓的逆衍射问题,根据测量数据计算出光栅轮廓。此外,还可采用干涉测量技术。

对于衍射波导光栅来说,要在波导内部捕获光并不容易。将棱镜通过折射率匹配油与波导接触来可以实现这一目的,但是该方法不适用于大规模测试。此外,短周期光栅不会产生大量可测量的衍射级次。

确定光栅形状的最准确方法是用物理方法切割光栅并直接通过扫描电子显微镜(SEM)观察横截面轮廓。可惜的是,该方法会损坏研究样品,并且由于其速度较慢,只能用于表征给定光栅的一小部分,因此不能使SEM进行大规模质量测试。

周期和方向测量

幸运的是,AR显示器最重要的参数是衍射光束的方向,而方向仅受光栅周期和方位的影响,不受光栅轮廓与设计形状偏差的影响。为了表征这些性质,只需测量单个衍射级次的传播角度就已足够。甚至可以使用光栅反射的光(与波导内部捕获的光相反),以简化测量系统。原则上来说,仅需要光源、检测器以及测量它们之间的角度与光栅方向的方法。

当光通过波导中的几个光栅传播相对较长的距离时,光栅周期所需的公差可能会严格限制在皮米级。同样,光栅的相对方向也必须保证高度精确。OptoFidelity开发了能满足这些需求的自动化测试解决方案。如果光源和检测器分开放置,要以规定的精度测量它们之间的角度难度将非常大。一般克服这种限制可采用所谓的Littrow配置,其通过旋转光栅使相关的衍射级次反射回光源。利用分束器可以将光束转向摄像头。如果一开始通过观察光栅的直接反射来校准样品旋转台,我们将拥有精度非常高的衍射角测量系统。根据报告,Littrow衍射仪的周期测量精度低于10皮米。

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图2 Littrow衍射仪准直光束照射到样品上,衍射光束反射回摄像头。

只要样品台具有偏转、俯仰和旋转控制功能,除了光栅周期外,还可以通过相同的测量方式来确定线的方向。但是,由于测量结果是根据样品台编码器的读数计算得出,因此对机械精度要求很高。

目前,业内还没有对AR显示器的波导光栅配置进行标准化。OptoFidelity致力于满足客户的各种需求,已做好充分满足上述严格要求的准备,并已具备提供完整光栅测试解决方案的专业能力。

除了优化波导光栅之外,还需要验证整套AR显示器组件的最终成像性能。为此,OptoFidelity近期推出了OptoFidelity HMD IQ测试站,用于表征近眼显示器的整个视场。

作者:

Janne Simonen

博士,OptoFidelity Ltd.的光学工程师和技术主管

Simonen先生于2003年获得博士学位,研发出制造衍射光学元件的新方法。自此,他在约恩苏、坦佩雷和于韦斯屈莱大学中担任纳米光子学领域的研究人员,并曾在日本理化学研究所工作两年。他于2018年加入OptoFidelity,专门研究光学测试中面临的挑战,尤其是与AR/VR显示器相关的挑战。

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