VR注视点渲染延迟测试:未达理想水平,但已够用

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对于VR来讲,眼球追踪是未来的一项关键技术。它可以为VR头显带来更优质的体验和功能,包括生物识别(视网膜认证)、眼球输入、注视点渲染等等。

其中,注视点渲染指的是通过眼球追踪来识别用户在VR中的注视点,从而动态调节VR屏幕的清晰度,也就是说注视点区域最清晰,余光部分则降低清晰度。如此一来,注视点渲染方案有助于降低硬件压力,同时提升VR视觉清晰度。NVIDIA与Tobii在实验就中发现,注视点渲染可将显示效果最高提升57%。

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总之,注视点渲染有望成为提升VR显示技术的一项突破性技术,但由于硬件成本高,依赖精准的眼球追踪效果等原因,市面上自带眼球追踪功能的VR头显并不多,主要以一些高端的企业级VR头显为代表。比如,Varjo、Vive Pro Eye(眼球追踪技术来自于七鑫易维和Tobii)、Pico neo 2眼球追踪版等等,此外还有正在开发中的Lynx-R1 AR/VR一体机,惠普似乎也在研发一款名为Omnicept的眼球追踪和面部动捕VR头显。

实际上,流畅的注视点渲染效果依赖于精准且实时的眼球追踪效果,意味着对于延迟的要求很高。VR头显中采用的眼球追踪方案主要为光学传感器+计算机视觉算法,因此传感器采样率和算法处理速度都可能造成延迟和误差。尤其是考虑到每个人瞳孔形状各不相同,眼球追踪计算也容易因此产生误差和延迟,影响动态渲染的观感。

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那么,现有的眼球追踪技术能否达到注视点渲染的要求呢?

为解释上述问题,由来自德国美因茨大学、瑞典隆德大学、澳大利亚西悉尼大学等科研机构的学者组成的科研团队对市面现有的几款商用VR头显进行测试,并在两个实验中,分别对比它们的眼球追踪延迟,以及VR屏幕根据眼动实时渲染的延迟。

据了解,科研人员在实验中对比了Fove-0、Varjo VR-1和HTC Vive Pro Eye三款头显,其中Fove-0是以眼球追踪为卖点的VR头显,曾用于检测老年痴呆等场景。而Varjo VR-1则是一款配备四块显示器的“人眼级分辨率”VR头显,和Vive Pro Eye一样主要应用于企业级市场。

实验一:眼球追踪延迟

在这个实验中,科研人员利用眼电图模块来精准捕捉注视点,并与头显的眼球追踪数据对比,来计算延迟。眼电图系统通过测量眼球动作变化产生的生物电压来追踪眼球,理论上延迟很低(大约1到2毫秒),因此其测量结果将作为本次实验的对比标准。同时,精准的专业视频眼动仪Eyelink 1000也将作为眼球追踪延迟的对比标准,其延迟仅为1.8毫秒,与眼电图差不多。

实验二:动态渲染延迟

这个实验主要是测量从眼球扫视动作开始,到VR屏幕更新对应画面所需的时间,相当于注视点渲染过程的整体延迟。而VR动态渲染的延迟受到至少两大因素影响:1)眼球追踪延迟;2)由渲染时间、刷新率、硬件算力等方面决定的屏幕显示延迟。此外,通信标准、总线架构、PC VR传输效果等都可能造成延迟。

因此除了眼电图模块外,在这个实验中还将采用光电二极管来捕捉VR显示屏的变化,采样率最高可达1500Hz。

在这两个实验中,4名测试对象将注视点在各间隔20°水平视场角的多个点上移动,共采集60次眼球活动(测试者年龄25到46岁,均为裸眼,未佩戴框架或隐性眼镜)。在测试Vive Pro Eye头显的部分,分别运行SteamVR和Tobii XR两种SDK,并各进行一次测量,不过发现两个SDK的结果差别不大。

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最终结果显示,三款VR头显中Fove-0的眼球追踪延迟最低,仅为15-16毫秒,而整个注视点渲染过程的延迟则为45毫秒。其次是Varjo VR-1,延迟分别是35-36毫秒和57毫秒,而Vive pro Eye则为50毫秒和80毫秒。

科研人员表示:Vive Pro Eye的眼球追踪延迟已经超出注视点渲染的合适范围,而Fove-0和Varjo VR-1则达到了注视点渲染所需的标准。不过与实验用的专业眼球追踪设备相比,三款头显的注视点渲染延迟依然较高。

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实际上,这场实验并未测试注视点渲染在VR游戏等场景的效果,而且仅测试了眼球水平移动时的追踪效果,注视点移动的幅度也较大(20°水平视场角范围)。由于VR游戏对画质要求更高,眼球追踪的延迟应该控制在小几十毫秒内,才能避免被使用者察觉,影响沉浸感。

参与实验的科研人员之一Niklas Stein表示:PC VR处理眼球追踪的延迟控制在30到50毫秒之间,是比较标准的水平。

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当然,更加理想的注视点渲染效果应该能捕捉到更加细微的眼球活动,并实时更新显示屏的动态分辨率。不过Stein表示:就目前的眼球追踪技术来讲,其延迟还不能达到最理想的水平,但已足够用。

总之,Fove-0的眼球追踪功能足以运行注视点渲染,而Varjo VR-1追踪一些幅度较大的眼球动作时效果更好,一段时间后,使用者偶尔还是能察觉到注视点渲染的模糊部分。参考:Mixed.de

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