混合现实与虚拟现实驾驶员行为比较研究
本文对不同虚拟现实模式下的驾驶行为进行了比较研究。测试对象在执行简单的驾驶任务时，使用一种能够进行视频透视的头戴式显示器，置身于混合现实、虚拟现实和真实的世界中。将驾驶行为量化为转向和加速/减速活动，分为局部和全球两部分。戴着头戴显示器有明显的效果，这也影响了所有的变量的测量。结果表明，混合现实与虚拟现实之间的平均速度差异最大，而不同模式下的转向行为是一致的。除一名受试者外，所有受试者都能成功地完成驾驶任务，这表明虚拟驾驶可能是驾驶模拟器的潜在补充。
1. 导言
驾驶模拟器提供了一个几乎可以完全控制的环境，就实现复杂和危险场景的能力而言具有较高的重复性、重现性和灵活性。可以进行那些很难或不可能在真正的车辆上—甚至在测试轨道上—的研究。但是，试验对象在驾驶模拟器中的行为和反应的准确性可能因反馈提示不完整、不正确或缺少反馈线索而受到质疑(Kemenyamp;Panerai，2003年)。一个这样的失配提示即是运动系统在驾驶模拟器中的局限性。
使用装有增强、混合或虚拟现实视觉系统的车辆是人车交互研究中使用驾驶模拟器的一种潜在选择。它的优点之一，是在驾驶员加速时，对他们正在经历的运动反馈的准确性。还有投资成本较低，安装灵活，操作方便等其他诸多优势。
混合和虚拟现实系统的性能和行为在很大程度上取决于用于显示计算机生成的图形的显示技术。许多显示技术都可用于创建用于增强、混合或虚拟现实的图像。一种选择是使用头戴式显示器(HMD)向驾驶员提供视觉提示，使用光学可见性HMD(Bock，Maurer，amp;Frber，2007年)，视频透视式HMD(Berg，Millhoff，amp;Frber，2013年)或将不透明的HMD用于纯虚拟世界(Karl，Berg，Ruger，amp;Frber，2013年)。另一种选择是使用挡风玻璃作为投影区域，或者使用挡风玻璃作为光学组合器来实现光学透视(Parkamp;Kim，2014年)，使摄像机面向前方，并在安装在挡风玻璃前的屏幕上显示增强后的图像(Uchida，Tagawa，amp;Sato，2015)，或使用挡风玻璃作为不透明的投影屏幕(Riedlamp;F rber，2015年)(见表1)。不同显示技术的技术优势和缺点将在Blissing、Bruzelius和lvander(2013年)所著的论文中.
表1. 以往的研究采用了不同的虚拟模式和混合现实。
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本研究的重点是一种由Blissing and Bruzelius(2015)研发的来表示混合现实和虚拟现实的HMD解决方案。以前已经评估过使用此解决方案的驱动程序在延迟方面的行为(布吕兹利厄斯，埃里克森，2016年)。这种混合现实解决方案将虚拟对象叠加在实际环境中，而不是Berg等人(2013年)在实际环境中使用的解决方案——其中只有车辆的内部是真实的，挡风玻璃的视角由一个完全虚拟的环境是替代。
使用这些技术作为驾驶模拟器的补充，需要了解驱动程序如何受到所选择的虚拟模式的影响。我们使用两种基于HMD的设置：视频透视(VST)和纯虚拟现实(VR)，对驾驶员的行为进行了比较研究。本研究要解决的基本问题是：
1驾驶行为在驾驶时穿戴HMD与在正常驾驶时拥有直接视野相比，有什么改变？
2不同VR模式下驾驶行为如何变化？在驾驶行为方面，其中一种模式比其他模式更可取吗？
2.方法
试验对象被指示在低速下执行简单的驾驶任务，同时记录车辆数据。这项研究在一个小组内进行研究，以尽量减少所研究的VR-模式之间相互作用的影响。
2.1. 学科
从研究所的工作人员中招募了22名参与者(14名男性和8名女性)。所有的参与者对实验的细节都是不知情的，他们中的任何一个都没有得到任何补偿。参与。只为实验挑选工作人员的影响被认为是较小的，因为他们来自学院的不同部门，有不同的职业、年龄和驾驶经验。他们都不是受过训练的驾驶员。他们的年龄从22岁到64岁不等(平均年龄37岁)，年里程从5000到15 000英里不等(平均10000公里)。
参加者须持有有效文件、驾驶执照且不戴眼镜就能开车。最后一项要求是由于HMD内部的空间限制，在HMD和眼睛之间没有足够的地方佩戴眼镜。在这项研究之前，参与者被要求签署知情同意书。明确说明在实验期间的任何时间参与者有中止的权利。
2.2. 仪器
带有自动变速箱并配备了自定义混合现实解决方案(Blissingamp;Bruzelius，2015)的沃尔沃V70被用作测试平台。该解决方案由Oculus Rift Development Kit HMD和两个IDS uyeeUI-3240 CP-C摄像机组成(请参阅图1)。这些相机可以在用全局快门以60赫兹的频率捕捉1280times;1024像素的全色图像，即16.6赫兹每帧ms。这些图像通过OpenGL着色器纠正光学失真，然后发送到3D渲染引擎。
图1：顶部装有高分辨率相机的Oculus Rift Development Kit 2型头戴式显示器
HMD有能力在以75赫兹的频率进行渲染，即13.3ms每帧。由于3D渲染引擎与摄像机捕获同步运行，因此必须缓冲相机图像以避免图像撕裂。遗憾的是，这种缓冲可以增加最多一个帧的视觉延迟，这取决于渲染引擎需要相机图像的时间。在照相机中测量的延迟是51 plusmn; 25ms 。渲染引擎也使用双重缓冲，这可以延迟在HMD中的图像与另一个帧。加上屏幕扫描输出时间和图形驱动程序开销，最终在不透明中虚拟现实系统的总延迟为44 plusmn; 20 ms。总体考虑这些结果，混合现实系统的总延迟可以估计为100ms。
摄像机与设备的轮廓平齐，使装配更加牢固。这就是为什么图2中相机图像的表面沿着光轴旋转几度。由于相机安装在HMD的顶部，参与者会有稍微高一点的感觉。刚性的安装也迫使相机之间有固定的中心到中心的距离.这个距离被设定为相当于成年男性的瞳孔间距(Dodgson，2004年)。摄像机之间的中心到中心距离在虚拟环境的绘制中被重新使用，而不是使用参与者的实际瞳孔距离，以保持虚拟物体与现实世界之间的感知尺度一致。
图2. 视频透视与真实的圆锥体(顶部)，带有虚拟锥的视频透视视图(中间)和虚拟世界(底部) 的屏幕截图。请注意，为了清晰起见，视频透视图像被放大，因为它们的视野更窄，如图3.
用于照相机的光学技术将单眼视野限制在水平62°和垂直48°。与在90°水平和100°垂直方向上指定的HMD相比，这一视角更为狭窄。因此，只要使用相机，就会获得更窄的视野。视场上的差异在图3.
图3. 虚拟模式(红色)和视频透视模式(蓝色虚线)在单目视场上的差异。每个同心圆代表10°。
测试车辆安装了一个GPS系统，该系统配有一个惯性测量单元(IMU)，能够记录所有三个轴周围的直线加速度和旋转速度。根据仪器供货商提供的数据，这是一个带有100赫兹采样频率的竞速VBOX的全球定位系统(GPS)，用于RTK配置，与基站一起使用，分辨率为1厘米和0.01公里/小时。航向信号的精度为0.01°，指定的精度为0.1°。
尽管在演示期间，
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