Errors in Stereo Geometry Induce Distance Misperception

📄 arXiv: 2505.23685v2 📥 PDF

作者: Raffles Xingqi Zhu, Charlie S. Burlingham, Olivier Mercier, Phillip Guan

分类: cs.HC, cs.GR

发布日期: 2025-05-29 (更新: 2025-09-28)

💡 一句话要点

提出几何框架预测HMD立体视觉误差，并实验验证距离感知偏差

🎯 匹配领域: 支柱六：视频提取与匹配 (Video Extraction)

关键词: 头戴式显示器 立体视觉 距离感知 几何误差 虚拟现实

📋 核心要点

  1. HMD的渲染相机和观察位置误差会导致用户感知到的距离与实际几何结构存在偏差，影响用户体验。
  2. 论文提出了一种几何框架，通过分析HMD的透视几何误差，预测由此产生的距离感知误差。
  3. 通过实验验证了该几何框架的有效性，并展示了实时视觉反馈在校正距离感知偏差方面的作用。

📝 摘要（中文）

本研究针对头戴式立体显示器(HMD)中，由于渲染相机和观察位置误差导致的距离感知偏差问题，提出了一个几何框架，用于预测不精确的HMD透视几何结构引起的距离感知误差。构建了一个HMD平台，能够可靠地模拟Quest 3 HMD中的渲染和观察误差，并结合眼动追踪技术，对预测结果进行实验验证。通过五个实验，验证了几何框架的有效性，表明透视几何误差会导致对感知距离的低估和高估。进一步证明了实时视觉反馈可以动态地重新校准视觉运动映射，即使感知视觉距离受到几何误差的负面影响，也能实现准确的触及距离。

🔬 方法详解

问题定义：HMD中渲染相机的位置和用户的观察位置可能与预期的理想位置存在偏差，这些偏差会导致用户在虚拟环境中感知到的物体距离与实际距离不符。现有方法缺乏对这种误差的精确建模和预测能力，难以有效校正距离感知偏差。

核心思路：论文的核心思路是建立一个几何模型，将HMD的渲染误差和观察误差与用户感知到的距离误差联系起来。通过分析透视投影的几何关系，推导出距离感知误差的数学表达式，从而实现对距离感知偏差的精确预测。

技术框架：该研究的技术框架主要包括以下几个部分：1) 建立HMD的透视几何模型，考虑渲染相机的位置误差和用户的观察位置误差；2) 推导距离感知误差的数学表达式，将误差与HMD的几何参数联系起来；3) 构建一个可控的HMD实验平台，能够模拟不同的渲染和观察误差；4) 设计一系列心理物理学实验，测量用户在不同误差条件下的距离感知；5) 将实验结果与几何模型的预测结果进行比较，验证模型的准确性。

关键创新：该研究的关键创新在于提出了一个能够精确预测HMD距离感知误差的几何框架。该框架不仅考虑了渲染误差，还考虑了观察误差，并将其与距离感知误差联系起来。此外，该研究还构建了一个可控的HMD实验平台，为验证几何模型的准确性提供了可靠的实验数据。

关键设计：在几何模型中，关键参数包括渲染相机的位置和方向、用户的眼睛位置、以及HMD的显示参数。实验设计中，关键在于控制渲染和观察误差的大小，并采用心理物理学方法精确测量用户的距离感知。此外，论文还探索了实时视觉反馈对校正距离感知偏差的影响，设计了相应的反馈机制。

📊 实验亮点

实验结果表明，透视几何误差会导致对感知距离的低估和高估，验证了几何框架的有效性。通过实时视觉反馈，即使感知视觉距离受到几何误差的负面影响，也能实现准确的触及距离。该研究为HMD的距离感知校正提供了理论基础和实验依据。

🎯 应用场景

该研究成果可应用于改进HMD的显示效果，提高虚拟现实和增强现实应用的沉浸感和真实感。通过精确建模和校正距离感知误差，可以减少用户的视觉疲劳和不适感，提升用户体验。此外，该研究还可以应用于远程协作、虚拟训练等领域，提高任务的效率和准确性。

📄 摘要（原文）

Stereoscopic head-mounted displays (HMDs) render and present binocular images to create an egocentric, 3D percept to the HMD user. Within this render and presentation pipeline there are potential rendering camera and viewing position errors that can induce deviations in the depth and distance that a user perceives compared to the underlying intended geometry. For example, rendering errors can arise when HMD render cameras are incorrectly positioned relative to the assumed centers of projections of the HMD displays and viewing errors can arise when users view stereo geometry from the incorrect location in the HMD eyebox. In this work we present a geometric framework that predicts errors in distance perception arising from inaccurate HMD perspective geometry and build an HMD platform to reliably simulate render and viewing error in a Quest 3 HMD with eye tracking to experimentally test these predictions. We present a series of five experiments to explore the efficacy of this geometric framework and show that errors in perspective geometry can induce both under- and over-estimations in perceived distance. We further demonstrate how real-time visual feedback can be used to dynamically recalibrate visuomotor mapping so that an accurate reach distance is achieved even if the perceived visual distance is negatively impacted by geometric error.