设计与评估Avatar：一种用于远程操作的超低延迟沉浸式人机界面

《Displays》：Design and evaluation of Avatar: An ultra-low-latency immersive human–machine interface for teleoperation

超低延迟全景视觉平台Avatar在远程操作中实现220ms（LCD）和250ms（HMD）超低延迟，实验证明其近场感知效率接近实地操作，且主观与生理指标均显示高沉浸感与任务完成质量。

　　Avatar系统是一种面向远程操作的超低延迟全景视觉平台，其设计旨在解决传统远程操作中由于延迟问题所导致的效率低下和操作者不适现象。在许多难以进入或存在安全隐患的场景中，如太空探索、深海作业、核设施和煤矿等，远程操作技术已成为不可或缺的工具。然而，现有的远程操作系统在提供全景视觉体验的同时，往往面临延迟高、图像拼接质量差等问题，这不仅影响了操作者的视觉感知效率，还可能引发操作者在使用过程中产生的晕动症。

在实际操作中，操作者需要实时了解机器人所处的环境，以便做出准确的判断和决策。传统的头戴式显示设备（HMD）虽然能够提供较好的沉浸感，但由于其在视角转换过程中存在延迟，导致操作者在视觉感知与实际动作之间产生不协调，进而影响操作效率和体验质量。相比之下，全景视觉系统能够提供更广阔的视野，使操作者能够更全面地观察操作环境，从而提升其对现场情况的感知能力。然而，由于数据传输和图像拼接的复杂性，这些系统通常存在较高的延迟，这成为限制其广泛应用的关键因素。

为了解决这一问题，研究团队开发了Avatar系统，该系统结合了全景视觉技术和虚拟现实（VR）技术，通过优化算法和硬件设计，实现了极低的延迟性能。具体而言，系统在LCD和HMD模式下的上行延迟分别达到了220 ms和250 ms，这在现有文献中是最低的记录之一。这种超低延迟的特性，使得Avatar系统能够在多种应用场景中满足实时操作的需求，从而提升了远程操作的整体效率和质量。

在实验设计方面，研究团队对Avatar系统进行了多方面的测试，包括标准的响应机器人测试和动态场景下的远程操作任务。这些实验不仅评估了系统的性能，还通过主观问卷和生理指标测量，全面分析了操作者在使用不同人机界面（HMI）时的沉浸感和现场感。实验结果显示，Avatar系统在近场视觉搜索任务中表现出接近现场感知的效率，其完成任务的平均时间仅为现场操作的1.1倍。此外，系统在远程操作任务中也展现了良好的性能，大多数操作者能够在低延迟的环境下高效且高质量地完成任务。

通过这些实验，研究团队进一步验证了Avatar系统在提升操作者沉浸感和现场感方面的有效性。尽管HMD设备在提供沉浸体验方面优于LCD，但在实际的远程操作任务中，HMD并未展现出显著的优势。这表明，虽然沉浸感对操作者来说至关重要，但系统的延迟性能同样不可忽视。研究团队通过对现有技术的分析和总结，提出了进一步优化人机界面设计的方向，为未来更广泛、更高效的HMI开发提供了理论支持和实践指导。

Avatar系统的成功开发和测试，不仅展示了在远程操作领域中，全景视觉技术与虚拟现实技术结合的巨大潜力，也揭示了在设计高效人机界面时，需要兼顾技术性能和用户体验。系统的低延迟特性，使得操作者能够更迅速地响应环境变化，从而在复杂的操作任务中保持较高的准确性和效率。同时，系统在沉浸感和现场感方面的表现，也为远程操作提供了更加直观和自然的交互方式，有助于提升操作者的操作信心和任务完成度。

从应用角度来看，Avatar系统可以广泛用于需要远程控制的领域，如工业自动化、医疗机器人、无人机操作等。在这些场景中，操作者需要在远离操作现场的情况下，对机器人进行精确控制。系统的低延迟和高沉浸感，能够帮助操作者更好地理解操作环境，从而减少误操作的风险，提高任务的成功率。此外，Avatar系统还可以用于虚拟现实培训和模拟环境中，为操作者提供更加真实的训练体验，有助于提升其在实际操作中的技能水平。

研究团队在系统设计过程中，采用了全景摄像机作为HMD接口的视频流硬件，这一选择有效解决了HMD视角延迟的问题。通过优化数据传输和处理流程，系统能够在保证高质量视觉体验的同时，实现超低延迟。这一成果不仅在技术层面具有重要意义，也为远程操作领域提供了新的发展方向。未来，随着5G网络的普及和计算能力的提升，Avatar系统有望进一步优化，为更多应用场景提供支持。

此外，研究团队还强调了在远程操作系统设计中，人机界面的优化是关键。当前的许多远程操作系统在视觉呈现方面存在局限，无法满足操作者对实时性和沉浸感的需求。Avatar系统通过引入全景视觉技术，为解决这一问题提供了新的思路。在实际应用中，系统的低延迟特性使得操作者能够更迅速地获取环境信息，从而在复杂任务中保持更高的反应速度和操作精度。

在实验过程中，研究团队采用了多种方法来评估Avatar系统的性能。例如，在近场视觉搜索任务中，系统的表现接近于现场操作，这表明其在视觉感知效率方面具有显著优势。而在远程操作任务中，系统的低延迟特性同样得到了验证，大多数操作者能够在较低的延迟环境下高效完成任务。这些实验结果不仅证明了Avatar系统的有效性，也为未来人机界面的设计提供了数据支持和理论依据。

总体而言，Avatar系统的成功开发标志着远程操作技术在人机交互方面迈出了重要一步。通过结合全景视觉和虚拟现实技术，系统不仅提升了操作者的沉浸感和现场感，还有效解决了传统远程操作系统中存在的延迟问题。未来，随着技术的不断进步，Avatar系统有望在更多领域得到应用，为远程操作提供更加高效和直观的解决方案。