一种新的触感通信质量评价指标

俞志荣

（中国联通福建省分公司，福建 福州 350007）

0 引言

近年来，物联网技术迅猛发展，触觉传感作为物联网感知中的重要一环，亦受到了越来越多研究人员的关注。触感通信可将触觉信息反馈给用户，从而大大增强用户的真实感和沉浸感，因此触感通信技术具有巨大的发展前景，它已被广泛应用于远程医疗、维修、虚拟游戏等领域[1-5]。质量评价指标是触感通信技术研究中的重要环节，它的准确性对触感通信实际质量有重要影响。当前在触感通信中仍采用与传统通信相同的质量评价方式，即采用加权均方误差（WMSE）衡量通信失真[6-8]，并依此评判通信质量。但是，触感通信具备有别于传统通信的死区特性，而WMSE未考虑此特性，忽略了人体感知界限，因此其往往不能正确反映触感用户的真实感受。为了解决此问题，本文基于触感死区特性，提出了一种新的适用于触感通信的质量评价指标，并设计主观实验验证该指标的性能。

1 传统触感通信质量评价指标及其缺陷

目前触感通信采用的质量评价指标为WMSE，其公式[7]如下所示：

式中N是样本总数，为触感通信系统发送端的原始数据，为接收端的数据，从式（1）可明显看出，WMSE仅从数据失真方面度量通信质量，并未考虑人体的真实感受，这个缺陷影响了其评价触感通信质量的精确度。

在心理物理学中，由于人类对刺激的感知是有限的，因此无法感知一定范围的刺激变化。Hinterneer[9]等人根据以上结论，将人体无法察觉的刺激范围称为死区，并定义了死区参数k如下：

式中x是触觉样本，△x是可感知的变化阈值。根据上述死区的概念可知，当触感通信中的数据变化阈值不超过死区参数时，人体将无法感知数据的变化，这就是触感通信的死区特性。显然，为确保精度，触感通信质量评价指标应考虑此死区特性，也就是说，为使评价指标的计算结果符合人体实际感受，应忽略死区范围内的数据失真。然而，从式（1）所示的WMSE计算公式可明显看出，WMSE并没有甄别数据失真是否在死区范围，因此利用其衡量触感通信质量往往无法正确反映用户的真实感受。因此，有必要基于触感死区特性提出一种更符合人体实际感受的质量评价指标。

2 基于触感死区特性的通信质量评价指标

由触感死区特性可知，如果接收到的数据和发送的数据之间的差异在死区范围内，则人体将无法感知该差异，因此在针对触感通信设计质量评价时应考虑此特性，也就是说，指标亦应该忽略死区范围内的差异，以适应人体的真实感受。基于上述原理，本文设计的触感通信质量评价指标如下。

首先，定义函数D(i)，若接收端和发送端的数据之差未超出死区范围，则令D(i)为0，反之设为1，公式如下：

式中k为式（2）所示的死区参数，一般取经验值0.1。然后，令：

式中N为传输的数据总数。则式（4）所示的HPM即为本文所提适用于触感通信的质量评价指标。

3 实验结果与分析

为验证本文所提指标与传统的WMSE相比是否更能符合人体真实感受，本文设计了主观实验，并通过实验结果进行性能对比。

3.1 实验平台

本文搭建的触感通信仿真实验平台如图1所示。该平台采用两台Geomagic Touch 触感设备作为触感通信发送端和接收端。这是目前应用最广泛的力反馈设备，是一种具有六个自由度的笔式的触感设备，可以精确测量三维位置，并向测试者提供真实的力反馈。

图1 触感通信仿真实验平台

3.2 主观实验

根据国际电信联盟ITU颁布的《主观测试建议书》（ITU-R BT.500）[10]，本文基于上述触感通信仿真实验平台规范地设计并完成了主观实验。

20名志愿者参加了本次实验，均为非专业人员。他们对触感通信在不同丢包率情况下（本文测试了8种丢包率，分别为是：0%、5%、10%、15%、20%、30%、40%、50%）的主观感受进行了实时评分。评分采用11分制，0分为最优，10分为最差，具体评分细则表1所示。

表1 主观实验评分细则

3.3 实验结果

实验结束后，本文根据《主观测试建议书》要求，对测试者的主观评分进行了平均计算，获得了平均意见分（MOS）[11]，计算公式如下：

式中si表示每个测试者在某个丢包率下的主观评分，M代表测试人员的数量。

根据式（5）所得的MOS值代表了用户最真实的主观感受，因此将式（1）和式（4）计算所得的WMSE和HPM分别与MOS值求相关性，即可判断哪个指标更能符合人体主观感受。本文采用Pearson相关系数来计算上述相关性。

基于测试者在主观实验中的评分，利用上述方法计算所得的相关系数如表2所示。从该表数据可看出，本文所提的指标HPM与测试者主观评分MOS的相关系数为0.72，明显高于WMSE的0.64，这表明HPM相比于WMSE更符合人体的主观感受。

表2 WMSE与HPM的相关系数

4 结论

本文在分析触感通信传统质量评价指标缺陷的基础上，根据触感死区特性，提出了一种新的触感通信质量评价指标HPM，并通过主观实验验证了指标性能。实验结果表明本文所提HPM指标相比于传统的WMSE更符合人体主观感受。该指标可为触感通信系统设计提供更加精确的指导。