面向新一代扩展现实（XR）应用的物联网框架
中文标题： 面向新一代扩展现实（XR）应用的物联网框架
英文标题： Towards an IoT Framework for the New Generation of XR Applications
作者信息
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João A. Dias，UNIDCOM - IADE，欧洲大学，里斯本，葡萄牙，邮箱：joao.alfredo.dias@universidadeeuropeia.pt
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Nathan P. Campos，IADE，欧洲大学，里斯本，葡萄牙
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Miguel Boavida，IADE，欧洲大学，里斯本，葡萄牙
论文出处
本文发表于《IEEE Access》，DOI: 10.1109/ACCESS.2024.0429000。
摘要
近年来，扩展现实（XR）技术在工业和学术界引起了广泛关注，尤其是在开发创意和沉浸式应用方面。然而，许多XR应用仍然依赖于传统的输入设备（如鼠标、触摸屏或游戏控制器）和输出设备（如屏幕或投影仪）。随着物联网（IoT）解决方案的普及，将这些设备集成到新一代创意应用中成为可能。然而，这种集成通常成本高昂且需要大量定制开发。本文旨在填补这一空白，提出一个框架，使开发者能够利用IoT设备创建数字孪生或作为应用的输入和输出设备，从而为软件开发开辟新的可能性。研究中提出了一个框架，用于将任何IoT设备集成到新一代XR应用中，并详细设计了一种IoT设备配对方案，使其能够自动与客户端可靠匹配。通过使用行业标准的IoT通信协议MQTT进行性能研究，证明了该框架在为无线输入设备提供低延迟通信方面的可行性。
引言
扩展现实（XR）技术涵盖了虚拟现实（VR）、增强现实（AR）和混合现实（MR），通过计算机生成的环境让用户同时与虚拟和现实世界互动。尽管XR技术取得了显著进展，但仍然面临一些挑战，例如设备重量、视野限制和硬件限制等问题。物联网（IoT）设备和网络的集成可以解决这些问题，通过实时数据交换增强XR体验。然而，目前这种集成通常是逐案进行的，通常涉及云解决方案作为中介，缺乏标准化的框架。本文提出了一个框架，支持新一代XR应用，利用过去几十年的创新和IoT设备集成带来的可能性，弥合虚拟和物理世界之间的联系。
背景与相关工作
扩展现实
扩展现实（XR）是一个涵盖多种技术的术语，旨在扩展物理现实，例如通过在物理空间上叠加虚拟对象或完全替换它们。近年来，XR技术在创意应用领域取得了快速发展，尤其是在VR和AR眼镜方面。这些技术的发展推动了相关硬件、配件和新方法的研究，以扩展这些设备的能力。
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增强现实（AR）：AR技术允许用户在现实世界中与虚拟对象互动，通过智能手机等设备的传感器和算法实现。AR技术的一个重要应用是通过移动设备在现实场景中叠加虚拟3D对象，广泛应用于广告、视频制作等领域。
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虚拟现实（VR）：VR技术通过头戴式显示器（HMD）让用户完全沉浸在虚拟环境中，与周围环境隔离。VR技术的发展使得开发者可以更简单地开发体验，因为不需要依赖外部输入，只需依赖头显中的运动传感器和控制器。
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混合现实（MR）：MR技术结合了VR和AR的特点，允许用户在虚拟和现实内容之间无缝切换，同时感知物理空间。
物联网（IoT）
IoT是一个由传感器、嵌入式软件和执行器组成的物理设备网络，能够通过互联网连接和交换数据。IoT的主要目标是通过实时数据收集和自动化控制优化流程，提高效率和用户体验。IoT技术为创意技术中的艺术和设计表达提供了新的可能性，使开发者能够创建模糊数字和物理世界边界的交互式装置和环境。
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IoT协议：IoT领域有许多通信协议，包括HTTP、MQTT和CoAP。其中，MQTT是一种轻量级协议，专为IoT应用设计，广泛用于资源受限的设备。CoAP是一种现代轻量级协议，旨在填补HTTP和资源受限应用之间的差距。
混合方法
研究人员已经开发出多种方法，将XR和IoT技术结合起来，创造更沉浸式的体验。例如，通过将IoT设备与XR应用集成，可以实现更自然的交互和更丰富的用户体验。然而，这种集成通常需要定制开发，增加了开发成本和复杂性。
提出的框架
本文提出的框架旨在为XR和IoT的集成提供标准化解决方案，使开发者能够轻松地将IoT设备集成到XR应用中。框架的核心组件包括：
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应用：开发者编写的XR应用，使用高级语言和网络通信库。
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客户端：运行XR应用的设备，如计算机、VR头显或移动设备。
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个性：IoT设备上的可测量值或可操作值，如传感器数据或执行器状态。
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节点：作为输入、输出或两者的IoT模块。
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中介：负责动态分配MQTT主题，使节点和客户端能够自动配对。
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代理：MQTT代理，负责在客户端和节点之间中继信息。
系统架构
框架的架构设计旨在最大化扩展性和灵活性，支持多种设备和场景。图7展示了系统架构，包括单个节点和客户端之间的交互。框架使用HTTP进行初始设置和配对，使用MQTT进行运行时通信。为了减少延迟，嵌入式设备的固件应保持简洁，将复杂处理任务交给客户端。
通信和配对机制
由于MQTT协议不支持客户端之间的主题协商，框架引入了中介来动态分配主题。中介允许节点在启动时发现服务器地址，并自动与客户端配对。配对过程类似于无线游戏控制器的配对，确保节点和客户端能够自动匹配，无需预配置信息。
框架性能评估
框架的性能评估主要关注MQTT协议在分布式环境中的表现，特别是在低延迟和高吞吐量方面。评估的目标是确定框架是否适用于需要低延迟输入设备的XR应用。
测试方法
测试使用了Python脚本作为发布者，Unity 3D应用作为订阅者，通过MQTT协议进行通信。测试环境包括模拟场景（虚拟机和主机）和真实场景（IoT设备和VR头显）。测试指标包括延迟（往返时间）和TCP吞吐量。
测试结果
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模拟环境：
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在模拟环境中，使用ping和netperf工具测量了网络的基线性能，结果显示平均往返延迟为0.416毫秒，TCP吞吐量为2591次/秒。
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在无延迟的单发布者测试中，Unity在高频率更新UI时变得无响应，但后台处理消息时表现正常。测试结果显示，MQTT协议在无延迟情况下能够实现极低的延迟（约1毫秒），适合用作游戏控制器。
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在使用不同QoS级别时，延迟和吞吐量的变化表明，QoS级别越高，延迟越大，但吞吐量仍能满足XR应用的需求。
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真实环境：
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在真实环境中，使用ESP32-S2-Saola-1开发板作为IoT设备，Meta Quest 2 VR头显作为客户端，测试了MQTT协议在不同网络条件下的表现。
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在最坏情况下（公共WiFi网络），平均往返延迟为18.78毫秒，QoS级别为1时延迟为24.98毫秒，QoS级别为2时延迟为36.29毫秒。这些延迟值仍低于人类感知的阈值（约10毫秒），证明MQTT协议在高延迟网络中仍能提供可接受的性能。
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在理想情况下（专用WiFi网络），延迟显著降低，QoS级别为0时平均延迟为6.25毫秒，QoS级别为1时为8.27毫秒，QoS级别为2时为13.92毫秒。这些结果表明，MQTT协议在低延迟网络中表现优异，适合用于需要高响应性的XR应用。
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结论与未来工作
本文提出的框架通过使用MQTT协议，成功地将IoT设备与XR应用集成，解决了现有解决方案中的许多问题。框架在低延迟和高吞吐量方面表现出色，适用于需要低延迟输入设备的XR应用。未来的工作将包括更多用户测试，验证框架在实际游戏和应用中的表现，以及探索框架在工业自动化和智能家居等领域的应用。此外，还需要进一步研究MQTT和CoAP协议的性能比较，以及在更复杂的网络环境中的表现。