VR定位追踪技术
VR定位追踪
VR最大的特点是,给我们带来了前所未有的沉静感.这种沉浸感一方面依赖于光学透镜产生了大的视场角,包裹玩家的视野,像观看IMAX电影一样身临其境,另一方面来自于你的每一个交互(头戴设备和控制设备的移动、旋转)都能在虚拟世界中产生相应的效果,给你”就在现场”的感觉.而这这样的效果是离不开VR的定位追踪技术的.
VR的定位追踪技术主要用来解决设备的六个自由度问题。其中六个自由度(6DOF)是指刚体在三维空间中的自由运动.具体而言,刚体可以自由的在三维空间中向前/向后,向上/向下,向左/向右平移,以及三个互相垂直的轴的姿态变化,这个姿态变化我们称为pitch,yaw以及roll
如果离开了定位追踪技术，VR将毫无沉浸感可言。
定位追踪方案
所有定位技术的基础模型基本相似:有一个信号产生源，有一些能够感应此信号的传感器，并放置在被追踪物体上，信号发出后,被传感器检测到,通过USB或无线方式传输给计算单元，计算单元根据不同技术路径，建立相应的数学模型，使用相应的算法,计算出物体的位置信息（6DOF信息）传递给VR应用。
VR的定位技术在实现上主要分为两类,即”outside-in”和”inside-out”.”outside-in”的主要特点是:信号产生源(如激光发射器,摄像机等)在被追踪物体外边一定距离的位置,向被追踪物体发射信号,被追踪设备上有传感器能够接收到此的信号,然后将收到的信号传递给计算单元,计算出物体的位置信息,来实现定位追踪,优点是效果好,价格低.而”inside-out”则是将信号产生源内置在被追踪设备的内部,通过直接向外部获取信息,经过计算单元处理,获得物体的追踪信息,来实现定位追踪的方案,此类方案要求较高,成本较大,但可以摆脱范围的限制,自由移动的角度来看,前景较好.
这里介绍目前常见的定位追踪技术：
- 电磁追踪技术：信号产生源来自于通电后的螺旋线（电生磁），传感器能够感应到磁场信息，根据传感器返回的信息，判断物体的6DOF信息。具有实时性好，精度高的优点，缺点是容易受到干扰，如马达、磁铁、以及通电的导线等，NDI有此类产品。
- 声波追踪技术：超声波发射器，发出特定的声波，被追踪物体上的传感器接收到信号，并计算时间，来获得位置信息和方向，从而达到定位追踪的效果，此方案容易受到温度、湿度、气压等原因影响，暂时还未见应用到VR中。
- 机械追踪技术：让人将一定的机械结构物体穿上，根据关节受力、移动角度、所在位置等信息来获取位置信息。有造价昂贵，穿戴麻烦等缺点。
- GPS:GPS空间一般由24颗GPS卫星组成(21颗用于导航,3颗用于备份).GPS卫星持续发送他们当前的时间和位置.GPS接收器在获取到多个(至少4个)卫星的数据,将数据解析处理后获得时间,位置等信息,优点是覆盖广,不受天气影响.缺点:精度低,民用精度10m左右.
- WIFI:首先,每一个AP都有一个唯一的MAC地址,我们的通讯设备(如手机,平板等),在WIFI开启的情况下,会自动扫描周围的AP信号,然后将这些AP信息发送到位置服务器,位置服务器会根据AP的地理位置和信号强度来计算出设备的位置信息,优点是通讯设备无需外置其他传感器,缺点是定位精度低,5m左右.
光学追踪技术：
- 红外光定位:Oculus采用此种追踪技术,Oculus Rift设备上覆盖了很多红外标记点,这些红外标记点按一定的频率闪烁.悬挂在上方的红外摄像头采集到发送红外光的Mark点,将信息传递给PC,通过一定的算法,获得位置追踪信息.优点是定位精度较高,稳定性强,但是移动范围受限于摄像头的视角.
- 可见光定位技术:PS VR采用此种追踪技术,在被追踪的物体上放置不同颜色的灯(PS VR上的蓝红灯),与红外光定位技术一样,需要摄像头来采集这些颜色光,然后将这些信息通过一定的算法,分别计算出各设备的位置.优点是定位精度较高,价格较低.缺点是容易受其他光源干扰,移动范围不大.
- 激光定位:HTC采用此种定位技术,目前来看是体验最好的追踪方案.悬挂在上方的激光发射塔(灯塔),每个灯塔以每秒60次的频率发射出互相垂直的光线,扫描整个房间,被追踪物体上覆盖了一些光感器件,被激光击中后,将参数信息通过无线/USB的方式传递给PC,PC根据特定算法计算出设备的位置信息.优点是定位精度很高,稳定性强,运动范围大.缺点是价格较贵.
Hypereal开源定位追踪方案
从2016年的VR发展来看,多种定位方案存在定位不准或移动范围小的问题逐渐被人们所诟病,Oculus的定位问题甚至已经引发用户抱怨,并在连续推出的几个版本仍然无法解决,而hololens的inside-out效果虽然不错,但技术难度和实现成本,遥不可攀(HPU内置24颗DSP!).个人认为激光定位技术至少在这1-2年,领先优势是会持续的(大鹏将在3月中旬发布的Insight-out方案的E3,号称秒杀lighthouse,持怀疑态度).
Hypereal开源了这部分代码,所以对于灯塔方案感兴趣的开发者,是一个不错的选择.因为工作的原因,接触到其他几个lighthouse的技术方案,从本质上来说各家的差别并不大,80%难度应该在于激光发射源的工程上.感谢Hypereal开源了这部分文档和源码.我这里对开源文档进行了中文翻译,希望对大家有所帮助,0积分下载链接如下:
- Positioning System Open Source Docs - Hardware(中文版)
上面这个Docs,命名上看是”Hardware”,但是对灯塔原理介绍的比较彻底,建议软件人员也应该看下. - Lighthouse Tracking System-ALG(中文版)
- Lighthouse Tracking System-Driver(中文版)
- Hypereal官方英文文档及代码