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| 本文作者： 李詩(shī) | 2017-09-07 18:45 |
雷鋒網(wǎng)按：本文原載于微信公眾號(hào)“51CTO技術(shù)棧”，作者為uSens凌感科技技術(shù)研發(fā)副總裁馬賡宇，雷鋒網(wǎng)授權(quán)轉(zhuǎn)發(fā)。
2016 年被大家稱(chēng)為 VR 元年，當(dāng)時(shí)用戶(hù)能感受到的僅僅是最初級(jí)的 VR 體驗(yàn)，就是一些頭盔硬件，把手機(jī)插在頭盔里。
目前，在 VR/AR、自動(dòng)駕駛、無(wú)人機(jī)這些新興領(lǐng)域，傳統(tǒng)的交互方式已經(jīng)不能滿(mǎn)足用戶(hù)的需求。隨著深度學(xué)習(xí)、計(jì)算機(jī)視覺(jué)等領(lǐng)域的突破性進(jìn)展，一些新的交互方式已經(jīng)成為可能。
基于過(guò)往經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，研發(fā) VR/AR 技術(shù)主要就是打造沉浸感，沉浸感是 VR/AR 帶給用戶(hù)不同于手機(jī)的特殊體驗(yàn)。實(shí)現(xiàn)沉浸感，需要有交互、顯示和移動(dòng)性這三方面技術(shù)支撐，以下內(nèi)容，我們將以交互技術(shù)為核心展開(kāi)。
在 AR/VR 領(lǐng)域中，交互不再用鼠標(biāo)和鍵盤(pán)，大部分交互技術(shù)均采用手柄。還有位置跟蹤技術(shù)，在一些高檔的 VR 設(shè)備中會(huì)提供，但成本較高，且需要連接電腦或主機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)。未來(lái)，可能會(huì)采用用手直接抓取的方式，目前也有很多手勢(shì)交互方案提供商。
uSens 主要側(cè)重 AR/VR Interaction：
左側(cè)的 HCI（(Human-ComputerInteraction）就是人機(jī)交互界面，uSens 主要提供 Gesture（手勢(shì)識(shí)別）、View Direction（頭轉(zhuǎn)向識(shí)別）和 Position Tracking（位置追蹤）。右側(cè)是顯示技術(shù)，AR 和 VR 的顯示技術(shù)雖不同，但交互技術(shù)卻相通。
如下圖，手勢(shì)交互分為符號(hào)型、間接型和直接型三種：
符號(hào)型交互。如左一圖中顯示，這位男士做了 OK 的手勢(shì)，可通過(guò)圖形或其他方式識(shí)別，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)交互。
手持工具間接交互。如中間圖二所示，人手持錘子砸釘子，這樣的場(chǎng)景用手柄可以很好的模擬。
直接和物體交互。如右圖所示，用手直接和物體進(jìn)行交互，這樣的場(chǎng)景就需要對(duì)手的三維模型進(jìn)行精確識(shí)別。
如下圖，是常見(jiàn)的硬件對(duì)三個(gè)場(chǎng)景的實(shí)現(xiàn)能力分析：
Game Pad。普通游戲手柄，三種手勢(shì)交互場(chǎng)景都不可以實(shí)現(xiàn)。
6DOF Controller。是當(dāng)前 VR 常用的手柄，比較適合拿著一個(gè)物體進(jìn)行交互，如手持刀劍等，比較自然。但是手勢(shì)型和直接交互這兩種不能實(shí)現(xiàn)。
HoloLens。可以識(shí)別點(diǎn)擊和手張開(kāi)這兩種手勢(shì)，只能實(shí)現(xiàn)符號(hào)手勢(shì)方式。
3D Hand Tracking 與 uSens Fingo。可通過(guò)手的形狀以及三維模型，實(shí)現(xiàn)這三種手勢(shì)方式。
手勢(shì)交互技術(shù)的使用場(chǎng)景很廣泛，不光在 VR 領(lǐng)域，如下圖所示：
如圖中所示，像 Game、3D UI、Drive、Public Display、Medical 和 Intelligent Home 等，前三種是為了更好的體驗(yàn)，后三種則是在公共場(chǎng)合下的應(yīng)用；像手術(shù)、做飯等出于干凈、衛(wèi)生等方面考慮。
uSens 從 2014 年開(kāi)始，用深度學(xué)習(xí)算法來(lái)解決手的識(shí)別問(wèn)題。雖然研究手勢(shì)識(shí)別的人不多，但是和圖像識(shí)別、人臉識(shí)別一樣，都可以用深度學(xué)習(xí)來(lái)實(shí)現(xiàn)。
uSens 用深度學(xué)習(xí)研發(fā) 26 自由度手勢(shì)識(shí)別，可以從圖像里邊把手的關(guān)節(jié)點(diǎn)和關(guān)節(jié)點(diǎn)角度與位置識(shí)別出來(lái)。
如下圖，是 26 自由度手勢(shì)識(shí)別算法的大致思路：
參考 2014 年深度學(xué)習(xí)的一個(gè)案例，主要是借鑒 CNN 方式，不同圖像通過(guò)不同尺度的 CNN 進(jìn)行卷積，得到一個(gè)大的向量，再用兩層全連接的深度網(wǎng)絡(luò)得到關(guān)節(jié)點(diǎn)的 heat-maps。
heat-maps 就是關(guān)節(jié)點(diǎn)在圖像上的概率分布，如上黑框中所示，藍(lán)色的點(diǎn)就是小指指尖分布圖，在這個(gè)點(diǎn)權(quán)重比較大，其他位置減弱。得到每個(gè)關(guān)節(jié)點(diǎn)的權(quán)重圖，再用反向動(dòng)力學(xué)、濾波等方法，就可以跟蹤出手 26 自由度的運(yùn)動(dòng)。
如下圖，是運(yùn)動(dòng)追蹤的主要應(yīng)用場(chǎng)景：
如圖中所示，運(yùn)動(dòng)追蹤最早在軍事上使用，如導(dǎo)彈、飛機(jī)等需要在空中定位自己的位置，空間定位技術(shù)優(yōu)化之后用于智能機(jī)器人、無(wú)人車(chē)、掃地機(jī)器人等。
VR/AR 也需要這樣的空間定位技術(shù)，如下是當(dāng)前研發(fā)和掌握空間定位技術(shù)的公司及產(chǎn)品：Google Tango、Microsoft Hololens、Qualcomm VR SDK、Apple ARKit、Snapchat、Facebook和 uSens。
空間定位技術(shù)需要結(jié)合視覺(jué)和傳感器兩方面的信息。
如下圖，是視覺(jué)特征模型：
如圖右側(cè)中所示，是一個(gè)相機(jī)成像，通過(guò)相機(jī)觀測(cè)三維空間中的一個(gè)點(diǎn)，可以得到一張圖像，3D 點(diǎn)和圖像滿(mǎn)足下放投影方程。
左邊是三個(gè)比較常用的問(wèn)題：
空間定位。3D 點(diǎn) (x，y，z)，2D 投影 (u，v)，求解相機(jī)姿態(tài) (R，T)。
三角化。已知相機(jī)姿態(tài) (R, T)，求解 3D 點(diǎn) (x，y，z)。
SLAM。僅已知 2D 投影 (u，v)，求解相機(jī)姿態(tài) (R，T)，3D點(diǎn) (x，y，z)。
視覺(jué) SLAM 方法包含 Tracking 和 Mapping 兩個(gè)模塊，Tracking 模塊的功能是已知 3D 點(diǎn)位置，求解每幀圖像的相機(jī) pose。Mapping 模塊的功能是用來(lái)更新 3D 點(diǎn)的位置。
空間定位技術(shù)的視覺(jué)特征可分為如下兩種：
基于圖像特征點(diǎn)的方法，如 PTAM，ORB。
直接法，比較像素灰度差，如 LSD-SLAM、DSO-SLAM。
根據(jù)上圖所示方程，求解方式有基于濾波的算法和基于優(yōu)化的算法兩種，這些方法目前沒(méi)有好壞之分，在實(shí)際系統(tǒng)中都可以達(dá)到相似效果。
上述的視覺(jué)方法能夠達(dá)到實(shí)用的程度，要?dú)w功于傳感器的進(jìn)步及傳感器信號(hào)融合到算法中，使得系統(tǒng)性能得到提升。
如下圖，是傳感器：Mechanic Gyroscope、LaserGyroscope 和 MEMs Gyroscope：
如上圖，左一是 Mechanic Gyroscope（機(jī)械陀螺儀），利用角動(dòng)量保持不變的特性。當(dāng)中間的轉(zhuǎn)子保持高速旋轉(zhuǎn)，但中間轉(zhuǎn)子方向不變，這樣可以得到設(shè)備的旋轉(zhuǎn)方向。這樣老式的機(jī)械陀螺儀用于幾百年前的輪船中。
當(dāng)前，Laser Gyroscope（激光陀螺儀）高精度陀螺儀都是用激光的方式，如上圖中間小圖所示，用于導(dǎo)彈在空中飛行，幾個(gè)小時(shí)誤差約在 100 米左右。
激光陀螺儀中間有一個(gè)激光源，向兩個(gè)方向發(fā)射激光。如物體靜止不動(dòng)，兩條光線的光路長(zhǎng)度相同，在接收端的兩條光路相差是零；如果物體旋轉(zhuǎn)，兩條光路就會(huì)發(fā)生特別微小的變化，就會(huì)產(chǎn)生相差，通過(guò)識(shí)別相差，得到整個(gè)設(shè)備的旋轉(zhuǎn)速度。
MEMs Gyroscope（微機(jī)械陀螺儀），用于手機(jī)或 VR 頭盔中。這種陀螺儀做的很小，會(huì)用到一些機(jī)械結(jié)構(gòu)來(lái)識(shí)別運(yùn)動(dòng)。
在微機(jī)械陀螺儀中，有兩個(gè)可以活動(dòng)的扇片，當(dāng)物體旋轉(zhuǎn)，扇片會(huì)保持不動(dòng)，通過(guò)識(shí)別角度，就可以推斷旋轉(zhuǎn)速度。
這種微機(jī)械陀螺儀會(huì)比激光械陀螺儀差很多，如單獨(dú)使用是沒(méi)辦法達(dá)到預(yù)期效果，所以必須要結(jié)合陀螺儀和視覺(jué)信息一起進(jìn)行。
如下圖，是 IMU 中的陀螺儀和加速度計(jì)：
IMU 中的陀螺儀，輸出的是相鄰時(shí)刻相機(jī)旋轉(zhuǎn)的角度。IMU 中的加速度計(jì)，輸出的是相鄰時(shí)刻相機(jī)的加速度，即速度的變化率。
如下圖，是傳感器存在的問(wèn)題：
傳感器數(shù)據(jù)采樣有離散和漂移的，如圖一所示，連續(xù)線是實(shí)際的加速度，但是 IMU 采樣是離散的，所以最高點(diǎn)并沒(méi)有采樣到，導(dǎo)致結(jié)果出現(xiàn)有誤差。
IMU 得到的加速度是包含重力的，實(shí)際中，重力產(chǎn)生的加速度是遠(yuǎn)大于一般移動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的加速度，所以要去掉重力就需精確估計(jì)朝向。
IMU 和相機(jī)的相對(duì)位置和方向影響很大，兩個(gè)位置是不在一起的，它們之間有相對(duì)位移且由于工業(yè)生產(chǎn)原因，兩者之間的相差很小一個(gè)角度。
經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，哪怕角度差一度，對(duì)最后整個(gè)系統(tǒng)的精度影響也會(huì)很大，所以必須在線標(biāo)定兩者之間的角度和位移。
IMU 和圖像的采集時(shí)間不一致，相機(jī)采樣頻率大概是 60、30 幀，但 IMU 采樣頻率很高，一般都是 500、800、1000，采樣頻率、采樣時(shí)間不一。
解決這些問(wèn)題的方式是：傳感器+視覺(jué)融合
如下圖是預(yù)積分與攝像機(jī)標(biāo)定：
當(dāng) IMU 的采樣率比圖像高很多時(shí)，采用預(yù)積分的方法，可以把圖像幀之間的 IMU 信息積分起來(lái)，當(dāng)成一量。這樣就不需要優(yōu)化每幀 IMU 的點(diǎn)。
相機(jī) IMU 和世界坐標(biāo)系之間的關(guān)系，需要精確的標(biāo)定，如果差一度，整個(gè)系統(tǒng)就會(huì)完全崩潰。
ATW（Asynchronous Timewarp）是一種生成中間幀技術(shù)，可有效減小延遲, 通過(guò)預(yù)測(cè)未來(lái)的雙眼位置來(lái)提前渲染。
相機(jī)圖像采集，SLAM 算法，渲染，這些過(guò)程都需要處理時(shí)間，統(tǒng)稱(chēng)為“Motion to Photon Latency”。在 VR 應(yīng)用中，需要小于 20ms，才能保證用戶(hù)不會(huì)眩暈。
如下圖，是渲染過(guò)程：
從圖中看出，整個(gè)過(guò)程包括了很多運(yùn)算，有圖像獲取時(shí)間、算法處理時(shí)間和渲染時(shí)間，渲染結(jié)果到最終結(jié)果顯示時(shí)間，這些可以通過(guò) IMU 數(shù)據(jù)得到，但有些必須經(jīng)過(guò)預(yù)測(cè)。
如下圖是 uSens 的硬件產(chǎn)品進(jìn)化過(guò)程體現(xiàn)在更小、compact、更易于嵌入式、功耗更低。
如下圖，是硬件規(guī)格（Hardware Spec）：
產(chǎn)品硬件經(jīng)過(guò)幾次迭代，從尺寸上和功耗上都比之前小很多。紅色標(biāo)注是對(duì)效果影響比較大的因素，如全局曝光分辨率、雙系統(tǒng)、左右相機(jī)同時(shí)采樣等。
如下圖是智能視覺(jué)系統(tǒng)：
當(dāng)前應(yīng)用在 VR/AR 場(chǎng)景中，實(shí)際上它可以應(yīng)用如上圖所示的更多場(chǎng)景中，比如廣告機(jī)、車(chē)載手勢(shì)識(shí)別、機(jī)器人和無(wú)人機(jī)。
人機(jī)交互技術(shù)的發(fā)展由兩方面的因素決定：一方面是用戶(hù)希望擁有更自然的交互方式；另一方面是技術(shù)的進(jìn)步使得交互更加自然和方便。未來(lái)人機(jī)交互方式將會(huì)包含自然手勢(shì)理解和環(huán)境感知這兩個(gè)核心功能。
VR/AR技術(shù)還在路上，未來(lái)還需面臨以下三大問(wèn)題：
產(chǎn)品碎片化。一個(gè)新的硬件出世，早期總會(huì)產(chǎn)生很多碎片，當(dāng)前的 AR 產(chǎn)品生產(chǎn)公司有很多，都想搶占市場(chǎng)，發(fā)布自己的產(chǎn)品，對(duì)其他家產(chǎn)品比較排斥，進(jìn)而整體環(huán)境非常封閉。
內(nèi)容缺乏。手機(jī)端 VR 內(nèi)容都相對(duì)單一，體驗(yàn)也不是很好。
技術(shù)進(jìn)步。當(dāng)前有很多廠商正在研發(fā)能帶來(lái)更好沉浸感效果的 VR 技術(shù)，只為給用戶(hù)帶來(lái)更好的體驗(yàn)。
來(lái)源：以上內(nèi)容由編輯王雪燕根據(jù)馬賡宇老師在WOTI全球創(chuàng)新技術(shù)峰會(huì)——巔峰論壇的演講內(nèi)容整理。
