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| 本文作者： airuoxuan | 2016-05-07 10:18 | 專題：VR空間定位全解：如何在虛擬世界中行走？ |
按：本文作者系VR行業(yè)從業(yè)者。
VR虛擬現(xiàn)實作為近未來最炙手可熱的顯示技術(shù)被科技界追捧，今年更是有一大批良莠不齊的VR設(shè)備以迅雷不及掩耳之勢被推送到我們面前，要經(jīng)受住市場的考驗就必須有超強的技術(shù)作為保障，定位技術(shù)無疑成為關(guān)鍵的一環(huán)。HTC和OptiTrack無疑是VR行業(yè)的佼佼者。
簡單來說，VR室內(nèi)定位技術(shù)可以使得用戶可以在佩戴VR頭盔時，除了在沉浸式的世界里原地旋轉(zhuǎn)、還能利用算法和傳感器感知到用戶的移動，從而確定用戶在空間里的相對位置。一款具有空間定位的VR設(shè)備不僅能更好地提供沉浸感，其產(chǎn)生的眩暈感也會大幅降低，用戶因為位移造成的畫面不同步感完全消失，虛擬世界可以與你的身體保持一致的移動性。
目前流行的定位技術(shù)有低功耗藍牙定位、WiFi定位、超聲波定位、紅外定位、激光定位等，HTC vive的Lighthouse室內(nèi)定位技術(shù)屬于激光定位技術(shù)，OptiTrack全身動作捕捉系統(tǒng)采用的定位技術(shù)則是被動式紅外光學(xué)定位技術(shù)。接下來我就給大家解析一下這兩種技術(shù)，并做一個深入的對比。
從理論上說，對于三維空間中的一個點，只要這個點能同時為兩部攝像機所見，則根據(jù)同一時刻兩部攝像機所拍攝的圖像和對應(yīng)參數(shù)，可以確定這一時刻該點在三維空間里的位置信息，如下圖：
被動式紅外光學(xué)定位方案的基本原理簡單的說就是如此，它利用多個紅外發(fā)射攝像頭、對室內(nèi)定位空間進行覆蓋，在被追蹤物體上放置紅外反光點，通過捕捉這些反光點反射回攝像機的圖像，確定其在空間中的位置信息。
具體實現(xiàn)方案如下：
被定位物體上布滿標記點，利用紅外發(fā)光裝置發(fā)射出紅外光線照射在標記點上，該種標記點表面為反光材料，增強其對照明近紅外光的反射能力，從而達到圖像中標記球與周圍環(huán)境明顯區(qū)分的目的。
近紅外攝像機捕捉到目標物上標記點所反射的紅外光后，將多臺攝像機從不同角度采集到的圖像傳輸?shù)接嬎銠C中，再通過視覺算法過濾掉無用的信息，從而獲得標記點的位置。該定位法需要多個 CCD 對目標進行跟蹤定位，需要至少兩幅以上的具有相同標記點的圖像進行亞像素提取、匹配操作計算出目標物的空間位置。
OptiTrack的做法是在攝像頭周圍放置紅外發(fā)光陣列，在目標物上固定高反射紅外光的標志點小球，我們從下圖可以看出，應(yīng)用于動作捕捉系統(tǒng)時，目標物上布滿了標志點小球。這樣，加裝紅外光濾波片的攝像機即可以很好的捕獲空間中發(fā)射紅外光的標志點，而將可見光部分的背景濾掉，提高了傳感器獲得圖像的信噪比，增加了系統(tǒng)的魯棒性。
OptiTrack定位方案適用于游戲與動畫制作，運動跟蹤，力學(xué)分析，以及投影映射等多種應(yīng)用方向，在VR行業(yè)有著非常大的影響力。目前，國內(nèi)的諾亦騰采用的定位方案即是OptiTrack的被動紅外光學(xué)定位。
被動式紅外光學(xué)定位系統(tǒng)定位精度較高。其所用的攝像機具備很高的拍攝速率，并且通常是采用全局快門方案，所有像元同時曝光以確保圖像不會有運動模糊的現(xiàn)象，并且由于該類系統(tǒng)總是能夠得到標記點在當前空間的絕對位置坐標，不存在累積誤差。此外，被動式紅外光學(xué)定位系統(tǒng)可以實現(xiàn)同時定位多個目標物。
但是被動式紅外光學(xué)定位系統(tǒng)存在著遮擋、造價昂貴、目標數(shù)目不可過多幾個缺點。
視線遮擋（Loss of Sight）一直是光學(xué)定位系統(tǒng)最常見的工作失效原因之一，被動式紅外光學(xué)定位系統(tǒng)也存在這樣的問題。近紅外光學(xué)定位系統(tǒng)中，當紅外光線被用戶或物體遮擋時，空間點三維重構(gòu)由于缺少必要的二維圖像中的特征點間對應(yīng)信息，容易導(dǎo)致定位跟蹤失敗。遮擋問題可以通過多視角光學(xué)系統(tǒng)來減輕，但這又造成了該系統(tǒng)又一大缺陷——價格過于昂貴。
所謂多視角光學(xué)系統(tǒng)即在系統(tǒng)中使用多個攝像頭，如下圖：
被動式紅外光學(xué)定位系統(tǒng)對攝像頭要求非常高，造價也就非常昂貴，幾萬甚至上十萬。而要采用多視角光學(xué)系統(tǒng)就需要很多這樣的攝像頭，直接導(dǎo)致整個定位系統(tǒng)的成本翻幾倍，高得讓人咋舌。所以該類系統(tǒng)的應(yīng)用場景主要還是在財大氣粗的影視制作、動畫錄制等商用方向，而對于其它行業(yè)和家庭娛樂領(lǐng)域就顯得遙不可及。
此外，被動式紅外光學(xué)系統(tǒng)雖然可以實現(xiàn)多個目標的同時定位，但是目標數(shù)目不可過多。
一方面，因為該類系統(tǒng)本身無法識別標記點所屬的定位目標，所以如果有多個目標的情況下，其必須通過處理所有標記點圖像，通過估算來判斷標記點所屬的定位目標，并實現(xiàn)目標的空間定位。這樣的話，如果定位目標非常多，就會造成系統(tǒng)負荷過重，因而導(dǎo)致定位卡頓和延遲等現(xiàn)象。
另一方面，如果想要定位的同時跟蹤目標的姿態(tài)，就必須保證目標物體有足夠多的標記點，而標記點過多會導(dǎo)致遮擋和負荷過大的問題。因此，該類系統(tǒng)所能定位和動捕的目標數(shù)目不可過多，少數(shù)幾個可以實現(xiàn)。
因此，要想將被動式紅外光學(xué)定位系統(tǒng)應(yīng)用在VR行業(yè)，并廣泛推廣到我們的日常生活中，就必須要解決遮擋、成本過高、目標數(shù)目不可過多的問題。
以上我介紹的是OptiTrack的被動光學(xué)定位技術(shù)，而OptiTrack還有其主動光學(xué)定位技術(shù)，該技術(shù)采用其獨特的照明專利技術(shù)，利用LED陣列加快放電速度，滿足捕捉超快運動時的照明需求，配合主動發(fā)光的850nm紅外LED標記點，不僅可以實現(xiàn)室內(nèi)光線環(huán)境復(fù)雜的情況下排除其他光線干擾的定位，也可以實現(xiàn)戶外定位。
接下來，我們再來看一看HTC Lighthouse室內(nèi)定位技術(shù)的實現(xiàn)原理。
曾有體驗者這樣形容自己的體驗過程：
“我手上拿著兩把槍，對著前面的喪尸射擊，手已經(jīng)緊張到顫抖，前面的喪尸越逼越近，恐懼感越來越強烈，轉(zhuǎn)身突然發(fā)現(xiàn)一個喪尸撲在我面前，瞬間被嚇了一跳，毫不自覺的往后躲，明顯感覺到心跳加快，還差點尖叫了出來，真的像去了另一世界一樣……”
可見HTC Vive產(chǎn)品具有非常好的沉浸感，這里面就有室內(nèi)定位技術(shù)Lighthouse的功勞。
HTC的Lighthouse室內(nèi)定位技術(shù)屬于激光掃描定位技術(shù)，通過墻上的兩顆激光傳感器識別佩戴者佩戴的機身上的位置追蹤傳感器，從而獲得位置和方向信息。
具體來說，Lighthouse室內(nèi)定位技術(shù)不需要借助攝像頭，而是靠激光和光敏傳感器來確定運動物體的位置。
兩個激光發(fā)射器會被安置在對角，形成一個15×15英尺的長方形區(qū)域，這個區(qū)域可以根據(jù)實際空間大小進行調(diào)整。激光束由發(fā)射器里面的兩排固定LED燈發(fā)出，每秒6次。每個激光發(fā)射器內(nèi)設(shè)計有兩個掃描模塊，分別在水平和垂直方向輪流對定位空間發(fā)射橫豎激光掃描15×15英尺的定位空間。
HTC Vive頭盔和手柄上有超過70個光敏傳感器。激光掃過的同時，頭盔開始計數(shù)，傳感器接收到激光后，利用傳感器位置和接收激光時間的關(guān)系，計算相對于激光發(fā)射器的準確位置。同一時間內(nèi)激光束擊中的光敏傳感器足夠多，就能形成一個3D的模型。不僅能探測出頭盔的位置，還可以捕捉到頭盔的方向。定位流程可以由下圖展示：
成本低。
相對昂貴的紅外動作捕捉攝像機，利用激光光塔進行動作捕捉的成本就相對低廉很多了。去除其他成本，定位系統(tǒng)的價錢大概在400美元左右。眾所周知，設(shè)備昂貴一直是阻礙VR設(shè)備走入我們的日常生活的重要因素，畢竟愿意為VR花上千甚至幾千美元的普通消費者還不夠多。而激光定位技術(shù)在很大程度上解決了VR設(shè)備成本過高的問題，從而為VR設(shè)備從影視、醫(yī)學(xué)這樣的領(lǐng)域擴展到我們的日常生活中鋪了路。
定位精度高。
在VR領(lǐng)域，超高的定位精度意味著卓越的沉浸感。激光定位方案的精度可以達到mm級別，也就成就了HTC我們體驗到的震撼效果。
多目標定位。
激光定位技術(shù)可以實現(xiàn)無限多目標的空間定位。因為，激光定位技術(shù)可以采用分布式處理方式，即每個定位目標各自攜帶自己的處理單元，而處理單元也可直接識別自己的定位節(jié)點數(shù)據(jù)，自行計算，實現(xiàn)每個定位目標獨立定位。即使增加再多的定位目標，也不會造成系統(tǒng)負荷過重。這一點使得激光定位技術(shù)非常適合應(yīng)用到VR行業(yè)，實現(xiàn)無限多目標共用同一虛擬現(xiàn)實體驗系統(tǒng)。
此外，激光定位技術(shù)幾乎沒有延遲，不怕遮擋，即使手柄放在后背或者胯下也依然能捕捉到。
激光定位技術(shù)在避免了基于圖像處理技術(shù)的復(fù)雜度高、設(shè)備成本高、運算速度慢、較易受自然光影響等劣勢的同時，實現(xiàn)高精度、高反應(yīng)速度的室內(nèi)定位。目前，使用激光定位技術(shù)的還有G-Wearables 自主研制的StepVR產(chǎn)品。
激光定位技術(shù)也存在劣勢，首先是系統(tǒng)穩(wěn)定性、耐用性問題。激光定位技術(shù)需要使用激光定位光塔，光塔激光是由電機帶動掃描定位空間，而電機屬于機械控制，機械控制本身即存在穩(wěn)定性和耐用性不夠好的問題。
激光定位技術(shù)應(yīng)用于VR行業(yè)還有一個最大的攔路虎——大范圍的應(yīng)用。
由于激光的掃射面積有限，因此，定位空間受到激光射程的限制，一般在5*5*2m范圍左右。這就使得激光定位技術(shù)做大范圍的應(yīng)用難度非常高，使用受限。
為了解決這一問題就必須采取擴展方案，即將多個這樣的5*5*2m連接在一起形成一個大范圍的定位應(yīng)用，可是這又涉及到掃射激光的區(qū)分以及相互干擾問題。為了實現(xiàn)定位，接收端就必須可以區(qū)分不同來源的激光，而且由于光塔過多會產(chǎn)生相互干擾，因此不可隨意增加定位光塔的數(shù)量來擴展定位空間。
目前市面上對該問題還沒有好的解決方案，國承萬通的StepVR產(chǎn)品在產(chǎn)品發(fā)布會上宣布其對激光定位技術(shù)做了諸多改進，其中就包括可無限擴展，但該產(chǎn)品尚未面市，可以期待一下。
最后，讀者可以通過下表來對比查看兩種定位技術(shù)的優(yōu)劣勢。
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