一文讀懂VR世界裡的「空間定位」是個什麼鬼？

2016/10/22　青亭·時聞：大部分VR頭顯能夠滿足視覺上的需求，而交互方面卻只有少數幾家公司能夠做出解決方案，青瞳視覺就是其中一家。　　前不久的OC3大會上，Oculus發布了Touch手柄和room-scale（房間級）空間定位方案。算上早就發布了Lighthouse系統的HTC VIVE，以及帶上PS camera就能玩空間定位的PSVR，虛擬現實頭顯三巨頭都算是進入了光學追蹤定位的VR交互新時代。　　說到底，光學空間定位到底是如何實現？三大頭顯廠商的定位方案又有何優劣？未來VR交互又會向什麼樣的方向發展？　　青亭網採訪了專註於紅外光學追蹤研發的青瞳視覺，他們的CEO張海威向我們介紹了目前市場上主要的定位技術的優劣，並用自家產品演示了光學定位的工作原理。　　三種交互方案，為什麼最看好outside-in？　　目前市場上主流的VR交互有三種：inside-in、outside-in以及inside-out，對於這三種方式的優劣，張海威談了談自己的看法。　　張海威先用一個比喻形象的說明了一下VR交互的命名方式。　　他把inside形容為「獵手」，比如記錄光學信息的攝像頭或者記錄慣性信息的陀螺儀；out則被他看作「捕獵目標」，比如光學mark點。而in和out則表示「獵手」和「目標」是否在定位對象（比如人或者VR頭顯）上面。　　Inside-out方案，是把相機這樣的感測器放在身上，用來感知外界的環境，它廣泛應用於機器人的機械視覺以及Hololens等手勢識別上。包括SLAM等公司，把相機裝在機器人身上，對機器人周邊的光學環境進行採集、處理，再與機器人的實際位置聯繫起來實現自主導航。　　這種方案的好處是，不需要在外界設置攝像頭，可以減少場景的限制。但是由於只能識別頭部動作，加上體積、續航等領域存在問題，因此它更適合於移動VR這種輕交互場合。　　Inside-in就是指感測器和定位點都在目標身上，最典型的就是慣性動捕：讓人穿上慣性捕捉設備來記錄人體的移動，或者移動VR中頭顯、手機里的陀螺儀設備記錄頭部的六自由度移動。　　這種方式的好處是不依賴於外界的設備，更加自由，但壞處就是沒有位置信息，只能記錄移動的軌跡，而目前所有的陀螺儀設備都有累積誤差，會導致人在VR中移動的時候「走偏」。　　Outside-in則是包括青瞳MC1300、optitrack系列這樣，相機放在外頭，mark點在人體或者頭顯上面。　　這種方式精確度更高，但壞處是，一方面要藉助外面的攝像頭，對空間要求更大，另一方面則是相對成本更高。　　在張海威看來，目前的技術都不完美，他認為對於固定場景的VR，outside-in類型的方案目前看起來相對成熟，而隨著市場的發展，困擾這套方案最大的問題，攝像頭的成本也會逐漸降低，所以張海威也選擇用這種方案切入VR市場。　　產品體驗：精度高延遲低，小問題瑕不掩瑜

　　在位於上海大學校園內的青瞳視覺總部，青亭網體驗了青瞳視覺的光學追蹤產品。　　進入青瞳視覺的實驗室，在工作人員的幫助下，筆者戴上了上面粘著數個反光球的Oculus Rift頭顯，以及同樣粘著數個反光球的手套和一個槍型手柄。　　接下來，工作人員啟動了一個青瞳自製的demo遊戲——筆者進入到一個機械空間之中，遊戲本身很簡單，就是用手中的激光槍和巨大的機甲戰鬥。　　遊戲中，整個空間的穩定性，在空間中行走、躲避的實時反饋都非常精確，包括用槍射擊的時候準星也非常穩定。唯一美中不足的是，在遊戲的時候，遊戲中的手部有的時候會突然地丟失。　　對此張海威介紹，這是因為手套的mark點都集中在手背部，翻掌或者被遮擋的情況下，攝像頭捕捉不到mark點就會丟失，在實際的商業應用中，mark點覆蓋手的兩面，就可以解決這個問題。　　降低延遲，二代產品的功夫在「機內」　　對於VR來說，交互系統的延遲對人們的VR體驗有著決定性的作用，對於降低光學交互系統的延遲，張海威表示其實最重要的功夫是在機內的晶元演算法里。

　　青瞳視覺之前推出了一代產品MC300 tracker，而經過一年多的研發，這次推出的二代產品MC1300tracker，如上圖所示，在硬體和性能上都有了很大的進步。　　以FPGA為核心的帶有1GB DDR3內存的拇指大小的微型電腦，處理速度及刷新率大大的提升，降低了延遲，提升了幀率，使得二代產品可以更好的捕捉高速運動中的物體。　　當然這並不代表青瞳的水平已經超過Optitrack這樣的國際一流大廠，筆者調查後發現optitrack的產品線中也有Prime 13W這樣的廣角攝像頭方案。Prime13W的水平視角為82度，與MC1300的視場角相近。　　實現Lighthouse並不困難，演算法裡面的門道才是壁壘　　對於自家的產品，張海威有一個非常形象的介紹：如果說虛擬現實是PC之後下一代的計算平台，那麼光學追蹤系統就滑鼠、鍵盤一樣，用來讓人和虛擬現實的世界進行交互。　　青瞳自家的紅外光學方案主要分為三個部分，攝像頭、標記點以及處理系統。

　　攝像頭上感光鏡頭周圍有一圈小的led燈泡，發出的光線照射到反光球上，經過反射被攝像頭裡的感光晶元捕捉，通過內置晶元的計算，最終得出反光球在空間中的位置信息。　　只要空間中能有兩個攝像頭同時捕捉到這個反光球，就可以通過演算法計算出這個反光球在空間中的三維位置。　　張海威介紹，在攝像頭的「眼」中，每個小球就像是一個發亮的點。通過在一個現實中的物體上（比如VR頭顯）固定住數個不等的小球，記錄下這些小球的移動信息，再通過小球間的位置關係確定頭顯在虛擬空間中的姿態和移動，從而計算出頭顯在一定場景中六自由度的運動信息。　　以頭顯為例，假設一個人在戴上頭顯之後想看旁邊的柱子，轉頭的時候會被光學追蹤系統記錄下來傳輸給電腦，電腦的CPU計算出人應該看到的畫面是柱子，GPU會渲染出相應的畫面並顯示在頭顯的屏幕。　　張海威表示，青瞳也研究過Steam的Lighthouse系統，並且稱它實現起來「並不困難」，真正的技術含量是在軟體層——兩個基站即便是被遮蔽一個也能正常工作，這一點是其他包括青瞳在內的演算法做不到的。　　至於Oculus的追蹤系統，張海威稱二者原理類似，但他更看好Lighthouse，因為相比Oculus的系統，前者對硬體的要求更低，成本更低，穩定性也更好。

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