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探秘HTC Vive的空间定位技术 真有传说中那么神奇?

归档日期:11-30       文本归类:光学跟踪      文章编辑:爱尚语录

  Lighthouse空间追踪作为VR头显的代表技术一直被HTC引以为豪,虽然目前已经被Valve开放,但是空间定位一经推出,便纷纷被国内各大头显公司效仿,并相继推出自己的空间定位系统。

  传统6度Free追踪是惯性传感器,最多只能跟踪头部的转动,想要跟踪头部的位移,就要引入光学系统。而在光学动作捕捉系统中,世界范围内最知名的两家公司就是英国的Vicon和美国的 Optitrack。

  做为知名的光学动作捕捉公司,他们采用的是帧速率大于100Hz的专业摄像头,同时还起启用全局快门系统,这样就有效避免了高速运动的物体在画面上出现运动模糊的现象。在摄像头的周围,他们通常采用的是红外LED进行补光,并用高反射率的材质来制作玩家佩戴的标记点。因为红外摄像头本身已经屏蔽了大部分的可见光信息,因此标记点在画面中就会显得分外明显。

  但是,当扫描光线被用户或某些物体遮挡后,三维重构在缺少某个方向坐标准确信息后,会出现定位失败(而这仅仅是在非多人参与的理想状态)。当然遮挡问题可以通过多个角度来全方位定位(实际中就是多个摄像头)不过这也同时带来了高昂的成本,所以在理论上来说,空旷空间是最佳定位场所。

  因此它也确实成为了目前很多VR体验馆搭建者的首选,国外包括像The Void主题公园、国内的诺亦腾的Project Alice,都是采用了OptiTrack的空间定位方案,而核心就是光学动作捕捉系统。

  但其成本非常昂贵,单单一台摄像头的价格就以万人民币计算的,而构建一个相当规则空间起码需要4-5台这样的摄像头。所以对于大型的主题公园所来说,特定营造的环境和大空间场所是他们核心竞争力。对于这样的价位实体店尚能负担的起,但相较于普通老板姓,这样高昂的成本显然就不适用了。

  HTC Vive之所以在PC端VR市场如此受欢迎,主要在于亲民的价格。相较于其他高昂的空间定位来说,Lighthouse技术的普及让原本只能在网吧、主题公园才可以享受到娱乐方式变得更家庭化,很多年轻的玩家足不出户就可以同样享受同样的沉浸体验。

  根据之前介绍,我们知道,常规动作捕捉是光学三维成像,就是用光学的手段,根据测量物体的要求,获得物体三维空间信息的方法和技术。而目前主要是用于获得物体表面三维空间形状信息,应用也最广,激光光束可以是点、线,还可以是环。像Oculus的Constellation系统就使用了摄像头加上红外主动马克点的方式,而HTC Vive则是主要依靠两个基站。

  每个基站里有一个红外LED阵列,两个转轴互相垂直的旋转的红外激光发射器。转速为10ms一圈。每个基站分别两个循环指示显示A或者B,通过图片可看到内部是两个圆柱体,其旋转的一字激光器,一个是X轴扫量,另一个是Y轴扫量,两个激光器有固定的180度相位差,也就是说,A亮的时候B不亮,B亮的时候A不亮。而它的工作原理是每20ms为一个循环,在循环开始的时候红外LED闪光,10ms内X轴的旋转激光扫过整个空间,Y轴不发光;下10ms内Y轴的旋转激光扫过整个空间,X轴不发光。

  拆开 HTC Vive 头显的外壳,你会看到密密麻麻麻的传感器,总共 32 个,这些都是用来接受 Lighthouse基站发出的红外光,在基站的LED闪光之后就会自动同步所有设备的时间,然后激光开始扫描,此时光敏传感器可以测量出X轴激光和Y轴激光分别到达传感器的时间,激光发射器会分别以垂直和水平两个模式扫描整个房间,头显和手柄上的传感器接收到这些信号之后完成定位。

  为了确保 Lighthouse 基站能够准确定位,Vive 手柄上搭载了 24 个传感器,电路板上还有七个测试点。换句话说,激光扫掠过传感器是有先后顺序的,因此头显上的几个传感器感知信号的时间存在一个先后关系,于是各个传感器相对于基站的X轴和Y轴角度也就已知了。而头显和手柄上安装传感器的位置已经提前标定过位置都是固定的。这样根据各个传感器的位置差,就可以计算出头显和手柄的位置和运动轨迹了。

  由此,我们可以知道,第一,Lighthouse技术占用计算能力小,因为Lighthouse仅仅是采用红外摄像头比单色摄像头简单,所以其使用的仅仅是时间参数,不涉及到图像处理,对于位置的计算在本地就可以处理。第二,其延迟率低(仅仅是相对较低),因为需要的图形处理的数据相对要少,外加上Lighthouse可以直接将位置数据传输到电脑上,省略了从摄像头到电脑的高数据传输的步骤,缩短了传送数据的时间,但是这种延迟率仅仅是在传输方面降低,如何从根本上通过算法改变其传输方式,进行更有效的传输还尚待解决。这些都建立在以基站能看的到的地方,它的可检测视角为120度范围以内,对于物体的高度并没有绝对限制,当时以能到最大范围优先。

  精确度和扩展性成为Lighthouse绊脚石当然,lighthouse也存在一些实际问题。首先是图象信息采集的精准度问题,目前这个问题从技术上还不能完全解决。从理论来讲,传感器点亮的时候需要精确的知道激光当时的角度,那么就需要很精确的测量激光到达的时间。光敏传感器本身也有一定宽度,如果传感器“挤”在一起,间距达到了传感器本身的宽度量级,那么测角本身就会出现误差了。所以光敏传感器的分布之间需要一定的距离,设备不能制造的太小。Valve表示要保持对一个刚体的跟踪,需要至少5个传感器形成一个阵列。所以,Vive的手柄前方的传感器阵列必须足够大,才能捕捉到激光传导过来信号,而且在这之间不能有遮挡物。手柄的体积大成为其中一大缺陷。不过据电科技了解,HTC正在着眼与手势控制的公司合作,不久将来,或许手柄将逐渐淘汰,手势控制或许会成为未来的趋势。

  在一个空间里Lighthouse有许多基站的话,很有可能出现的情况是光敏传感器同一时间内被多道激光扫过,就很难分清楚激光是来自哪个基站,位置计算能力就会变差了。目前的Lighthouse是使用时分复用:任意时刻只有一个基站发光。在未来最彻底的解决方案应该是频分复用光敏传感器接受的每一道激光都带有信息报告自己的基站的id,但是这样整个系统的设计会变得比现在复杂得多,在那么短的一道激光中做到这一点,也可能需要更昂贵的设备。Valve表示这套系统是理论上可扩展到无限容量的,但是他们并没有披露具体是用怎样的方法做到这一点。

  做了以上诸多的理论解释,总结下来就是,HTC Vive的Lighthouse技术在消费级的产品来说,尚属目前最主流的空间定位技术,而且成本低也是不争的事实。作为VR最重要的环节之一,空间定位系统一直在用户体验度上占据重要位置,目前不仅国内外研究人员都在试图解决核心算法和技术壁垒,同时在实际场景应用方面,例如像主题公园及游戏开发上也在朝着大空间、可移动的方向发展。电科技相信,空间定位技术必然是未来VR发展的核心内容。

  电科技专注于TMT领域报道,青云计划、百+计划获得者。荣获2013搜狐最佳行业自媒体人称号、2015中国新媒体创业大赛总决赛季军、2018百度动态年度实力红人等诸多大奖。

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