分析：三大VR頭顯的空間定位技術(shù)

【計算機(jī)論文】分析：三大VR頭顯的空間定位技術(shù)

VR室內(nèi)定位技術(shù)可以定位VR頭顯及手柄等VR設(shè)備在空間的實(shí)時位置，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，整個畫面可以像現(xiàn)實(shí)世界中一樣根據(jù)我們的移動而真的動起來。所以說，室內(nèi)定位技術(shù)對于VR桌面虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備非常重要。HTCvive所用的Lighthouse技術(shù)屬于激光定位技術(shù)，OculusRift以及索尼PlayStationVR所用的定位技術(shù)都屬于光學(xué)定位技術(shù)，其中OculusRift是紅外主動式光學(xué)技術(shù)，索尼PlayStationVR則是可見光主動式光學(xué)技術(shù)。HTCVive的激光定位技術(shù)筆者在以前的文章中有詳細(xì)介紹過，這里我們簡單回顧一下。HTC的Lighthouse室內(nèi)定位技術(shù)屬于激光掃描定位技術(shù)，靠激光和光敏傳感器來確定運(yùn)動物體的位置。兩個激光發(fā)射器被安置在對角，形成大小可調(diào)的長方形區(qū)域。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)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)射激光掃描定位空間。HTCVive頭顯和手柄上有超過70個光敏傳感器。通過計算接收激光的時間來計算傳感器位置相對于激光發(fā)射器的準(zhǔn)確位置，通過多個光敏傳感器可以探測出頭顯的位置及方向。這里需要說明一下，HTCVive采用的激光定位技術(shù)，定位過程中光敏傳感器的ID會隨著它接收到的數(shù)據(jù)同時傳給計算單元的，也就是說計算單元是可以直接區(qū)分不同的光敏傳感器，從而根據(jù)每個光敏傳感器所固定在頭顯和手柄上的位置以及其他信息一起最終構(gòu)建頭顯及手柄的三維模型。激光定位技術(shù)具有成本低、定位精度高、可分布式處理等優(yōu)勢，且?guī)缀鯖]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?？梢哉f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(yùn)算速度慢、較易受自然光影響等劣勢的同時，實(shí)現(xiàn)高精度、高反應(yīng)速度的室內(nèi)定位。此外，相比于其他兩個產(chǎn)品，HTCVive能夠允許用戶在一定的空間內(nèi)進(jìn)行活動，對使用者來說限制小，能夠適配需要走動起來的游戲。不過由于HTCVive的激光發(fā)射基站是利用機(jī)械控制來控制激光掃描定位空間，而機(jī)械控制本身存在穩(wěn)定性及耐用性較差的問題，因為造成HTCVive的穩(wěn)定性和耐用性稍差。|OculusRift的定位技術(shù)OculusRift采用的是主動式光學(xué)定位技術(shù)。了解OculusRift的用戶可能知道，OculusRift設(shè)備上會隱藏著一些紅外燈(即為標(biāo)記點(diǎn))，這些紅外燈可以向外發(fā)射紅外光，并用兩臺紅外攝像機(jī)實(shí)時拍攝。所謂的紅外攝像機(jī)就是在攝像機(jī)外加裝紅外光濾波片，這樣攝像機(jī)只能拍攝到頭顯以及手柄(Oculustouch)上紅外燈，從而過濾掉頭顯及手柄周圍環(huán)境的可見光信號，提高了獲得圖像的信噪比，增加了系統(tǒng)的魯棒性。獲得紅外圖像后，將兩臺攝像機(jī)從不同角度采集到的圖像傳輸?shù)接嬎銌卧?，再通過視覺算法過濾掉無用的信息，從而獲得紅外燈的位置。再利用PnP算法，即利用四個不共面的紅外燈在設(shè)備上的位置信息、四個點(diǎn)獲得的圖像信息即可最終將設(shè)備納入攝像頭坐標(biāo)系，擬合出設(shè)備的三維模型，并以此來實(shí)時監(jiān)控玩家的頭部、手部運(yùn)動。這里需要說明的是，如果想要知道不同的紅外燈在設(shè)備上的位置信息，就必須能夠區(qū)分不同的紅外燈，具體方案如下：它是通過紅外燈的閃爍頻率來告訴攝像頭自己的ID。通過控制攝像頭快門頻率與每一個LED閃爍頻率，可以控制圖片上每個紅外燈所成圖像的大小規(guī)律，然后利用連續(xù)10幀的圖像中每一個點(diǎn)在10幀圖像中的大小變化規(guī)律來確定LED燈球所對應(yīng)的ID號，再根據(jù)該ID號就可以知道該紅外燈在設(shè)備上的位置信息。此外，OculusRift產(chǎn)品還配備了九軸傳感器，在紅外光學(xué)定位發(fā)生遮擋或者模糊時，利用九軸傳感器來計算設(shè)備的空間位置信息。由于九軸會存在明顯的零偏和漂移，那再紅外光學(xué)定位系統(tǒng)可以正常工作時又可以利用其所獲得的定位信息校準(zhǔn)九軸所獲得的信息，使得紅外光學(xué)定位與九軸相互彌補(bǔ)。OculusRift主動式紅外光學(xué)+九軸定位系統(tǒng)精度較高，抗遮擋性強(qiáng)。由于其所用的攝像機(jī)具備很高的拍攝速率，并且由于該類系統(tǒng)總是能夠得到標(biāo)記點(diǎn)在當(dāng)前空間的絕對位置坐標(biāo)，所以不存在累積誤差。但是由于攝像頭視角有限，因此該產(chǎn)品的可用范圍有限，會在很大程度上限制使用者的適用范圍，因而無法使用OculusRift來玩需要走動等大范圍活動的虛擬現(xiàn)實(shí)游戲。也因此，雖然OculusRift可以支持多個目標(biāo)物同時定位，但是目標(biāo)物不可過多，一般不超過兩個。PlayStationVR的定位技術(shù)PlayStationVR目前還未上市，預(yù)計上市時間是今年七月份。PlayStationVR采用的也是光學(xué)定位，不同于OculusRift的是，它采用的是可見光主動式光學(xué)定位技術(shù)。PlayStationVR設(shè)備采用體感攝像頭和類似之前PSMove的彩色發(fā)光物體追蹤，去定位人頭部和控制器的位置。頭顯和手柄上會放LED燈球，每個手柄、頭顯上各裝配一個。這些LED光球可以自行發(fā)光，且不同光球所發(fā)的光顏色不同，這樣在攝像頭拍攝時，光球與背景環(huán)境、各個光球之間都可以很好的區(qū)分。PS3原本采用單個攝像頭，通過計算光球在圖片中的半徑來推算光球相對于攝像頭的位置，并最終確定手柄和頭顯的位置。但是，單個攝像頭定位的精度不高，魯棒性不強(qiáng)，有時會把環(huán)境中的彩色物體識別成手柄，有時陽光比較強(qiáng)烈的時候還會不起作用。因此PS4采用了體感攝像頭，即雙目攝像頭，利用兩個攝像頭拍攝到的圖片計算光球的空間三維坐標(biāo)。具體原理：從理論上說，對于三維空間中的一個點(diǎn)，只要這個點(diǎn)能同時為兩部攝像機(jī)所見，則根據(jù)同一時刻兩部攝像機(jī)所拍攝的圖像和對應(yīng)參數(shù)，可以確定這一時刻該點(diǎn)在三維空間里的位置信息，如下圖：應(yīng)用體感攝像頭后，PS4的定位精度、魯棒性有了很大提高。確定好三維坐標(biāo)，即x、y、z三個自由度，PS系列采用九軸來計算另外三個自由度，及旋轉(zhuǎn)自由度。從而得到六個空間自由度，確定手柄的空間位置和姿態(tài)。通過上文描述我們可以知道PS可以支持多個目標(biāo)同時定位，并以不同的顏色來區(qū)分。但是由于PS的抗遮擋性較差，一旦多個人使用互相發(fā)生遮擋，則定位馬上收到影響。而且由于雙目攝像頭的有效范圍有限，所以PS的移動式受限的，只能在攝像頭可用范圍內(nèi)活動，基本上只能坐在PC機(jī)前使用。