特稿 | HTCVive对OptiTrack,哪个方向是VR大空间多人定位技术的未来?

从2016年到2017年,VR逐渐成为了资本、媒体和一般大众眼中的新宠。走进商场,时常可以看到随处可见的所谓「VR体验店」,一些数码产品店里也常见插手机的所谓「VR盒子」。甚至有人打趣说,影院、超市和VR体验店,已成为商场新的三大「标配」。

然而,在专业人士眼中,VR产品体验呈现两极分化的趋势。低端的VR盒子,虽然价格低,但做工粗糙、体验差。而从去年VR的爆发狂潮到现在的逐渐冷静,也已经有一大批手机盒子厂商退出VR这个舞台。一位深圳华强北的老板指着柜台上卖剩下的VR手机盒子,直言不讳地表示「这个东西,过时啦」。

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大浪淘沙后,剩下的是能提供较为优秀用户体验的VR硬件。这些设备大多能够实现所谓「空间定位」——即用户可以在空间内自由行走,并通过捕捉用户的运动轨迹来呈现对应的虚拟内容。

「对于VR产品来说,内容和硬件才是最核心的竞争力,而空间定位和交互技术无疑是硬件技术中最难攻克也最重要的一环。良好的空间定位不仅能降低用户在体验中的眩晕感,还能提供给用户更深度的沉浸式感受。」国内大空间定位方案商ZVR CEO郭伟告诉青亭网。

那么,目前在空间定位方向做的比较好的产品有哪些?其中之一便是所谓「VR三大头显」之一的HTC Vive,采用Lighthouse激光定位系统;另一家是以国内利亚德旗下子公司OptiTrack为代表的红外光学定位系统。目前,激光方案和红外光学在线下都有不同程度的应用,前者常见于一般体验店,而后者则以主题公园、VR电竞馆等大型场馆为主。那么,这两种方案各自有何优劣?各自的使用场景还有哪些扩展方向?

激光定位系统:血统纯正延时低,但扩展性是硬伤?

Lighthouse 的血统堪称纯正,是由美国著名开发商Valve为HTC Vive一手打造。其空间定位技术的工作原理,是在空间内放置两个基站,每个基站内设有两个激光发射器,分别从横向和纵向对空间进行扫描,并通过激光识别空间内的HTC头显和Vive手柄,从而获得位置和方向信息的办法。近日,Valve软件公司发布的SteamVR跟踪系统2.0版据说已经可以扩展到4个基站了,其覆盖面积也从原有的约20㎡扩展到了100㎡。

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那么,Lighthouse 基站的内部又是怎样运作的呢?

拆开Lighthouse基站的内部,可以发现每个基站内部都有红外LED阵列和红外激光发射器。基站开始工作时,LED灯会对空间进行一次全局扫描,目的是向空间内所有的传感器传递一个信息:所有传感器待命,准备扫描。(这些传感器的位置是固定不变的,它们隐藏在头显和手柄的小坑里面,使其看起来坑坑洼洼像月球的表面一样。)传感器收到命令后,内部的芯片会将时间归零。接下来,每隔十毫秒,基站内的红外激光发射器会向空间内此起彼伏的发出横向或纵向的激光。

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每当两个方向上的激光在同一传感器上相交的时候,传感器会记录下两个方向上的激光到达的时间和起始位置到传感器所在直线的角度。又由于头显和手柄上传感器之间的距离是不变的。我们可以得到两个传感器距离。因此,我们可以运用三角函数来得出传感器的空间坐标。由于头显和手柄的尺寸是已知的。就可以计算出头显和手柄在空间中的位置和运动轨迹。

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这套定位系统的优势在于,可以直接将传感器的坐标数据提取出来传输到电脑上,需要计算的数据比较少,延迟比较小。但是,由于传感器被点亮的时候需要精确的知道传感器与激光起始位置之间的角度。如果传感器在设备上的分布过于密集,间距接近了传感器本身的宽度量级,当测量的时候,传感器距离基站位置越近,测量时越容易出现误差。

这种状况导致Lighthouse空间定位系统对VR产品上分布的传感器之间的距离有一定要求。对VR设备体积的轻量化造成一定阻碍。而且,由于激光定位系统主要依靠激光到达各个传感器之间的时间差来确定位置信息,完全依赖系统的时间分辨率,当系统内的机械出现磨损的情况时,会导致整个系统的不稳定,影响定位精度。

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另外,每个传感器需要接受横向和纵向两个方向的激光才可以确定位置,由于基站发出的横向和纵向的激光存在时间差。当被定位目标快速移动时,会出现横向纵向激光扇面扫描到同一传感器在空间中的位置不一致、无法准确定位的情况,从而影响动作捕捉。

最重要的一点,是Lighthouse定位系统的可扩展性。Lighthous定位系统在工作的时候,空间内时刻都只有一个基站在发光,目的是为了让传感器明确激光来自哪个基站。如果多个基站在空间内同时工作,会造成同一时间内光敏传感器被多束激光同时扫过,需要进行大量的位置计算来区分激光来自哪个基站,增加了难度。

也正因为这一点,Lighthouse空间定位系统可运行的活动区域非常有限。在Valve软件公司近日发布的SteamVR 2.0版本中,据透露将会用到四个基站,面积也有所扩大。但是公司并没有说明是如何解决这个问题的。据Valve内部人员表示:「目前我们暂时还没有实际应用的案例。」

红外光学空间定位:精度高、范围大,但计算量感人

光学空间定位基于计算机图形学原理。从理论上说,对于三维空间中的一个点,只要这个点能同时为两部摄像机所见,就可以确定这一时刻该点在三维空间里的位置信息。当摄像机以足够高的速率连续拍摄时,从图像序列中就可以得到该点的运动轨迹。光学空间定位系统就是利用这个原理,通过对目标物体上特定光点的监视和跟踪来完成运动捕捉的任务。

红外光学定位系统包括主动式红外光定位系统和被动式红外光定位系统。以OptiTrack为例,在OptiTrack被动式红外光定位系统中,每套系统内包含一个中央处理单元和多台红外摄像头,系统内的摄像头由中央处理单元统一调配并进行计算。

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在系统工作之前,需要通过预先空间标定来确定摄像机在空间中的坐标、空间中的参考坐标系和在空间内呈现的虚拟环境的坐标系。这样,才可以将某台摄像机捕捉到的二维图像位置信息转化为虚拟环境中的坐标系中的三维位置信息。

系统工作时,系统内的多台摄像机的快门与集成在摄像头上的红外照明光源同步开启向空间内发射红外光线,此时三维空间内被定位目标表面上布置的特制标记点可在红外光线下强烈反光,通过识别算法提取标记点在空间中的位置信息。当摄像头连续不断的拍摄时,我们就可以从图像序列中获取标记点运动的轨迹和位姿。

OptiTrack主动式红外光学定位系统的工作原理和被动式红外光学相似,区别在于系统中的标记点可以主动发出红外光,被相机捕捉到。这在提升追踪区域的同时,还降低了动捕相机的部署成本。

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与激光空间定位系统相比较,红外光学系统定位精度较高、且比较稳定。所用的摄像机具备很高的拍摄速率,并且通常是采用全局快门方案,确保被定位空间内图像同时曝光,不会有运动模糊的现象。并且由于该类系统总是能够得到标记点在当前空间的绝对位置坐标,不存在累积误差。此外,红外光学定位系统还可以通过摄像机的级联实现同时定位多个目标。

但是,该系统也具有一定局限性:由于光学运动捕捉基于计算机图形学原理,需要对图像进行分析,意味着更多的数据需要被计算。红外光学定位系统中,当红外光线被用户或物体遮挡时,由于缺少必要的二维图像中的特征点间对应信息,容易导致定位跟踪失败。为了避免遮挡,通常会在定位空间同时布置多个摄像头。这就造成了红外光学定位系统成本略高。

红外光学的整套定位系统从开始工作到最终将画面呈现给用户需要经过:摄像机对空间进行红外线覆盖并拍摄,提取画面中的mark点→中央处理单元集成多个摄像头的图像并计算整个空间中各个mark点的位置→将位置信息传输到用户计算单元→用户计算单元找出自己的mark点→画面渲染等一系列过程。由于处理工作集中在中央处理器,在这个过程中,空间内用户的数量越多,需要定位的刚体也越多,延时也会越来越长。

目前,能做到在超大空间内的光学空间定位系统的企业,除了国外的OptiTrack之外,还有国内的ZVR、青瞳视觉、瑞立视等公司。但是,能同时支持主动光和被动光学空间定位解决方案的企业,据了解,目前在国内只有ZVR的大空间光学定位解决方案可以做到。

结语:根据实际需求,激光和红外方案将各显神通

分析了这么多激光定位和红外定位各自的原理和优劣,那么问题来了,我们应该如何去应用这两套不同的方案呢?

ZVR郭伟表示,「还是要根据空间大小来看——如果是小范围的商场内体验点级别的场景中,激光定位方案从部署性能、适配性和成本上来说都更有优势一些」。

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而在需要提供给用户更深层次的大空间沉浸式体验中,房间级的空间会限制用户的行走范围,破坏用户的沉浸感。此时,可以进行大范围级联的光学定位方案更有优势。

为了增加沉浸感,一些运营商还会选择在大场地内对空间的布置和道具的细节进行升级,「这对激光定位解决方案来说存在着不可避免的遮挡问题。在这种较为复杂的大空间场景中,对动作捕捉的精度和延时都有着极高的要求,否则会严重影响用户体验,甚至会造成危险。因此,还是系统比较稳定的红外光学空间定位更加适合这种情况」。

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责任编辑:loyao
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