分析:三大VR头显的空间定位技术

2016-05-30 10:20:01 来源: 雷锋网(深圳)
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按:本文作者airuoxuan为VR行业从业者

VR虚拟现实作为近未来最炙手可热的显示技术被厂商和用户所追捧,其发展前景和应用范围是不可估量的,VR元年——2016年,三大VR厂商分别推出了自己的桌面虚拟现实平台Oculus Rift、HTC Vive以及索尼PlayStation VR。这三款产品不论是硬件性能、平台规模还是资源,都拥有极高的水准。最近经常有人跟我讨论这三种产品的定位技术,于是就想用这篇文章来总结并对比一下三大产品的定位技术。

分析:三大VR头显的空间定位技术

VR室内定位技术可以定位VR头显及手柄等VR设备在空间的实时位置,具有空间定位的VR设备不仅能更好地提供沉浸感,其产生的眩晕感也会大幅降低,整个画面可以像现实世界中一样根据我们的移动而真的动起来。所以说,室内定位技术对于VR桌面虚拟现实设备非常重要。

HTC vive所用的Lighthouse技术属于激光定位技术,Oculus Rift以及索尼PlayStation VR所用的定位技术都属于光学定位技术,其中Oculus Rift是红外主动式光学技术,索尼PlayStation VR则是可见光主动式光学技术。

HTC Vive的Lighthouse室内定位技术

HTC Vive的激光定位技术笔者在以前的文章中有详细介绍过,这里我们简单回顾一下。

HTC的Lighthouse室内定位技术属于激光扫描定位技术,靠激光和光敏传感器来确定运动物体的位置。两个激光发射器被安置在对角,形成大小可调的长方形区域。激光束由发射器里面的两排固定LED灯发出,每秒6次。每个激光发射器内有两个扫描模块,分别在水平和垂直方向轮流对定位空间发射激光扫描定位空间。

HTC Vive头显和手柄上有超过70个光敏传感器。通过计算接收激光的时间来计算传感器位置相对于激光发射器的准确位置,通过多个光敏传感器可以探测出头显的位置及方向。这里需要说明一下,HTC Vive采用的激光定位技术,定位过程中光敏传感器的ID会随着它接收到的数据同时传给计算单元的,也就是说计算单元是可以直接区分不同的光敏传感器,从而根据每个光敏传感器所固定在头显和手柄上的位置以及其他信息一起最终构建头显及手柄的三维模型。

分析:三大VR头显的空间定位技术

激光定位技术具有成本低、定位精度高、可分布式处理等优势,且几乎没有延迟,不怕遮挡,即使手柄放在后背或者胯下也依然能捕捉到。可以说激光定位技术在避免了基于图像处理技术的复杂度高、设备成本高、运算速度慢、较易受自然光影响等劣势的同时,实现高精度、高反应速度的室内定位。此外,相比于其他两个产品,HTC Vive能够允许用户在一定的空间内进行活动,对使用者来说限制小,能够适配需要走动起来的游戏。不过由于HTC Vive的激光发射基站是利用机械控制来控制激光扫描定位空间,而机械控制本身存在稳定性及耐用性较差的问题,因为造成HTC Vive的稳定性和耐用性稍差。|

Oculus Rift 的定位技术

Oculus Rift采用的是主动式光学定位技术。

分析:三大VR头显的空间定位技术

了解Oculus Rift的用户可能知道,Oculus Rift设备上会隐藏着一些红外灯(即为标记点),这些红外灯可以向外发射红外光,并用两台红外摄像机实时拍摄。所谓的红外摄像机就是在摄像机外加装红外光滤波片,这样摄像机只能拍摄到头显以及手柄(Oculus touch)上红外灯,从而过滤掉头显及手柄周围环境的可见光信号,提高了获得图像的信噪比,增加了系统的鲁棒性。

获得红外图像后,将两台摄像机从不同角度采集到的图像传输到计算单元中,再通过视觉算法过滤掉无用的信息,从而获得红外灯的位置。

再利用PnP算法,即利用四个不共面的红外灯在设备上的位置信息、四个点获得的图像信息即可最终将设备纳入摄像头坐标系,拟合出设备的三维模型,并以此来实时监控玩家的头部、手部运动。这里需要说明的是,如果想要知道不同的红外灯在设备上的位置信息,就必须能够区分不同的红外灯,具体方案如下:

它是通过红外灯的闪烁频率来告诉摄像头自己的ID。 通过控制摄像头快门频率与每一个LED闪烁频率,可以控制图片上每个红外灯所成图像的大小规律,然后利用连续10帧的图像中每一个点在10帧图像中的大小变化规律来确定LED灯球所对应的ID号,再根据该ID号就可以知道该红外灯在设备上的位置信息。

分析:三大VR头显的空间定位技术

此外,Oculus Rift产品还配备了九轴传感器,在红外光学定位发生遮挡或者模糊时,利用九轴传感器来计算设备的空间位置信息。由于九轴会存在明显的零偏和漂移,那再红外光学定位系统可以正常工作时又可以利用其所获得的定位信息校准九轴所获得的信息,使得红外光学定位与九轴相互弥补。

Oculus Rift主动式红外光学+九轴定位系统精度较高,抗遮挡性强。由于其所用的摄像机具备很高的拍摄速率,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,所以不存在累积误差。

但是由于摄像头视角有限,因此该产品的可用范围有限,会在很大程度上限制使用者的适用范围,因而无法使用Oculus Rift来玩需要走动等大范围活动的虚拟现实游戏。也因此,虽然Oculus Rift可以支持多个目标物同时定位,但是目标物不可过多,一般不超过两个。

PlayStation VR的定位技术

PlayStation VR目前还未上市,预计上市时间是今年七月份。PlayStation VR采用的也是光学定位,不同于Oculus Rift的是,它采用的是可见光主动式光学定位技术

分析:三大VR头显的空间定位技术

PlayStation VR设备采用体感摄像头和类似之前PS Move的彩色发光物体追踪,去定位人头部和控制器的位置。头显和手柄上会放LED灯球,每个手柄、头显上各装配一个。这些LED光球可以自行发光,且不同光球所发的光颜色不同,这样在摄像头拍摄时,光球与背景环境、各个光球之间都可以很好的区分。PS3原本采用单个摄像头,通过计算光球在图片中的半径来推算光球相对于摄像头的位置,并最终确定手柄和头显的位置。但是,单个摄像头定位的精度不高,鲁棒性不强,有时会把环境中的彩色物体识别成手柄,有时阳光比较强烈的时候还会不起作用。因此PS4采用了体感摄像头,即双目摄像头,利用两个摄像头拍摄到的图片计算光球的空间三维坐标。具体原理: 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,则根据同一时刻两部摄像机所拍摄的图像和对应参数,可以确定这一时刻该点在三维空间里的位置信息,如下图:

分析:三大VR头显的空间定位技术

应用体感摄像头后, PS4的定位精度、鲁棒性有了很大提高。

确定好三维坐标,即x、y、z三个自由度,PS系列采用九轴来计算另外三个自由度,及旋转自由度。从而得到六个空间自由度,确定手柄的空间位置和姿态。

通过上文描述我们可以知道PS可以支持多个目标同时定位,并以不同的颜色来区分。但是由于PS的抗遮挡性较差,一旦多个人使用互相发生遮挡,则定位马上收到影响。而且由于双目摄像头的有效范围有限,所以PS的移动式受限的,只能在摄像头可用范围内活动,基本上只能坐在PC机前使用。虽然,PS4 目前采用了双目摄像头,但是由于依然采用可见光定位,所以很容易受到背景颜色的影响。此外,根据用户体验结果反映,在较快动作的情况下会出现摄像头的捕捉跟不上的问题。

最后,读者可以通过下表来对比查看三种产品定位技术的优劣势。

分析:三大VR头显的空间定位技术

张彬彬 本文来源:雷锋网 责任编辑:张彬彬_NT5025
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