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小菜硬件杂谈 浅谈三种VR空间定位技术

2019-01-28 06:43

  随着去年VR产业的大爆发,众多资本和厂商涌入这个领域,想要趁着热乎劲分食一杯羹,除Oculus、HTC和索尼外,还有大大小小上百家厂商推出了相关的VR产品,国内比较知名的是Hypereal、3Glasses、诺亦腾等。面对琳琅满目的VR设备,作为消费者来说到底该如何选择?这些价格相差非常多的VR产品究竟有着怎样的区别?相信这才是广大消费者最关心的。

  在吉吉我看来,对于一套VR设备来说,最核心的技术就是动作捕捉及空间定位技术,毕竟VR是一种沉浸式交互仿真系统,像手机VR盒子那种只能看的设备根本谈不上良好的VR体验。不同的VR设备价格相差悬殊的主要原因就是因为采用的空间定位技术的不同,因而其成本也相差很多,自然就体现在价格上了。

  目前应用到消费级VR上的定位技术主要有激光定位、红外光学定位和可见光定位3种,优劣、成本、效果各有不同。VR空间定位的痛点是精度和时延问题,如何让延迟的时间尽量不影响到玩家的流畅性体验,如何精准地将玩家在现实生活中的位置获取,又快速地反馈到VR内容之中,这个是VR能否走进消费级市场的关键。

  就目前来看,想要拥有良好VR体验,时延一定要小于20ms,定位精度最好在mm级,而以上三种定位技术均可以做到。接下来我就以HTC、Oculus、索尼三大厂的主流产品所应用的定位技术为例,为大家做个简单的科普和讲解。

  激光定位技术的基本原理就是在空间内安装数个可发射激光的装置,对空间发射横竖两个方向扫射的激光,被定位的物体上放置了多个激光感应接收器,通过计算两束光线到达定位物体的角度差,从而得到物体的三维坐标,物体在移动时三维坐标也会跟着变化,便得到了动作信息,完成动作的捕捉。

  这类定位技术的代表产品为HTCVive的Lighthouse,通过在空间对角线米的“灯塔”,灯塔每秒能发出6次激光束,内有两个扫描模块,分别在水平和垂直方向轮流对空间发射激光扫描定位空间。HTCVive的头显和两个手柄上安装有多达70个光敏传感器,其通过计算接收激光的时间来得到传感器位置相对于激光发射器的准确位置,利用头显和手柄上不同位置的多个光敏传感器从而得出头显和手柄的位置及方向。

  激光定位技术的优势在于相对其他两种定位技术来说定位精度高,不会因为遮挡而无法定位,宽容度高,也避免了复杂的程序运算,所以反应速度极快,几乎无延迟,同时可支持多个目标定位,可移动范围广。

  其缺点是成本相对较高,设备价格因而略贵。此外,其利用机械方式来控制激光扫描,稳定性和耐用性较差。稳定性差是指如果光塔抖动严重,可能会导致无法定位,而耐用度差是指随着使用时间的加长,机械结构磨损,会导致定位失灵等故障。

  红外光学定位技术的基本原理是通过在空间内安装多个红外发射摄像头,从而对整个空间进行覆盖拍摄。被定位的物体表面安装了红外反光点,摄像头发出的红外光经反光点反射后,摄像头再捕捉到这些经反射的红外光,然后通过后续程序计算后便能得到被定位物体的空间坐标。

  这类定位技术最具代表性的产品有OptiTrack的摄像头,而我们熟知的OculusRift采用的与上述描述的红外光学定位技术稍有不同,是主动式红外光学定位技术。OculusRift头显和手柄上放置的并非红外反光点,而是可以发出红外光的红外灯,相比反射获取红外光的被动式技术,主动式红外光学定位技术大大降低了硬件成本,同时还能保持较高的精度。

  此外,OculusRift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。OculusRift主动式红外光学+九轴(三轴陀螺仪+三轴加速度计+三轴磁强计)定位系统精度较高,抗遮挡性强。由于其所用的摄像头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。

  主动式红外光学定位技术的优势在于复杂程度低,使用寿命长,连接方便,成本也相对较低,非常适合推广。其缺点是受摄像头视角影响,用户的活动范围不能太大,使用角度也受限,与Lighthouse的15×15英尺无限制相比自然是没得比,也不支持太多物体的定位。目前国内黑马hypereal研发的三摄像头定位可以做到360°无死角,太阳城亚洲_!使用范围也高达12.8平米,是目前做得比较出色的主动式红外光学定位方案。

  可见光定位技术的原理和红外光学定位技术类似,同样采用摄像头捕捉被追踪物体的位置信息,只是其不再利用红外光,而是直接利用可见光。通过在不同的被追踪物体上安装能发出不同颜色的发光灯,摄像头捕捉到这些颜色光点从而区分不同的被追踪物体以及位置信息。

  这类定位技术最具代表性的产品是索尼的PSVR,我们可以直观地看到两个体感手柄发出的天蓝色和粉红色光的灯。很多人以为PSVR头显上发出的蓝光只是装饰用,但事实上这也是用于被摄像头获取,从而计算位置信息的。双目摄像头获取到这些灯光信息后,便能计算出光球和头显的空间坐标。

  可见光定位技术的优势在于成本低廉,灵敏度高,稳定性和耐用性均不错,而且无需后续复杂的算法,技术实现难度不大。这也正是PSVR在三大VR设备中卖的最便宜的原因,国内很多厂商也都采用了该技术。

  其不足之处在于定位精度相对较差,抗遮挡性差,如果灯光被遮挡则位置信息无法准确传递;而且对环境也有一定的使用限制,假如周围光线太强,手柄和头显的灯光被削弱,则可能无法定位,如果使用空气有相同色光则可能导致定位错乱,这也是为什么玩PSVR时需要关灯;此外,由于摄像头视角原因,可移动范围小,灯光数量有限,可追踪目标不多。

  看过了以上三种定位技术的特性,相信屏幕前的读者要犯选择困难症了,每种技术都有各自的优缺点,难分优劣。HTCVive的激光定位技术精度高、可移动范围广,但稳定性和耐用性就差;OculusRift的主动式红外光学定位稳定性耐用性好,但可移动范围却是最大短板;PSVR的可见光技术看起来是最low的,缺点很多,但是价格却够低,性价比极高。

  就我个人觉得,综合各方面来看,最适合购买的VR硬件设备是OculusRift,其寿命更长,价格又不至于太贵,而且精度完全不亚于HTCVive的激光定位技术,仅仅是活动空间小了点,但在房间内使用也是足够了。至于索尼的PSVR,其泛用性太低,虽然价格够低,但对光线的苛刻要求会对使用体验有着较为严重的影响。

  国产VR硬件中,我认为性价比最高的是Hypereal的Pano,其采用主动式红外光学定位技术,但价格比PSVR还要便宜,是目前性价比最高的VR设备,没有之一。有意思的是,Hypereal的初代工程样品使用的是同HTCVive一样的激光定位技术,但量产时考虑到成本和寿命等因素,最终还是改为了红外光学定位。

  最后我想说的是,除了这三种空间定位技术,还有更高级的惯性传感器动作捕捉技术和计算机视觉动作捕捉技术等,这些技术精度更高,捕捉范围也更大,尤其是计算机视觉动作捕捉技术无需穿戴传感器在身上的情况下也能满足动作的精细捕捉,非常符合未来发展趋势。不过这两种技术由于成本颇高,因此目前还只是应用在商业上,民用中还未普及,不过相信随着技术的发展,迟早有一天普通消费者也可以用上搭载这种技术的VR设备。