HTC vive、Oculus rift、PS VR，三大頭顯都是如何做定位的？｜深度

按：本文作者為VR行業(yè)從業(yè)者。

VR虛擬現(xiàn)實(shí)作為近未來最炙手可熱的顯示技術(shù)被廠商和用戶所追捧，其發(fā)展前景和應(yīng)用范圍是不可估量的，VR元年——2016年，三大VR廠商分別推出了自己的桌面虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)Oculus Rift、HTC Vive以及索尼PlayStation VR。這三款產(chǎn)品不論是硬件性能、平臺(tái)規(guī)模還是資源，都擁有極高的水準(zhǔn)。最近經(jīng)常有人跟我討論這三種產(chǎn)品的定位技術(shù)，于是就想用這篇文章來總結(jié)并對(duì)比一下三大產(chǎn)品的定位技術(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(shí)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(huì)大幅降低，整個(gè)畫面可以像現(xiàn)實(shí)世界中一樣根據(jù)我們的移動(dòng)而真的動(dòng)起來。所以說，室內(nèi)定位技術(shù)對(duì)于VR桌面虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備非常重要。

HTC vive所用的Lighthouse技術(shù)屬于激光定位技術(shù)，Oculus Rift以及索尼PlayStation VR所用的定位技術(shù)都屬于光學(xué)定位技術(shù)，其中Oculus Rift是紅外主動(dòng)式光學(xué)技術(shù)，索尼PlayStation VR則是可見光主動(dòng)式光學(xué)技術(shù)。

| HTC Vive的Lighthouse室內(nèi)定位技術(shù)

HTC Vive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(jiǎn)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(dòng)物體的位置。兩個(gè)激光發(fā)射器被安置在對(duì)角，形成大小可調(diào)的長(zhǎng)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(gè)激光發(fā)射器內(nèi)有兩個(gè)掃描模塊，分別在水平和垂直方向輪流對(duì)定位空間發(fā)射激光掃描定位空間。

HTC Vive頭顯和手柄上有超過70個(gè)光敏傳感器。通過計(jì)算接收激光的時(shí)間來計(jì)算傳感器位置相對(duì)于激光發(fā)射器的準(zhǔn)確位置，通過多個(gè)光敏傳感器可以探測(cè)出頭顯的位置及方向。這里需要說明一下，HTC Vive采用的激光定位技術(shù)，定位過程中光敏傳感器的ID會(huì)隨著它接收到的數(shù)據(jù)同時(shí)傳給計(jì)算單元的，也就是說計(jì)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(gè)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(shì)，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。可以說激光定位技術(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(shì)的同時(shí)，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(gè)產(chǎn)品，HTC Vive能夠允許用戶在一定的空間內(nèi)進(jìn)行活動(dòng)，對(duì)使用者來說限制小，能夠適配需要走動(dòng)起來的游戲。不過由于HTC Vive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?yàn)樵斐蒆TC Vive的穩(wěn)定性和耐用性稍差。

目前，國(guó)內(nèi)G-Wearables的StepVR就是采用了激光定位，在定位精度、延遲還是抗干擾性都做了改進(jìn)。

 

| Oculus Rift 的定位技術(shù)

 Oculus Rift采用的是主動(dòng)式光學(xué)定位技術(shù)。

了解Oculus Rift的用戶可能知道，Oculus Rift設(shè)備上會(huì)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(tái)紅外攝像機(jī)實(shí)時(shí)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（Oculus touch）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(hào)，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(tái)攝像機(jī)從不同角度采集到的圖像傳輸?shù)接?jì)算單元中，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(gè)不共面的紅外燈在設(shè)備上的位置信息、四個(gè)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(shí)監(jiān)控玩家的頭部、手部運(yùn)動(dòng)。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(gè)LED閃爍頻率，可以控制圖片上每個(gè)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(gè)點(diǎn)在10幀圖像中的大小變化規(guī)律來確定LED燈球所對(duì)應(yīng)的ID號(hào)，再根據(jù)該ID號(hào)就可以知道該紅外燈在設(shè)備上的位置信息。

此外，Oculus Rift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(shí)，利用九軸傳感器來計(jì)算設(shè)備的空間位置信息。由于九軸會(huì)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(shí)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)。

Oculus Rift主動(dòng)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(duì)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(huì)在很大程度上限制使用者的適用范圍，因而無法使用Oculus Rift來玩需要走動(dòng)等大范圍活動(dòng)的虛擬現(xiàn)實(shí)游戲。也因此，雖然Oculus Rift可以支持多個(gè)目標(biāo)物同時(shí)定位，但是目標(biāo)物不可過多，一般不超過兩個(gè)。

| PlayStation VR的定位技術(shù)

PlayStation VR目前還未上市，預(yù)計(jì)上市時(shí)間是今年七月份。PlayStation VR采用的也是光學(xué)定位，不同于Oculus Rift的是，它采用的是可見光主動(dòng)式光學(xué)定位技術(shù)。

PlayStation VR設(shè)備采用體感攝像頭和類似之前PS Move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(huì)放LED燈球，每個(gè)手柄、頭顯上各裝配一個(gè)。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(shí)，光球與背景環(huán)境、各個(gè)光球之間都可以很好的區(qū)分。PS3原本采用單個(gè)攝像頭，通過計(jì)算光球在圖片中的半徑來推算光球相對(duì)于攝像頭的位置，并最終確定手柄和頭顯的位置。但是，單個(gè)攝像頭定位的精度不高，魯棒性不強(qiáng)，有時(shí)會(huì)把環(huán)境中的彩色物體識(shí)別成手柄，有時(shí)陽光比較強(qiáng)烈的時(shí)候還會(huì)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(gè)攝像頭拍攝到的圖片計(jì)算光球的空間三維坐標(biāo)。具體原理： 從理論上說，對(duì)于三維空間中的一個(gè)點(diǎn)，只要這個(gè)點(diǎn)能同時(shí)為兩部攝像機(jī)所見，則根據(jù)同一時(shí)刻兩部攝像機(jī)所拍攝的圖像和對(duì)應(yīng)參數(shù)，可以確定這一時(shí)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(gè)自由度，PS系列采用九軸來計(jì)算另外三個(gè)自由度，及旋轉(zhuǎn)自由度。從而得到六個(gè)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(gè)目標(biāo)同時(shí)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(gè)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(dòng)式受限的，只能在攝像頭可用范圍內(nèi)活動(dòng)，基本上只能坐在PC機(jī)前使用。雖然，PS4 目前采用了雙目攝像頭，但是由于依然采用可見光定位，所以很容易受到背景顏色的影響。此外，根據(jù)用戶體驗(yàn)結(jié)果反映，在較快動(dòng)作的情況下會(huì)出現(xiàn)攝像頭的捕捉跟不上的問題。

最后，讀者可以通過下表來對(duì)比查看三種產(chǎn)品定位技術(shù)的優(yōu)劣勢(shì)。

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