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

雷鋒網 於 28/05/2016 發表 收藏文章
按:本文作者為VR行業從業者。

VR虛擬現實作為近未來最炙手可熱的顯示技術被廠商和用户所追捧,其發展前景和應用範圍是不可估量的,VR元年——2016年,三大VR廠商分別推出了自己的桌面虛擬現實平台Oculus Rift、HTC Vive以及SonyPlayStation VR。這三款產品不論是硬件性能、平台規模還是資源,都擁有極高的水準。最近經常有人跟我討論這三種產品的定位技術,於是就想用這篇文章來總結並對比一下三大產品的定位技術。


VR室內定位技術可以定位VR頭顯及手柄等VR設備在空間的實時位置,具有空間定位的VR設備不僅能更好地提供沉浸感,其產生的眩暈感也會大幅降低,整個畫面可以像現實世界中一樣根據我們的移動而真的動起來。所以説,室內定位技術對於VR桌面虛擬現實設備非常重要。

引用HTC vive所用的Lighthouse技術屬於激光定位技術,Oculus Rift以及SonyPlayStation VR所用的定位技術都屬於光學定位技術,其中Oculus Rift是紅外主動式光學技術,SonyPlayStation VR則是可見光主動式光學技術。

| HTC Vive的Lighthouse室內定位技術

HTC Vive的激光定位技術筆者在以前的文章中有詳細介紹過,這裏我們簡單回顧一下。

HTC的Lighthouse室內定位技術屬於激光掃描定位技術,靠激光和光敏傳感器來確定運動物體的位置。兩個激光發射器被安置在對角,形成大小可調的長方形區域。激光束由發射器裏面的兩排固定LED燈發出,每秒6次。每個激光發射器內有兩個掃描模塊,分別在水平和垂直方向輪流對定位空間發射激光掃描定位空間。

HTC Vive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於激光發射器的準確位置,通過多個光敏傳感器可以探測出頭顯的位置及方向。這裏需要説明一下,HTC Vive採用的激光定位技術,定位過程中光敏傳感器的ID會隨着它接收到的數據同時傳給計算單元的,也就是説計算單元是可以直接區分不同的光敏傳感器,從而根據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建頭顯及手柄的三維模型。


激光定位技術具有成本低、定位精度高、可分佈式處理等優勢,且幾乎沒有延遲,不怕遮擋,即使手柄放在後背或者胯下也依然能捕捉到。可以説激光定位技術在避免了基於圖像處理技術的複雜度高、設備成本高、運算速度慢、較易受自然光影響等劣勢的同時,實現高精度、高反應速度的室內定位。此外,相比於其他兩個產品,HTC Vive能夠允許用户在一定的空間內進行活動,對使用者來説限制小,能夠適配需要走動起來的遊戲。不過由於HTC Vive的激光發射基站是利用機械控制來控制激光掃描定位空間,而機械控制本身存在穩定性及耐用性較差的問題,因為造成HTC Vive的穩定性和耐用性稍差。

目前,國內G-Wearables的StepVR就是採用了激光定位,在定位精度、延遲還是抗干擾性都做了改進。


| Oculus Rift 的定位技術

Oculus Rift採用的是主動式光學定位技術。


了解Oculus Rift的用户可能知道,Oculus Rift設備上會隱藏着一些紅外燈(即為標記點),這些紅外燈可以向外發射紅外光,並用兩台紅外攝像機實時拍攝。所謂的紅外攝像機就是在攝像機外加裝紅外光濾波片,這樣攝像機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境的可見光信號,提高了獲得圖像的信噪比,增加了系統的魯棒性

獲得紅外圖像後,將兩台攝像機從不同角度採集到的圖像傳輸到計算單元中,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,即利用四個不共面的紅外燈在設備上的位置信息、四個點獲得的圖像信息即可最終將設備納入攝像頭座標系,擬合出設備的三維模型,並以此來實時監控玩家的頭部、手部運動。這裏需要説明的是,如果想要知道不同的紅外燈在設備上的位置信息,就必須能夠區分不同的紅外燈,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律,然後利用連續10幀的圖像中每一個點在10幀圖像中的大小變化規律來確定LED燈球所對應的ID號,再根據該ID號就可以知道該紅外燈在設備上的位置信息。

此外,Oculus Rift產品還配備了九軸傳感器,在紅外光學定位發生遮擋或者模糊時,利用九軸傳感器來計算設備的空間位置信息。由於九軸會存在明顯的零偏和漂移,那再紅外光學定位系統可以正常工作時又可以利用其所獲得的定位信息校準九軸所獲得的信息,使得紅外光學定位與九軸相互彌補。

Oculus Rift主動式紅外光學+九軸定位系統精度較高,抗遮擋性強。由於其所用的攝像機具備很高的拍攝速率,並且由於該類系統總是能夠得到標記點在當前空間的絕對位置座標,所以不存在累積誤差。

但是由於攝像頭視角有限,因此該產品的可用範圍有限,會在很大程度上限制使用者的適用範圍,因而無法使用Oculus Rift來玩需要走動等大範圍活動的虛擬現實遊戲。也因此,雖然Oculus Rift可以支持多個目標物同時定位,但是目標物不可過多,一般不超過兩個。

| PlayStation VR的定位技術

PlayStation VR目前還未上市,預計上市時間是今年七月份。PlayStation VR採用的也是光學定位,不同於Oculus Rift的是,它採用的是可見光主動式光學定位技術

PlayStation VR設備採用體感攝像頭和類似之前PS Move的彩色發光物體追蹤,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光球可以自行發光,且不同光球所發的光顏色不同,這樣在攝像頭拍攝時,光球與背景環境、各個光球之間都可以很好的區分。PS3原本採用單個攝像頭,通過計算光球在圖片中的半徑來推算光球相對於攝像頭的位置,並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,有時會把環境中的彩色物體識別成手柄,有時陽光比較強烈的時候還會不起作用。因此PS4採用了體感攝像頭,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座標。具體原理: 從理論上説,對於三維空間中的一個點,只要這個點能同時為兩部攝像機所見,則根據同一時刻兩部攝像機所拍攝的圖像和對應參數,可以確定這一時刻該點在三維空間裏的位置信息,如下圖:


應用體感攝像頭後, PS4的定位精度、魯棒性有了很大提高。

確定好三維座標,即x、y、z三個自由度,PS系列採用九軸來計算另外三個自由度,及旋轉自由度。從而得到六個空間自由度,確定手柄的空間位置和姿態。

通過上文描述我們可以知道PS可以支持多個目標同時定位,並以不同的顏色來區分。但是由於PS的抗遮擋性較差,一旦多個人使用互相發生遮擋,則定位馬上收到影響。而且由於雙目攝像頭的有效範圍有限,所以PS的移動式受限的,只能在攝像頭可用範圍內活動,基本上只能坐在PC機前使用。雖然,PS4 目前採用了雙目攝像頭,但是由於依然採用可見光定位,所以很容易受到背景顏色的影響。此外,根據用户體驗結果反映,在較快動作的情況下會出現攝像頭的捕捉跟不上的問題。

最後,讀者可以通過下表來對比查看三種產品定位技術的優劣勢。


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資料來源:雷鋒網
作者/編輯:airuoxuan

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