科普 | VR 運動追蹤技術 101

圖片來源：static.leiphone.com

按：到現在來寫運動追蹤技術101似乎有些晚，但還是想寫，是因為關於VR的追蹤技術時常看到會有各種混用，以致讓人摸不着頭腦。本文試圖講清楚關於追蹤的一些基本理論和技術，已經很懂的各種業內大拿們可以無視。
在今年的I/O大會上，Google推出了Daydream VR平台的官方頭盔設計參考，而且包含有一款手柄。關於這款手柄許多外媒（比如The Verge）稱其為“Motion Controller”（體感控制器），也就是説它能捕捉你的動作，讓你通過手勢來進行操作。然而當小編稱其為“動捕手柄”的時候，業內人士表示“這不是動捕，Google也沒有稱其為動捕”。

那麼到底Daydream手柄是不是動捕呢？實際上，你可以稱其為“動捕手柄”，但又要明白它和其它產品是有區別的。下面就來看看動捕到底應該如何理解。

6自由度（DOF）

要理解Daydream手柄先要理解“自由度”，這是經常會聽到的一個詞，英文叫“Degrees of Freedom，通常縮寫為DOF”。
自由度指的就是物體在空間裏面的基本運動方式，總共有6種。任何運動都可以拆分成這6種基本運動方式。這6種基本運動方式又可以分為兩類：位移和旋轉。

位移包括前後、左右、上下三種，如下圖所示。

旋轉包括：前後翻轉（ROLL）、左右搖擺（PITCH）以及水平轉動（YAW），如下圖所示。


這兩類，每類三個自由度，加起來就是6自由度。

在每個自由度裏面，有兩個不同的方向。比如升降電梯的運動只有一個自由度：上下，但在這個自由度裏面它可以選擇往上或者往下；同理，輪胎轉動也只有一個自由度，但它可以選擇順時針還是逆時針轉動。
任何硬的物體的運動，不管多麼複雜，都可以用位移和旋轉來解釋（軟的物體還有膨脹收縮等運動，比如氣球）。例如，碰碰車只有3個自由度的運動：它可以在水平面轉動或是前後、左右位移，但不能上下位移、前後翻轉或左右搖擺（如果不發生事故的話）。

這個時候再來解釋Daydream手柄就容易多了，首先它是動捕，但它只能追蹤前後翻轉、左右搖擺以及水平轉動三個旋轉的自由度，無法知道手柄在空間裏的位移情況。所以，如果要準確描述Daydream手柄，就應該稱其為3自由度或3DOF動捕手柄。

對比之下，HTC Vive的追蹤系統讓手柄擁有6個自由度，包括位移的3個自由度。其結果就是，你沒法用Daydream的手柄做伸手揀地上物品這樣的動作，但Vive的手柄可以。
下面兩個視頻分別演示的是Daydream手柄可以做的事情，以及Vive可以做但Daydream做不了的事情，都來自Google。

Daydream手柄演示，3自由度：

http://v.qq.com/boke/page/z/0/6/z03027aria6.html

Daydream Lab - 打鼓鍵盤（Drum Keys），6自由度：

http://v.qq.com/boke/page/o/0/8/o0302pcjyc8.html

IMU和慣性動捕



IMU是Inertial Measurement Unit的縮寫，也就是慣性測量單元。它通常包含加速度計、陀螺儀和磁力儀三種傳感器。以前主要用在飛機上，現在大部分智能手機都有了，成本比較低。使用IMU可以測量速度、方向和重力，這種動捕技術也就是我們常説的慣性動捕。
通過IMU可以很好地追蹤物體3個旋轉自由度的運動，Daydream手柄基本可以肯定用的就是IMU傳感器了。而這也是為什麼Google可以讓開發者用一款Android手機來替代Daydream手柄進行開發，因為手機上也有IMU。

慣性動捕的問題是很難判斷物體在空間裏的絕對位置，因而位移運動的3個自由度無法被追蹤。

光學動捕

除了慣性動捕，另一個常被提到的技術是光學動捕，或者是光學空間定位，通過精確的空間位置可以判斷物體的位移及旋轉。光學動捕有很多種，這裏以帶Mark點的技術為例。


Sensics dSight頭顯的紅外Mark點

光學動捕通過一個或多個攝像頭持續不斷過地追蹤物體上的Mark點，這些點以特定的模式排列，然後通過一系列的算法來判斷出物體的位置。算法通過將已知Mark點的位置與物體上Mark點位置進行比對，判斷出物體的絕對位置和旋轉方向。

Mark點的數量、位置和排列是有科學依據的。例如，如果只用4個構成正方形的Mark點，就無法判斷物體是不是倒過來了，或是旋轉了90度。除此之外如果Mark點被擋住了或是受環境光影響而追蹤不了，也會影響位置的判定。

此時通常要投入更多的攝像頭和計算性能來進行持續和精確地追蹤，導致成本大增。所以很多動捕技術方面提供商，比如諾亦騰，會採用光學和慣性動捕相結合的方式來實現6自由度的精確追蹤，從而降低攝像頭使用數量及對計算性能的需求，控制成本。
總結

各種用於VR的追蹤技術，都是為了實現高精度、低成本的6自由度運動追蹤。目前來講，通過IMU來判斷物體旋轉的3個自由度已經很成熟，所以被應用於各種方案中；而通過空間定位來判斷位移的技術中也有Vive的Lighthouse這種較低成本的方案了，但很多光學動捕的方案成本依然較高。光學動捕除了上述方案外還有很多其它類型的技術，而光學動捕之外也有很多其它追蹤技術。具體可前往閲讀VR行業資深從業者王鋭的文章《VR實現空間定位的7種利器》。

配圖及參考資料來源：RoadtoVR


資料來源：雷鋒網
作者/編輯：劉方平