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VR的位置跟踪系统是如何工作的?

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桳.桳.糖 发表于 2020-10-12 10:09:39 | 显示全部楼层 |阅读模式

除了具有广阔的视野外,虚拟现实头显与常规的3D显示器的区别在于它们能够被跟踪。PC VR,主机VR以及现在一些独立的头显甚至还具有位置跟踪功能,因此你可以倾斜身体,躲避甚至在VR中走动。

但是这种跟踪如何运作?在这里,我们将解释主要的位置跟踪系统及其运行方式。

背景

什么是位置跟踪(6自由度)?

Oculus Go、三星Gear VR和谷歌Daydream View等大多数移动VR头显只有旋转跟踪(3DoF)。你可以向上或向下看,向左或向右倾斜。但是如果你试图倾斜或移动你的头部的位置,则不会被跟踪。整个虚拟世界将与你同行。3DoF控制器与之类似,仅限旋转。它们基本上只能充当激光选择指针。

这对于就座体验的VR内容来说是可以接受的,但它不允许你在物理上移动虚拟世界,或者直接用手与之交互。

在PC VR和主机VR上,以及现在的高端独立VR中,头显具有位置跟踪功能(6DoF)。位置跟踪使用户可以在虚拟环境中实际移动。如果跟踪范围足够大,你甚至可以在VR中绕着整个房间走动。

当控制器也是6DoF时,你可以直接用手与虚拟对象进行交互,因为你可以通过在现实世界中的移动实现虚拟空间中的移动。

如何实现位置跟踪?

旋转跟踪(3DoF)总是使用微型机电陀螺仪实现的。但不同的公司使用不同的技术来实现位置跟踪(6DoF)。虽然某天可能存在共同的行业标准,但目前尚未形成。不同的公司对哪种技术是正确的有不同的看法。

不同的跟踪系统均可平衡成本、设置难易度、跟踪范围、控制器跟踪范围和模块化等问题。

位置跟踪的共同基础:航位推算

与普遍看法相反,下面描述的光学系统仅是真正意义上的“校正”系统。所有这些系统的主要共享跟踪方法是微型机电加速度计。这些加速度计通常以1000赫兹运行。

其工作原理是:加速度计不读取位置或速度,他们读取加速度。你可能还记得微积分,你可以随着时间的推移获得加速度的积分并获得速度。如果你随着时间的推移得到速度值的积分,你就会获得位置信息(或至少从原始位置产生的位移信息)。

使用它来确定位置的变化称为航位推算。这就是VR头显和控制器每时每刻都在跟踪自己的方法。

那为什么还需要其他跟踪手段呢?因为加速度计并不完美,会产生噪声数据。将这些数据进行两次积分意味着即使是最小的误差也会被放大,并且误差还会累积。实际上,这意味着基于加速度计的位置跟踪会在几秒钟内漂移到无限远。

VR跟踪系统的目的是通过提供参考来纠正这种漂移。每个跟踪系统都采用不同的方式,但目的是相同的。

常见的VR跟踪系统

“星座”(最初的Oculus Rift)

在设计Rift时,Oculus面临着提供与OptiTrack等数千美元的系统相同质量跟踪的挑战,但其成本却要低一个数量级。

每个被跟踪设备都有一个隐藏在外部塑料下的预定义红外LED“星座”,你可以在上图中看到它们。红外线对人眼是不可见的。

传感器基本上是带有过滤器的摄像头,只能看到红外光,通过USB线缆以60Hz的频率将帧发送到用户的PC。PC处理每个帧,识别每个红外LED的位置,从而识别每个对象的相对位置。

该软件可以轻松识别它所看到的LED,因为它知道“星座”的形状,它会记住物体在前一帧中的位置,并且知道它的加速方向(来自加速度计)及其旋转(来自陀螺仪)。每个红外LED也以特定频率闪烁以识别自身。这些创新使“星座”跟踪系统在基于标记的跟踪系统中占据了一席之地。

为了支持快速运动,Rift头显和触摸控制器每次即将发出LED脉冲时,都会与传感器中的无线芯片进行无线通信。这使得相机快门能够像LED那样准确曝光,并且曝光时间很短。

“星座”跟踪不再用于Rift S头显的跟踪,但它用于Rift S头显内置的摄像头,以跟踪控制器。

“星座”的优势:

• 整合成本低

• 高品质的跟踪

• 适用于大多数环境


“星座”的缺点:

• 每个传感器都与PC有线连接

• 大USB带宽会导致许多主板出现问题

• 传感器具有有限的垂直视野


PlayStation VR

PlayStation VR也使用相机,但与Rift不同,PSVR的跟踪功能在可见光光谱中运行。

PlayStation 4摄像头单元包含两个间隔开的相机。摄像头单元连接到PlayStation,后者使用图像数据跟踪头显上的蓝色光条和控制器上的光球。

这使得索尼可以利用2010年就已经发布的PlayStation Move控制器。

PSVR跟踪的优势:

• 整合成本低

• 利用现有的PS Move控制器


PSVR跟踪的缺点:

• 跟踪质量低

• 不支持房间规模跟踪

• SteamVR“灯塔”(HTC Vive)

Valve的SteamVR“灯塔”系统是目前市场上最独特的系统。与所有其他系统不同,它根本不使用摄像头,而且PC不处理任何数据。“灯塔”从一开始就被设计为能够进行房间规模的位置跟踪,而无需将传感器连接回用户的PC。

基站(“灯塔”)位于房间的相对顶角。它们不与PC通信,也不是传感器。它们在整个房间内发射广角二维红外激光束。一次完成一个轴的发射,比如先左右方向,然后上下方向,然后再重复。在每次扫描之前,它们会发出强大的红外闪光。

每个被跟踪设备包含连接到芯片的红外光电二极管阵列。该芯片测量红外闪光和被每个轴的激光扫描到时,二者间隔的时间。由此可以确定它在房间中的位置。

“灯塔”的独特价值在于它在理论上是一个相对简单的设计。不涉及复杂的计算机视觉算法或相机读数,只涉及激光扫描之间的时间。


“灯塔”的优势:

• 无需将基站连接到PC(仅供电),

• 高品质跟踪,

• 跟踪范围大。


“灯塔”的缺点:

• 生产/整合相对昂贵,

• 通常需要在墙壁上安装基站(电机会抖动),

• 室内的反射表面会引发跟踪失灵。


SLAM / Inside-Out

在Oculus Rift和HTC Vive发布之后,许多VR公司开始意识到,在房间里安装传感器或基站的要求让很多潜在买家不想购买。

许多新的和即将推出的头显使用内置于头显中的摄像头,这些摄像头使用计算机视觉算法执行“由内向外”跟踪。使用的特定算法类型被称为即时定位与映射(Simultaneous Localization And Mapping,简称SLAM)。

SLAM算法通过注意房间中的独特静态特征来工作。通过比较来自加速度计和陀螺仪的旋转和加速度以及这些特征如何移动,可以确定头显的位置。

有几家公司已经发布或计划发布使用SLAM的头显:

• 微软:Windows MR头显

• 谷歌:联想Mirage Solo

• HTC:Vive Focus

• Facebook:Oculus Quest和Oculus Rift S

其中,谷歌称他们的跟踪算法为“WorldSense”,Facebook称他们的跟踪算法为“Oculus Insight”。

为了跟踪控制器,这些系统以与“星座”相似的方式运行,那就是使用可见光或红外光。头显上的摄像头跟踪控制器上塑料下的LED。

SLAM/Inside-out的优势:

• 无需外部硬件,

• 成本非常低,

• 简易的设置,

• 控制器的跟踪范围大,只要在你能在现实生活中看到你的手,头显就可以跟踪控制器。


SLAM/Inside-out的缺点:

• 无法在黑暗中工作,

• 当控制器在头后或背部时无法准确跟踪,

• 当手臂在头显和控制器之间时,无法跟踪控制器的运动。


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