VR虛擬現(xiàn)實(shí)作為近未來最炙手可熱的顯示技術(shù)被科技界追捧，今年更是有一大批良莠不齊的VR設(shè)備以迅雷不及掩耳之勢被推送到我們面前，要經(jīng)受住市場的考驗(yàn)就必須有超強(qiáng)的技術(shù)作為保障，定位技術(shù)無疑成為關(guān)鍵的一環(huán)。HTC和OptiTrack無疑是VR行業(yè)的佼佼者。　　

　　簡單來說，VR室內(nèi)定位技術(shù)可以使得用戶可以在佩戴VR頭盔時(shí)，除了在沉浸式的世界里原地旋轉(zhuǎn)、還能利用算法和傳感器感知到用戶的移動(dòng)，從而確定用戶在空間里的相對位置。一款具有空間定位的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，用戶因?yàn)槲灰圃斐傻漠嬅娌煌礁型耆?，虛擬世界可以與你的身體保持一致的移動(dòng)性。

　　目前流行的定位技術(shù)有低功耗藍(lán)牙定位、WiFi定位、超聲波定位、紅外定位、激光定位等，HTC vive的Lighthouse室內(nèi)定位技術(shù)屬于激光定位技術(shù)，OptiTrack全身動(dòng)作捕捉系統(tǒng)采用的定位技術(shù)則是被動(dòng)式紅外光學(xué)定位技術(shù)。接下來我就給大家解析一下這兩種技術(shù)，并做一個(gè)深入的對比。

　　 OptiTrack的被動(dòng)式紅外光學(xué)定位技術(shù)如何實(shí)現(xiàn)？

　　從理論上說，對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：

　　被動(dòng)式紅外光學(xué)定位方案的基本原理簡單的說就是如此，它利用多個(gè)紅外發(fā)射攝像頭、對室內(nèi)定位空間進(jìn)行覆蓋，在被追蹤物體上放置紅外反光點(diǎn)，通過捕捉這些反光點(diǎn)反射回?cái)z像機(jī)的圖像，確定其在空間中的位置信息。

　　具體實(shí)現(xiàn)方案如下：

　　被定位物體上布滿標(biāo)記點(diǎn)，利用紅外發(fā)光裝置發(fā)射出紅外光線照射在標(biāo)記點(diǎn)上，該種標(biāo)記點(diǎn)表面為反光材料，增強(qiáng)其對照明近紅外光的反射能力，從而達(dá)到圖像中標(biāo)記球與周圍環(huán)境明顯區(qū)分的目的。

　　近紅外攝像機(jī)捕捉到目標(biāo)物上標(biāo)記點(diǎn)所反射的紅外光后，將多臺攝像機(jī)從不同角度采集到的圖像傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中，再通過視覺算法過濾掉無用的信息，從而獲得標(biāo)記點(diǎn)的位置。該定位法需要多個(gè) CCD 對目標(biāo)進(jìn)行跟蹤定位，需要至少兩幅以上的具有相同標(biāo)記點(diǎn)的圖像進(jìn)行亞像素提取、匹配操作計(jì)算出目標(biāo)物的空間位置。

　　OptiTrack的做法是在攝像頭周圍放置紅外發(fā)光陣列，在目標(biāo)物上固定高反射紅外光的標(biāo)志點(diǎn)小球，我們從下圖可以看出，應(yīng)用于動(dòng)作捕捉系統(tǒng)時(shí)，目標(biāo)物上布滿了標(biāo)志點(diǎn)小球。這樣，加裝紅外光濾波片的攝像機(jī)即可以很好的捕獲空間中發(fā)射紅外光的標(biāo)志點(diǎn)，而將可見光部分的背景濾掉，提高了傳感器獲得圖像的信噪比，增加了系統(tǒng)的魯棒性。

　　OptiTrack定位方案適用于游戲與動(dòng)畫制作，運(yùn)動(dòng)跟蹤，力學(xué)分析，以及投影映射等多種應(yīng)用方向，在VR行業(yè)有著非常大的影響力。目前，國內(nèi)的諾亦騰采用的定位方案即是OptiTrack的被動(dòng)紅外光學(xué)定位。

　　被動(dòng)式紅外光學(xué)定位技術(shù)有哪些優(yōu)劣勢？

　　被動(dòng)式紅外光學(xué)定位系統(tǒng)定位精度較高。其所用的攝像機(jī)具備很高的拍攝速率，并且通常是采用全局快門方案，所有像元同時(shí)曝光以確保圖像不會(huì)有運(yùn)動(dòng)模糊的現(xiàn)象，并且由于該類系統(tǒng)總是能夠得到標(biāo)記點(diǎn)在當(dāng)前空間的絕對位置坐標(biāo)，不存在累積誤差。此外，被動(dòng)式紅外光學(xué)定位系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)同時(shí)定位多個(gè)目標(biāo)物。

　　但是被動(dòng)式紅外光學(xué)定位系統(tǒng)存在著遮擋、造價(jià)昂貴、目標(biāo)數(shù)目不可過多幾個(gè)缺點(diǎn)。

　　視線遮擋（Loss of Sight）一直是光學(xué)定位系統(tǒng)最常見的工作失效原因之一，被動(dòng)式紅外光學(xué)定位系統(tǒng)也存在這樣的問題。近紅外光學(xué)定位系統(tǒng)中，當(dāng)紅外光線被用戶或物體遮擋時(shí)，空間點(diǎn)三維重構(gòu)由于缺少必要的二維圖像中的特征點(diǎn)間對應(yīng)信息，容易導(dǎo)致定位跟蹤失敗。遮擋問題可以通過多視角光學(xué)系統(tǒng)來減輕，但這又造成了該系統(tǒng)又一大缺陷——價(jià)格過于昂貴。

　　所謂多視角光學(xué)系統(tǒng)即在系統(tǒng)中使用多個(gè)攝像頭，如下圖：

　　被動(dòng)式紅外光學(xué)定位系統(tǒng)對攝像頭要求非常高，造價(jià)也就非常昂貴，幾萬甚至上十萬。而要采用多視角光學(xué)系統(tǒng)就需要很多這樣的攝像頭，直接導(dǎo)致整個(gè)定位系統(tǒng)的成本翻幾倍，高得讓人咋舌。所以該類系統(tǒng)的應(yīng)用場景主要還是在財(cái)大氣粗的影視制作、動(dòng)畫錄制等商用方向，而對于其它行業(yè)和家庭娛樂領(lǐng)域就顯得遙不可及。

　　此外，被動(dòng)式紅外光學(xué)系統(tǒng)雖然可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)目標(biāo)的同時(shí)定位，但是目標(biāo)數(shù)目不可過多。

　　一方面，因?yàn)樵擃愊到y(tǒng)本身無法識別標(biāo)記點(diǎn)所屬的定位目標(biāo)，所以如果有多個(gè)目標(biāo)的情況下，其必須通過處理所有標(biāo)記點(diǎn)圖像，通過估算來判斷標(biāo)記點(diǎn)所屬的定位目標(biāo)，并實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的空間定位。這樣的話，如果定位目標(biāo)非常多，就會(huì)造成系統(tǒng)負(fù)荷過重，因而導(dǎo)致定位卡頓和延遲等現(xiàn)象。

　　另一方面，如果想要定位的同時(shí)跟蹤目標(biāo)的姿態(tài)，就必須保證目標(biāo)物體有足夠多的標(biāo)記點(diǎn)，而標(biāo)記點(diǎn)過多會(huì)導(dǎo)致遮擋和負(fù)荷過大的問題。因此，該類系統(tǒng)所能定位和動(dòng)捕的目標(biāo)數(shù)目不可過多，少數(shù)幾個(gè)可以實(shí)現(xiàn)。

　　因此，要想將被動(dòng)式紅外光學(xué)定位系統(tǒng)應(yīng)用在VR行業(yè)，并廣泛推廣到我們的日常生活中，就必須要解決遮擋、成本過高、目標(biāo)數(shù)目不可過多的問題。

　　以上我介紹的是OptiTrack的被動(dòng)光學(xué)定位技術(shù)，而OptiTrack還有其主動(dòng)光學(xué)定位技術(shù)，該技術(shù)采用其獨(dú)特的照明專利技術(shù)，利用LED陣列加快放電速度，滿足捕捉超快運(yùn)動(dòng)時(shí)的照明需求，配合主動(dòng)發(fā)光的850nm紅外LED標(biāo)記點(diǎn)，不僅可以實(shí)現(xiàn)室內(nèi)光線環(huán)境復(fù)雜的情況下排除其他光線干擾的定位，也可以實(shí)現(xiàn)戶外定位。

　　接下來，我們再來看一看HTC Lighthouse室內(nèi)定位技術(shù)的實(shí)現(xiàn)原理。

　　HTC的Lighthouse室內(nèi)定位技術(shù)如何實(shí)現(xiàn)？

　　曾有體驗(yàn)者這樣形容自己的體驗(yàn)過程：

　　“我手上拿著兩把槍，對著前面的喪尸射擊，手已經(jīng)緊張到顫抖，前面的喪尸越逼越近，恐懼感越來越強(qiáng)烈，轉(zhuǎn)身突然發(fā)現(xiàn)一個(gè)喪尸撲在我面前，瞬間被嚇了一跳，毫不自覺的往后躲，明顯感覺到心跳加快，還差點(diǎn)尖叫了出來，真的像去了另一世界一樣……”

　　可見HTC Vive產(chǎn)品具有非常好的沉浸感，這里面就有室內(nèi)定位技術(shù)Lighthouse的功勞。

　　HTC的Lighthouse室內(nèi)定位技術(shù)屬于激光掃描定位技術(shù)，通過墻上的兩顆激光傳感器識別佩戴者佩戴的機(jī)身上的位置追蹤傳感器，從而獲得位置和方向信息。

　　具體來說，Lighthouse室內(nèi)定位技術(shù)不需要借助攝像頭，而是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)射器會(huì)被安置在對角，形成一個(gè)15×15英尺的長方形區(qū)域，這個(gè)區(qū)域可以根據(jù)實(shí)際空間大小進(jìn)行調(diào)整。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)設(shè)計(jì)有兩個(gè)掃描模塊，分別在水平和垂直方向輪流對定位空間發(fā)射橫豎激光掃描15×15英尺的定位空間。

　　HTC Vive頭盔和手柄上有超過70個(gè)光敏傳感器。激光掃過的同時(shí)，頭盔開始計(jì)數(shù)，傳感器接收到激光后，利用傳感器位置和接收激光時(shí)間的關(guān)系，計(jì)算相對于激光發(fā)射器的準(zhǔn)確位置。同一時(shí)間內(nèi)激光束擊中的光敏傳感器足夠多，就能形成一個(gè)3D的模型。不僅能探測出頭盔的位置，還可以捕捉到頭盔的方向。定位流程可以由下圖展示：

　　激光定位技術(shù)有哪些優(yōu)勢？

　　成本低。

　　相對昂貴的紅外動(dòng)作捕捉攝像機(jī)，利用激光光塔進(jìn)行動(dòng)作捕捉的成本就相對低廉很多了。去除其他成本，定位系統(tǒng)的價(jià)錢大概在400美元左右。眾所周知，設(shè)備昂貴一直是阻礙VR設(shè)備走入我們的日常生活的重要因素，畢竟愿意為VR花上千甚至幾千美元的普通消費(fèi)者還不夠多。而激光定位技術(shù)在很大程度上解決了VR設(shè)備成本過高的問題，從而為VR設(shè)備從影視、醫(yī)學(xué)這樣的領(lǐng)域擴(kuò)展到我們的日常生活中鋪了路。

　　定位精度高。

　　在VR領(lǐng)域，超高的定位精度意味著卓越的沉浸感。激光定位方案的精度可以達(dá)到mm級別，也就成就了HTC我們體驗(yàn)到的震撼效果。

　　多目標(biāo)定位。

　　激光定位技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)無限多目標(biāo)的空間定位。因?yàn)椋す舛ㄎ患夹g(shù)可以采用分布式處理方式，即每個(gè)定位目標(biāo)各自攜帶自己的處理單元，而處理單元也可直接識別自己的定位節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，自行計(jì)算，實(shí)現(xiàn)每個(gè)定位目標(biāo)獨(dú)立定位。即使增加再多的定位目標(biāo)，也不會(huì)造成系統(tǒng)負(fù)荷過重。這一點(diǎn)使得激光定位技術(shù)非常適合應(yīng)用到VR行業(yè)，實(shí)現(xiàn)無限多目標(biāo)共用同一虛擬現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)系統(tǒng)。

　　此外，激光定位技術(shù)幾乎沒有延遲，不怕遮擋，即使手柄放在后背或者胯下也依然能捕捉到。

　　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的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)高精度、高反應(yīng)速度的室內(nèi)定位。目前，使用激光定位技術(shù)的還有G-Wearables 自主研制的StepVR產(chǎn)品。

　　激光定位技術(shù)的劣勢

　　激光定位技術(shù)也存在劣勢，首先是系統(tǒng)穩(wěn)定性、耐用性問題。激光定位技術(shù)需要使用激光定位光塔，光塔激光是由電機(jī)帶動(dòng)掃描定位空間，而電機(jī)屬于機(jī)械控制，機(jī)械控制本身即存在穩(wěn)定性和耐用性不夠好的問題。

　　激光定位技術(shù)應(yīng)用于VR行業(yè)還有一個(gè)最大的攔路虎——大范圍的應(yīng)用。

　　由于激光的掃射面積有限，因此，定位空間受到激光射程的限制，一般在5*5*2m范圍左右。這就使得激光定位技術(shù)做大范圍的應(yīng)用難度非常高，使用受限。

　　為了解決這一問題就必須采取擴(kuò)展方案，即將多個(gè)這樣的5*5*2m連接在一起形成一個(gè)大范圍的定位應(yīng)用，可是這又涉及到掃射激光的區(qū)分以及相互干擾問題。為了實(shí)現(xiàn)定位，接收端就必須可以區(qū)分不同來源的激光，而且由于光塔過多會(huì)產(chǎn)生相互干擾，因此不可隨意增加定位光塔的數(shù)量來擴(kuò)展定位空間。

　　目前市面上對該問題還沒有好的解決方案，國承萬通的StepVR產(chǎn)品在產(chǎn)品發(fā)布會(huì)上宣布其對激光定位技術(shù)做了諸多改進(jìn)，其中就包括可無限擴(kuò)展，但該產(chǎn)品尚未面市，可以期待一下。

　　最后，讀者可以通過下表來對比查看兩種定位技術(shù)的優(yōu)劣勢。