VR+定位技術Lighthouse的基本原理

在虛擬現實(VR)這樣一個新興產業裡,獲得了最多注目的自然是明星公司Oculus。很多人都體驗過Oculus Rift,知道VR頭顯會是一種什麼樣的體驗。但是由Valve和HTC合作而開發的Vive,就沒有那麼多人體驗過了。最近筆者有幸接觸到了HTC Vive,盡可能的向大家解釋Vive到底在體驗上,與Oculus有何區別,以及它有什麼過人之處。  

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  說到Vive就不得不提到Valve。核心遊戲玩家都對Valve的大名如雷貫耳:他們開發了《半條命》(Half-Life)系列,《反恐精英》(Counter Strike)系列,《傳送門》(Portal)系列,以及《Dota 2》。但是這點就不是那麼多人知道了:Valve同時也是VR產業的技術先鋒。

  Valve是一個特別有創造力的公司。這可以部分歸功於Steam極度盈利,Valve沒有業績壓力。在Oculus的早期Valve就已經介入並且幫助Oculus解決了很多技術難題並且讓自家遊戲(《半條命2》)支持Oculus,可以說Valve實際上是跟Oculus一樣的VR產業先鋒,而且在某種意義上來說他們的技術更加先進。後來Valve停止了和Oculus的合作,轉向HTC,推出了現在我們看到的HTC Vive,以及Valve獨家的VR定位技術Lighthouse。Lighthouse才是HTC Vive相比於其他VR頭顯的鶴立雞群之處,在這裡需要好好解釋一下Lighthouse的基本原理。

  頭動跟踪是VR頭顯非常重要的技術指標。要做到頭動跟踪,最傳統的方法是使用慣性傳感器,就像我們每日都用的智能手機那樣。但是慣性傳感器只能測出轉動(繞XYZ三軸轉動,稱之為三個自由度),無法測量出移動(沿XYZ三軸移動,另外三個自由度,合起來稱之為六自由度) 。另外一點,就是慣性傳感器的誤差比較大——想要VR頭顯的誤差達到理想水平,可能需要洲際導彈上的慣導系統。

  所以說更精確和自由的跟踪頭部運動,需要額外手段的輔助。

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  這就是Lighthouse的基站Vive沒有採取通常的使用光學鏡頭和馬克點的定位系統。它使用的這套定位系統叫做Lighthouse,由兩個基站構成:每個基站裡有一個紅外LED陣列,兩個轉軸互相垂直的旋轉的紅外激光發射器。轉速為10ms一圈。基站的工作狀態是這樣的:20ms為一個循環,在循環開始的時候紅外LED閃光,10ms內X軸的旋轉激光掃過整個空間,Y軸不發光;下10ms內Y軸的旋轉激光掃過整個空間,X軸不發光。

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  高速攝影機下的Lighthouse基站Valve在頭顯和控制器上安裝了很多光敏傳感器。在基站的LED閃光之後就會同步信號,然後光敏傳感器可以測量出X軸激光和Y軸激光分別到達傳感器的時間。這個時間就正好是X軸和Y軸激光轉到這個特定的,點亮傳感器的角度的時間,於是傳感器相對於基站的X軸和Y軸角度也就已知了;分佈在頭顯和控制器上的光敏傳感器的位置也是已知的,於是通過各個傳感器的位置差,就可以計算出頭顯的位置和運動軌跡。

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  Lighthouse的原理解釋;圖自Hizook從理論來講,Lighthouse的精度依賴於系統的時間分辨率。這也就意味著,光敏傳感器的分佈之間需要一定的距離,設備不能製造的太小。光敏傳感器本身也有一定寬度,如果傳感器“擠”在一起,間距達到了傳感器本身的寬度量級,那麼測角本身就會出現誤差了。Lighthouse具體能支持多高的測角精度,Valve並沒有給出數據。同時,Valve也表示,需要至少5個傳感器才能夠保證一個剛體的6自由度跟踪。

  這個系統有很多優勢。第一條是其需要的計算能力非常小。一個光學系統需要進行成像,然後程序就需要通過圖像處理的方法來將成像中的馬克點分辨出來。成像的細節越豐富,需要的圖像處理計算能力就越高。所以紅外攝像頭比單色攝像頭簡單,單色攝像頭比彩色攝像頭簡單。Lighthouse使用的僅僅是時間參數,那麼它就不涉及到圖像處理,對於位置的計算在設備本地就可以完成。

  第二個優點是其延遲也很小。計算能力需求高就意味著延遲會高:圖形處理的大量數據要從攝像頭傳輸到電腦中,再從電腦傳輸到頭顯上,就會增加延遲。而Lighthouse可以直接將位置數據傳輸到電腦上,省略了從攝像頭到電腦的高數據傳輸的步驟

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  Lighthouse需要兩個基站所以Lighthouse造就了目前最好的VR體驗。Vive的頭動跟踪和手柄跟踪都非常精確,延遲極低,用戶甚至可以做出將手柄拋來拋去的動作。就個人體驗而言,Vive的頭動和手柄跟踪的精確程度已經讓人真的產生了“這就是現實”的錯覺——你會不自覺的對你在整個環境中所能做到的事情產生更高的期望,比如大動態的動作,試著去伸手夠到遠方的物體,等等。在這種情況下,Vive所默認的只有手柄的交互體驗就會顯得十分不自然,在虛擬現實中的身體感知就是十分迫切的了,而全身動捕在這里大有可為。

  

  Lighthouse基站的轉速很高,震動不小除開Lighthouse,Vive作為頭顯本身體驗也不錯。屏幕分辨率很高,紗窗效應十分不明顯——用戶需要有意識的注意才能夠注視到像素點。Vive使用的是菲涅耳透鏡而非Oculus用的球面鏡,優點是色散低,所以沒有Oculus那麼明顯的色散補償效應,缺點則是透光率低,開發者自己開發的應用需要調很高的亮度才能在頭顯裡看起來正常。另外使用菲涅耳透鏡的一個缺點是:對佩戴者的視點要求很嚴格,稍微有一點點的錯位,看上去就一片模糊。而Oculus Rift的普通球面透鏡允許一定的錯位。

  Lighthouse並不是沒有缺點——可以說,就現在所接觸的設備而言,Vive目前並仍然是開發機狀態,在某些基本問題上HTC仍然需要對硬件進行改進。Lighthouse的兩個基站裡有旋轉部件,所以其可靠性尚待檢驗;基站本身的安裝和校準的要求實在是相當精密,對一般消費者而言,門檻過高。作為VR從業者,我們仍然前前後後花了差不多兩個下午的時間才真正將Lighthouse調試安裝完畢,達到精密完美的狀態。而且,高速旋轉的部件帶來了基站的震動——這種震動會導致跟踪變得不精確,手柄經常出現抖動和跳變的情況。需要將基站固定的十分牢固,才能夠獲得比較滿意的效果。而且,基站震動久了就會變松,用戶需要時不時的重新固定。

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  頭顯和手柄上都分佈了數十個光敏傳感器設備本身也有改進餘地:頭顯本身有點重,使用可以伸縮的織帶固定,所以頭顯的整個重量都壓在臉上,佩戴不是很牢固。留給鼻子的空間太大(照顧歐美人的臉型),戴正了以後還是可以明顯感受到外界的光線。手柄本身的材質看起來也十分脆弱而廉價,讓人擔心會不會很容易就把它磕碰壞掉。這些問題並不是不能解決的,比如基站安裝和校準的問題,就原則上可以通過更加精細的說明指導來解決。筆者希望HTC能夠在消費者版公佈的時候解決這些問題並且推出更加完善,更加對用戶友好的Vive。

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