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科普 | VR運(yùn)動(dòng)追蹤技術(shù)101

本文作者: 劉芳平 2016-06-06 18:05
導(dǎo)語(yǔ):關(guān)于VR的追蹤技術(shù)時(shí)常看到會(huì)有各種混用,以致讓人摸不著頭腦。本文試圖講清楚關(guān)于追蹤的一些基本理論和技術(shù),已經(jīng)很懂的各種業(yè)內(nèi)大拿們可以無(wú)視。

科普 | VR運(yùn)動(dòng)追蹤技術(shù)101

按:到現(xiàn)在來(lái)寫(xiě)運(yùn)動(dòng)追蹤技術(shù)101似乎有些晚,但還是想寫(xiě),是因?yàn)殛P(guān)于VR的追蹤技術(shù)時(shí)??吹綍?huì)有各種混用,以致讓人摸不著頭腦。本文試圖講清楚關(guān)于追蹤的一些基本理論和技術(shù),已經(jīng)很懂的各種業(yè)內(nèi)大拿們可以無(wú)視。

在今年的I/O大會(huì)上,Google推出了Daydream VR平臺(tái)的官方頭盔設(shè)計(jì)參考,而且包含有一款手柄。關(guān)于這款手柄許多外媒(比如The Verge)稱(chēng)其為“Motion Controller”(體感控制器),也就是說(shuō)它能捕捉你的動(dòng)作,讓你通過(guò)手勢(shì)來(lái)進(jìn)行操作。然而當(dāng)小編稱(chēng)其為“動(dòng)捕手柄”的時(shí)候,業(yè)內(nèi)人士表示“這不是動(dòng)捕,Google也沒(méi)有稱(chēng)其為動(dòng)捕”。

那么到底Daydream手柄是不是動(dòng)捕呢?實(shí)際上,你可以稱(chēng)其為“動(dòng)捕手柄”,但又要明白它和其它產(chǎn)品是有區(qū)別的。下面就來(lái)看看動(dòng)捕到底應(yīng)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(jīng)常會(huì)聽(tīng)到的一個(gè)詞,英文叫“Degrees of Freedom,通??s寫(xiě)為DOF”。

自由度指的就是物體在空間里面的基本運(yùn)動(dòng)方式,總共有6種。任何運(yùn)動(dòng)都可以拆分成這6種基本運(yùn)動(dòng)方式。這6種基本運(yùn)動(dòng)方式又可以分為兩類(lèi):位移和旋轉(zhuǎn)。

位移包括前后、左右、上下三種,如下圖所示。

科普 | VR運(yùn)動(dòng)追蹤技術(shù)101

旋轉(zhuǎn)包括:前后翻轉(zhuǎn)(ROLL)、左右搖擺(PITCH)以及水平轉(zhuǎn)動(dòng)(YAW),如下圖所示。

科普 | VR運(yùn)動(dòng)追蹤技術(shù)101

這兩類(lèi),每類(lèi)三個(gè)自由度,加起來(lái)就是6自由度

在每個(gè)自由度里面,有兩個(gè)不同的方向。比如升降電梯的運(yùn)動(dòng)只有一個(gè)自由度:上下,但在這個(gè)自由度里面它可以選擇往上或者往下;同理,輪胎轉(zhuǎn)動(dòng)也只有一個(gè)自由度,但它可以選擇順時(shí)針還是逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。

任何硬的物體的運(yùn)動(dòng),不管多么復(fù)雜,都可以用位移和旋轉(zhuǎn)來(lái)解釋?zhuān)ㄜ浀奈矬w還有膨脹收縮等運(yùn)動(dòng),比如氣球)。例如,碰碰車(chē)只有3個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng):它可以在水平面轉(zhuǎn)動(dòng)或是前后、左右位移,但不能上下位移、前后翻轉(zhuǎn)或左右搖擺(如果不發(fā)生事故的話(huà))。

這個(gè)時(shí)候再來(lái)解釋Daydream手柄就容易多了,首先它是動(dòng)捕,但它只能追蹤前后翻轉(zhuǎn)、左右搖擺以及水平轉(zhuǎn)動(dòng)三個(gè)旋轉(zhuǎn)的自由度,無(wú)法知道手柄在空間里的位移情況。所以,如果要準(zhǔn)確描述Daydream手柄,就應(yīng)該稱(chēng)其為3自由度或3DOF動(dòng)捕手柄。

對(duì)比之下,HTC Vive的追蹤系統(tǒng)讓手柄擁有6個(gè)自由度,包括位移的3個(gè)自由度。其結(jié)果就是,你沒(méi)法用Daydream的手柄做伸手揀地上物品這樣的動(dòng)作,但Vive的手柄可以。

下面兩個(gè)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(lái)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(pán)(Drum Keys),6自由度:

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

IMU和慣性動(dòng)捕

IMU是Inertial Measurement Unit的縮寫(xiě),也就是慣性測(cè)量單元。它通常包含加速度計(jì)、陀螺儀和磁力儀三種傳感器。以前主要用在飛機(jī)上,現(xiàn)在大部分智能手機(jī)都有了,成本比較低。使用IMU可以測(cè)量速度、方向和重力,這種動(dòng)捕技術(shù)也就是我們常說(shuō)的慣性動(dòng)捕。

通過(guò)IMU可以很好地追蹤物體3個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度的運(yùn)動(dòng),Daydream手柄基本可以肯定用的就是IMU傳感器了。而這也是為什么Google可以讓開(kāi)發(fā)者用一款A(yù)ndroid手機(jī)來(lái)替代Daydream手柄進(jìn)行開(kāi)發(fā),因?yàn)槭謾C(jī)上也有IMU。

慣性動(dòng)捕的問(wèn)題是很難判斷物體在空間里的絕對(duì)位置,因而位移運(yùn)動(dòng)的3個(gè)自由度無(wú)法被追蹤。

光學(xué)動(dòng)捕

除了慣性動(dòng)捕,另一個(gè)常被提到的技術(shù)是光學(xué)動(dòng)捕,或者是光學(xué)空間定位,通過(guò)精確的空間位置可以判斷物體的位移及旋轉(zhuǎn)。光學(xué)動(dòng)捕有很多種,這里以帶Mark點(diǎn)的技術(shù)為例。

科普 | VR運(yùn)動(dòng)追蹤技術(shù)101

Sensics dSight頭顯的紅外Mark點(diǎn)

光學(xué)動(dòng)捕通過(guò)一個(gè)或多個(gè)攝像頭持續(xù)不斷過(guò)地追蹤物體上的Mark點(diǎn),這些點(diǎn)以特定的模式排列,然后通過(guò)一系列的算法來(lái)判斷出物體的位置。算法通過(guò)將已知Mark點(diǎn)的位置與物體上Mark點(diǎn)位置進(jìn)行比對(duì),判斷出物體的絕對(duì)位置和旋轉(zhuǎn)方向。

Mark點(diǎn)的數(shù)量、位置和排列是有科學(xué)依據(jù)的。例如,如果只用4個(gè)構(gòu)成正方形的Mark點(diǎn),就無(wú)法判斷物體是不是倒過(guò)來(lái)了,或是旋轉(zhuǎn)了90度。除此之外如果Mark點(diǎn)被擋住了或是受環(huán)境光影響而追蹤不了,也會(huì)影響位置的判定。

此時(shí)通常要投入更多的攝像頭和計(jì)算性能來(lái)進(jìn)行持續(xù)和精確地追蹤,導(dǎo)致成本大增。所以很多動(dòng)捕技術(shù)方面提供商,比如諾亦騰,會(huì)采用光學(xué)和慣性動(dòng)捕相結(jié)合的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)6自由度的精確追蹤,從而降低攝像頭使用數(shù)量及對(duì)計(jì)算性能的需求,控制成本。

總結(jié)

各種用于VR的追蹤技術(shù),都是為了實(shí)現(xiàn)高精度、低成本的6自由度運(yùn)動(dòng)追蹤。目前來(lái)講,通過(guò)IMU來(lái)判斷物體旋轉(zhuǎn)的3個(gè)自由度已經(jīng)很成熟,所以被應(yīng)用于各種方案中;而通過(guò)空間定位來(lái)判斷位移的技術(shù)中也有Vive的Lighthouse這種較低成本的方案了,但很多光學(xué)動(dòng)捕的方案成本依然較高。光學(xué)動(dòng)捕除了上述方案外還有很多其它類(lèi)型的技術(shù),而光學(xué)動(dòng)捕之外也有很多其它追蹤技術(shù)。具體可前往閱讀VR行業(yè)資深從業(yè)者王銳的文章《VR實(shí)現(xiàn)空間定位的7種利器》。

配圖及參考資料來(lái)源:RoadtoVR

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