雷鋒網(wǎng)按：本文是《VR實(shí)現(xiàn)空間定位的7種利器》的續(xù)集。 作者為VR行業(yè)資深從業(yè)者王銳。

正如前文所述，現(xiàn)在VR體驗(yàn)館的構(gòu)建卻還缺少最重要的一環(huán)，就是廉價而靈活準(zhǔn)確的定位方案。

談及VR空間定位的利器，除了體感定位、光學(xué)定位與圖像識別、空間雷達(dá)、HTC Vive的Light House，本文將繼續(xù)談?wù)動嘞碌?種利器，并對已有的空間定位方案的優(yōu)劣進(jìn)行總結(jié)，歡迎探討。

｜RTKGPS、UWB、SLAM...VR的空間定位還有哪些當(dāng)紅炸子雞？

（五）RTKGPS

實(shí)時差分GPS技術(shù)至少有兩個部分組成：在基站上安置接收機(jī)，對所有可見的GPS衛(wèi)星進(jìn)行連續(xù)觀測，并將觀測數(shù)據(jù)通過傳輸設(shè)備（比如數(shù)傳電臺，WIFI，以及公用3G/4G通信網(wǎng)等等），實(shí)時地發(fā)送給用戶觀測站（流動站）；而在用戶觀測站上，同樣通過GPS接收機(jī)接收GPS衛(wèi)星信號，同時還通過無線電接收設(shè)備，接收基站傳輸?shù)挠^測數(shù)據(jù)，然后通過相對定位實(shí)時地解算用戶的三維坐標(biāo)，其動態(tài)定位精度可達(dá)1cm-2cm。

這一技術(shù)不僅可以用作測繪，也可以用于軍事用途。它的高精度特性可以用于聯(lián)合收割機(jī)等大型農(nóng)用機(jī)械的精確導(dǎo)航，從而在大機(jī)械生產(chǎn)和精耕細(xì)作之間達(dá)到完美結(jié)合；而在國內(nèi)，一個相當(dāng)廣泛的民用場景則是駕?？紬U……

在RTKGPS出現(xiàn)之前，測繪行業(yè)為了獲得一個精確到厘米的坐標(biāo)，需要用普通GPS設(shè)備接收數(shù)據(jù)然后進(jìn)行大量的離線計(jì)算。而RTKGPS的出現(xiàn)大大發(fā)展了許多新的應(yīng)用場景，例如無人機(jī)。RTKGPS原本屬于專業(yè)領(lǐng)域，使用者寥寥且售價也非常高，不過近些年來已經(jīng)有越來越多的從業(yè)者將這項(xiàng)技術(shù)變得更加親民，例如下圖這塊開源RTKGPS套件：

（Via www.swiftnav.com）

不過，RTKGPS畢竟是GPS，必須在戶外才能夠使用。這對于通常計(jì)劃設(shè)置在室內(nèi)或者大商場中心的VR體驗(yàn)館來說，無疑是一大不利的消息。不過室外的極重度VR體驗(yàn)也絕非沒有先例，例如下文鏈接中的視頻曾一度紅遍各大媒體和朋友圈（但是真的是高度危險，絕不要自行嘗試）——《戴上VR頭盔開賽車，炫酷到?jīng)]朋友》。

這原本是某汽車大廠牌和某潤滑油一起搞的一次公關(guān)活動，賽手帶上OculusVR頭盔，同時車上裝載了高性能電腦，從而完全體驗(yàn)到在虛擬空間當(dāng)中漂移的樂趣。而這個冒險活動之所以能夠成功，其中一大原因就是采用了RTKGPS來完成定位，這樣才能比較精確的知道車與駕駛員的位置，并且安排對應(yīng)的虛擬內(nèi)容呈現(xiàn)（以及避免車手樂極生悲跌出場外）。

（六）UWB

UWB定位技術(shù)屬于無線定位技術(shù)的一種，這一技術(shù)（Ultra Wide band）也被稱為“超寬帶”定位，它是一種利用脈沖信號進(jìn)行高速無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)亩坛掏ㄐ偶夹g(shù)，而非一般無線通信系統(tǒng)所廣泛采用的載波方式。

UWB定位的原理其實(shí)也很簡單，就是利用信標(biāo)發(fā)出的脈沖到達(dá)基站的飛行時間來解算位置，沒錯，還是我們所熟悉的名字，TOF（Time of Flight）。

不要忘了無線電也是基于光速傳播的，因此它的探測精度從理論上可以做到很高。

UWB最初的定義是來自于60年代興起的脈沖通信技術(shù)。UWB技術(shù)的脈沖長度通常在亞納秒量級，而信號帶寬可以達(dá)到數(shù)千兆赫茲（UWB限制在3.1 - 10.6 GHz），這項(xiàng)技術(shù)在1989年被美國國防部命名為超寬帶技術(shù)。其特點(diǎn)是大帶寬，無載波，低功率。

（Via 36kr.com） 

正因?yàn)閹挸?，因此UWB技術(shù)的穿透性比較好。而相比WIFI等技術(shù)來說，無線電的多徑效應(yīng)（因?yàn)楦哳l信號都是直線傳播的，所以會因?yàn)榻ㄖ恼趽醯葋砘貜椞殖蓭茁罚y以判斷）要弱的多，所以這一定位方案的精度往往要比傳統(tǒng)的基于WIFI的Room-Level方案（即判斷用戶在室內(nèi)的哪個房間）高出不少。現(xiàn)在成熟的UWB定位方案系統(tǒng)甚至可以做到幾十厘米，也有個別方案商號稱能有2-5厘米的精度級別，但是實(shí)際在各種不同空間的建筑物室內(nèi)場合部署的時候，基本上還是達(dá)不到這個精度。畢竟不可能所有的場地都是一個空曠且沒有任何遮擋，也沒有更多人參與的大屋子。而且不要忘記這項(xiàng)技術(shù)本身的核心還是通信鏈路，因此各種設(shè)備的通信干擾同時也產(chǎn)生了。

畢竟UWB本身還是一種無線電技術(shù)，它所覆蓋的頻段內(nèi)所有的無線通信都會對它有所干擾，并且它的穿墻性能盡管比別的無線技術(shù)更好，但是仍然會有較大衰減。而且UWB的標(biāo)準(zhǔn)是限制發(fā)射功率的，所以現(xiàn)在絕大多數(shù)方案都是在10米左右有效，如果是室內(nèi)較大場館的話，可能還要布設(shè)大量的通訊基站。

所以，目前如果采用UWB獨(dú)立定位的方案，恐怕還是達(dá)不到重度VR體驗(yàn)所需要的定位精度和定位距離，不過如果可以與其他方式進(jìn)行數(shù)據(jù)融合的話，也許有希望解決這一問題。

比如德國著名的Fraunhofer研究中心，早就有一種”黑科技”產(chǎn)品叫做RedFir：

（Via is.fraunhofer.de）

在球員雙腳的球鞋中安裝設(shè)備，以及球內(nèi)放置好設(shè)備，同時在整個場地里布設(shè)大量的采集基站之后，整個球場就變成了一個高科技虛擬演播室，可以在進(jìn)行比賽轉(zhuǎn)播的過程中隨時進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和分析，可視化的工作。這樣的好事當(dāng)然也有希望用到VR體驗(yàn)當(dāng)中，只是為了無線傳輸本身的那些關(guān)鍵問題，恐怕依然要開發(fā)者們付出不小的代價。

（七）當(dāng)紅炸子雞：SLAM

SLAM的英文全稱是：Simultaneous Localization and Mapping，即時定位與地圖構(gòu)建。

簡而言之，對于空間內(nèi)的一個機(jī)器人（或者無人機(jī)），如果它處在一個完全未知的環(huán)境里（比如古墓探險），那么它就可以一面沿著墓道往里走，一面用攝像頭或者激光雷達(dá)來創(chuàng)建了這個墓道的數(shù)字信息拷貝（也就是構(gòu)建地圖），這樣然后過一會就可以使用剛才創(chuàng)建的地圖數(shù)據(jù)給自己導(dǎo)航使用了。

哦，一些非常高檔的掃地機(jī)器人，也號稱用到了這項(xiàng)技術(shù)。

在電影《普羅米修斯》中有這樣一個場景，一個擁有激光探測信息能力的無人機(jī)（球）被扔出去之后，它就開始自主獲取空間信息。這就是一個典型的SLAM應(yīng)用場景：

實(shí)際上，從學(xué)術(shù)定義上來說，機(jī)器人在完全未知的環(huán)境中從一個未知位置開始移動，然后在移動過程中根據(jù)位置估算和自身傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行不斷的定位和修正，同時建造增量式的地圖，這就是SLAM方法的基本過程了。

當(dāng)然，這種方法不一定只服務(wù)于機(jī)器人，如果是人自己背負(fù)了便攜的計(jì)算設(shè)備（或者就是手機(jī)），那么通過SLAM同樣能在未知環(huán)境里創(chuàng)造地圖并給自己定位，這就是我們在VR場景中所迫切需要的功能了。

SLAM算法的數(shù)據(jù)源是多種多樣的，比如用激光雷達(dá)掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，也有雙目攝像頭利用RGB圖像和立體視覺來生成，或者就是直接使用Kinect這樣的RGBD（可見光+深度）方案；而實(shí)驗(yàn)室級別中甚至也可以見到基于單攝像頭和RGB彩色圖像或者灰度圖像來做SLAM的算法論文。

從另一個角度來說，如果期望實(shí)現(xiàn)基于三維空間的識別技術(shù)（而不是傳統(tǒng)的二維碼或者圖片），那么就意味著必須更好更快地應(yīng)用SLAM類的方法，而也是各大AR軟件和算法開發(fā)者（例如Metaio，不過已經(jīng)被蘋果收購）一直在努力實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)。因?yàn)镾LAM一方面能夠給出一個比較精準(zhǔn)的空間位置，同時還能做為環(huán)境三維特征獲取和三維重建的必要手段，進(jìn)而解決了顯示設(shè)備里實(shí)際場景和虛擬畫面疊加時，相互遮擋關(guān)系的問題，這樣的AR場景在將來也許是廣泛應(yīng)用的，也是隨身可穿戴的一種剛性需求。

如今，SLAM已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用在了VR/AR的設(shè)備上了，比如微軟的HoloLens就是典型的RGBD SLAM方案。而Google的Project Tange手機(jī)，以及Intel的 RealSense都屬于RGB-D SLAM的設(shè)備范疇。即使是一直沒有多少人見過實(shí)物的“黑科技”公司Magic Leap，恐怕也不可能不采用SLAM來做為空間定位和虛實(shí)遮擋關(guān)系判斷的基石。

而SLAM在高端商用市場上，其實(shí)早就有很成熟的案例。例如虛擬演播室攝像機(jī)系統(tǒng)NCAM，它無需傳統(tǒng)的電控云臺，可以直接架在斯坦尼康穩(wěn)定器上到處拍攝。得到的相機(jī)位置和姿態(tài)結(jié)果則會實(shí)時地反映到內(nèi)容制作工具當(dāng)中，從而實(shí)現(xiàn)一部動畫片或者特效大片當(dāng)中重要的攝像機(jī)走位環(huán)節(jié)。

當(dāng)然了，SLAM技術(shù)絕不是沒缺點(diǎn)。

首先它依然是基于視覺的識別，信號的采集/傳輸/處理過程相對其他技術(shù)手段來看，目前的延時情況往往還是難以忽略的，而這恰恰是VR體驗(yàn)里最不能接受的一點(diǎn)。另外，SLAM對現(xiàn)階段的移動設(shè)備來說，計(jì)算壓力仍然太大，Project Tango手機(jī)和HoloLens眼鏡為此增加了一塊或者多塊協(xié)處理器，這樣自然又帶來了電源管理和過熱等各種問題，傳聞中卡馬克也在為未來的OculusVR和GearVR頭盔尋求基于SLAM的定位方案，它是否能成為未來VR世界主流定位方式，也許目前還是個未知數(shù)而已。 

｜另辟蹊徑，全向跑步機(jī)

以上所有的空間定位方案，都是基于同一個大前提，即玩家可以按照自己的意志在場地中自由行走，其行走范圍受到場地本身的限制。如果我們的體驗(yàn)?zāi)繕?biāo)是一款在倉庫密室里大戰(zhàn)僵尸，或者在街口構(gòu)筑工事迎擊強(qiáng)敵的VR游戲，那么這樣的方案顯然總有用武之地；但是如果我們是以一款《GTA5》一樣的超級大作為目標(biāo)，或者是可以無限和探索下去的沙盒游戲，那么再大的場地恐怕也不夠玩家折騰……而且場地越龐大，結(jié)構(gòu)和形狀越復(fù)雜，對應(yīng)的定位設(shè)施安裝和維護(hù)成本就越高，要保持一個穩(wěn)定的定位算法和精度也就越困難。

幸好，總有人能夠另辟蹊徑，比如在人們每天健身常用的跑步機(jī)當(dāng)中，加入除了速度控制之外的方向控制因素，就成了所謂的全向跑步機(jī)（Omni-directional treadmill）：

（Via think-about.pl）

不過設(shè)計(jì)一款全向跑步機(jī)可不是去淘寶選一款帶觸摸屏和MP3功能的跑步機(jī)那么簡單的事情，這里有兩個巨大的問題需要開發(fā)者們?nèi)ニ伎冀鉀Q：

一、如何識別玩家在跑步機(jī)上運(yùn)動的速度和方向；

二、如何把跑動的玩家限制在設(shè)備的中心，或者在他無察覺的前提下把他“拽回”設(shè)備中心？

上圖的Omnideck就是一套比較早推出的解決方案，它采用了一組以玩家為重心的徑向運(yùn)動的傳送帶。當(dāng)玩家走到任意一條傳送帶上面時，傳感器就會感知到玩家的運(yùn)動方向和速度，然后帶動皮帶將玩家送回到中心。

(Via walkmouse.com)

不難想象，圖中設(shè)備的精度主要取決于這些徑向傳送帶的數(shù)量。而一旦增加傳送帶的數(shù)量，則會帶來更為沉重的維護(hù)成本，傳感器精度問題，以及自身重量。況且在如此巨大的空間內(nèi)只能容納一個人游戲，這從營收角度上來看可能也是入不敷出的。因此，很多專注于VR行走體驗(yàn)的公司隨即推出了一個看起來更為合理的方案，例如下圖中的Virtuix Omni：

Omni跑步機(jī)本身可以看作是一個炒菜用的不粘鍋鍋底（事實(shí)上它的材質(zhì)確實(shí)也就是不粘鍋的材質(zhì)），它的底盤被設(shè)計(jì)成一個表面凹陷的圓形曲面，并且由很多細(xì)小凹槽的光滑徑向跑道組成，上方是一個可調(diào)節(jié)支架，起到保護(hù)玩家和識別下蹲/跳起動作的功能，總重量約為50公斤，并且用戶需要穿上特制的鞋子才能夠在Omni的跑道上運(yùn)動——更準(zhǔn)確地說，是在跑道上滑動。這一設(shè)計(jì)能夠比前者更為輕巧和靈便，其關(guān)鍵就在于這種“腳部在鍋底滑動而無法離開中心”的特點(diǎn)，而凹槽中遍布的傳感器系統(tǒng)則會負(fù)責(zé)隨時測量用戶運(yùn)動的方向和速率，從而模擬出玩家在虛擬空間的行進(jìn)過程。

這一方案從原理上看起來無懈可擊，只是穿戴起來比較繁瑣，推向家用市場恐怕還有距離。然而，從實(shí)際使用者的反饋來看，“腳底滑步”的運(yùn)動方式顯然不會讓他們感到舒適。甚至可能是一首兒歌中的感覺：

小老鼠，

上燈臺；

偷油吃——

那么有沒有那種不那么笨重，靈敏而準(zhǔn)確，跑起來又不會讓玩家感到不適的方案呢？也許會有：

(Via mobilemag.com) 

Infinadeck全向跑步機(jī)自誕生之日起就吸引了諸多媒體和行業(yè)人士的關(guān)注，它的基本構(gòu)想其實(shí)并沒有非常復(fù)雜的地方：采用電機(jī)帶動皮帶輪的方式，使用一整條沿Y軸運(yùn)動的大皮帶輪，帶動多條沿X軸運(yùn)動的小皮帶輪，這樣玩家在兩個軸向上的運(yùn)動都可以被識別和記錄下來。而玩家一旦離開了跑步機(jī)的中心位置，系統(tǒng)就會通過視覺識別或者其它的識別方式發(fā)覺玩家的偏移方向和距離，并且啟動電機(jī)將玩家送回原處。

當(dāng)然，這樣的設(shè)計(jì)同樣存在兩個不小的難關(guān)要闖。首先是負(fù)重問題，如此多的電機(jī)和皮帶輪被安置在一臺設(shè)備之上，自身的承重壓力恐怕是相當(dāng)不小，整個非機(jī)械結(jié)構(gòu)也不得不用足原料，打造鋼鐵之軀；總體估算下來，這樣的設(shè)備難免有上噸的重量，真的搬到家里恐怕只會讓樓下的鄰居如坐針氈。其次是玩家的運(yùn)動感受與設(shè)備尺寸的關(guān)系，如果設(shè)備本身過小，皮帶輪的周長也就很小，產(chǎn)生的摩擦力也就不同——由此很容易帶給玩家一種明顯的“被拽回原地”的感受；而設(shè)備過大雖然能夠讓“回原位”的過程變得平滑，卻無疑進(jìn)一步增加了設(shè)備的體積和重量，讓家用級的使用成本變得更為難以接受。

Infinadeck一直在聲稱要構(gòu)筑廉價和方便的全向跑步機(jī)系統(tǒng)，而他們遲遲沒有放出更新的消息，也許也正在受困于這些結(jié)構(gòu)和選材上的難題吧。

| 不要讓你的玩家舉步維艱

我們簡單地總結(jié)一下之前提到的各種定位方案的優(yōu)劣，如下表所示：

方案	成本	延遲時間	識別范圍	定位精度	人數(shù)	干擾方式
Kinect體感	<2000元	>30ms	4x3米	精確到角色骨骼，但是不穩(wěn)定	最多6人，容易丟失	過多的雜物，多余的紅外光源，強(qiáng)反射材質(zhì)
PS Move	<2000元	>30ms	可以適當(dāng)擴(kuò)展	區(qū)分角色和武器	根據(jù)顏色I(xiàn)D適配多人，可能會誤報(bào)	過多的雜物，復(fù)雜的環(huán)境和背景色，遮擋標(biāo)記點(diǎn)，錯誤的攝像頭標(biāo)定
光學(xué)定位系統(tǒng)	>20萬元	<20ms	可以無限擴(kuò)展，但是成本也隨之飆升	精確到角色骨骼	通常不超過4人	過多的雜物，復(fù)雜的環(huán)境和背景色，遮擋標(biāo)記點(diǎn)，錯誤的攝像頭標(biāo)定
HTC Lighthouse	<8000元	<20ms	5x5米	頭部和雙手手柄	建議1人	過多的雜物，不規(guī)則區(qū)域，錯誤的擺放
激光雷達(dá)	1-4萬	20-30ms	40x40米	接觸點(diǎn)，距離越遠(yuǎn)精度越低	建議1人，無法區(qū)分ID	過多的雜物，互相遮擋
UWB	？	<20ms	取決于基站數(shù)量	15-30cm	建議1人	過多的雜物，多徑問題，其它設(shè)備的干擾
SLAM	？	>30ms	可以無限擴(kuò)展，但是數(shù)據(jù)量飆升	取決于預(yù)處理精度	1人	通常需要預(yù)處理地圖，之后不能有大的場地變化
Virtuix Omni	<8000元	一步之內(nèi)	不限制	精確到步態(tài)	1人	無干擾，但是穿戴復(fù)雜，體驗(yàn)不真實(shí)
Infinadeck	？	一步之內(nèi)	不限制	精確到步態(tài)	1人	？

結(jié)論似乎暫時還很讓人沮喪，沒有哪個方案可以說同時解決了成本，多人游戲，低延遲，抗干擾，以及空間限制這幾大問題。

換句話說，雖然筆者歷經(jīng)千辛萬苦和各種求知求助，總算集齊了七大武器加上一個額外的Bouns（跑步機(jī)），卻依然無法達(dá)成那個一開始就存于心中的愿望：VR虛擬空間行走的體驗(yàn)，難道就真的是一個遙不可及的目標(biāo)？

幸好，我們看到有足夠多的從業(yè)者已經(jīng)為這個目標(biāo)而開始努力。

筆者體驗(yàn)過上海青瞳的光學(xué)定位方案，其低延遲和準(zhǔn)確性已經(jīng)做到了可用的級別，而更低成本的產(chǎn)品研發(fā)想必也是這個團(tuán)隊(duì)下一步的目標(biāo)；諾亦騰據(jù)傳也不滿足于目前系統(tǒng)關(guān)鍵部件的高成本和受制于人，開始研究自己的光學(xué)定位系統(tǒng)；The Void更是秘密收了一個專精于UWB定位的團(tuán)隊(duì)，打算把自己的主題公園定位方案更加精進(jìn)。至于未來更多相關(guān)的腦洞大開，創(chuàng)新方案，以及更接近實(shí)際需求的定位手段，也許也已經(jīng)距離我們不遠(yuǎn)。

讓建造和維護(hù)成本更可控，讓多人同場游戲不再是關(guān)鍵難題，讓你的游戲者不要變得舉步維艱——就請相信VR空間定位的下一步棋，會給我們帶來驚喜。

題圖來自：engadget.com

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