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| 本文作者： 陳哲 | 2016-06-12 12:43 |
雷鋒網(wǎng)按：本文作者陳哲，現(xiàn)谷歌眼鏡部門高級軟件工程師。
在剛過去的聯(lián)想TechWorld 2016大會上，我們欣賞了聯(lián)想帶來的各種新奇產(chǎn)品和技術(shù)，其中最吸引眼球的無疑是Phab 2 Pro手機(jī)。這款巨屏手機(jī)的配置屬于目前中上水平：高通驍龍652八核處理器，6.4寸QHD顯示屏，4G內(nèi)存，前800萬像素，后1600萬像素?cái)z像頭，4050毫安電池，指紋識別加全金屬機(jī)身，跟最近上市的小米Max高配版非常相似。如果聯(lián)想只是做這樣一款中端機(jī)，定價在$499美元的話，相信在北美市場還是很有性價比的。但在這個平凡的外觀下是它讓人著迷的另一個身份——首款內(nèi)置谷歌Tango技術(shù)的手機(jī)。
Project Tango是谷歌為實(shí)現(xiàn)移動設(shè)備位置感應(yīng)而研發(fā)的一系列產(chǎn)品與技術(shù)的集合。它源自于Google Advanced Technology and Projects group（ATAP），一個類似于Google X實(shí)驗(yàn)室的尖端技術(shù)研究部門。跟X實(shí)驗(yàn)室不一樣是在于它們的項(xiàng)目往往有更短的周期，有明確的產(chǎn)品與上市時間表。Project Tango就是在這樣的環(huán)境里，在很短的時間和非常有限的人力資源下成功實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破與產(chǎn)品化的。
簡單描述Tango，它的核心技術(shù)是下面三塊：
運(yùn)動追蹤 Motion Tracking-通過移動設(shè)備自帶的多種傳感器，在不通過外界信號的情況下（例如GPS，WiFi，藍(lán)牙Beacon等），實(shí)時獲取設(shè)備的姿態(tài)與位置，追蹤設(shè)備在三維空間中的運(yùn)動軌跡。
環(huán)境學(xué)習(xí) Area Learning-利用視覺信息記錄與引索外界環(huán)境，自動矯正環(huán)境構(gòu)建與運(yùn)動追蹤中積累的誤差，識別重復(fù)環(huán)境。
深度感應(yīng) Depth Perception-利用自帶的深度傳感器掃描外界三維環(huán)境，構(gòu)筑三維模型。
目前在移動設(shè)備上實(shí)現(xiàn)上面任何一項(xiàng)技術(shù)都相當(dāng)有挑戰(zhàn)的，可以說在Tango發(fā)布之前，市面找不到基于移動設(shè)備本身進(jìn)行計(jì)算而且售價僅在$499的解決方案。
下面聊一聊這幾個技術(shù)主要的難點(diǎn)和Tango的突破：
傳統(tǒng)的運(yùn)動追蹤辦法可以簡單分為兩類，一類是靠外界參照系，比如GPS通過計(jì)算設(shè)備到軌道中不同位置的衛(wèi)星距離可以判斷出設(shè)備在地球表面上的具體位置，精度可以到達(dá)厘米級別，或者計(jì)算手機(jī)跟不同基站之間(包括蜂窩網(wǎng)，WiFi網(wǎng)，藍(lán)牙Beacon)的信號衰減來做三角定位法，這樣的精度可能從數(shù)米到幾百米之間。對于室內(nèi)環(huán)境，要么GPS信號接收不到，要么沒有龐大的基礎(chǔ)設(shè)施提供準(zhǔn)確的參照系，所以并不是室內(nèi)移動設(shè)備適用的辦法。
第二類辦法則叫船位推測法（dead reckoning），就是利用物體現(xiàn)有的位置，速度以及運(yùn)動方向計(jì)算未來位置。千百年來人類在沒有導(dǎo)航系統(tǒng)之前就是用這樣的辦法航海與航空的，甚至現(xiàn)在科學(xué)家發(fā)現(xiàn)許多動物精準(zhǔn)的遠(yuǎn)距離遷移也是因?yàn)樗麄冞M(jìn)化出了這種船位推測法的能力。這里面就引入了新的一個概念， 慣性測量單元（Inertial Measurement Unit or IMU）。IMU 包含三軸的陀螺儀與三軸的加速器，用來測量物體的姿態(tài)角度和加速度。
dead reckoning在航空里的應(yīng)用：
我們知道從物體加速度可以積分得出速度，速度再次積分可以算出絕對位置。然而傳統(tǒng)消費(fèi)電子設(shè)備里面的IMU受限于成本，精度與采用率都很低，十幾秒的兩次積分就能累計(jì)到駭人的誤差，導(dǎo)致位置結(jié)果完全不可用。
Tango創(chuàng)新性的采用了魚眼相機(jī)與IMU結(jié)合的辦法來解決上面提到的這些問題。首先為IMU開發(fā)了一套精準(zhǔn)的傳感器融合算法（Sensor Fusion），保證設(shè)備在不同環(huán)境和運(yùn)動狀態(tài)下還能長時間積累很小的誤差，尤其是對姿態(tài)角度的計(jì)算。魚眼相機(jī)則追蹤每一幀視頻中出現(xiàn)的特征物，無論是邊沿或者角落，然后比較幀與幀之間的圖像差別來計(jì)算運(yùn)動變化。由于Tango可以準(zhǔn)確的追蹤相機(jī)姿態(tài)，通過加速度估算出幀與幀之間的大概運(yùn)動，結(jié)合圖像信號，它能夠算出比現(xiàn)有技術(shù)精準(zhǔn)許多的運(yùn)動狀態(tài)，通過一次積分就可以得出設(shè)備運(yùn)動軌跡。這樣依然還會有一些積累誤差但是已經(jīng)比傳統(tǒng)的辦法好了許多倍。
然而只知道運(yùn)動軌跡并不夠，因?yàn)樵O(shè)備并不了解它在所處環(huán)境中的位置，它也不會記住曾經(jīng)見過的不同環(huán)境，所以Tango的第二項(xiàng)技術(shù)環(huán)境學(xué)習(xí)就變的非常有用了。當(dāng)設(shè)備初次進(jìn)入一個新的環(huán)境時，在它不斷移動進(jìn)行運(yùn)動追蹤的同時，它會記錄下所見的環(huán)境信息。當(dāng)再次進(jìn)入熟悉的環(huán)境時，設(shè)備可以很快的找到自己在這個環(huán)境中的位置，并且不斷更新和矯正之前記錄中不準(zhǔn)確或者已經(jīng)發(fā)生變化的地方。
這個功能描述起來很容易，但實(shí)施起來則相當(dāng)?shù)睦щy，首先設(shè)備會對它見到的每一幀提取特征，然后對出現(xiàn)的特征進(jìn)行保存和引索，再利用一些高效的儲存和搜索算法，實(shí)時的判斷新的一幀是否跟過去曾經(jīng)看到的環(huán)境有相似之處，如果匹配準(zhǔn)確的話，設(shè)備可以立即利用之前已經(jīng)收集的環(huán)境信息。
因?yàn)樯弦徊降倪\(yùn)動感應(yīng)會慢慢的積累一些測量誤差，環(huán)境學(xué)習(xí)另外一個重要的功能就是實(shí)現(xiàn)位置的矯正。如果設(shè)備通過環(huán)境匹配確定自己回到了之前曾經(jīng)到過的某一點(diǎn)，即使運(yùn)動感應(yīng)積累的結(jié)果說自己在另一點(diǎn)，系統(tǒng)也應(yīng)該把新的位置矯正過來，因?yàn)橥饨绛h(huán)境一般是恒定不變的而且相對可靠的。
這張插圖解釋環(huán)境學(xué)習(xí)是如何矯正設(shè)備積累的偏移量的。
Tango設(shè)備背面都有特殊的距離感應(yīng)傳感器，用來測量物體到設(shè)備的距離與尺寸。目前市面有三種深度感應(yīng)技術(shù)，各有一些利弊，第一代的Tango原型平板采用的是類似第一代Kinect的結(jié)構(gòu)光（Structured Light）技術(shù)，而到了第二代的Tango原型手機(jī)以及這次發(fā)布的量產(chǎn)機(jī)型Phab 2 Pro則采用了跟第二代Kinect類似的Time of Flight技術(shù)，主要的優(yōu)勢在于不需要紅外界發(fā)射器與接收器之間保持比較大的距離，很適合做在手機(jī)這種長寬非常有限的設(shè)備里。
深度感應(yīng)對于Tango設(shè)備來說意義非常大，它提供了詳細(xì)的環(huán)境深度信息，用來構(gòu)筑三維的環(huán)境模型。同時配合運(yùn)動追蹤，它可以告訴用戶在空間中的位置，與四周障礙物的距離。這就完全解決了HTC Vive和Oculus頭盔需要依靠外界傳感器才能判斷用戶空間位置的問題。
以上這三項(xiàng)技術(shù)相互結(jié)合，就讓設(shè)備擁有了以前從未有過的對環(huán)境的感應(yīng)和學(xué)習(xí)能力。Tango項(xiàng)目同時提供了大量基于安卓和Unity平臺的開發(fā)工具，方便開發(fā)者利用這些獨(dú)特的功能開發(fā)出讓人振奮的游戲與應(yīng)用。
用戶可以用Tango輕松掃描家庭環(huán)境空間，在添置家具時看到家具在室內(nèi)的擺放效果。美國家具巨頭Lowes已經(jīng)開發(fā)了類似的App，會成為Tango手機(jī)的首發(fā)零售商來推動這項(xiàng)應(yīng)用。
對于視覺障礙的用戶，Tango第一次給他們帶來了低成本，高可靠性的導(dǎo)航工具。
另外用戶可以掃描身邊房間環(huán)境然后玩逼真的AR游戲，比如谷歌展示的在房間里現(xiàn)實(shí)外星人demo。
聊完了Tango的技術(shù)和功能，再來聊下它的戰(zhàn)略意義，這款擁有獨(dú)創(chuàng)技術(shù)的Phab 2 Pro手機(jī)很可能對手機(jī)與VR、AR行業(yè)產(chǎn)生不小影響：
現(xiàn)有的HTC Vive和Oculus是比較單一的VR內(nèi)容平臺，并沒有很好的環(huán)境感應(yīng)能力。從Vive需要搭建的復(fù)雜的環(huán)境感應(yīng)器就可以看出，簡易的環(huán)境感應(yīng)能力是VR系統(tǒng)急需的功能。在其他公司需要外置傳感器和性能龐大的PC的今天，谷歌通過Tango在一個低功耗的移動設(shè)備上實(shí)現(xiàn)了類似的功能，其技術(shù)的先進(jìn)性是毋庸置疑的，而這正好是谷歌在VR領(lǐng)域的完美結(jié)合與補(bǔ)充。
目前AR系統(tǒng)主要集中在眼鏡與頭盔的形式，技術(shù)與人機(jī)界面的成熟度都還很低，更別說動輒上千美元的價格。Phab 2 Pro以一個低廉的價格（$499），大眾熟悉的手機(jī)模式，給用戶起到了教育與普及AR技術(shù)的作用，激發(fā)更多AR應(yīng)用的探索與成熟。
Google Daydream是Cardboard進(jìn)一步發(fā)展的VR平臺，是一套面向所有安卓設(shè)備廠商的開放標(biāo)準(zhǔn)。Tango所需的許多技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)其實(shí)跟Daydream是非常相似的，比如都需要低延時，低誤差的IMU傳感器，都需要高精度，同步的時鐘系統(tǒng)，以及對傳統(tǒng)的非實(shí)時性的Linux內(nèi)核提出了更嚴(yán)格的實(shí)時性要求。這些標(biāo)準(zhǔn)如果都是由谷歌主導(dǎo)和推進(jìn)，采用廉價甚至免費(fèi)的形式提供給設(shè)備廠商，它對未來手機(jī)行業(yè)的控制就會進(jìn)一步加強(qiáng)，對上下游產(chǎn)業(yè)都會有更強(qiáng)的影響力。
很長時間以來優(yōu)質(zhì)和創(chuàng)新的應(yīng)用都會選擇iOS作為首發(fā)平臺。最近幾年Apple在手機(jī)革命性技術(shù)方面的投入似乎有所變緩，而谷歌趁機(jī)構(gòu)筑Cardboard，Daydream，Tango這些將對手機(jī)應(yīng)用和形態(tài)產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響的技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)。隨著大量設(shè)備廠商與內(nèi)容商擁抱谷歌標(biāo)準(zhǔn)，iPhone未來在手機(jī)行業(yè)中的領(lǐng)先位置將會受到很大的沖擊。
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