雷鋒網(wǎng)按：本文作者大格子GZ，格納微科技技術(shù)總監(jiān)，西安電子科技大學(xué)碩士，就讀控制理論與控制工程專業(yè)。曾作為骨干參與國家慣導(dǎo)產(chǎn)品重要課題，所研成果已經(jīng)成功運(yùn)用于軍工產(chǎn)業(yè)。目前在格納微負(fù)責(zé)團(tuán)隊技術(shù)路線和產(chǎn)品技術(shù)研發(fā)，對于空間定位的慣導(dǎo)、超寬帶、激光、視覺SLAM都略有涉及。

多人VR的關(guān)鍵——精準(zhǔn)定位

單人VR所需的空間小，但是缺少多人的互動。而在未來，多人VR可能會成為一種新的聚會交友和線下娛樂方式，徹底顛覆現(xiàn)在的KTV、密室逃脫、殺人游戲、約會、相親、產(chǎn)品發(fā)布、兒童培訓(xùn)教育等等活動。通過軟件即可在一個場地內(nèi)實現(xiàn)多種應(yīng)用，潛在的商業(yè)價值很大。但是相比單人VR而言，多人VR中最關(guān)鍵的是如何對多人進(jìn)行快速精確的定位。

這里所說的定位，是指確定體驗館中的參與者在場館中的絕對空間位置，并反饋到所有參與游戲的玩家和游戲服務(wù)器上，進(jìn)而執(zhí)行群體游戲所必需的各種游戲邏輯。

單人小場景應(yīng)用中，HTC Vive應(yīng)該是非常成熟的方案了。那么在大場景VR應(yīng)用下，尤其是多人應(yīng)用場景（多人動作、解迷、探險類場景）應(yīng)該采用何種技術(shù)方案解決大空間范圍內(nèi)定位問題呢？首先，分解一下多人VR大場景中定位的需求：

1. VR定位的關(guān)鍵部位是“頭”+“手”，這兩個部位定位好了就能獲得VR游戲體驗最關(guān)鍵的信息。如果能補(bǔ)充“雙腳”位置，基本上就能解決所有VR應(yīng)用的需求;

2. 時延不能超過20ms，否則會造成暈眩感，體驗急劇下降;

3. 定位精度越高越好，精度如果在mm級可以獲得最為良好的體驗，如果多人之間的協(xié)同定位精度在10cm以內(nèi)，也是可以滿足需求的;

4. 覆蓋50m×50m范圍場地，可定位人數(shù)滿足10人，基本上就能滿足所有大場景VR應(yīng)用。

 

對現(xiàn)有多人VR定位技術(shù)方案分析如下：

1.“視覺+動作”捕捉方案，其問題是視覺受遮擋、設(shè)備成本高、計算量大;

2. 激光定位技術(shù)，依然是遮擋和成本問題，設(shè)備布設(shè)受影響;

3. 超寬帶定位，基站需同步，可以解決部分遮擋問題，但是任何一個位置的確定需要同時收到至少四個基站的信號(TDOA)，如果信號覆蓋率要求很高，在實際應(yīng)用中可能需要非常多的基站，并且人體對信號遮擋也不能忽略。經(jīng)測試人體的轉(zhuǎn)身都會對信號產(chǎn)生極大的遮擋，尤其多人在一起的時候，信號可能斷斷續(xù)續(xù)，從而造成定位結(jié)果不連續(xù)，這對于VR體驗來說是不可接受的。

精準(zhǔn)定位的解決方案

在多人大場景VR體驗中，各種空間定位技術(shù)仍然不夠成熟，如何解決遮擋、成本、適用性這幾個核心缺陷，是多人VR大場景體驗中空間定位解決方案的突破方向。  

基于此，我們此前研發(fā)的微慣導(dǎo)定位產(chǎn)品給解決多人大場景下的VR定位提供了思路。

微慣導(dǎo)定位產(chǎn)品采用的是慣性導(dǎo)航技術(shù)定位。與普通的定位技術(shù)不同的是，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)不依賴于導(dǎo)航衛(wèi)星、無線基站、電子標(biāo)簽等任何輔助設(shè)備和先驗數(shù)據(jù)庫，是一種完全自主式的導(dǎo)航系統(tǒng)。

通過集成到小型可佩戴的慣性傳感器中，安裝在運(yùn)載體上，可實現(xiàn)任何場景下人員、車輛、機(jī)器人等的精準(zhǔn)定位。但是長時間工作會累積較大誤差，因此通常會采用超寬帶、藍(lán)牙等技術(shù)進(jìn)行輔助定位。

產(chǎn)品定位精度優(yōu)于0.3%，相當(dāng)于走1公里誤差不到3米。產(chǎn)品本身結(jié)合北斗/GPS、超寬帶基站等技術(shù)在消防應(yīng)急任務(wù)現(xiàn)場指控、軍警部隊訓(xùn)練、AGV機(jī)器人定位、重點(diǎn)區(qū)域人員管控等領(lǐng)域能夠形成高精度“全域”定位結(jié)果。

那么將產(chǎn)品應(yīng)用于多人VR體驗的空間定位，結(jié)合超寬帶輔助定位，即“微慣導(dǎo)+超寬帶”的技術(shù)方案，是否可以來解決常規(guī)超寬帶基站空間定位遮擋、設(shè)備布置麻煩以及成本過高問題呢？

我們首先嘗試的是“PDR+超寬帶”的方案，這種方案的好處在于慣導(dǎo)和超寬帶的硬件設(shè)計可以集成到一個小香煙盒大小的設(shè)備里面，安裝在人體的腰部位置，便于攜帶。慣導(dǎo)和超寬帶數(shù)據(jù)可以嚴(yán)格同步，用慣性高速位置解算彌補(bǔ)超寬帶的定位間隔。

但是從實際體驗來看定位效果比較差，因為PDR安裝在腰部，在正常步態(tài)下還好，但是當(dāng)人小碎步、側(cè)移、后退時就會出現(xiàn)精度下降問題，而這些動作在VR應(yīng)用中是十分常見的。

另一種方案是“足部慣導(dǎo)(精度極高)+超寬帶(腰部)”，即在每個玩家的足部配戴一個小型的慣導(dǎo)定位模塊及腰部配備一個超寬帶標(biāo)簽，慣導(dǎo)模塊進(jìn)行獨(dú)立定位，在體驗館布設(shè)少量的超寬帶基站進(jìn)行輔助定位，即對慣導(dǎo)長時間累積的誤差進(jìn)行校準(zhǔn)，每個玩家的運(yùn)動數(shù)據(jù)通過通信網(wǎng)絡(luò)實時傳輸?shù)剿械耐婕乙约坝螒蚍?wù)器上。

這個技術(shù)方案基本可以適應(yīng)VR里面的所有動作和多人空間位置關(guān)系，設(shè)備布置也基本沒有影響。我們調(diào)試過的超寬帶作用視距可以達(dá)到600m+，精度在10cm左右，基本用3個基站(我們不是采用TDOA或TOA，采用的是TOF(Time of Flight)方式)足夠覆蓋一個多人VR體驗館了，即使有些地方有遮擋也不會造成位置偏移，且基站之間無需同步。整個系統(tǒng)在開始會先進(jìn)入絕對位置確定階段，使用者要小范圍先走幾步自動確定空間絕對位置，后面在行走過程中通過系統(tǒng)級自校準(zhǔn)糾正，可長時間保持較高的定位精度。

 

現(xiàn)存問題的解決方案

但是這個方案現(xiàn)在仍然存在幾個問題，也是我們不斷改進(jìn)和研究的方向：

1. 目前精度保持在20cm，但是實際上需要更高，我們也正在朝這個方面努力(如果用在AGV機(jī)器人上，精度可以保持在10cm以內(nèi)，基本滿足AGV的空間定位需求)，這個精度誤差由很多方面造成，如超寬帶測距的不穩(wěn)定性、慣性和超寬帶位置在空間上不一致性、數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟灰恢滦缘鹊取?/p>

2. 腳部是VR體驗中相對較弱的位置需求，最強(qiáng)的是頭和手，因此，需要根據(jù)骨骼模型進(jìn)行反推，同時需要獲取腿、頭、腰、手的姿態(tài)，這將給使用者穿戴帶來麻煩，但是在弱化定位精度要求的前提下，可以僅通過手的姿態(tài)推演手部位置。

3. 腳部和腰部數(shù)據(jù)傳輸不同步，空間位置上不同步造成精度只能保持在20cm左右，如果定位出左腳在(x0,y0)，那么腰部在空間上可以是(x0±Δx,y0±Δy)范圍內(nèi)的位置，這個會在后臺處理上帶來麻煩，現(xiàn)在想到的進(jìn)階方案是雙腳定位，取雙腳位置之間作為身體位置，再通過手臂動捕反推手部空間位置。

在目前VR與消費(fèi)級市場的距離越來越緊密的情況下，多人VR乃大勢所趨，這種趨勢能夠幫助VR在消費(fèi)級市場擁有更好的未來。在廣大市場機(jī)遇面前，相信也會有更多的團(tuán)隊加入到這個領(lǐng)域，我們希望能夠與更多的創(chuàng)客來交流空間定位技術(shù)，來試圖給予市場難題合適的解決方案。

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