【導(dǎo)讀】在虛擬現(xiàn)實(shí)中，如何做到六自由度跟蹤？我們都知道傳統(tǒng)的慣性傳感器是無法做到這一點(diǎn)的，最多只能跟蹤頭部的轉(zhuǎn)動；想要跟蹤頭部的位移，就要引入光學(xué)系統(tǒng)了。
傳統(tǒng)的光學(xué)系統(tǒng)是攝像頭式的，攝像頭跟蹤頭顯上標(biāo)記的馬克點(diǎn)實(shí)現(xiàn)跟蹤，Oculus的Constellation系統(tǒng)就使用了攝像頭+紅外主動馬克點(diǎn)的方式；而HTCVive則使用了一套十分巧妙的技術(shù)，稱之為Lighthouse，這套技術(shù)由Valve開發(fā)，可以說是目前體驗(yàn)最好的VR光學(xué)跟蹤方案。
Lighthouse由兩個基站構(gòu)成：每個基站里有一個紅外LED陣列，兩個轉(zhuǎn)軸互相垂直的旋轉(zhuǎn)的紅外激光發(fā)射器。轉(zhuǎn)速為10ms一圈?；镜墓ぷ鳡顟B(tài)是這樣的：20ms為一個循環(huán)，在循環(huán)開始的時候紅外LED閃光，10ms內(nèi)X軸的旋轉(zhuǎn)激光掃過整個空間，Y軸不發(fā)光；下10ms內(nèi)Y軸的旋轉(zhuǎn)激光掃過整個空間，X軸不發(fā)光。
Valve在頭顯和控制器上安裝了很多光敏傳感器。
在基站的LED閃光之后就會同步信號，然后光敏傳感器可以測量出X軸激光和Y軸激光分別到達(dá)傳感器的時間。這個時間就正好是X軸和Y軸激光轉(zhuǎn)到這個特定的，點(diǎn)亮傳感器的角度的時間，于是傳感器相對于基站的X軸和Y軸角度也就已知了；分布在頭顯和控制器上的光敏傳感器的位置也是已知的，于是通過各個傳感器的位置差，就可以計(jì)算出頭顯的位置和運(yùn)動軌跡。
這個系統(tǒng)有很多優(yōu)勢。
第一條是其需要的計(jì)算能力非常小。
一個光學(xué)系統(tǒng)需要進(jìn)行成像，然后程序就需要通過圖像處理的方法來將成像中的馬克點(diǎn)分辨出來。成像的細(xì)節(jié)越豐富，需要的圖像處理計(jì)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(shù)，那么它就不涉及到圖像處理，對于位置的計(jì)算在設(shè)備本地就可以完成。
第二個優(yōu)點(diǎn)是其延遲也很小。
計(jì)算能力需求高就意味著延遲會高：圖形處理的大量數(shù)據(jù)要從攝像頭傳輸?shù)诫娔X中，再從電腦傳輸?shù)筋^顯上，就會增加延遲。而Lighthouse可以直接將位置數(shù)據(jù)傳輸?shù)诫娔X上，省略了從攝像頭到電腦的高數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟襟E。
第三，是系統(tǒng)中的追蹤物體的數(shù)量理論上沒有上限。
如果是光學(xué)攝像頭的話，系統(tǒng)內(nèi)的跟蹤馬克點(diǎn)數(shù)量就有一個上限，再多了無法處理。Lighthouse基站本身不處理任何信息，所有數(shù)據(jù)由跟蹤傳感器本地報告，這是一個天然的分布式系統(tǒng)。這套系統(tǒng)可以很方便地支持多人：兩個玩家可以很輕松的在一個場地里同時體驗(yàn)。
所以Lighthouse造就了目前最好的VR體驗(yàn)。Vive的頭動跟蹤和手柄跟蹤都非常精確，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(yàn)而言，Vive的頭動和手柄跟蹤的精確程度已經(jīng)讓人真的產(chǎn)生了“這就是現(xiàn)實(shí)”的錯覺——你會不自覺的對你在整個環(huán)境中所能做到的事情產(chǎn)生更高的期望，比如大動態(tài)的動作，試著去伸手夠到遠(yuǎn)方的物體，等等。
當(dāng)然Lighthouse系統(tǒng)并不是完美無缺。它的主要問題是兩個：
從理論來講，Lighthouse的精度依賴于系統(tǒng)的時間分辨率。
傳感器點(diǎn)亮的時候需要精確的知道激光當(dāng)時的角度，那么就需要很精確的測量激光到達(dá)的時間。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(dá)到了傳感器本身的寬度量級，那么測角本身就會出現(xiàn)誤差了。所以光敏傳感器的分布之間需要一定的距離，設(shè)備不能制造的太小。Valve表示要保持對一個剛體的跟蹤，需要至少5個傳感器形成一個陣列。所以，Vive的手柄前方的傳感器陣列部分體積龐大，是有原因的。
要滿足跟蹤穩(wěn)定性和傳感器分布的尺寸要求，Vive手柄前端才被設(shè)計(jì)成一個甜甜圈形狀。如果想要將設(shè)備的尺寸縮小，那么就得將光敏傳感器本身的尺寸縮小，同時降低傳感器之間的距離，這個時候就需要更高的測角精度，系統(tǒng)的時間分辨率要求就提升了。
另一個問題是Lighthouse系統(tǒng)的可擴(kuò)展性。
如果在一個空間里L(fēng)ighthouse有許多基站的話，很有可能出現(xiàn)的情況是光敏傳感器同一時間內(nèi)被多道激光掃過，就很難分清楚激光是來自哪個基站，位置計(jì)算能力就會變差了。目前的Lighthouse是使用時分復(fù)用：任意時刻只有一個基站發(fā)光。在未來最徹底的解決方案應(yīng)該是頻分復(fù)用——光敏傳感器接受的每一道激光都帶有信息報告自己的基站的id，但是這樣整個系統(tǒng)的設(shè)計(jì)會變得比現(xiàn)在復(fù)雜得多，在那么短的一道激光中做到這一點(diǎn)，也可能需要更昂貴的設(shè)備。Valve表示這套系統(tǒng)是理論上可擴(kuò)展到無限容量的，但是他們并沒有披露具體是用怎樣的方法做到這一點(diǎn)。
Lighthouse可以說是Valve帶給VR的一個重要貢獻(xiàn)：它是目前所有的低成本室內(nèi)定位系統(tǒng)中性能最好的。
在公布的當(dāng)初Valve表示將會開放這套系統(tǒng)，各種需要室內(nèi)定位的科技產(chǎn)品都可以應(yīng)用Lighthouse——如果這件事情成真，毫無疑問對國產(chǎn)VR頭顯廠商是一個非常大的利好消息。不過到目前這件事情還沒有動靜。但是Lighthouse技術(shù)原理并不復(fù)雜，國內(nèi)已經(jīng)有公司在試著自己開發(fā)類似的技術(shù)。具體效果如何，讓我們拭目以待。
