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VR定位:如何在虚拟中自由行走?

作者:admin发布时间:2020-09-14分类:智能科技浏览:7评论:0


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原标题:VR定位:如何在虚拟中自由行走?

VR最大的特点是,给我们带来了前所所未有的沉浸感。这种沉浸感一方面依赖于光学透镜产生了大的视场倒角,包裹用户的视野,像观看IMAX电影一样身临其境,另一方面来自于你的每一个交互(头戴设备和控制设备的移动、旋转)都能在虚拟世界中产生相应的效果,给你”就在现场”的感觉。而这样的效果是离不开VR的定位追踪技术的。

VR定位:如何在虚拟中自由行走? VR定位

VR的定位追踪技术主要用来解决设备的六个自由度问题。其中六个自由度(6DOF)是指刚体在三维空间中的自由运动。具体而言,刚体可以自由的在三维空间中向前/向后,向上/向下,向左/向右平移,以及三个互相垂直的轴的姿态变化,这个姿态变化我们称为pitch,yaw以及roll;

VR的定位技术标准是什么?

Oculus的CEO Brendan Iribe在2014年Oculus Connect讲到VR沉浸的5个要点,我们借其中的1、2两点来试着统一一下什么是VR/MR的定位必要标准:

1、追踪(Tracking)6DOF(不仅能够追踪旋转,也能追踪移动),360度追踪(不管朝向哪个方向都能追踪到6DOF);毫米级或更高精确度,无颤抖噪音(被追踪物体静止时不会出现抖动);舒适的追踪范围(头盔所处的空间定位面积)。

VR定位:如何在虚拟中自由行走? VR定位传动系统

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2、延迟(Latency)

从动作发生到屏幕显示最后一帧画面的时间低于20毫秒;整合光学追踪和IMU数据;循环最小化: tracker → CPU → GPU → display → photons

在与定位相关的这两点里,我们可以总结以下几条标准:

1、6DOF(可以定位旋转和移动),360°;

2、毫米级或更高的精度,没有抖动噪音(完全静止时定位不会抖动);

3、舒服的定位范围(这里Oculus没有提出舒服的范围是多大,不免有为自己技术辩护之嫌);

4、从运动发生到显示在屏幕上的时间差<20ms,即,延迟<20ms,刷新率>50Hz。

我们在这里加上重要的一个条件:必须满足多人同时使用

目前主要有哪些空间定位的技术?

空间定位是一个巨大的话题,我想把问题缩小一下有哪些潜在能为VR/MR服务的室内定位技术,这里就不用讨论GPS这类大范围定位了。

定位数据的描述是我们讨论的基础。在此我尽量避免太复杂的数学,但是因为各种传感器技术获得的数据即使都是关于位置的信息,有的是加速度有的是速度,为了帮助理解,我简单重复一下中学物理和数学里的概念。

定位是要知道一个物体瞬间(时刻k)的位置和角度。以位置为例,可以用来描述。第一阶是位置,第二阶是速度,第三阶是加速度。最理想的是直接知道位置,但是知道速度也有帮助,用 x1=x0+v*dt 可以通过上一时刻的位置和速度、时间求得此刻的位置,可以对位置数据进行矫正;同理三阶的加速度v1=v0+a*dt可以用来矫正速度。角度同样有三阶,角度,角速度,角加速度,我接触的传感器和算法之内没有用到角加速度的,所以旋转可以仅用两阶。

基本逻辑是,获得越低阶的数据越好,用上一阶的数据可以给低一阶提供矫正。也可以跨两阶来矫正,当然必须建立更复杂的数学模型对中间阶进行描述。但是可不可以用高阶观察值直接计算低阶数据? 答案是明确的不可以,IMU不能定位位置的原因也正在这里,后面会解释。

Breandan提到将光学定位和IMU定位结合,我们从IMU讲起:

1、 IMU

IMU尤其是因为InvenSense和Bosch两家的努力,MEMS级别的IMU成本很低而且非常成熟,每个手机里都有一组(iPhone 有两组),它使得Gear VR和同类VR能3DOF定位。下面以Oculus的IMU设计为例:

第一部分是Bosch Bmi055 由一个加速度计一个陀螺仪组成。加速度计的值描述了加速度的方向和大小,因为重力的存在而且重力方向唯一,我们可以计算出三阶的位置信息(x,y,z方向的加速度);和一阶的旋转信息的两根轴(x,y),垂直重力方向的平面内的旋转依然是未知的。而陀螺仪的值描述了二阶旋转信息,三轴的旋转的速度,如前面解释的,可以用来协助矫正加速度计提供的一阶旋转信息。

第二部分是Honeywell HMC5983(疑似),这颗芯片类似于一个指南针,可以提供磁力的方向和大小。因为地球磁场总是和地心引力垂直,它正好提供了加速度计里我们缺失的一阶z的旋转信息。至此我们获得完整的一阶旋转数据和二阶旋转数据。但是关于位置信息,我们只有3阶的加速度数据,无法提供有效的位置信息。

顺便提一下,iPhone同时配有InvenSene MP67B 和Bosch BMA280,二颗加速度计。我们认为是用来矫正噪音。因此,用两颗IMU来矫正数据并不完全是异想天开,虽然其它没有一家用这样的方案,但iPhone都这么干了。

HTC Vive的内置IMU也是基于类似的配置。虽然IMU可以提供完整的一阶和二阶角度数据因此可以用来计算空间角度,但是磁场并不可靠,靠近很多电器或者金属磁场都会改变,因此会产生drift的现象(即在z轴平面内错误旋转)。

IMU不能计算位置可以看和Tango 老大Johnny齐名的UC Davis大神Oliver的视频,希望他可以说服你。用加速度数据来计算位置是一个很tricky的事情。必须符合两个条件才可以计算:1、必须能不断精确矫正初速度,2、两次矫正时间间隔越久精度越低。我们走路的脚的移动数据是极少数符合的应用,落地时速度为0 m/s可以用来矫正,下一次落地间隔不太久。放IMU在两只鞋子里,就能用三阶模型计算出接近的跑步距离。但是无论如何,IMU只能提供精确的角度数据,不能提供满足VR使用标准的位置数据。

IMU的刷新率很高,Vive IMU的刷新率在1006Hz(很奇怪的数字)。某宝上出售的IMU都有100Hz以上两倍于我们50Hz的标准。而且IMU的数据几乎不需要计算,有很多种ARHS的算法可以把传感器数据转换成3DOF数据。

总结:

6DOF:不能,只能提供3DOF信息。可提供三阶位置信息。

单个成本:极低(10元左右)

计算代价:极低(单片机都可以)

大面积覆盖成本:零

文章转载于知乎网机智的大群主

标签:虚拟定位角度加速度位置数据信息Bosch技术方向Oculus


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