先給不玩VR的科普下（不玩VR你看這個文章干啥？），所謂Room-Scale，指的就是用戶能否自由地在VR里行走。其實，所謂的VR三大硬件（HTC Vive、Oculus Rift、PSVR）都能實現(xiàn)一定程度的Room-Scale體驗，但Oculus、PSVR采用攝像頭為主的方案，效果并不怎么好，大多數(shù)情況下還是坐著不動玩更舒服。

而HTC Vive的激光方案，才讓玩家真正能比較自由地在VR里行走，穩(wěn)定性和行走范圍均遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于另外兩者。可以說，HTC Vive啥都能黑，就是這個定位黑不得。

在2017年的CES上，國內(nèi)硬件廠商大朋帶來了雙目激光定位方案Polaris，似乎是要以自研技術(shù)和硬件，對HTC Vive發(fā)出挑戰(zhàn)。三月末又召開了發(fā)布會邀行業(yè)人現(xiàn)場體驗。經(jīng)過現(xiàn)場測試，大朋的雙目激光定位方案反饋還不錯。

但是我們?nèi)匀灰獑?，大朋的雙目激光定位原理為何？如何實現(xiàn)？相比HTC Vive又有哪些好處？本著刨根問底的精神，我們專門采訪了大朋CEO陳朝陽，首次詳細(xì)獨家揭示大朋的技術(shù)奧秘。

首先來看看，HTC Vive的方案是怎么玩的？

首先，要想明白大朋比HTC Vive好在哪里，我們就必須得再詳細(xì)闡述一下HTC Vive的定位方案（熟悉的小伙伴可以跳過這部分，直接看大朋的）。這一方案使用的是兩個名為光塔（Lighthouse）的基站，對角擺放，拉出一塊空間，不斷發(fā)射激光來掃描空間里的HTC Vive和手柄。

那么，基站具體是怎么運作的？現(xiàn)在我們來拆解一下。

打開基站，會發(fā)現(xiàn)由三個部分組成，分別是LED燈陣列和兩個電機。電機分別用于打出一橫一豎兩個激光面。

如下圖，其中紅色面為豎直的激光面，掃動方向是水平的，藍色為水平激光面，掃動方向為上下垂直掃動，紅色陰影部分位于藍色面下方。

 

每當(dāng)一個激光面遇到傳感器，就會停止掃描并記錄角度。假如兩個面停止位置如圖所示，則可以確定傳感器位于兩面相交線，即圖中細(xì)紅線上。

這樣得到的位置信息是不全面的，因為只知道點在哪條線上，不知道具體在線上什么位置，就像去某個地方，只知道在某條街上卻不知道門牌號碼。因此需要安裝多個傳感器。

所以聰明的你可能已經(jīng)猜到了，HTC Vive的傳感器都放在頭盔和手柄上，坑坑洼洼、如同月球表面的頭盔上，每一個小坑都是一個傳感器。并且傳感器是固定的，不能移動。

實際上，系統(tǒng)并不需要確定每個傳感器的位置。而只需要確定傳感器所在的直線就好了。這就好像吃烤雞腿，用手拿著可以直接確定雞腿的位置，也可以拿幾根簽子穿著固定住，雞腿的位置同樣是確定的。

也就是說，確定位置并不一定需要傳感器的點，還可以僅用足夠多的線來確定頭盔位置。只要知道頭盔尺寸，依據(jù)下圖就能確定位置了。

兩個激光面掃描完一次，確定的是頭盔上一個傳感器距離基站的直線方程。只知道掃描到的傳感器在這條直線上，但并不知道詳細(xì)距離。

這個時候就需要知道頭盔的尺寸了。然后通過專門的算法，明白在確定幾條直線、并已知頭盔大小的情況下，頭盔唯一有可能的方位在哪里。

在兩個激光面掃描完一個傳感器后，該傳感器就會關(guān)閉，以免下次再被掃到。等到掃到五個傳感器后（Valve官方給出的數(shù)字），頭盔定位完成。所有傳感器重新打開，開始新一輪的掃描，如此反復(fù)。

新版Lighthouse基站的LED陣列排列有變化

從上所述，理論上傳感器只需要五個就夠了。然而，實際上定位時由于光線接受可能被遮擋，傳感器之間又為了防止串?dāng)_信號必須保持距離，因此最后采用的傳感器有幾十個。所以不要再苛責(zé)你頭盔為什么長那么丑了，滿滿的都是愛啊……

重點來了，如何實現(xiàn)完整的數(shù)據(jù)流程，完成從用戶的移動到他們的頭盔圖像的變化呢？

我們要先確定關(guān)鍵的數(shù)據(jù)和采集方法。兩個激光面能確定一條線（也就是上文所說的，傳感器點所在的直線）。那么橫豎激光兩個面的位置怎么算？只需要角度就能知道了——角度是電機的角速度（轉(zhuǎn)速）和用時的乘積，角速度是恒定的，相當(dāng)于已知，因此記錄下時間就能求出來。

下面是具體實現(xiàn)步驟了，對于不學(xué)理科的同學(xué)來說，可能還是有點復(fù)雜，打起精神！

首先基站會和傳感器進行一次溝通，同步閃光（sync light），這樣傳感器會告訴傳感器的控制芯片，讓它把計時器（類似于秒表的功能）歸零，接下來的10毫米內(nèi)，會有一個激光面掃過，這個激光面接觸到傳感器的時候，傳感器就會發(fā)出信號，計時器就停了，記錄下時間，然后歸零。緊接著另一個激光面掃過，再次記錄時間，歸零。

這個過程看似復(fù)雜，實際上兩個電機只要以20毫秒轉(zhuǎn)一圈的速度（也就是每秒50轉(zhuǎn)）穩(wěn)定運行，而電機上的激光發(fā)射器“此起彼伏”地出現(xiàn)就行了。時間值隨后會來到傳感器的集線器，再到數(shù)據(jù)收集芯片，通過WiFi信號以某種數(shù)據(jù)包形式和協(xié)議（如UDP）發(fā)送到基站的計算部分。

這樣得到了兩個時間值能轉(zhuǎn)化為角度值，再轉(zhuǎn)為兩個面的方程，求出交線，就能獲得一個之前說到的傳感器所在的直線方程。然后諸多方程合并起來，通過算法算出一個頭盔上傳感器方位對應(yīng)的位置，就是對頭盔完成了定位。這個定位數(shù)據(jù)隨后會由基站更新到計算機或主機，在3D引擎內(nèi)修改攝影機位置，重新計算畫面，發(fā)送到頭盔顯示器，完成一幀的顯示。

那么，大朋是怎么做的呢？

說完了HTC Vive，終于輪到我們今天的正主兒——大朋了！根據(jù)我們對大朋CEO陳朝陽的采訪，再加上觀察和HTC Vive的Lighthouse原理推斷，大朋Polaris結(jié)構(gòu)應(yīng)該類似這樣：

畫工丑了點，將就點吧……是的，你沒看錯，大朋的基站里是三組電機，比Vive多一組。分別為兩個打出橫激光面的電機和一個打出豎激光面的電機。

如下圖，三個激光面會形成三條交線，實際上只任意用兩條（比如紅和藍）就能確定交點，該點即為要確定的傳感器位置。也就是說，三個掃描面的時候，不是確定傳感器所在直線，而是直接把傳感器所在位置確定了。

顯然，這樣定位方式比起Lighthouse的定位只能確定傳感器所在直線位置要更加有效率。只要釘死三個點就能確定位置，也就相當(dāng)于頭盔上最少三個傳感器就夠了。（當(dāng)然為了保證精確，實際上不止三個）

不過，實際中設(shè)計的時候為了防止橫向兩個面靠太近，影響精度（就像人要靠兩眼間存在距離才好定位一樣）。最好的辦法就是，把兩個橫向電機放在縱向電機的上下兩個位置。

這樣傳感器的數(shù)量比起Lighthouse大約能減少一半。但是存在問題是，如果激光面照不到傳感器就沒有效果了，為了實現(xiàn)無死角，最簡單的方式就是在基站的另一面再放一個基站，就能覆蓋到了，這樣雙基站的設(shè)計能讓傳感器數(shù)量再減一半。大概像這樣：

最后需要的傳感器數(shù)量大概是Lighthouse的四分之一左右（Lighthouse用了幾十個傳感器）。事實上，大朋官方也是這樣宣傳的，即頭盔所需傳感器相對Vive較少，僅需六個。頭盔得以更輕便，而相對的，大朋的基站就要比Lighthouse體積更大。

實際工作順序如下：

首先LED陣列發(fā)出閃光，與傳感器控制芯片同步一次，然后開始計時。如果能做到16毫秒左右延遲的話，總周期應(yīng)該是15毫秒以內(nèi)。

這里假設(shè)是15毫秒。則閃光后第一個5毫秒內(nèi)，第一個橫向激光面掃過，傳感器發(fā)信號之后記錄時間；第二個5毫秒內(nèi)，縱向激光面掃過，傳感器發(fā)信號后記錄時間；第三個5毫秒內(nèi)，第二個橫向激光面掃過，傳感器發(fā)信號，記錄時間，然后WiFi信號傳輸時間數(shù)據(jù)包給基站進行位置計算，上傳到計算機或主機完成位置數(shù)據(jù)更新。

其實和HTC Vive很類似，只是多出一步橫激光面的掃描，定位的不是點所在的直線，而是點的坐標(biāo)。

陳朝陽的在讀完原理解析后，表示認(rèn)可：“原理上已經(jīng)寫的很好了。沒什么好補充的了。” 但他也強調(diào)：“95%的難度在工程實現(xiàn)上，太多細(xì)節(jié)要考慮了。”

國內(nèi)專注于大空間多人定位的公司ZVR CEO郭偉指出，激光方案主要是工程方面的問題，在具體的電機調(diào)校、產(chǎn)品量產(chǎn)、供應(yīng)鏈方面會有很多坑。

定位方案相關(guān)疑問

綜上，我們對大朋的定位方案進行了解讀。但是聰明如你，一定還有一些疑惑。是的，關(guān)于大朋的定位方案，從原理上來說，我們萌生了這幾個問題。

筆者就這些問題對陳朝陽進行求證，對方給出了可以理解的答復(fù)：“目前還沒到開源我們的所有原理的時候”。

筆者期待，作為國產(chǎn)硬件中少數(shù)采用自研技術(shù)方案的廠商，大朋的定位方案能夠走出一條自己的路，用體驗說話，在未來能夠?qū)@些問題作出完美的解答。

（題圖是目前三大頭顯中銷量最好的PSVR的定位攝像頭，也是三家中惟一使用雙目技術(shù)的廠商）

VR定位技術(shù)有千萬種，就目前三大頭顯廠商而言，可以分為：

HTC 的 Lighthouse 激光定位系統(tǒng)，是一種長距離的使用PnP解算的定位技術(shù)（由Valve公司研發(fā)授權(quán)）

Oculus 的 Constellation 系統(tǒng)紅外攝像頭定位，也是使用 PnP解算的定位

PSVR 的 可見光攝像頭定位，使用雙目定位

從技術(shù)發(fā)展時間來看，雙目定位是在三家技術(shù)中，出現(xiàn)最早、最成熟的技術(shù)了。先在這里簡單說說它的原理。

定位原理

雙目定位，一定要有兩個攝像頭/定位器，且兩者在同一剛體/模具上，這樣保證了兩攝像頭工作時，它們之間的相對位置是已知的。

雙目定位貌似還有一定的仿生概念，畢竟人眼的立體視覺，也是靠雙眼的，有了兩只眼睛，才可以受到到某一物體的距離遠(yuǎn)近，否則只知道“物體在看過去的視線方向，而無法判斷距離”（顯然生活經(jīng)驗可以彌補一些啦，比如近大遠(yuǎn)小）

下圖是一篇學(xué)術(shù)論文的附圖，再參考人雙眼的構(gòu)造，就很容易理解雙目定位了。O1, O2分別是兩攝像頭的位置，且它們擺放角度已知。P1，P2是物體P在相機成像平面上的投影點，也就是照片上拍攝到P的點啦。根據(jù)兩相機的擺放位置，以及P1, P2點的位置，很容易計算出點P在空間中的三維位置。

雙目定位成功之處就在于，它只靠一個特征點就可以定位！比如PSVR的手柄，只靠一條光帶，就可以通過雙攝像頭，得到它的空間位置?。ê芏嗄昵暗腜S move也是這個原理，要不然說PSVR的技術(shù)老呢）

單單一個特征點，可以求得一個物體在三維空間中的 x, y, z 位置（3 自由度, DOF），但 VR 定位還需要它的旋轉(zhuǎn)信息——另外三個自由度（旋轉(zhuǎn)信息）——就無法靠一個特征點得到啦。

那么，想要做 6自由度求解，想要需要多少個特征點呢？試想一下：

如果只有一個特征點，那么物體可以把模型的特征點放在定位出來的一個三維空間的點P1上，然而它可以繞這個P1點任何旋轉(zhuǎn)，都符合解。因此它只有 3 DOF。

如果有兩個特征點，雙目定位可求解出 P1, P2，那么物體的姿態(tài)在定程度地確定了，但它仍然可以繞P1, P2連線構(gòu)成的軸，旋轉(zhuǎn)，因此它有 5 DOF。

如果有三個特征點，且它們不共線（否則會退化的），那么三個特征點的求解出的姿態(tài)，就可以惟一地確定物體的位置和姿態(tài)，達到 6 DOF 求解。

因此PSVR的頭顯上有好多標(biāo)記點，而手柄上也是一個具有特點的倒三角光條（見上圖），至少可提取出3個特征點（三角的頂點）。這些特征點，可將姿態(tài)解算從 3DOF 升級成 6DOF。

看到這里，你一定會想，wow，原來空間定位就這么簡單，果然雙目大法好，學(xué)會初中立體幾何就可以明白原理啦。

但顯然事情沒有那么簡單。歡迎來到工程領(lǐng)域的噩夢——測量誤差。

定位誤差

雙目定位的理想很美好，但測量誤差對其帶來的影響卻是殘酷的。

如下圖，在O1, O2相機觀察物體 P 時，由于種種原因，測量所得到的射線發(fā)生了微妙的角度偏移，誤差角度分別為∠P O1 P' 和 ∠P O2 P'. 那么從觀測值，求解出 P' 位置，就與真實位置有了一定的偏移。

這偏移的位置隨著雙目射線變平行，而增大。就是說，當(dāng)物體離你越遠(yuǎn)時，你越難確定它與你的距離，而物體很近時，雙目定位會很精確。

那么誤差都是哪里來的呢？要知道，工程就不是數(shù)學(xué)上的理想假設(shè)了，誤差的來源千千萬，比如：

O1, O2點的安裝誤差，也就是制造公差，不過這一步往往會在出廠時進行標(biāo)定。

相機的標(biāo)定誤差。相機是存在畸變的，如果反畸變算法不好 ，那么始終會帶著角度測量誤差。

特征點誤差，就拿PS手柄來說，它那個三角光條是圓角，特征點很難取得很準(zhǔn)確

像素誤差，要知道攝像頭的像素數(shù)是有限的，它所代表的角度值也會是離散的，無法準(zhǔn)確地表示物體的投影射線

以上各種因素都會影響到單點求解的精度。如果再想求 6DOF，物體上三個特征點求解都有誤差，那么它的旋轉(zhuǎn)求解就差得更遠(yuǎn)啦（還不一定對得上）。因此雙目攝像頭方案只能在近距離使用（2m以內(nèi)），靠增多特征點數(shù)量來平均化測量誤差，才可以達到可以接受的效果。

因此雙目定位，簡單是簡單，但坑，真是多啊~

未完待續(xù)

關(guān)于雙目定位的基礎(chǔ)，在這里就講得差不多啦，本系列的下篇，將會分析大朋E3提出的創(chuàng)新性的雙目激光定位技術(shù)，敬請期待~

每年的ChinaJoy都是各類動漫游戲娛樂產(chǎn)品的盛宴，加上2016年虛擬現(xiàn)實行業(yè)藍海的開啟，今年的CJ上VR、AR企業(yè)大量涌入，令人應(yīng)接不暇。不過作為國內(nèi)唯一可量產(chǎn)雙目全息智能AR眼鏡的廠商，影創(chuàng)科技總能跟別人玩的不一樣。正如大家所說，影創(chuàng)的創(chuàng)意是永無止境的，兩個月前的CES上將巨幅眼鏡吊頂，這次直接把綠野仙蹤搬進了同樣的場館，讓你領(lǐng)略什么叫別具一格，什么叫不同凡想。

佩戴AR智能眼鏡，在叢林中捕捉各種活靈活現(xiàn)的寵物，身邊有愛麗絲陪伴，最終還能贏得超級大獎，這就是影創(chuàng)為CJ觀眾準(zhǔn)備的驚喜，是不是迫不及待想了解其中的詳情呢？

叢林冒險的活動流程簡單而有趣，現(xiàn)場關(guān)注影創(chuàng)科技微信公眾號后就可以報名參加游戲。

正式入場之前，工作人員會一對一詳細(xì)講解游戲的規(guī)則和捕捉器的使用方法。

裝備好AR智能眼鏡，就可以出發(fā)去探險啦！

進到場地一片茫然？不要怕，我們的愛麗絲妹子會來為你提供幫助。

先來捕捉一只簡單的寵物，比如墻上這只看似普通的鳥。

不過這只是圍觀者的視角，進入仙境的你看到的完全是另一番模樣。

捉完小鳥，愛麗絲會悄悄地告訴你，不要驚動橋上的山雞和河里的小魚。

因為在你的仙境里，它們可是活生生的，一不小心就會逃走呢。

快看圍觀小伙伴羨慕的表情！他為什么會這么驚訝？

原來是我們暢游仙境的主角在一個普通的井蓋上發(fā)現(xiàn)了一只可愛的貓咪，不禁贊了出來。

三分鐘的探險很快結(jié)束了，愛麗絲也要愉快地和主角告別了。

暢游之后的紀(jì)念品當(dāng)然不能少，是什么先賣個關(guān)子，不過相信以后看到它時，你一定會對這次探險回味無窮。

其實，在眾多同類廠商清一色地在場地搭建時選用時尚科技風(fēng)格的CJ上，影創(chuàng)科技敢于開啟完全與眾不同的玩法，是因為有著強大的技術(shù)實力支撐。影創(chuàng)科技在此前舉辦的2016夏季新品發(fā)布會上，已經(jīng)對影創(chuàng)Air等智能AR眼鏡的功能和應(yīng)用做了詳細(xì)的介紹。而這次數(shù)臺可直接用于游戲的AR智能眼鏡在CJ上集體亮相，無疑奠定了影創(chuàng)Air作為國內(nèi)唯一一款可量產(chǎn)的全息雙目智能眼鏡在AR游戲江湖的霸主地位。

技藝超群，創(chuàng)意無限，不同凡想，影創(chuàng)帶給大家的驚喜仍將繼續(xù)。
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