YVR1的手柄使用了基于紅外光的主動(dòng)式光學(xué)定位追蹤方案，主要是通過頭顯的攝像頭在短曝光圖像上觀測到手柄上紅外光電發(fā)射的紅外光，通過檢測光點(diǎn)并根據(jù)多視圖幾何原理計(jì)算初步的位姿，然后融合產(chǎn)生于手柄IMU（Inertial Measurement Unit）的關(guān)鍵數(shù)據(jù)對手柄進(jìn)行的定位跟蹤。該方案無需像電磁定位或者超聲波定位那樣需要專門的傳感器模組，具有低成本，低功耗的優(yōu)勢。同時(shí)不直接受家庭用戶常見的空氣擾動(dòng)，復(fù)雜電磁環(huán)境的干擾，可以提供極高的定位精度，日益成為消費(fèi)級VR產(chǎn)品手柄定位方案的首選。

1.定位跟蹤框架

基于算法層面，手柄和頭顯通過無線通訊的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。手柄定位跟蹤框架根據(jù)使用IMU數(shù)據(jù)的不同可以分為“集中式計(jì)算”和“分布式計(jì)算”兩種。集中式計(jì)算是直接將IMU的原始數(shù)據(jù)傳輸?shù)筋^顯，通過經(jīng)典的多傳感器融合方式進(jìn)行狀態(tài)估計(jì)，達(dá)到手柄定位跟蹤的目的，但是不能夠直接傳輸高頻的IMU數(shù)據(jù)。分布式計(jì)算是在手柄的寄存器中將IMU的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，將中間結(jié)果傳輸?shù)筋^顯中融合視覺觀測進(jìn)行狀態(tài)估計(jì)。這種框架能夠有效利用高頻的原始數(shù)據(jù)，減少數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓?，提升手柄定位跟蹤的穩(wěn)定性能，但是需要更加精妙的狀態(tài)估計(jì)算法。YVR1將兩種算法的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行了吸收，使手柄定位跟蹤的精度和穩(wěn)定性都有了進(jìn)一步提升。

2.紅外光學(xué)定位

家用環(huán)境下，光學(xué)定位方案易受兩方面影響：1）無線信道干擾導(dǎo)致手柄IMU數(shù)據(jù)傳輸高延遲或丟失；2）環(huán)境干擾光斑會導(dǎo)致手柄紅外燈組光斑檢測低效或失敗。針對無線信道干擾，YVR1在軟件層面設(shè)計(jì)了一套支持自動(dòng)跳頻、高吞吐量的私有2.4G無線通信協(xié)議，保證了手柄在復(fù)雜電磁環(huán)境下，也能穩(wěn)定傳輸高采樣的IMU數(shù)據(jù)。YVR1設(shè)計(jì)了一套環(huán)境光斑和紅外燈光斑區(qū)分出來的方法提升了光斑檢測的精度，效果如圖所示。

同時(shí)，為降低紅外燈在高亮度下的功耗，紅外燈開啟必須和攝像頭曝光同步。這對系統(tǒng)提出了兩大高精度挑戰(zhàn)：1）頭顯四個(gè)攝像頭同步曝光精度；2）紅外燈和攝像頭組曝光同步精度。對此，YVR團(tuán)隊(duì)也給出了相應(yīng)的解決方案：

1）攝像頭同步曝光：XR2攝像頭驅(qū)動(dòng)默認(rèn)使用軟同步方式，同步精度只能保證亞毫秒級，而YVR1采用硬同步方式，四個(gè)攝像頭的曝光統(tǒng)一由外部控制線觸發(fā)，同步誤差趨近于0。如圖：

2）紅外燈和攝像頭組曝光同步：紅外燈和攝像頭組曝光的同步有兩個(gè)特點(diǎn)，一是兩者分屬不同設(shè)備，接著不同的時(shí)鐘源，隨著時(shí)間推移，時(shí)鐘的誤差會不斷積累擴(kuò)大。二是兩者控制路徑太長，并且其中部分階段耗時(shí)受到的干擾因素較多。

為實(shí)現(xiàn)紅外燈和攝像頭組曝光的高精度同步，YVR1設(shè)計(jì)了一套高精度的時(shí)鐘同步協(xié)議，

通過實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)方式和動(dòng)態(tài)時(shí)鐘漂移矯正算法提高了時(shí)間同步的精度。

用戶在體驗(yàn)中，經(jīng)常會有手柄頻繁的移出視野然后回到視野范圍內(nèi)的情況，這種會造成光點(diǎn)不能持續(xù)的進(jìn)行跟蹤。YVR1采用了一種“熱啟動(dòng)”的方法提高手柄定位精度。

3. 長尾跟蹤

用戶在體驗(yàn)中經(jīng)常有手柄移出視野的情況，這種情況下手柄的跟蹤稱為“長尾跟蹤”。為提升長尾跟蹤的精度和穩(wěn)定性，YVR算法團(tuán)隊(duì)采用了多種方法，1)在沒有視覺觀測的情況下只根據(jù)IMU數(shù)據(jù)進(jìn)行長時(shí)間持續(xù)估計(jì)的新算法，2）基于深度學(xué)習(xí)的6DOF融合定位方法。

▲長尾跟蹤如所示，手柄在頭盔的背面

第一種方法需要IMU的零偏需要估計(jì)的非常精準(zhǔn)，并且能夠快速的收斂。YVR1的定位框架能夠在極短時(shí)間內(nèi)快速收斂IMU的零偏，在IMU溫漂補(bǔ)償技術(shù)的加持下使手柄進(jìn)行持續(xù)穩(wěn)定跟蹤。如圖：

▲IMU 陀螺儀零偏的收斂曲線

基于深度學(xué)習(xí)的6DOF融合定位方法，1）能夠有效提升手柄在靜止情況下的穩(wěn)定性能；2）提升手柄光點(diǎn)不在視野范圍內(nèi)跟蹤的穩(wěn)定性，增加有效跟蹤時(shí)間；3）基于深度學(xué)習(xí)的自適應(yīng)算法能夠有效降低IMU的零偏受到溫度、濕度、電流、震動(dòng)和應(yīng)力的影響，提高定位精度。

通過了解算法及軟件層面的技術(shù)問題及YVR團(tuán)隊(duì)在解決方案上的不斷研究，使我們對YVR1的手柄定位準(zhǔn)確技術(shù)有了更深刻的認(rèn)識。好的產(chǎn)品并不是一蹴而就，而是通過不斷探索推動(dòng)產(chǎn)品的發(fā)展與進(jìn)步。關(guān)于YVR的更多說明，敬請期待。