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VR完成空间定位的7种利器(上)

2019-3-22 00:00|公布:河南j9九游会电子科技有限公司|点击数: 783

现有的VR体验馆的构建却还短少了***紧张的一环,便是便宜而机动正确的定位方案。本文将据此论述一些已无方案的优劣。本文分上下篇。

缺失的一环
假造实际刮起的风暴现在曾经愈演愈烈,从五花八门[wǔ huā bā mén]的头盔和眼镜,到种种奇思妙想的交互设置装备摆设,再到内容制造和创建体验馆的实验。越来越多的VR相干从业者和创业者都将The Void,Zero Latency等先辈作为本人下一步赶超的目的,收回了开辟VR主题公园,大概VR主题体验办理方案的宣言。

但是,从微观的角度来看,整个行业也并非开展的好事多磨[hǎo shì duō mó]:VR头盔和眼镜的水准乱七八糟[luàn qī bā zāo],主流产品(比方OculusVR和HTC Vive)尚未完全睁开消耗者市场;VR对体系设置装备摆设的要求很高,相干设置装备摆设随身穿着不易,而挪动端设置装备摆设的渲染则多数力有不逮;而针对体验馆的交互内容怎样制造,互动方法怎样设计,也有诸多不甚清朗的地方。而除此之外,VR体验馆的构建却还短少了***紧张的一环,便是便宜而机动正确的定位方案。

这里所说的定位,便是确定体验馆中的到场者在场馆中的相对空间地位,并反应到一切到场游戏的玩家和游戏办事器上,进而实行群体游戏所必须的种种游戏逻辑。

比方,当一位玩家接近树林的边沿时,一头蓄谋已久的饿狼会蓦地扑出来;又好比多位玩家睁开一场假造实际的真人CS大赛,相互射击与展开战术。假如玩家在游戏园地内的地位无法失掉无效辨认,那么响应的兴趣和庞大度天然也就少了许多,大概只是来一场***人称的定点射击游戏罢了。而定位的精度和速率也相对不容无视,20cm的偏差大概就决议了射出的子弹能否能穿透假造仇人的胸膛,而定位自己带来的耽误,异样也会给假造实际玩家的现场感带来宏大的影响,乃至成为3D晕动症的爪牙。


但是,纵观如今市道市情上五花八门[wǔ huā bā mén]的VR空间定位方案,却并没有哪家可以提供充足成熟波动的技能完成,亦大概用宏大的本钱以及机动度的丢失作为价钱,构建并不可功的Demo作品。如许的水平我害怕还远远不克不及称之为办理方案,也远远无法满意浩繁体验馆从业者的胃口。那么,好的定位方案该当以怎样的尺度作为本人的目的?整个行业缺失的救世主又能否曾经到来呢?本文将实验对此略加论述。


(一)体感摄像头

客岁底,日本新宿的富贵地段举行了一次为期只要一天的VR体验,经过头戴Gear VR表现一个假造雪山场景,同时搭建了实体的吊桥道具,并经过电扇和冷空调来模仿冰冷的山巅情况。体验者在吊桥上小心翼翼[xiǎo xīn yì yì]地行进,***终在园地的尽头地位拿到属于本人的奖品——来自经销商的一杯热饮。

这个别验游戏的庞大度并不高,见效却非常明显。而此中不行或缺的一环便是判别玩家在吊桥下行走的地位,然后对Gear VR中渲染的场景做出对应的处置。而在统一个宣传视频中,j9九游会不难发明如许一丝眉目:

很显然这是一台微软的Kinect2体感设置装备摆设,它可以经过TOF(航行工夫)盘算的办法,获取传感器出射光芒遇到物体反射后的相位差,从而失掉设置装备摆设与实践场景之间的间隔值,也便是深度值(depth)。由此构成的深度图像不但可以用来判别物体绝对体感设置装备摆设的地位,还可以进一步失掉物体的点云数据,乃至是脚色的骨骼信息。***紧张的是,Kinect2自己只是XBox One游戏机的可选外设,因而要买到它而且用来做VR内容的复杂空间定位,绝不会破费太多的本钱。

不外,物美价廉的统一面便是差强者意的功能参数,30fps的革新频率一定让人可以比力分明地感觉到定位后果的耽误(固然这种耽误相比头盔的耽误来说,给人的影响更小),而且Kinect的视场角只要60度左右,***大辨认范畴一样平常来说为3-4米。在这个地区内可以辨认***多6团体的地位信息,而且他们在Kinect的视场范畴内不克不及有太多的重叠,以免漏测(如上图所示)。显然,这些苛刻的限定条件让j9九游会很难想象出一个比爬雪山喝咖啡更庞大的游戏了,不外至多这是一个不错的开端。

(二)光学定位与图像辨认

有一则客岁的新闻,在大少数VR从业者耳中应该不会生疏:来自澳大利亚的Zero Latency成为了全天下***家假造实际游戏体验中心,它占地400平方米左右,由129个PS Eye摄像头构成,同时支持6名玩家同场举行游戏……

没错,这个别验中心相比之前的VR使用,其***大的卖点便是可以在假造空间中自在行走。而PS Move设置装备摆设(包罗PS Eye摄像头,以及配备了标志光球的Move手柄)则是这一技能的中心地点。

如之前的游戏结果图所示,差别颜色的光球在PS Eye摄像头中可以出现出明显差别于配景画面的图像,从而利便j9九游会经过盘算机视觉(CV)算法将它提取出来。固然,仅有一个PS Eye摄像头的话,是无法失掉玩家的三维空间信息的。此时必要有不止一个摄像头去捕获玩家的光球在屏幕空间的地位,然后经过空中三角丈量的算法,获得玩家活着界坐标系当中的真实地位。

这里天然又带出了两个不小的题目:

一、怎样正确而波动地从摄像头画面里判别和区分差别的光球(标志点);

二、怎样晓得摄像头自己活着界空间的地位和姿势,从而准确推算玩家的地位和姿势。

为理解决这里所述的***个题目,曾经充足让有数开辟者绞尽脑汁、前仆后继[qián pú hòu jì]了。经过颜色来区分标志点的方案固然是可行的,不外假如摄像头里呈现了另一品种似颜色的搅扰物呢?大概现场便是一片花花绿绿的情况怎样办?这种时分,误辨认我害怕是很难制止的。因而,一批光学举措捕获供给商站了出来,他们选择接纳红外摄像头作为辨认的替换方案。

这里固然***推老牌的OptiTrack,他们接纳了帧速率大于100Hz的专业摄像头,而且接纳了全局快门体系,因此无效制止了高速活动的物体在画面上呈现活动含糊的征象。在摄像头的四周接纳红外LED举行补光,而且接纳高反射率的材质来制造玩家佩带的标志点。由于红外摄像头自己曾经屏障了大局部的可见光信息,因而标志点在画面中就会显得格外分明。除非有人用别的的红外光源来举行搅扰,不然简直不行能呈现误判别的情况。

依据现在已知的一些信息,包罗The Void主题公园,以及诺亦腾的Project Alice,都是接纳了OptiTrack的空间定位方案,这也无疑证明白这种方案的牢靠性。只是与之绝对的,每每是奋发的本钱(如下图,一台摄像头的代价都因此数万人民币盘算的,而构建一个规矩空间最少必要4台如许的摄像头,以及软件体系)。

不外,既然利用了不发光的标志球替换PS Move的光球方案(如许的另一个利益是,不必思索怎样给标志球供电的题目),那么怎样区分标志球的ID,进而区分游戏中的多个玩家呢?办法也有多种,比方经过对反射率的调解,让标志球在摄像头画面中表现差别的亮度;大概接纳差别的组合方法,让一组光球在画面中出现出***的组合形状,如下图所示:

而之前所说的第二个题目:怎样晓得摄像头自己活着界空间的地位和姿势。现实上是经过事后标定(calibration)的方法来完成的。体验馆的搭建者事后将每台摄像机安置到牢固的地位,然后逐一察看它们的画面表现。经过已知地位姿势的一些标志物来推算每台摄像机的地位姿势,而且保管上去。这一历程无疑是繁琐而单调的,尤其当你必要动辄设置装备摆设上百台摄像机的时分。而设置完成之后,怎样制止摄像机被再次挪动,大概由于场馆布局题目而产生震惊和偏移,这又是每一位开辟者所不得不面临的设置装备摆设维护困难。

不外,由于光学定位的办法具有相称的正确度和波动性,经过摄像头参数的调校也可以到达很低的耽误,而且在实际上可以扩展到无穷的空间,因而它也的确成为了现在许多VR体验馆搭建者的***选。但是,经过标志点来辨认多名玩家照旧具有很大的范围性,由于标志点不行能无穷组合下去,两组标志点靠得过近的话(比方背靠背作战的两位玩家),也很容易产生误测大概无法辨认的情况。别的,过于庞大的场馆情况也会让标志点更容易被停滞物遮挡,从而产生漏测题目,因而现在j9九游会所见的多家接纳光学定位的体验馆,都是在一个空阔的规矩房间内举行游戏的。

(三)激光雷达

激光自己具有十分准确的测距才能,其测距精度可达毫米,一样平常罕见的这天本HOKUYO北阳电机和德国SICK西克等专业***域的大厂所产的二维激光雷达。

二维的意思也便是如许的激光雷达所收回的光是一个扇形立体,而种种用来做测绘用处大概修建业用作三维重修的三维激光雷达,则是如许的二维激光雷达又加了一个维度做旋转,从而失掉三维空间的后果。

激光雷达包罗一个单束窄带激光器和一个吸收体系。激光器发生并发射一束光脉冲,打在物体上并反射返来,***终被吸收器所吸收。吸收器正确地丈量光脉冲从发射到被反射回的传达工夫,即TOF(Time of Flight)。由于光脉冲以光速传达,以是吸收器总会在下一个脉冲收回之前收到前一个被反射回的脉冲。鉴于光速是已知的,传达工夫即可被转换为对间隔的丈量。由于因此光速为尺子来丈量的,以是激光雷达的精度一样平常都相称的高,在室内场所下用,偏差都在毫米***别。

二维激光雷达实践上也是由一维的单束激光器在一个旋转底座上旋转起来所构成的扇面,一个二维激光雷达可以以自已为中心,以几十米为半径画扇面举行丈量,以是假如在这个地区内有人运动的话,激光雷达就可以准确的晓得一团体的地位并输入给电脑利用。固然,激光雷达通常也可以用做呆板人研讨的避障传感器。

旋转底座旋转的快慢也是分许多规格的,因而激光雷达也会有扫描频率的区分,正常来说,几十赫兹的扫描频率充足j9九游会在VR当中做地位探测来用了。

但激光雷达的事情原理对元器件要求高,通常又是事情在十分严苛的条件下,自己就要求防水防尘和数万小时无端障的高牢靠性。因而消费本钱并方便宜。并且扫描频率越高,探测间隔越远(也便是发射功率越大)的激光雷达,代价也就越贵。以是二维激光雷达的代价就已不菲(近万元到数万元不等),而用作测绘的机载三维激光雷达就不是一样平常人能问津的了(几十万至百万)。

除了代价要素,激光雷达用作定位还存在一个次要的题目是: 由于从激光器收回的是一个扇形光,以是假如有一大堆活动物体相互拥堵着在一同的时分,相互会有掩藏,后边的物体处在前边物体的“暗影区”当中,招致探测不到。并且激光雷达只能测距,不克不及辨认物体的ID,因而,就算不思索代价要素,也比力合适单情面况下游玩,假如想要群体的话,照旧得接纳其他方案。

(四)HTC Vive:Light House

这段工夫里,HTC Vive的出售成为了整个业界的一大新闻。而它所接纳的一种差别于光学的定位方法也是人们津津有味[jīn jīn yǒu wèi]的地方。HTC Vive包罗三大局部,自己充满了红外传感器的头盔和手柄,以及用作定位的Light House。游戏者事后将Light House部署到一个空房子的两个角落中,这两个Light House相称于两个牢固的激光发射基站,如下图所示。

Light House的后盖翻开后,内里如许的:

那片密密层层[mì mì céng céng]的LED便是用来同步的光束。两个圆柱体则是旋转的一字激光器。一个是X轴扫掠,另一个是Y轴扫掠。两个激光器有牢固的180度相位差,也便是说,A亮的时分B不亮,B亮的时分A不亮。

而手柄和头盔上都有牢固地位安置的光敏传感器:

这套体系的详细事情流程分为三步:

1、同步:LED灯板全体亮一次,手柄和头盔的传感器一同被照射,作为同步信号。

2、X轴扫描:横向的一字激光器照弓手柄和头盔上的光敏传感器。

3、Y轴扫描:竖向的一字激光器照弓手柄和头盔上的光敏传感器。

头显和控制器上安置了许多光敏传感器。在基站的LED闪光之后就会主动同步一切设置装备摆设的工夫,然后激光开端扫描,此光阴敏传感器可以丈量出X轴激光和Y轴激光辨别抵达传感器的工夫。

换句话说,激光扫擦过传感器是有先后次序的,因而头显上的几个传感器感知信号的工夫存在一个先后干系,于是各个传感器绝对于基站的X轴和Y轴角度也就已知了;而头显和手柄上安置传感器的地位曾经提早标定过,地位都是牢固的。如许依据各个传感器的地位差,就可以盘算出头显和手柄的地位和活动轨迹了。

Light House的***大上风在于,它必要的盘算量十分少。这就不像CV视觉体系那样必要先成像,然后经过软件将成像中的***征辨别出来,成像的细节越丰厚,必要的图像处置才能就越高。Light House利用的仅仅是光敏器件,无需成像,也就不触及到少量盘算和图像处置,制止了功能消耗和不波动的大概。

另一方面来说,盘算量大每每也就意味着耽误会更高,并且无法经过嵌入式处置器来完成运算。而Light House由于运算量小,因而嵌入式体系可以本人盘算和处置,再间接将地位数据传输到PC上,浪费了少量泯灭在传输和处置上的延时。

不外,固然Light House是迄今为止体验***好的VR交互定位设置装备摆设,但由于激光对人眼宁静照射功率的限定等题目,它可以掩盖的间隔比力有限,大约也便是5M* 5M 见方的一个地区,而且不克不及有过多的遮挡物招致吸收不到信号。而且这种设置装备摆设的安置调试照旧比力繁琐的,关于一样平常用户来说大概照旧比力难的。



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