虚拟现实中用到的五种定位追踪技术
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2021-06-19 15:17
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本文转自|新机器视觉
虚拟现实中用到的五种定位追踪技术
虚拟现实在仿真环境中当使用者进行位置移动时，计算机可以迅速进行复杂的运算，将精确的动态运动特征传回，从而产生强大的临场感、真实感。要实现该类应用，首先要让计算机感知使用者在虚拟空间中所处的位置，包括距离和角度等，所以说位置追踪技术是虚拟现实技术中的重要组成部分之一。目前常用的定位主要有超声式、光学式、电磁式和机械式四种技术专业方向，当然还有惯性和图像提取的技术方式，同时，不依赖于传感器而直接识别人体人体特征的运动捕捉技术也将很快进入实用，从技术角度来看，运动捕捉就是要测量、跟踪、记录物体在三维空间中的运动轨迹。
1、超声式位置追踪系统(Hexamite超声波定位系统)是利用不同的超声波到达某一特定位置的相位差或是时间差来实现对目标物体的定位和跟踪的，但其会因超声波的反射、辐射或空气的流动造成误差，另外，它的更新频率较低，而且要求超声发射器和超声接收传感器之间没有阻挡。这些因素限制了超声定位的精度、速度和其应用范围。
2、光学式位置追踪系统(PST光学位置追踪系统)是通过对目标物体上特定光点的跟踪和监视来完成运动定位和捕捉任务的。对于空间中的某一点，只要它能同时为两摄像头所见，则根据同一时刻两摄像头所拍摄的图像的不同，可以确定这该点在空间中的位置。光学式位置追踪的主要缺点也是其受视线阻挡的限制，此外，由于其需要对图像进行分析处理，计算量比较大，对处理速度要求较高。
3、电磁式位置追踪系统(Ascension位置追踪系统)，系统主要由电磁发射部分和电磁接收传感器及信号数据处理部分组成。在目标物体附近安置一个由三轴相互垂直的线圈构成的磁场信号发生器，磁场可以覆盖周围一定的范围，接收传感器也由三轴相互垂直的线圈构成，其可以检测磁场的强度，并将检测的信号经处理后送到数据处理部分，信号处理部分经过处理计算就能得出目标物体的六个自由度，即它不但可以获得目标物体的位置信息，还可以获得其角度姿态信息，这些定位信息在实际中是十分重要的。另外，电磁位置追踪的突出优点就是不受视线阻挡的限制，可以在空间中自由移动。但是电磁位置追踪也有缺点，它易受周围电磁环境的干扰，且对金属物体较为敏感。电磁位置追踪系统由于不受视线阻挡，所以可广泛应用于医疗导航、生物力学、运动分析和飞行员头盔定位等领域中。电磁位置追踪系统因其独特的优点，以及在虚拟现实和其它方面中的更加广阔的应用前景，目前世界各国都十分重视，现已成为无线定位技术研究的热点。
目前市面上的虚拟现实仿真定位技术产品主要是：GPS卫星定位、红外定位、激光定位、低功耗蓝牙定位、WiFi定位、超声波定位还有ZigBee定位等等。以下就常用的技术产品简单的介绍：
一、 GPS卫星定位技术
GPS卫星定位技术是应用最广的室外定位技术。GPS系统的基本原理在于利用由多颗工作卫星所组成的太空部分，采用空间距离后方交会的方法，确定待测点的位置。
其拥有全球范围的有效覆盖面积，系统比较成熟，定位服务比较完备，而且免费，可谓是非常理想的室外定位系统。但是其缺点也相当明显：信号受建筑物影响较大，衰弱很大，定位精度相对较低。而且在航线控制区域，它甚至会完全没有信号。所以在VR和精准的飞行器控制方面的应用非常有限。
二、 红外光学定位
应用这类定位技术最具代表性的产品有Opti Track的光学定位摄像头（诺亦腾的定位方案）。这类定位方案的基本原理简单的说就是利用多个红外发射摄像头、对室内定位空间进行覆盖，在被追踪物体上放置红外反光点（就是我们看到的），通过捕捉这些反光点反射回摄像机的图像，确定其在空间中的位置信息。
这类定位系统有着非常高的定位精度，如果使用帧率很高的摄像头的话，延迟也会非常微弱，能达到非常好的效果。它的缺点是造价非常昂贵，且供货量很小。利于一个帧率在120帧的摄像头，也就是刚好能达到VR应用不产生晕眩感的延迟20ms左右，造价就在1000美刀以上了，而要覆盖一个大概5米x5米的定位空间，一般需要6~10个摄像头，成本之高，可想而知。
所以他的应用场景主要在不差钱的影视制作、动画录制等商用方向，而对于我们一般家用基本就不太可能啦。
三、 激光定位
这类定位技术的代表产品为HTC Vive的Lighthouse室内定位技术和G-Wearables的Step VR产品动作捕捉及室内定位系统。基本原理就是利用定位光塔，对定位空间发射横竖两个方向扫射的激光，在被定位物体上放置多个激光感应接收器，通过计算两束光线到达定位物体的角度差，解算出待测定位节点的坐标。
这类定位系统相比之前的两种定位系统的优势在于：
成本低：相对昂贵的红外动作捕捉摄像机，利用激光光塔进行动作捕捉的成本就相对低廉很多了。虽然之前高盛对HTC的产品进行估价高达1000美元左右，但是他集成了HMD及运动手柄，单算到定位系统的价钱可能在400美元左右。而G-Wearables的售价可能更能低至千元人民币以下。
定位精度高：在VR领域，超高的定位精度意味着卓越的沉浸感。激光定位方案的精度可以达到mm级别，也就成就了HTC我们体验到的非常好的震撼的感觉。
四、 可见光定位技术
相比二、三两种解决方案，此类解决方案的价钱可就便宜多了，精度相对来说也低了很多，而且受自然光的影响也比较大。和红外定位相似，可见光定位的方案也是用摄像头拍摄室内场景，但是被追踪点不是用反射红外线的材料，而是主动发光的标记点（类似小灯泡）。不同的定位点用不同颜色进行区分。正是因为这种特性，可追踪点的数量也非常有限。
然而其算法简单、价格便宜、容易扩展的特性，使它成为了目前VR市场上相对比较普及的定位方案。The Void，澳洲的Zero Latency 和很多国内的线下VR体验店目前都采用的这种方案。
五、 低功耗蓝牙定位（iBeacons定位）
iBeacons是苹果公司2013年9月发布的移动设备用的操作系统配备的新功能。它的基本原理简单的说，就是利用有低功耗蓝牙（BLE）通信功能的设备（iPhone手机或其他设备）向周围发送自己特有的ID，接收到该ID的应用软件会根据其携带的信息采取一些动作。比如，在构建有iBeacon的商场，用户带着iPhone，走到某个商户门前，就会自动弹出这个商户相应的促销信息。
这种定位方案定位精度很低，对设备的要求也比较高，不太适用于VR行业的应用。
还有其他一些定位技术，比如Wifi定位、射频识别技术、UWB技术、ZigBee技术等等，但由于定位精度需求差异，在VR领域应用不尽均衡。
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