VR光學(xué)跟蹤方案之“Lighthouse”追蹤系統(tǒng)技術(shù)

頭部追蹤是VR頭顯非常重要的技術(shù)指標(biāo)，最傳統(tǒng)的方法是使用慣性傳感器，但慣性傳感器只能追蹤頭部的轉(zhuǎn)動(dòng)，要想追蹤頭部的位移，需引入光學(xué)系統(tǒng)。Valve的Lighthouse追蹤系統(tǒng)是目前較好的VR光學(xué)跟蹤方案。
　　Lighthouse是基于一組傳感器，能監(jiān)測(cè)配套基站激光束的跟蹤系統(tǒng)，為HTC Vive提供Room Scale房型虛擬現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)，通過(guò)VR頭顯和控制器追蹤定位空間。
　　Lighthouse追蹤技術(shù)
　　Lighthouse由兩個(gè)基站構(gòu)成，每個(gè)基站里有一個(gè)紅外LED陣列，兩個(gè)轉(zhuǎn)軸互相垂直的旋轉(zhuǎn)的紅外激光發(fā)射器。激光基站的工作原理是基于Lighthouse 的長(zhǎng)期無(wú)漂移（drift-free ）位置追蹤技術(shù)。每個(gè)Lighthouse基站包含兩束激光。一個(gè)是水平的激光（基站的坐標(biāo)系統(tǒng)）從下到上（位于基站前方）橫掃追蹤的數(shù)量；另一束激光是垂直的從左到右橫掃追蹤數(shù)量。兩束激光在各種的軸以3600 rpm速度旋轉(zhuǎn)。兩束激光在同一基站只能有一個(gè)激光扇面可以對(duì)整個(gè)定位空間進(jìn)行掃描。
　　
　　但是該定位追蹤準(zhǔn)確嗎？Oliver Kreylos，計(jì)算機(jī)科學(xué)博士同時(shí)是加州大學(xué)戴維斯分校的一位VR研究員，有多年虛擬現(xiàn)實(shí)數(shù)據(jù)可視化研究經(jīng)驗(yàn)，對(duì)Lighthouse追蹤系統(tǒng)進(jìn)行了深度解析。
　　更多的基站意味著更加準(zhǔn)確的追蹤
　　
　　基站是Lighthouse追蹤系統(tǒng)的基礎(chǔ)。它使用水平和垂直激光交替掃描檢測(cè)HTC Vive頭顯和SteamVR控制器，同時(shí)頭顯和控制器里面的小型傳感器會(huì)檢測(cè)經(jīng)過(guò)的激光。然后系統(tǒng)巧妙地整合了所有的數(shù)據(jù)用來(lái)確定設(shè)備的轉(zhuǎn)動(dòng)和3D空間的位置。每個(gè)設(shè)備中裝載的高速IMUs被用來(lái)協(xié)助定位追蹤。
　　Kreylos試圖測(cè)量系統(tǒng)的“抖動(dòng)”，即完全靜止站立的測(cè)量物體（指頭顯）在測(cè)量時(shí)所產(chǎn)生的誤差。隨著時(shí)間的推移，通過(guò)3D空間的追蹤系統(tǒng)在每個(gè)位置的讀數(shù)，他能夠測(cè)量每個(gè)軸上讀數(shù)的數(shù)量。
　　
　　Kreylos通過(guò)兩個(gè)基站追蹤Vive頭顯發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的抖動(dòng)誤差約為0.3mm，這意味著對(duì)于追蹤系統(tǒng)而言，頭顯似乎在空間領(lǐng)域中都會(huì)有0.3mm的誤差（盡管在現(xiàn)實(shí)中頭顯是完全靜止的）。
　　幸運(yùn)的是，這個(gè)亞毫米級(jí)抖動(dòng)誤差很小，以至于當(dāng)我們戴著頭顯的時(shí)候是感受不到的。
　　有趣的是，Kreylos發(fā)現(xiàn)當(dāng)只一個(gè)基站覆蓋的時(shí)候，抖動(dòng)仍然為0.3mm，而當(dāng)軸指向另一個(gè)基站的時(shí)，誤差會(huì)達(dá)到2.1mm。
　　這意味著兩個(gè)基站同時(shí)被檢測(cè)到的時(shí)候，Lighthouse可以更加精確地追蹤物體。未來(lái)Vive頭顯可能會(huì)添加傳感器為了在任何時(shí)候看到基站。
　　精確度和準(zhǔn)確度
　　Kreylos試圖同時(shí)測(cè)量Lighthouse的精確度和準(zhǔn)確度。他解釋精確度測(cè)量是“在空間中對(duì)同一個(gè)點(diǎn)多次測(cè)量的結(jié)果相似度”，準(zhǔn)確度是指：“在空間中對(duì)一個(gè)點(diǎn)的測(cè)量和真實(shí)的點(diǎn)位置的相似度”。
　　正如所有好的科學(xué)家，Kreylos首先解釋了測(cè)量的方法：
　　我把一個(gè)36英寸的尺子放在地板上，位于追蹤空間的中心，然后用我附在其中一個(gè)追蹤控制器的小型探針針尖來(lái)標(biāo)識(shí)出每1英寸的3D位置（位于控制器的本地坐標(biāo)系的探針針尖位置，是對(duì)點(diǎn)進(jìn)行重復(fù)測(cè)量的關(guān)鍵，這是源于一個(gè)簡(jiǎn)單的校準(zhǔn)程序）。接下來(lái)，我把每個(gè)三維點(diǎn)的測(cè)量結(jié)果與“理想”的三維點(diǎn)進(jìn)行比較。這個(gè)理想的三維點(diǎn)是通過(guò)非線性點(diǎn)集的對(duì)準(zhǔn)算法在一些任意坐標(biāo)系中生成每一個(gè)點(diǎn)的理論位置。