vr內(nèi)向外和外向內(nèi)定位追蹤的原理與發(fā)展趨勢(shì)詳解

現(xiàn)在的移動(dòng)VR已經(jīng)不再像以前那樣令人感到暈眩惡心。當(dāng)然，現(xiàn)在我們尚不能實(shí)現(xiàn)跟Oculus Rift和PSVR相近的質(zhì)量。但技術(shù)正在迅速發(fā)展，這允許我們剪掉煩人的線纜。但移動(dòng)VR的繁榮更為我們帶來(lái)了對(duì)虛擬世界6自由度的新思考。

能自由在空間中漫步（存在一定限制）使得HTC Vive成為當(dāng)前市場(chǎng)上最具吸引力的系統(tǒng)，但所使用的定位追蹤并不一定適合所有人。Oculus提供了類似的功能，但他們正在研究一種內(nèi)向外追蹤（inside-out tracking），無(wú)需纜線，可提供更多的移動(dòng)性。事實(shí)上，我們已經(jīng)在去年的OC3大會(huì)上體驗(yàn)過(guò)Santa Cruz原型。

你或許已經(jīng)聽說(shuō)過(guò)內(nèi)向外（inside-out）和外向內(nèi)（outside-in）追蹤，你甚至可能還知道它們的具體含義。但兩者具體的優(yōu)缺點(diǎn)又是什么呢？我們?cè)谖磥?lái)10年內(nèi)又將會(huì)使用哪種追蹤方式呢？

1. 外向內(nèi)追蹤（Outside-In）

如果你嘗試過(guò)"三大"系統(tǒng)（Oculus Rift、HTC Vive和PSVR），那你已經(jīng)體驗(yàn)過(guò)外向內(nèi)追蹤。頭顯和配件都由外部設(shè)備進(jìn)行追蹤。Vive是通過(guò)Steam定位器（Lighthouse）進(jìn)行追蹤，而Oculus Rift則通過(guò)像麥克風(fēng)一樣的傳感器進(jìn)行追蹤，PSVR跟Oculus系統(tǒng)類似。

在三種設(shè)置中，傳感器都需要放置在房間中的不同位置，然后識(shí)別頭顯相對(duì)于環(huán)境的位置。雖然這在高端系統(tǒng)中十分常見，但部分移動(dòng)VR同樣在實(shí)驗(yàn)外向內(nèi)追蹤解決方案。

優(yōu)點(diǎn)

·外向內(nèi)解決方案保持固定，是當(dāng)前精度最高的系統(tǒng)。你還可以在房間中添加更多的追蹤器以提高準(zhǔn)確度。

·當(dāng)前外向內(nèi)追蹤的時(shí)延更低，這會(huì)減少你出現(xiàn)暈動(dòng)癥的幾率。除非其他解決方案能實(shí)現(xiàn)相近的追蹤質(zhì)量，否則外向內(nèi)追蹤將會(huì)繼續(xù)成為最強(qiáng)大的追蹤解決方案。因此，這種追蹤方案對(duì)移動(dòng)VR同樣存在一定的優(yōu)勢(shì)。

缺點(diǎn)

·一個(gè)主要的限制在于遮擋。如果你突然走到沙發(fā)或高大植物的背后，遠(yuǎn)離傳感器的視距，系統(tǒng)將會(huì)難以追蹤你的具體位置。傳感器需要有效地對(duì)你進(jìn)行360度追蹤，否則系統(tǒng)將會(huì)丟失對(duì)你的追蹤。

·另一個(gè)主要問(wèn)題是傳感器的限制。跟內(nèi)而外追蹤不同，你需要一直維持在傳感器視場(chǎng)范圍之內(nèi)。一旦你超出范圍，沉浸感就會(huì)被打破。如果VR設(shè)置的空間有限，這個(gè)問(wèn)題將會(huì)更加突出。

2.內(nèi)向外追蹤（Inside-Out）

在這種情景下，設(shè)備本身集成了追蹤器，可以檢測(cè)設(shè)備相對(duì)于外部環(huán)境位置而變化。當(dāng)頭顯移動(dòng)時(shí)，傳感器會(huì)重新調(diào)整房間中位置的坐標(biāo)，這樣給人的感覺(jué)是你正在虛擬環(huán)境中實(shí)時(shí)移動(dòng)。內(nèi)向外追蹤可以使用標(biāo)記或不使用標(biāo)記。雖然像小鳥Neo CV這樣的頭顯可以讓你自由地使用，但你也可以回顧一下Valve demo演示室的圖片。為協(xié)助內(nèi)而外追蹤，他們?cè)趬Ρ谏细采w了許多空白標(biāo)記。

現(xiàn)在已經(jīng)有企業(yè)提供極具吸引力的內(nèi)向外追蹤解決方案，包括高通的835參考頭顯。Eonite同樣展示了他們的內(nèi)向外解決方案，他們把一個(gè)傳感器附在HTC Vive頭顯上，雖然頭顯仍需要纜線連接至電腦，但我們可以自由地在虛擬世界中漫步，無(wú)需任何外部傳感器。最知名的應(yīng)該是微軟，HoloLens和即將上市的s混合現(xiàn)實(shí)頭顯都將集成內(nèi)向外追蹤，包括宏碁"混合現(xiàn)實(shí)"頭顯。

優(yōu)點(diǎn)

·自由！有了內(nèi)向外追蹤，你將不局限于一個(gè)游玩空間。移動(dòng)性會(huì)增加，而虛擬現(xiàn)實(shí)會(huì)感覺(jué)更加真實(shí)。

·對(duì)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)和混合現(xiàn)實(shí)來(lái)說(shuō)，內(nèi)向外追蹤將變得至關(guān)重要，因?yàn)槲覀冃枰到y(tǒng)提供更多的移動(dòng)性。

缺點(diǎn)

·精度和時(shí)延。內(nèi)向外追蹤需要優(yōu)秀的計(jì)算機(jī)視覺(jué)，但這種技術(shù)目前落后于外向內(nèi)追蹤，但現(xiàn)在正在靠近目標(biāo)。

·頭顯必須完成所有的計(jì)算任務(wù)，所以對(duì)設(shè)備的性能要求十分高。

3.未來(lái)走向

完全準(zhǔn)確的內(nèi)向外追蹤是所有"現(xiàn)實(shí)"的圣杯。畢竟，當(dāng)你在虛擬現(xiàn)實(shí)中探索一個(gè)浩瀚無(wú)垠的宇宙時(shí)，誰(shuí)希望會(huì)突然撞到一臺(tái)電腦桌呢？

Moore Insights&Strategy的VR分析師安歇爾·沙格（Anshel Sag）表示："我認(rèn)為我們只會(huì)在高端桌面PC中看到外向內(nèi)追蹤的存在，而在轉(zhuǎn)至內(nèi)向外追蹤之前很有可能是最后一種解決方案。"

"我相信我們將會(huì)看到可以加速內(nèi)向外追蹤發(fā)展的新追蹤方案，但現(xiàn)在尚未出現(xiàn)。最終，諸如VR和AR這樣的技術(shù)將會(huì)整合在一起，而內(nèi)置追蹤方案存在優(yōu)勢(shì)的理由有很多，尤其是對(duì)AR來(lái)說(shuō)。大部分原因跟移動(dòng)性和功耗有關(guān)，這兩者都是當(dāng)前大部分缺乏內(nèi)向外追蹤的VR解決方案的痛點(diǎn)。"

或許未來(lái)的解決方案不需要在技術(shù)上實(shí)現(xiàn)飛躍，而是利用人類本身的弱點(diǎn)。一種有趣的運(yùn)動(dòng)技術(shù)被稱為"重定向行走"，這主要是利用了人類無(wú)法走在一條直線上的原理。沒(méi)錯(cuò)，如果你不相信，你可以讓你的小伙伴蒙住眼睛向前走，那時(shí)你就會(huì)明白。

這意味著有可能操縱某人的軌跡，讓他們相信自己仍然走在一條直線上。雖然在現(xiàn)實(shí)世界中是一個(gè)弱點(diǎn)，但在虛擬世界中能成為定位追蹤的一個(gè)優(yōu)勢(shì)。

下面是此前報(bào)道的關(guān)于重定向行走的例子。一個(gè)半徑至少為22米的圓弧被用來(lái)欺騙人們，用戶會(huì)以為自己一直走在直線上。但問(wèn)題是，我們需要足夠大的游玩空間才能發(fā)揮作用，但對(duì)定位追蹤來(lái)說(shuō)，"無(wú)限走廊"是一種值得探索的技術(shù)。

雖然內(nèi)向外追蹤已經(jīng)開始浮現(xiàn)，但諸如Daydream VR和三星Gear VR尚未使用這種技術(shù)。但相信假以時(shí)日，未來(lái)的移動(dòng)頭顯將會(huì)集成內(nèi)向外追蹤。這是空間追蹤的邏輯發(fā)展方向，尤其是考慮到AR的潛能和要求。約翰·卡馬克在2014年發(fā)布推文稱，他正在研發(fā)內(nèi)向外追蹤，但由于"所有人都在懷疑這是否有效，所以不要期望太大。"現(xiàn)在，內(nèi)向外追蹤感覺(jué)更像是一種必然的趨勢(shì)。

在谷歌召開的一場(chǎng)新聞發(fā)布會(huì)上，筆者有幸跟谷歌Tango的工程部經(jīng)理JohnnyLee(強(qiáng)尼·李)進(jìn)行了一次談話。Tango是谷歌旗下專門研究3D位置追蹤的一個(gè)現(xiàn)實(shí)增強(qiáng)項(xiàng)目，而他們的研發(fā)成果inside-out位置追蹤系統(tǒng)目前已經(jīng)能夠應(yīng)用在最新推出的應(yīng)用程序上。交談中通過(guò)強(qiáng)尼的描述，筆者還了解到，這項(xiàng)技術(shù)的出現(xiàn)，將能成功解決時(shí)下最新的無(wú)線VR設(shè)備上關(guān)于實(shí)時(shí)位置追蹤的問(wèn)題。

Tango宣傳視頻

"目前我們已經(jīng)大體上解決了這個(gè)問(wèn)題。"強(qiáng)尼說(shuō)道，"目前Tango開發(fā)的程序已經(jīng)在聯(lián)想Lenovo Phab 2 Pro智能手機(jī)上成功運(yùn)行。這款實(shí)時(shí)位置的應(yīng)用能夠完美的適配這款手機(jī)。此外，我們?cè)谄桨逶O(shè)備上也進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果證明位置追蹤技術(shù)同樣適用。目前唯一困擾我們的主要是機(jī)身發(fā)熱的問(wèn)題，我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)用戶在手機(jī)上運(yùn)行這款位置追蹤應(yīng)用程序的時(shí)候，機(jī)身的溫度會(huì)迅速升高，此外，手機(jī)屏幕上的圖像顯示會(huì)變得非常不穩(wěn)定。不過(guò)我們相信，隨著谷歌白日夢(mèng)設(shè)備以及Tango位置追蹤技術(shù)的不斷成熟，這一問(wèn)題將會(huì)在未來(lái)的2到3年內(nèi)得到解決。"

不過(guò)，當(dāng)我們問(wèn)到究竟什么時(shí)候才能完全解決這一問(wèn)題，從而讓這項(xiàng)新技術(shù)商業(yè)化，并投入對(duì)于VR設(shè)備的應(yīng)用中時(shí)，強(qiáng)尼對(duì)此沒(méi)有發(fā)表評(píng)論。

Tango的產(chǎn)品經(jīng)理也對(duì)強(qiáng)尼的發(fā)言表示同意。他認(rèn)為這一問(wèn)題最終一定會(huì)得到攻克，不過(guò)目前還有很多的技術(shù)困難需要一段時(shí)間去思考和解決。

目前市面上流行的高端VR產(chǎn)品,包括Oculus Rift,Playstation VR,HTC Vive,他們使用的位置感應(yīng)追蹤系統(tǒng)都是從外向內(nèi)的，也就是說(shuō)，要達(dá)到位置追蹤的效果，它們需要接收某種外界的感應(yīng)器發(fā)來(lái)的信息，比如相機(jī)，激光，傳感器等，而不能自發(fā)的單憑VR頭顯進(jìn)行追蹤。一旦失去了外界的支持，它們也就是去了高級(jí)追蹤的功能，只能像移動(dòng)端匹配的谷歌Cardboard、三星Gear VR那樣進(jìn)行簡(jiǎn)單的限于前后左右的操作。

因此，只有inside-out位置追蹤系統(tǒng)才能真正實(shí)現(xiàn)VR設(shè)備"無(wú)線"化，并且支持更多更為強(qiáng)大的功能，而這也是目前VR技術(shù)開發(fā)所追求的目標(biāo)。幾乎所有的VR公司都想做第一家在這個(gè)領(lǐng)域做出真正突破的公司，在今年的Oculus Connect大會(huì)上，臉書就已經(jīng)公布了代號(hào)為"Santa Cruz"的原型，而微軟也利用旗下的HoloLens追蹤系統(tǒng)把這個(gè)技術(shù)帶到有線的VR設(shè)備上。除此之外，像高通、因特爾等公司也都在致力于解決VR設(shè)備無(wú)線化的問(wèn)題。

在行業(yè)內(nèi)較早的提出創(chuàng)新"主題公園及博物館"，"高新科技游客中心"，"物業(yè)銷售展示廳" ，"智慧展館" 和 "第一太平洋創(chuàng)新平臺(tái)"的概念，并率先完成了多項(xiàng)創(chuàng)新解決方案，并在新建項(xiàng)目及舊館改造中開始實(shí)施。

"第一太平洋創(chuàng)新平臺(tái)" 經(jīng)過(guò)近十年、百余個(gè)遍于國(guó)外內(nèi)各省市各型展館多媒體總包項(xiàng)目的實(shí)踐，完善了從策劃、設(shè)計(jì)到研發(fā)、安裝實(shí)施的團(tuán)隊(duì)建設(shè)、專利技術(shù)和上下游資源整合。順應(yīng)行業(yè)發(fā)展新趨勢(shì)，努力做到創(chuàng)新技術(shù)的突破者，創(chuàng)新展示多媒體技術(shù)的領(lǐng)跑者。