VR設(shè)備中常見的五大動作捕捉及空間定位技術(shù)對比
在目前的消費級VR設(shè)備中,除了三大(HTC vive、Oculus rift、PS VR)頭顯外,大部分的VR頭顯都不具備配套的體感交互(需要第三方設(shè)備),而正因為缺少了體感交互,使得這些設(shè)備未能構(gòu)成完善的虛擬現(xiàn)實體驗。
本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/201710/367552.htm支持體感交互的VR設(shè)備能有效降低暈動癥的發(fā)生,并大大提高沉浸感,其中最關(guān)鍵就是可以讓你的身體跟虛擬世界中的各種場景互動。在體感交互技術(shù)中又可以細(xì)分出各種類別及產(chǎn)品,比如:體感座椅、跑步機、體感衣服、空間定位技術(shù)、動作捕捉技術(shù)等。
下面主要來聊聊關(guān)于VR目前市面上常見的動作捕捉及空間定位技術(shù)。
1.激光定位技術(shù)
基本原理就是在空間內(nèi)安裝數(shù)個可發(fā)射激光的裝置,對空間發(fā)射橫豎兩個方向掃射的激光,被定位的物體上放置了多個激光感應(yīng)接收器,通過計算兩束光線到達(dá)定位物體的角度差,從而得到物體的三維坐標(biāo),物體在移動時三維坐標(biāo)也會跟著變化,便得到了動作信息,完成動作的捕捉。
代表:HTC Vive - Lighthouse定位技術(shù)
HTC Vive的Lighthouse定位技術(shù)就是靠激光和光敏傳感器來確定運動物體的位置,通過在空間對角線上安裝兩個高大概2米的“燈塔”,燈塔每秒能發(fā)出6次激光束,內(nèi)有兩個掃描模塊,分別在水平和垂直方向輪流對空間發(fā)射激光掃描定位空間。
HTC Vive的頭顯和兩個手柄上安裝有多達(dá)70個的光敏傳感器,其通過計算接收激光的時間來得到傳感器位置相對于激光發(fā)射器的準(zhǔn)確位置,利用頭顯和手柄上不同位置的多個光敏傳感器從而得出頭顯/手柄的位置及方向。
優(yōu)缺點
激光定位技術(shù)的優(yōu)勢在于相對其他定位技術(shù)來說成本較低,定位精度高,不會因為遮擋而無法定位,寬容度高,也避免了復(fù)雜的程序運算,所以反應(yīng)速度極快,幾乎無延遲,同時可支持多個目標(biāo)定位,可移動范圍廣。
不足的是,其利用機械方式來控制激光掃描,穩(wěn)定性和耐用性較差,比如在使用HTC Vive時,如果燈塔抖動嚴(yán)重,可能會導(dǎo)致無法定位,隨著使用時間的加長,機械結(jié)構(gòu)磨損,也會導(dǎo)致定位失靈等故障。
2.紅外光學(xué)定位技術(shù)
這種技術(shù)的基本原理是通過在空間內(nèi)安裝多個紅外發(fā)射攝像頭,從而對整個空間進(jìn)行覆蓋拍攝,被定位的物體表面則安裝了紅外反光點,攝像頭發(fā)出的紅外光再經(jīng)反光點反射,隨后捕捉到這些經(jīng)反射的紅外光,配合多個攝像頭工作再通過后續(xù)程序計算后便能得到被定位物體的空間坐標(biāo)。
代表: Oculus Rift 主動式紅外光學(xué)定位技術(shù)+九軸定位系統(tǒng)
與上述描述的紅外光學(xué)定位技術(shù)不同的是,Oculus Rift采用的是主動式紅外光學(xué)定位技術(shù),其頭顯和手柄上放置的并非紅外反光點,而是可以發(fā)出紅外光的“紅外燈”。
然后利用兩臺攝像機進(jìn)行拍攝,需要注意的是,這兩臺攝像機加裝了紅外光濾波片,所以攝像機能捕捉到的僅有頭顯/手柄上發(fā)出的紅外光,隨后再利用程序計算得到頭顯/手柄的空間坐標(biāo)。
相比紅外光學(xué)定位技術(shù)利用攝像頭發(fā)出的紅外光再經(jīng)由被追蹤物體的反射獲取紅外光,Oculus Rift的主動式紅外光學(xué)定位技術(shù),則直接在被追蹤物體上安裝紅外發(fā)射器發(fā)出紅外光被攝像頭獲取。
另外Oculus Rift上還內(nèi)置了九軸傳感器,其作用是當(dāng)紅外光學(xué)定位發(fā)生遮擋或者模糊時,能利用九軸傳感器來計算設(shè)備的空間位置信息,從而獲得更高精度的定位。
優(yōu)缺點
標(biāo)準(zhǔn)的紅外光學(xué)定位技術(shù)同樣有著非常高的定位精度,而且延遲率也很低,不足的是這全套設(shè)備加起來成本非常高,而且使用起來很麻煩,需要在空間內(nèi)搭建非常多的攝像機,所以這技術(shù)目前一般為商業(yè)使用。
而Oculus Rift的主動式紅外光學(xué)定位技術(shù)+九軸定位系統(tǒng)則大大降低了紅外光學(xué)定位技術(shù)的復(fù)雜程度,其不用在攝像頭上安裝紅外發(fā)射器,也不用散布太多的攝像頭(只有兩個),使用起來很方便,同時相對HTC Vive的燈塔也有著很長的使用壽命。
不足的是,由于攝像頭的視角有限,Oculus Rift不能在太大的活動范圍使用,可交互的面積大概為1.5米*1.5米,此外也不支持太多物體的定位。
3.可見光定位技術(shù)
可見光定位技術(shù)的原理和紅外光學(xué)定位技術(shù)有點相似,同樣采用攝像頭捕捉被追蹤物體的位置信息,只是其不再利用紅外光,而是直接利用可見光,在不同的被追蹤物體上安裝能發(fā)出不同顏色的發(fā)光燈,攝像頭捕捉到這些顏色光點從而區(qū)分不同的被追蹤物體以及位置信息。
代表:PS VR
索尼的PS VR采用的便是上述這種技術(shù),很多人以為PS VR頭顯上發(fā)出的藍(lán)光只是裝飾用,實際是用于被攝像頭獲取,從而計算位置信息,而兩個體感手柄則分別帶有可發(fā)出天藍(lán)色和粉紅色光的燈,之后利用雙目攝像頭獲取到這些燈光信息后,便能計算出光球的空間坐標(biāo)。
優(yōu)缺點
相比前面兩種技術(shù),可見光定位技術(shù)的造價成本最低,而且無需后續(xù)復(fù)雜的算法,技術(shù)實現(xiàn)難度不大,這也就為什么PS VR能買這么便宜的其中一個原因,而且靈敏度很高,穩(wěn)定性和耐用性強,是最容易普及的一種方案。
不足的是這種技術(shù)定位精度相對較差,抗遮擋性差,如果燈光被遮擋則位置信息無法確認(rèn);而且對環(huán)境也有一定的使用限制,假如周圍光線太強,燈光被削弱,可能無法定位,如果使用空氣有相同色光則可能導(dǎo)致定位錯亂;同時也由于攝像頭視角原因,可移動范圍小,燈光數(shù)量有限,可追蹤目標(biāo)不多。
4.計算機視覺動作捕捉技術(shù)
這項技術(shù)基于計算機視覺原理,其由多個高速相機從不同角度對運動目標(biāo)進(jìn)行拍攝,當(dāng)目標(biāo)的運動軌跡被多臺攝像機獲取后,通過后續(xù)程序的運算,便能在電腦中得到目標(biāo)的軌跡信息,也就完成了動作的捕捉。
代表:Leap MoTIon手勢識別技術(shù)
Leap MoTIon在VR應(yīng)用中的手勢識別技術(shù)便利用了上述的技術(shù)原理,其在VR頭顯前部安裝有兩個攝像頭,利用雙目立體視覺成像原理,通過兩個攝像機來提取包括三維位置在內(nèi)的信息進(jìn)行手勢的動作捕捉和識別,建立手部立體模型和運動軌跡,從而實現(xiàn)手部的體感交互。
優(yōu)缺點
采用這種技術(shù)的好處是可以利用少量的攝像機對監(jiān)測區(qū)域的多目標(biāo)進(jìn)行動作捕捉,大物體定位精度高,同時被監(jiān)測對象不需要穿戴和拿取任何定位設(shè)備,約束性小,更接近真實的體感交互體驗。
不足的是,這種技術(shù)需要龐大的程序計算量,對硬件設(shè)備有一定配置要求,同時受外界環(huán)境影響大,比如環(huán)境光線昏暗、背景雜亂、有遮擋物等都無法很好的完成動作捕捉;此外捕捉的動作如果不是合理的攝像機視角以及程序處理影響等,對于比較精細(xì)的動作可能無法準(zhǔn)確捕捉。
5.基于慣性傳感器的動作捕捉技術(shù)
采用這種技術(shù),被追蹤目標(biāo)需要在重要節(jié)點上佩戴集成加速度計,陀螺儀和磁力計等慣性傳感器設(shè)備,這是一整套的動作捕捉系統(tǒng),需要多個元器件協(xié)同工作,其由慣性器件和數(shù)據(jù)處理單元組成,數(shù)據(jù)處理單元利用慣性器件采集到的運動學(xué)信息,當(dāng)目標(biāo)在運動時,這些元器件的位置信息被改變,從而得到目標(biāo)運動的軌跡,之后再通過慣性導(dǎo)航原理便可完成運動目標(biāo)的動作捕捉。
代表:諾亦騰 - PercepTIon Neuron
PercepTIon Neuron是一套靈活的動作捕捉系統(tǒng),使用者需要將這套設(shè)備穿戴在身體相關(guān)的部位上,比如手部的話捕捉需要戴一個“手套”。其子節(jié)點模塊體積比硬幣還小,卻集成了加速度計、陀螺儀以及磁力計的慣性測量傳感器,之后便可以完成單臂、全身、手指等精巧動作及大動態(tài)的奔跑跳躍等等的動作捕捉,可以說是上述的動作捕捉技術(shù)中可捕捉信息量最大的一個,而且可以無線傳輸數(shù)據(jù)。
優(yōu)缺點
相比以上的動作捕捉技術(shù),基于慣性傳感器的動作捕捉技術(shù)受外界的影響小,不用在使用空間上安裝“燈塔”、攝像頭等雜亂部件,而且可獲取的動作信息量大、靈敏度高、動態(tài)性能好、可移動范圍廣,體感交互也完全接近真實的交互體驗。
比較不足的是,需要將這套設(shè)備穿戴在身體,可能會造成一定的累贅,同時由于傳感器的工作。
小結(jié):未來,計算機視覺動作捕捉技術(shù)才是王道
這么多的動作捕捉技術(shù)中,每種技術(shù)都有各自的優(yōu)缺點,比如HTC Vive的激光定位技術(shù)精度高、可移動范圍廣,但穩(wěn)定性和耐用性就差,雖然Oculus Rift的主動式紅外光學(xué)定位技術(shù)解決了這個不足,但可移動范圍卻成了短板。
綜合來看,個人覺得目前應(yīng)用在VR上最實用的還是HTC Vive的激光定位技術(shù),畢竟在消費級別里面其能實現(xiàn)最大范圍的空間定位和交互,而且定位精度非常高。
但在理想情況下其實還是諾亦騰的基于慣性傳感器的動作捕捉技術(shù)好,其能實現(xiàn)更為精細(xì)的動作捕捉又滿足更大空間的游走,不過這套系統(tǒng)目前還是主要應(yīng)用在商業(yè)上,民用中未曾發(fā)現(xiàn)。
然而,在未來個人覺得計算機視覺動作捕捉技術(shù)才是王道,當(dāng)攝像機、運算程序以及運算硬件跟上后,其優(yōu)勢會比基于慣性傳感器的動作捕捉技術(shù)還要強,畢竟在無需穿戴傳感器在身上的情況下也能滿足動作的精細(xì)捕捉,像Hololens此前發(fā)布的遠(yuǎn)程3D全息影像便是采用這種類似的技術(shù),但目前整體來看這項技術(shù)并未成熟,未來可期。
評論