詳解Oculus Rift的主動(dòng)式光學(xué)定位技術(shù)

　　2016，VR元年，oculus、HTC、索尼等這樣的重量級廠商紛紛推出或宣布了自己的消費(fèi)級硬件產(chǎn)品來搶占消費(fèi)者市場，相信廣大VR愛好者們中的很多人都已經(jīng)入手了一款虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備。在這些硬件當(dāng)中，Oculus Rift CV1（以下簡稱“CV1”）無疑是最受人矚目的硬件產(chǎn)品之一，畢竟它有2014年拿了Facebook20億美金這樣的大事件撐腰。

　　眾所周知，Oculus Rift采用的是主動(dòng)式光學(xué)定位技術(shù)，那它到底是如何實(shí)現(xiàn)的呢？

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　　基本實(shí)現(xiàn)流程：

　　Oculus Rift設(shè)備上會(huì)隱藏著一些紅外燈（即為標(biāo)記點(diǎn)），這些紅外燈可以向外發(fā)射紅外光，并用紅外攝像機(jī)實(shí)時(shí)拍攝。獲得紅外圖像后，將攝像機(jī)采集到的圖像傳輸?shù)接?jì)算單元中，通過視覺算法過濾掉無用的信息，從而獲得紅外燈的所在方向，再利用PnP算法，即利用四個(gè)不共面的紅外燈在設(shè)備上的位置信息、四個(gè)點(diǎn)獲得的圖像信息即可最終將設(shè)備納入攝像頭坐標(biāo)系，擬合出設(shè)備的三維模型，并以此來實(shí)時(shí)監(jiān)控玩家的頭部、手部運(yùn)動(dòng)。

　　注：具體可看如下圖，注意上面這些紅色的小點(diǎn)點(diǎn)。

　　接下來我將向大家介紹一下我的推理過程，以及算法的一些細(xì)節(jié)。

　　| 頭顯上的LED燈

　　前文中我提到我們需要利用四個(gè)不共面的紅外燈在設(shè)備上的位置信息來進(jìn)行定位，而如果想要知道不同的紅外燈在設(shè)備上的位置信息，就必須能夠區(qū)分不同的紅外燈。

　　為什么這么說呢，如果不區(qū)分紅外燈，那么當(dāng)DK2（注：特指頭顯）在空間中運(yùn)動(dòng)時(shí)，攝像機(jī)捕捉到光點(diǎn)后，要進(jìn)行關(guān)聯(lián)（姿態(tài)最優(yōu)匹配的過程）的次數(shù) 會(huì)非常大，舉個(gè)列子：

　　1） 如果有N預(yù)測圖像點(diǎn)和M 《= N觀察圖像點(diǎn)，則有N！/（N-M）！可能的關(guān)聯(lián)

　　2） 對于N = 40和M = 20（對DK2 LED的數(shù)量），有3.3×1029的關(guān)聯(lián)，所以就算是計(jì)算機(jī)，也無法快速地得到結(jié)果。

　　很顯然，DK2一定是采用了某種先驗(yàn)的方式區(qū)分光點(diǎn)。那么問題來了，DK2到底是如何區(qū)分的呢？

　　我曾看到有文章中猜測說DK2是通過LED燈的亮滅來區(qū)分的，實(shí)際上卻并非如此。因?yàn)殡m然通過LED燈的亮滅來區(qū)分比較簡單，因?yàn)榱翜缱钊菀讌^(qū)分出來，但是這種方法有個(gè)缺陷，就是無法區(qū)分是姿態(tài)改變導(dǎo)致的LED燈被遮擋，還是LED燈本身就熄滅了，所以，DK2沒有使用這個(gè)方法，而是采用LED燈光信息的強(qiáng)弱來實(shí)現(xiàn)的。我們來觀察用灰度攝像機(jī)拍攝的圖：

　　對比上面兩圖，可以發(fā)現(xiàn)亮斑的大小有變化?？梢钥闯黾t色部分，在圖2時(shí)光斑更大，藍(lán)色則相反。接下里我們看詳細(xì)的做法。這里必須說一下，在推測具體的做法過程中，我曾誤以為DK2直接判斷光斑大小，然后根據(jù)多幀圖像的規(guī)律來判斷LED燈的ID，但實(shí)際上DK2是使用差分法來判斷光斑大小。我在這里簡單給大家介紹一下我的推理過程。

　　首先我用自己的攝像機(jī)拍攝了大量照片進(jìn)行觀察后發(fā)現(xiàn)如果把攝像機(jī)用60HZ左右頻率拍攝，圖像每10張就會(huì)開始重復(fù)。

　　我先給光點(diǎn)編個(gè)號(hào)，如下圖：

　　比如，2號(hào)點(diǎn)的可以用肉眼識(shí)別的強(qiáng)弱順序：弱，弱，強(qiáng)，強(qiáng)，弱，強(qiáng)，弱，弱，弱，強(qiáng)。

　　那么是不是這樣呢？如何在DK2中表示這些強(qiáng)弱關(guān)系呢？

　　首先，已知SDK的windows的driver會(huì)發(fā)送一個(gè)開始信息，讓頭顯開始運(yùn)作；

　　緊接著，這個(gè)driver就會(huì)不斷接收到下面信息：

　　X1 X2 X3 X4 是1個(gè)32位數(shù)，是圖像分析后得到的空間坐標(biāo)（原理后面給大家解釋），DX則不知道干什么用，但是觀察上面的num，換算出來是40，index從1開始，不斷遞增到40，說明DK2在一個(gè)一個(gè)的識(shí)別LED燈，另外，這些信息每17ms左右發(fā)上來一次，和60HZ的拍攝頻率差不多，基本上可以認(rèn)定是利用每10幀確定一個(gè)LED的方式。

　　為了完全確定這一點(diǎn)，還必須確定另一個(gè)問題：同步。

　　如果真的是LED通過10幀不同的變化來讓攝像機(jī)確定LED燈的ID，那么必須要同步。

　　這要求一個(gè)同步信號(hào)能同時(shí)傳給攝像機(jī)和頭顯，如果能了解同步的時(shí)機(jī)，就知道到底是不是60HZ的頻率了。

　　可是當(dāng)我看了MT9V034的資料后發(fā)現(xiàn)居然拍攝的頻率是30HZ左右，不過細(xì)想一下，如果使用差分檢測發(fā)，使用30HZ這個(gè)頻率也能拍攝出光強(qiáng)的變化。也就是說，DK2根本不是直接判斷光斑是大還是小，而是將當(dāng)前幀的光斑與上一幀同一個(gè)光斑做對比，如果比之前大，則為大，反之則為小。那么當(dāng)一個(gè)新的幀到達(dá)時(shí)，該算法首先提取幀的亮像素斑點(diǎn)，如下圖。忽略少于10個(gè)像素或不是圓盤狀的，最后確保所有的斑點(diǎn)來自前一幀中提取的大圓盤狀斑點(diǎn)，然后進(jìn)行對比。

　　所以，DK2將當(dāng)前幀的光斑與上一幀同一個(gè)光斑做對比，然后根據(jù)10幀不同的變化來讓攝像機(jī)確定LED燈的ID。

　　我在進(jìn)一步查看這些點(diǎn)和位置信息的對應(yīng)關(guān)系后，總結(jié)出DK2判斷強(qiáng)弱變化的依據(jù)是：

　　1） 如果當(dāng)前幀的斑點(diǎn)比上一幀斑點(diǎn)大10%，就是0；

　　2） 如果當(dāng)前幀的斑點(diǎn)比上一幀斑點(diǎn)小10%，就是1；

　　3） 否則忽略。

　　這樣的設(shè)計(jì)非常好，防止了LED燈受到隨機(jī)干擾。