VR設(shè)備中常見(jiàn)的五大動(dòng)作捕捉及空間定位技術(shù)對(duì)比

在目前的消費(fèi)級(jí)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?yàn)槿鄙倭梭w感交互，使得這些設(shè)備未能構(gòu)成完善的虛擬現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)。

支持體感交互的VR設(shè)備能有效降低暈動(dòng)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(chǎng)景互動(dòng)。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(jī)、體感衣服、空間定位技術(shù)、動(dòng)作捕捉技術(shù)等。

下面主要來(lái)聊聊關(guān)于VR目前市面上常見(jiàn)的動(dòng)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(gè)可發(fā)射激光的裝置，對(duì)空間發(fā)射橫豎兩個(gè)方向掃射的激光，被定位的物體上放置了多個(gè)激光感應(yīng)接收器，通過(guò)計(jì)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(dòng)時(shí)三維坐標(biāo)也會(huì)跟著變化，便得到了動(dòng)作信息，完成動(dòng)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(lái)確定運(yùn)動(dòng)物體的位置，通過(guò)在空間對(duì)角線上安裝兩個(gè)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(gè)掃描模塊，分別在水平和垂直方向輪流對(duì)空間發(fā)射激光掃描定位空間。

HTC Vive的頭顯和兩個(gè)手柄上安裝有多達(dá)70個(gè)的光敏傳感器，其通過(guò)計(jì)算接收激光的時(shí)間來(lái)得到傳感器位置相對(duì)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(gè)光敏傳感器從而得出頭顯/手柄的位置及方向。

優(yōu)缺點(diǎn)

激光定位技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于相對(duì)其他定位技術(shù)來(lái)說(shuō)成本較低，定位精度高，不會(huì)因?yàn)檎趽醵鵁o(wú)法定位，寬容度高，也避免了復(fù)雜的程序運(yùn)算，所以反應(yīng)速度極快，幾乎無(wú)延遲，同時(shí)可支持多個(gè)目標(biāo)定位，可移動(dòng)范圍廣。

不足的是，其利用機(jī)械方式來(lái)控制激光掃描，穩(wěn)定性和耐用性較差，比如在使用HTC Vive時(shí)，如果燈塔抖動(dòng)嚴(yán)重，可能會(huì)導(dǎo)致無(wú)法定位，隨著使用時(shí)間的加長(zhǎng)，機(jī)械結(jié)構(gòu)磨損，也會(huì)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(guò)在空間內(nèi)安裝多個(gè)紅外發(fā)射攝像頭，從而對(duì)整個(gè)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(diǎn)，攝像頭發(fā)出的紅外光再經(jīng)反光點(diǎn)反射，隨后捕捉到這些經(jīng)反射的紅外光，配合多個(gè)攝像頭工作再通過(guò)后續(xù)程序計(jì)算后便能得到被定位物體的空間坐標(biāo)。

代表： Oculus Rift 主動(dòng)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(dòng)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(diǎn)，而是可以發(fā)出紅外光的“紅外燈”。

然后利用兩臺(tái)攝像機(jī)進(jìn)行拍攝，需要注意的是，這兩臺(tái)攝像機(jī)加裝了紅外光濾波片，所以攝像機(jī)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(jì)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(dòng)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(shí)，能利用九軸傳感器來(lái)計(jì)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(diǎn)

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(lái)成本非常高，而且使用起來(lái)很麻煩，需要在空間內(nèi)搭建非常多的攝像機(jī)，所以這技術(shù)目前一般為商業(yè)使用。

而Oculus Rift的主動(dòng)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(gè)），使用起來(lái)很方便，同時(shí)相對(duì)HTC Vive的燈塔也有著很長(zhǎng)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(dòng)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(jiàn)光定位技術(shù)

可見(jiàn)光定位技術(shù)的原理和紅外光學(xué)定位技術(shù)有點(diǎn)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(jiàn)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(diǎn)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(shí)際是用于被攝像頭獲取，從而計(jì)算位置信息，而兩個(gè)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(jì)算出光球的空間坐標(biāo)。

優(yōu)缺點(diǎn)

相比前面兩種技術(shù)，可見(jiàn)光定位技術(shù)的造價(jià)成本最低，而且無(wú)需后續(xù)復(fù)雜的算法，技術(shù)實(shí)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(gè)原因，而且靈敏度很高，穩(wěn)定性和耐用性強(qiáng)，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(duì)較差，抗遮擋性差，如果燈光被遮擋則位置信息無(wú)法確認(rèn)；而且對(duì)環(huán)境也有一定的使用限制，假如周圍光線太強(qiáng)，燈光被削弱，可能無(wú)法定位，如果使用空氣有相同色光則可能導(dǎo)致定位錯(cuò)亂；同時(shí)也由于攝像頭視角原因，可移動(dòng)范圍小，燈光數(shù)量有限，可追蹤目標(biāo)不多。

4.計(jì)算機(jī)視覺(jué)動(dòng)作捕捉技術(shù)

這項(xiàng)技術(shù)基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)原理，其由多個(gè)高速相機(jī)從不同角度對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行拍攝，當(dāng)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)軌跡被多臺(tái)攝像機(jī)獲取后，通過(guò)后續(xù)程序的運(yùn)算，便能在電腦中得到目標(biāo)的軌跡信息，也就完成了動(dòng)作的捕捉。

代表：Leap Motion手勢(shì)識(shí)別技術(shù)

Leap Motion在VR應(yīng)用中的手勢(shì)識(shí)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(gè)攝像頭，利用雙目立體視覺(jué)成像原理，通過(guò)兩個(gè)攝像機(jī)來(lái)提取包括三維位置在內(nèi)的信息進(jìn)行手勢(shì)的動(dòng)作捕捉和識(shí)別，建立手部立體模型和運(yùn)動(dòng)軌跡，從而實(shí)現(xiàn)手部的體感交互。

優(yōu)缺點(diǎn)

采用這種技術(shù)的好處是可以利用少量的攝像機(jī)對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域的多目標(biāo)進(jìn)行動(dòng)作捕捉，大物體定位精度高，同時(shí)被監(jiān)測(cè)對(duì)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(shí)的體感交互體驗(yàn)。

不足的是，這種技術(shù)需要龐大的程序計(jì)算量，對(duì)硬件設(shè)備有一定配置要求，同時(shí)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(wú)法很好的完成動(dòng)作捕捉；此外捕捉的動(dòng)作如果不是合理的攝像機(jī)視角以及程序處理影響等，對(duì)于比較精細(xì)的動(dòng)作可能無(wú)法準(zhǔn)確捕捉。

5.基于慣性傳感器的動(dòng)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(diǎn)上佩戴集成加速度計(jì)，陀螺儀和磁力計(jì)等慣性傳感器設(shè)備，這是一整套的動(dòng)作捕捉系統(tǒng)，需要多個(gè)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(yùn)動(dòng)學(xué)信息，當(dāng)目標(biāo)在運(yùn)動(dòng)時(shí)，這些元器件的位置信息被改變，從而得到目標(biāo)運(yùn)動(dòng)的軌跡，之后再通過(guò)慣性導(dǎo)航原理便可完成運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的動(dòng)作捕捉。

代表：諾亦騰 - Perception Neuron

Perception Neuron是一套靈活的動(dòng)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(gè)“手套”。其子節(jié)點(diǎn)模塊體積比硬幣還小，卻集成了加速度計(jì)、陀螺儀以及磁力計(jì)的慣性測(cè)量傳感器，之后便可以完成單臂、全身、手指等精巧動(dòng)作及大動(dòng)態(tài)的奔跑跳躍等等的動(dòng)作捕捉，可以說(shuō)是上述的動(dòng)作捕捉技術(shù)中可捕捉信息量最大的一個(gè)，而且可以無(wú)線傳輸數(shù)據(jù)。

優(yōu)缺點(diǎn)

相比以上的動(dòng)作捕捉技術(shù)，基于慣性傳感器的動(dòng)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(dòng)作信息量大、靈敏度高、動(dòng)態(tài)性能好、可移動(dòng)范圍廣，體感交互也完全接近真實(shí)的交互體驗(yàn)。

比較不足的是，需要將這套設(shè)備穿戴在身體，可能會(huì)造成一定的累贅，同時(shí)由于傳感器的工作。

小結(jié)：未來(lái)，計(jì)算機(jī)視覺(jué)動(dòng)作捕捉技術(shù)才是王道

這么多的動(dòng)作捕捉技術(shù)中，每種技術(shù)都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，比如HTC Vive的激光定位技術(shù)精度高、可移動(dòng)范圍廣，但穩(wěn)定性和耐用性就差，雖然Oculus Rift的主動(dòng)式紅外光學(xué)定位技術(shù)解決了這個(gè)不足，但可移動(dòng)范圍卻成了短板。

綜合來(lái)看，個(gè)人覺(jué)得目前應(yīng)用在VR上最實(shí)用的還是HTC Vive的激光定位技術(shù)，畢竟在消費(fèi)級(jí)別里面其能實(shí)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(shí)還是諾亦騰的基于慣性傳感器的動(dòng)作捕捉技術(shù)好，其能實(shí)現(xiàn)更為精細(xì)的動(dòng)作捕捉又滿足更大空間的游走，不過(guò)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(lái)個(gè)人覺(jué)得計(jì)算機(jī)視覺(jué)動(dòng)作捕捉技術(shù)才是王道，當(dāng)攝像機(jī)、運(yùn)算程序以及運(yùn)算硬件跟上后，其優(yōu)勢(shì)會(huì)比基于慣性傳感器的動(dòng)作捕捉技術(shù)還要強(qiáng)，畢竟在無(wú)需穿戴傳感器在身上的情況下也能滿足動(dòng)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(lái)看這項(xiàng)技術(shù)并未成熟，未來(lái)可期。