作為VR頭盔空間定位的代表，HTC Vive一直以其Lighthouse激光定位傲視群雄。也許Oculus、PSVR分別在用戶體驗(yàn)和內(nèi)容上有自己的優(yōu)勢(shì)，但要說到房間尺寸（Room-Scale）定位，則已經(jīng)推出一年的HTC Vive，至今在全世界還沒有對(duì)手，這也可以看出它激光定位方案的強(qiáng)大。
先給不玩VR的科普下（不玩VR你看這個(gè)文章干啥？），所謂Room-Scale，指的就是用戶能否自由地在VR里行走。其實(shí)，所謂的VR三大硬件（HTC Vive、Oculus Rift、PSVR）都能實(shí)現(xiàn)一定程度的Room-Scale體驗(yàn)，但Oculus、PSVR采用攝像頭為主的方案，效果并不怎么好，大多數(shù)情況下還是坐著不動(dòng)玩更舒服。
而HTC Vive的激光方案，才讓玩家真正能比較自由地在VR里行走，穩(wěn)定性和行走范圍均遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于另外兩者?？梢哉f，HTC Vive啥都能黑，就是這個(gè)定位黑不得。
在2017年的CES上，國(guó)內(nèi)硬件廠商大朋帶來了雙目激光定位方案Polaris，似乎是要以自研技術(shù)和硬件，對(duì)HTC Vive發(fā)出挑戰(zhàn)。三月末又召開了發(fā)布會(huì)邀行業(yè)人現(xiàn)場(chǎng)體驗(yàn)。經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，大朋的雙目激光定位方案反饋還不錯(cuò)。
但是我們?nèi)匀灰獑?，大朋的雙目激光定位原理為何？如何實(shí)現(xiàn)？相比HTC Vive又有哪些好處？本著刨根問底的精神，青亭網(wǎng)專門采訪了大朋CEO陳朝陽(yáng)，首次詳細(xì)獨(dú)家揭示大朋的技術(shù)奧秘。
首先來看看，HTC Vive的方案是怎么玩的？
首先，要想明白大朋比HTC Vive好在哪里，我們就必須得再詳細(xì)闡述一下HTC Vive的定位方案（熟悉的小伙伴可以跳過這部分，直接看大朋的）。這一方案使用的是兩個(gè)名為光塔（Lighthouse）的基站，對(duì)角擺放，拉出一塊空間，不斷發(fā)射激光來掃描空間里的HTC Vive和手柄。
那么，基站具體是怎么運(yùn)作的？現(xiàn)在我們來拆解一下。
打開基站，會(huì)發(fā)現(xiàn)由三個(gè)部分組成，分別是LED燈陣列和兩個(gè)電機(jī)。電機(jī)分別用于打出一橫一豎兩個(gè)激光面。
如下圖，其中紅色面為豎直的激光面，掃動(dòng)方向是水平的，藍(lán)色為水平激光面，掃動(dòng)方向?yàn)樯舷麓怪睊邉?dòng)，紅色陰影部分位于藍(lán)色面下方。
每當(dāng)一個(gè)激光面遇到傳感器，就會(huì)停止掃描并記錄角度。假如兩個(gè)面停止位置如圖所示，則可以確定傳感器位于兩面相交線，即圖中細(xì)紅線上。
這樣得到的位置信息是不全面的，因?yàn)橹恢傈c(diǎn)在哪條線上，不知道具體在線上什么位置，就像去某個(gè)地方，只知道在某條街上卻不知道門牌號(hào)碼。因此需要安裝多個(gè)傳感器。
所以聰明的你可能已經(jīng)猜到了，HTC Vive的傳感器都放在頭盔和手柄上，坑坑洼洼、如同月球表面的頭盔上，每一個(gè)小坑都是一個(gè)傳感器。并且傳感器是固定的，不能移動(dòng)。
實(shí)際上，系統(tǒng)并不需要確定每個(gè)傳感器的位置。而只需要確定傳感器所在的直線就好了。這就好像吃烤雞腿，用手拿著可以直接確定雞腿的位置，也可以拿幾根簽子穿著固定住，雞腿的位置同樣是確定的。
也就是說，確定位置并不一定需要傳感器的點(diǎn)，還可以僅用足夠多的線來確定頭盔位置。只要知道頭盔尺寸，依據(jù)下圖就能確定位置了。
兩個(gè)激光面掃描完一次，確定的是頭盔上一個(gè)傳感器距離基站的直線方程。只知道掃描到的傳感器在這條直線上，但并不知道詳細(xì)距離。
這個(gè)時(shí)候就需要知道頭盔的尺寸了。然后通過專門的算法，明白在確定幾條直線、并已知頭盔大小的情況下，頭盔唯一有可能的方位在哪里。
在兩個(gè)激光面掃描完一個(gè)傳感器后，該傳感器就會(huì)關(guān)閉，以免下次再被掃到。等到掃到五個(gè)傳感器后（Valve官方給出的數(shù)字），頭盔定位完成。所有傳感器重新打開，開始新一輪的掃描，如此反復(fù)。
新版Lighthouse基站的LED陣列排列有變化
從上所述，理論上傳感器只需要五個(gè)就夠了。然而，實(shí)際上定位時(shí)由于光線接受可能被遮擋，傳感器之間又為了防止串?dāng)_信號(hào)必須保持距離，因此最后采用的傳感器有幾十個(gè)。所以不要再苛責(zé)你頭盔為什么長(zhǎng)那么丑了，滿滿的都是愛啊……
重點(diǎn)來了，如何實(shí)現(xiàn)完整的數(shù)據(jù)流程，完成從用戶的移動(dòng)到他們的頭盔圖像的變化呢？
我們要先確定關(guān)鍵的數(shù)據(jù)和采集方法。兩個(gè)激光面能確定一條線（也就是上文所說的，傳感器點(diǎn)所在的直線）。那么橫豎激光兩個(gè)面的位置怎么算？只需要角度就能知道了——角度是電機(jī)的角速度（轉(zhuǎn)速）和用時(shí)的乘積，角速度是恒定的，相當(dāng)于已知，因此記錄下時(shí)間就能求出來。
下面是具體實(shí)現(xiàn)步驟了，對(duì)于不學(xué)理科的同學(xué)來說，可能還是有點(diǎn)復(fù)雜，打起精神！
首先基站會(huì)和傳感器進(jìn)行一次溝通，同步閃光（sync light），這樣傳感器會(huì)告訴傳感器的控制芯片，讓它把計(jì)時(shí)器（類似于秒表的功能）歸零，接下來的10毫米內(nèi)，會(huì)有一個(gè)激光面掃過，這個(gè)激光面接觸到傳感器的時(shí)候，傳感器就會(huì)發(fā)出信號(hào)，計(jì)時(shí)器就停了，記錄下時(shí)間，然后歸零。緊接著另一個(gè)激光面掃過，再次記錄時(shí)間，歸零。
這個(gè)過程看似復(fù)雜，實(shí)際上兩個(gè)電機(jī)只要以20毫秒轉(zhuǎn)一圈的速度（也就是每秒50轉(zhuǎn)）穩(wěn)定運(yùn)行，而電機(jī)上的激光發(fā)射器“此起彼伏”地出現(xiàn)就行了。時(shí)間值隨后會(huì)來到傳感器的集線器，再到數(shù)據(jù)收集芯片，通過WiFi信號(hào)以某種數(shù)據(jù)包形式和協(xié)議（如UDP）發(fā)送到基站的計(jì)算部分。
這樣得到了兩個(gè)時(shí)間值能轉(zhuǎn)化為角度值，再轉(zhuǎn)為兩個(gè)面的方程，求出交線，就能獲得一個(gè)之前說到的傳感器所在的直線方程。然后諸多方程合并起來，通過算法算出一個(gè)頭盔上傳感器方位對(duì)應(yīng)的位置，就是對(duì)頭盔完成了定位。這個(gè)定位數(shù)據(jù)隨后會(huì)由基站更新到計(jì)算機(jī)或主機(jī)，在3D引擎內(nèi)修改攝影機(jī)位置，重新計(jì)算畫面，發(fā)送到頭盔顯示器，完成一幀的顯示。
那么，大朋是怎么做的呢？
說完了HTC Vive，終于輪到我們今天的正主兒——大朋了！根據(jù)青亭網(wǎng)對(duì)大朋CEO陳朝陽(yáng)的采訪，再加上觀察和HTC Vive的Lighthouse原理推斷，大朋Polaris結(jié)構(gòu)應(yīng)該類似這樣：
畫工丑了點(diǎn)，將就點(diǎn)吧……是的，你沒看錯(cuò)，大朋的基站里是三組電機(jī)，比Vive多一組。分別為兩個(gè)打出橫激光面的電機(jī)和一個(gè)打出豎激光面的電機(jī)。
如下圖，三個(gè)激光面會(huì)形成三條交線，實(shí)際上只任意用兩條（比如紅和藍(lán)）就能確定交點(diǎn)，該點(diǎn)即為要確定的傳感器位置。也就是說，三個(gè)掃描面的時(shí)候，不是確定傳感器所在直線，而是直接把傳感器所在位置確定了。
顯然，這樣定位方式比起Lighthouse的定位只能確定傳感器所在直線位置要更加有效率。只要釘死三個(gè)點(diǎn)就能確定位置，也就相當(dāng)于頭盔上最少三個(gè)傳感器就夠了。（當(dāng)然為了保證精確，實(shí)際上不止三個(gè)）
不過，實(shí)際中設(shè)計(jì)的時(shí)候?yàn)榱朔乐箼M向兩個(gè)面靠太近，影響精度（就像人要靠?jī)裳坶g存在距離才好定位一樣）。最好的辦法就是，把兩個(gè)橫向電機(jī)放在縱向電機(jī)的上下兩個(gè)位置。
這樣傳感器的數(shù)量比起Lighthouse大約能減少一半。但是存在問題是，如果激光面照不到傳感器就沒有效果了，為了實(shí)現(xiàn)無(wú)死角，最簡(jiǎn)單的方式就是在基站的另一面再放一個(gè)基站，就能覆蓋到了，這樣雙基站的設(shè)計(jì)能讓傳感器數(shù)量再減一半。大概像這樣：
最后需要的傳感器數(shù)量大概是Lighthouse的四分之一左右（Lighthouse用了幾十個(gè)傳感器）。事實(shí)上，大朋官方也是這樣宣傳的，即頭盔所需傳感器相對(duì)Vive較少，僅需六個(gè)。頭盔得以更輕便，而相對(duì)的，大朋的基站就要比Lighthouse體積更大。
實(shí)際工作順序如下：
首先LED陣列發(fā)出閃光，與傳感器控制芯片同步一次，然后開始計(jì)時(shí)。如果能做到16毫秒左右延遲的話，總周期應(yīng)該是15毫秒以內(nèi)。
這里假設(shè)是15毫秒。則閃光后第一個(gè)5毫秒內(nèi)，第一個(gè)橫向激光面掃過，傳感器發(fā)信號(hào)之后記錄時(shí)間；第二個(gè)5毫秒內(nèi)，縱向激光面掃過，傳感器發(fā)信號(hào)后記錄時(shí)間；第三個(gè)5毫秒內(nèi)，第二個(gè)橫向激光面掃過，傳感器發(fā)信號(hào)，記錄時(shí)間，然后WiFi信號(hào)傳輸時(shí)間數(shù)據(jù)包給基站進(jìn)行位置計(jì)算，上傳到計(jì)算機(jī)或主機(jī)完成位置數(shù)據(jù)更新。
其實(shí)和HTC Vive很類似，只是多出一步橫激光面的掃描，定位的不是點(diǎn)所在的直線，而是點(diǎn)的坐標(biāo)。
陳朝陽(yáng)的在讀完青亭網(wǎng)的原理解析后，表示認(rèn)可：“原理上已經(jīng)寫的很好了。沒什么好補(bǔ)充的了。” 但他也強(qiáng)調(diào)：“95%的難度在工程實(shí)現(xiàn)上，太多細(xì)節(jié)要考慮了。”
國(guó)內(nèi)專注于大空間多人定位的公司ZVR CEO郭偉也對(duì)青亭網(wǎng)指出，激光方案主要是工程方面的問題，在具體的電機(jī)調(diào)校、產(chǎn)品量產(chǎn)、供應(yīng)鏈方面會(huì)有很多坑。
定位方案相關(guān)疑問
綜上，我們對(duì)大朋的定位方案進(jìn)行了解讀。但是聰明如你，一定還有一些疑惑。是的，關(guān)于大朋的定位方案，從原理上來說，我們萌生了這幾個(gè)問題。
青亭網(wǎng)就這些問題對(duì)陳朝陽(yáng)進(jìn)行求證，對(duì)方給出了可以理解的答復(fù)：“目前還沒到開源我們的所有原理的時(shí)候”。
筆者期待，作為國(guó)產(chǎn)硬件中少數(shù)采用自研技術(shù)方案的廠商，大朋的定位方案能夠走出一條自己的路，用體驗(yàn)說話，在未來能夠?qū)@些問題作出完美的解答。
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