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| 本文作者： 劉芳平 | 2017-02-14 07:46 |
Hypereal 定位燈塔
眾所周知，HTC Vive 是 VR 領(lǐng)域最優(yōu)秀的頭顯之一，而之所以能做到這點(diǎn)，很重要的一個(gè)原因就是應(yīng)用了 Valve 的 Lighthouse 激光定位技術(shù)，為頭顯帶來(lái)房間級(jí)的游玩體驗(yàn)，同時(shí)也幫助實(shí)現(xiàn)了手柄的動(dòng)捕操控。可以說(shuō) Lighthouse 是 Vive 的核心技術(shù)之一。
現(xiàn)在，這一核心技術(shù)被國(guó)內(nèi)創(chuàng)業(yè)公司 Hypereal 開(kāi)源了。當(dāng)然，開(kāi)源的并不是 Valve 的技術(shù)，而是 Hypereal 研發(fā)的版本。Valve 此前亦將 Lighthouse 開(kāi)放給第三方廠商，但并沒(méi)有開(kāi)放源代碼。
今天，Hypereal 在其官網(wǎng)上放出其激光定位系統(tǒng)的源代碼和技術(shù)文檔。從各模塊開(kāi)源內(nèi)容詳解來(lái)看，主要圍繞著核心的激光定位技術(shù)，包含硬件、軟件和算法。基于這一整套源代碼，第三方可以自行開(kāi)發(fā)出一套帶室內(nèi)激光定位的VR設(shè)備。
據(jù) Hypereal 介紹，開(kāi)源的內(nèi)容主要包括以下三個(gè)部分：
硬件部分， Hypereal 激光定位系統(tǒng)硬件部分設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)都在此次開(kāi)源中有介紹，內(nèi)容涉及電路與嵌入式軟件。開(kāi)源涉及的組件均由 Hypereal 激光定位系統(tǒng)原理性驗(yàn)證機(jī)版本總結(jié)整理而來(lái)，去除了驗(yàn)證系統(tǒng)設(shè)計(jì)中其他與定位特性無(wú)關(guān)的內(nèi)容。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)上分為相對(duì)獨(dú)立的兩大部分，分別是作為定位信標(biāo)的激光線束掃描燈塔與被定位設(shè)備。
軟件部分，Hypereal 的定位設(shè)備，包括 IMU 和 Light Sensor 的驅(qū)動(dòng)程序以及 sample 程序都徹底提供。有了這些驅(qū)動(dòng)程序，VR HMD 和解決方案提供商能很容易獲取被定位設(shè)備的姿態(tài)和位置信息，燈塔的位置和狀態(tài)，并和 Hypereal 定位算法庫(kù)集成，第三方可以把 HYPEREAL 的燈塔定位方案集成到自己的 SDK 或者應(yīng)用中。
算法部分，Hypereal 直接提供了一個(gè)完整的燈塔定位算法庫(kù)，包括所有的核心算法模塊：燈塔掃描和 IMU 數(shù)據(jù)的解析和處理，姿態(tài)求解算法，數(shù)據(jù)融合算法，雙燈塔融合算法，運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)算法等等。算法庫(kù)框架完全基于模塊化設(shè)計(jì)，開(kāi)發(fā)者可以基于此框架一鍵式進(jìn)行算法研究和定制開(kāi)發(fā)工作。
Hypereal 創(chuàng)始人黃柴銘
Hypereal 這次開(kāi)源是早有預(yù)告的，在該公司于去年 ChinaJoy 上發(fā)布首款產(chǎn)品后，就宣布要將自家的激光定位技術(shù)開(kāi)源。至于為什么要開(kāi)源，該公司 CEO 黃柴銘是這樣解釋的：
壟斷意味著高價(jià)，但 Hypereal 的愿景是為大眾提供性價(jià)比最高的VR解決方案。目前的燈塔方案雖然效果好，但是技術(shù)實(shí)現(xiàn)難度比較高，不利于VR產(chǎn)品的普及。我們把自主研發(fā)的燈塔技術(shù)完全開(kāi)源出來(lái)，是希望更多人參與到該技術(shù)的研發(fā)和改進(jìn)中來(lái)，加快技術(shù)的成熟和成本的降低，以此來(lái)促進(jìn)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。我們的下一代產(chǎn)品將采用全新的技術(shù)，請(qǐng)大家拭目以待。
根據(jù) Hypereal 此前發(fā)表在公眾號(hào)的一篇文章介紹，燈塔（lighthouse）定位技術(shù)的最早原型是在1989年被提出的 Minnesota Scanner，其原理是利用掃描激光面對(duì)空間進(jìn)行編碼進(jìn)而對(duì)物體做跟蹤。而后有很多人基于相似原理做了改進(jìn)用于不同領(lǐng)域的應(yīng)用中。Valve首先把它成功的帶到了VR消費(fèi)電子領(lǐng)域。
Hypereal 圖形技術(shù)總監(jiān)陳祿在去年 CGDC 的演講中，對(duì)該公司研發(fā)的燈塔定位技術(shù)進(jìn)行了介紹：
HyTrack早期原型、基本原理
這是我們公司自己研發(fā)的比較早期的原型，做得比較裸。左邊是燈塔，有兩個(gè)電機(jī)，電機(jī)上面有透鏡，這里有一個(gè)小動(dòng)畫演示燈塔的結(jié)構(gòu)，可以看到通過(guò)透鏡把一束激光變?yōu)橐粋€(gè)扇面，再利用電機(jī)使得激光面勻速掃描。
中間的部分是我們頭顯的早期原型，上面有很多小的線路板就是我們自己制作的傳感器模塊，每一個(gè)中心有一個(gè)光電二極管。傳感器把光信號(hào)轉(zhuǎn)成電信號(hào)再到數(shù)字信號(hào)，然后傳到計(jì)算機(jī)里。基本原理如上圖，左邊這一塊是激光掃描扇面的頂視圖，激光會(huì)從一個(gè)基準(zhǔn)位置開(kāi)始向下掃。在掃過(guò)基準(zhǔn)位置時(shí)刻，我們會(huì)發(fā)射一個(gè)無(wú)線同步信號(hào)。藍(lán)線是掃到每個(gè)光電二極管的激光面。
右邊的圖是傳感器上面的時(shí)序圖，從收到無(wú)線同步信號(hào)的時(shí)候開(kāi)始計(jì)時(shí)，當(dāng)被光掃過(guò)的時(shí)候，會(huì)留下一個(gè)很小的間距的光脈沖，測(cè)量脈沖中點(diǎn)時(shí)刻，結(jié)合電機(jī)轉(zhuǎn)速，我們可以計(jì)算得到該掃描面相對(duì)基準(zhǔn)平面的夾角。這樣我們就知道這個(gè)點(diǎn)處在空間當(dāng)中哪一個(gè)平面上。通過(guò)兩個(gè)方向的掃描，被照到的傳感器點(diǎn)我們可以確定其在空間當(dāng)中的某條直線上。
在這里我們和VIVE采用了不同的技術(shù)方案，他們使用的光同步，燈塔會(huì)有LED燈。無(wú)線同步的好處是，燈塔之間不用同步線連接了，或者燈塔不用互相對(duì)著擺放。兩種方案在工程實(shí)現(xiàn)上的區(qū)別很大，測(cè)量手段也會(huì)不一樣，但是本質(zhì)上都是為了獲得同步信號(hào)時(shí)間。
他接著解釋了算法原理，主要是基于一個(gè)數(shù)學(xué)模型：
數(shù)學(xué)模型
我們通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)所得到的其實(shí)是兩個(gè)角度，這樣就可以知道，這個(gè)物體的某些點(diǎn)在投影平面上的坐標(biāo)。這里等同于一個(gè)小孔成像的相機(jī)模型，也可以很好地表達(dá)成一個(gè)線性的約束。
在靜止?fàn)顟B(tài)下我們已知傳感器點(diǎn)的相對(duì)位置，當(dāng)物體運(yùn)動(dòng)過(guò)之后，可以得到某些點(diǎn)的掃描觀測(cè)值，因?yàn)樗徽盏剑鼤?huì)處在這個(gè)空間當(dāng)中某兩個(gè)面的交線上，這個(gè)可以很好的寫成一個(gè)線性約束表達(dá)式，可以把它們聯(lián)立起來(lái)，相當(dāng)于做一個(gè)最優(yōu)化的問(wèn)題，我需要求解在滿足這些約束情況下最優(yōu)的旋轉(zhuǎn)和平移。
這個(gè)問(wèn)題其實(shí)是一個(gè)比較標(biāo)準(zhǔn)的問(wèn)題，求解的方法也非常多，其實(shí)在視覺(jué)領(lǐng)域，對(duì)這類問(wèn)題有很多人做過(guò)不同的方法，比如說(shuō)你怎么樣參數(shù)化你的旋轉(zhuǎn)，就會(huì)有不同的方法，基本上這個(gè)應(yīng)該算是一個(gè)比較成熟的問(wèn)題。
算法流程圖
以上我們提到的是激光系統(tǒng)的原理，但不要忘了，在頭盔和手柄上還可以利用IMU。其實(shí)在有陀螺儀、加速器和磁力器的情況下，IMU本身也可以做定位工作，但是它有個(gè)很大的問(wèn)題——會(huì)漂移。
其實(shí)我們對(duì)這個(gè)物體姿態(tài)有兩個(gè)數(shù)據(jù)來(lái)源，一個(gè)是IMU，一個(gè)是激光系統(tǒng)，這兩套系統(tǒng)理論上都可以獨(dú)立對(duì)這個(gè)姿態(tài)進(jìn)行估計(jì)，IMU的好處是采樣頻率高在短時(shí)間內(nèi)相對(duì)來(lái)說(shuō)比較精確，壞處是稍微長(zhǎng)一點(diǎn)時(shí)間就會(huì)有較大漂移。而激光系統(tǒng)則是在大尺度下相對(duì)比較精確，但是它可能被遮擋和有誤差。我們要做的工作之一就是怎么把這兩個(gè)信號(hào)融合在一起。
這就是我們HyTrack定位系統(tǒng)的基本原理。
前文已經(jīng)提到，Lighthouse 定位是 HTC Vive 的核心技術(shù)優(yōu)勢(shì)之一，而 Hypereal 也表示，基于這一整套源代碼，第三方可以自行開(kāi)發(fā)出一套帶室內(nèi)激光定位的VR設(shè)備。那么這一開(kāi)源舉措對(duì)業(yè)內(nèi)會(huì)有怎樣的影響呢？對(duì) Vive 來(lái)說(shuō)又意味著什么？
為此雷鋒網(wǎng)詢問(wèn)了幾位業(yè)內(nèi)人士的看法。
一位同樣從事 VR 空間定位領(lǐng)域，不愿具名的人士對(duì)雷鋒網(wǎng)表示：
開(kāi)源是一個(gè)非常好的舉動(dòng)，這種開(kāi)放的做法必然加大國(guó)內(nèi)的技術(shù)交流水平，推動(dòng)國(guó)內(nèi)VR行業(yè)的整體發(fā)展。
但激光定位是一套整體的工程，代碼電路圖只是整個(gè)技術(shù)環(huán)節(jié)中的一部分，如果要實(shí)現(xiàn)真正的產(chǎn)品化，還將面對(duì)大量的問(wèn)題——軟硬件的集成度還很低，大量的Know-how必須處理。正是因?yàn)檫@樣，所以一些國(guó)內(nèi)的從業(yè)者會(huì)選擇與專業(yè)廠商進(jìn)行適配，定向開(kāi)源。
VR定位領(lǐng)域的技術(shù)研發(fā)，90%的功力要花在最后10%的優(yōu)化上，只有做完這10%，才能真正達(dá)到國(guó)際大廠的水平。總體上這套代碼足夠業(yè)余愛(ài)好者搭建一個(gè)基礎(chǔ)Demo實(shí)用，但如果真的要形成量產(chǎn)的產(chǎn)品，還有較長(zhǎng)一段路要走。
實(shí)際上，國(guó)內(nèi)另一家同樣推出了激光定位方案的公司 G-Wearable 也將自家的技術(shù)開(kāi)源了，但是只針對(duì)廠商。“因?yàn)檫@東西制造難度不低，就算開(kāi)源，沒(méi)有很認(rèn)真的投入也做不出來(lái)。”G-Wearable CEO 郭成告訴雷鋒網(wǎng)。
UCVR 聯(lián)合創(chuàng)始人 & CEO 胡金暉認(rèn)為，
Hypereal 的光塔定位技術(shù)和 Vive 很相似（或者說(shuō)理論基礎(chǔ)一樣，實(shí)現(xiàn)方式大體一樣），但在一些細(xì)節(jié)地方實(shí)現(xiàn)方式有不同。
體驗(yàn)效果的好壞其實(shí)來(lái)源于很多技術(shù)細(xì)節(jié)。比如我在西雅圖學(xué)習(xí) Vive 光塔技術(shù)的時(shí)候 Synapas 提到了多種產(chǎn)生誤差的可能，和他們具體的解決方法。但從這兩份文件里面沒(méi)有提到細(xì)節(jié)，所以不好判斷。
但有一點(diǎn)我很欣賞這個(gè)團(tuán)隊(duì)，他們把 Lighthouse 做出來(lái)了。不管別人再說(shuō)抄襲也好怎樣也好，能做出來(lái)就是王道，而且 Hypereal 也有自己的創(chuàng)新點(diǎn) 希望他們盡早以專利的形式將自己保護(hù)起來(lái)。
對(duì)于行業(yè)的意義主要還是在于精神層面 ，因?yàn)檫@種技術(shù)想被廣泛授權(quán)有點(diǎn)難度，真的背后還是要有一個(gè)平臺(tái)支持（套用 HTC 汪叢青的話）。精神層面就是能夠給予中國(guó)技術(shù)流派 VR 公司一劑強(qiáng)心劑。
雷鋒網(wǎng)編輯也曾體驗(yàn)過(guò) Hypereal 的產(chǎn)品 demo，發(fā)現(xiàn)它可以提供接近 Vive 的體驗(yàn)，但仍存在抖動(dòng)及穩(wěn)定性欠缺等問(wèn)題。
總體來(lái)說(shuō)，Hypereal 開(kāi)源受到業(yè)內(nèi)歡迎，但其影響如何仍有待觀察。至于對(duì) Vive 的影響，顯然還是有限的。
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