Lighthouse跟蹤技術(shù)實測：控制器數(shù)據(jù)跟蹤最大延遲2.7毫秒

日前國外一名開發(fā)者對HTC Vive的Lighthouse跟蹤技術(shù)進行了評測，并發(fā)表了博客文章，雷鋒網(wǎng)編譯如下：

讓人又驚又喜的是，Valve最近發(fā)布了大部分SteamVR/OpenVR的Linux版SDK協(xié)議。這是一個好消息：它意味著用戶可以一下子將Vrui（虛擬現(xiàn)實用戶界面 ）應用接入到HTC Vive頭盔及其跟蹤控制器。

但是在為Vrui輸入設(shè)備開發(fā)一個Lighthouse跟蹤驅(qū)動程序插件之前，我決定先弄出一個小測試工具來了解OpenVR的內(nèi)部驅(qū)動程序接口，以及Lighthouse的總體跟蹤質(zhì)量。

更新速率和延遲

不足為奇的是，業(yè)內(nèi)充滿關(guān)于Lighthouse更新速率漂浮不定的誤報。眾所周知的是，激光基站的工作原理是Lighthouse自由漂移的位置跟蹤的基礎(chǔ)?；仡櫼幌拢篖ighthouse由兩個基站構(gòu)成，每個基站里有一個紅外LED陣列，兩個轉(zhuǎn)軸互相垂直的旋轉(zhuǎn)的紅外激光發(fā)射器。基站的工作狀態(tài)是這樣的：20ms為一個循環(huán)，在循環(huán)開始的時候紅外LED閃光，10ms內(nèi)X軸的旋轉(zhuǎn)激光掃過整個空間，Y軸不發(fā)光；下10ms內(nèi)Y軸的旋轉(zhuǎn)激光掃過整個空間，X軸不發(fā)光。

具體來說，兩個激光都能圍繞各自轉(zhuǎn)軸每分鐘旋轉(zhuǎn)3600轉(zhuǎn)，即每秒60轉(zhuǎn)。（目前）只有一個激光能在任何時間全面掃射跟蹤卷，所以每一個基站有兩個激光器，兩個基站(A和B)就有四個激光，相互交錯：第一個基站的垂直激光從左到右掃描，另一個基站水平激光從底部到頂部上下掃描，均耗時8.333毫秒。8.333毫秒后，A站激光關(guān)閉，B站垂直激光從左到右掃描；另一個8.333毫秒后，B站垂直激光從下至上掃描；然后B站關(guān)閉，A站重復方才B站的操作。為了讓兩個（或更多）基站同步，并讓跟蹤設(shè)備來測量每個基站的相對角度，每一個基站里有一個紅外LED陣列。

這意味著，任何跟蹤對象每隔8.333毫秒（或120赫茲的頻率）就會被激光掃描一次。所以也許可以假設(shè)，Lighthouse的跟蹤更新速率為120赫茲，同時最糟糕的跟蹤延遲便是8.333毫秒。

但這種假設(shè)并不成立。在一個緊密的循環(huán)里面，SteamVR的vrserver跟蹤服務器需要以250赫茲的頻率處理每個控制器及頭顯的新姿勢。更深入的說，通過上面的傳感器融合代碼，其更新速率還能夠更高：頭盔處理姿勢的頻率達到1006赫茲，控制器則為366赫茲。

需要解釋的是，這些速率數(shù)據(jù)是基于原始傳感器而言的，也就是，內(nèi)置慣性測量單元來自跟蹤對象的線性加速度和角速度，然后可以直接將位置數(shù)據(jù)傳輸?shù)诫娔X上，省略了從攝像頭到電腦的高數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟襟E。driver_lighthouse.內(nèi)部的傳感器融合代碼將這些原始樣品整合成當前姿勢及設(shè)備定位的最佳猜測。

這意味著，假設(shè)無線傳輸和姿勢計算增加微不足道的延遲，OpenVR的內(nèi)部接口，頭部跟蹤數(shù)據(jù)最大的延遲大約是1毫秒，而控制器的數(shù)據(jù)跟蹤最大延遲為2.7毫秒。

殘留噪音或跟蹤抖動

位置跟蹤系統(tǒng)的另一個重要細節(jié)就是殘留噪音，以及抖動的量。我對這兩個細節(jié)都進行了測試，我將頭盔和一個控制器放在一把椅子上，這個測試空間內(nèi)有兩個 Lighthouse基站，2.4米高，4米寬。

兩個基站的殘留噪音具有等向性，大約0.3毫米的范圍。當只有一個基站工作時，噪聲分布具有高度各向異性，與工作基站有0.3毫米的距離，稍遠的基站則有2.1毫米的距離。控制器的噪音大小和分布非常相似。這種各向異性是可以預料的，因為Lighthouse的姿勢預測可以歸結(jié)為多點透視成像問題。

慣性航位推測法和偏航修正 

其實已經(jīng)可以從上述的更新速率的描述中推斷出來，當受到激光掃描時，Lighthouse每次并不僅僅更新一個跟蹤對象的位置和姿勢。想反，目前跟蹤預測的先進性主要是集成來自每個設(shè)備內(nèi)置的慣性測量單元（IMU）使用航位推測法 得出的線性加速度和角速度的測量，并以樣本傳輸?shù)絀MU同樣的速率更新。

   

   
   

部分交叉漂移修正

由于其本身的設(shè)計是每個基站使用兩個激光器，用以上下左右全方面掃描，而Lighthouse添加了一個額外的利好因素用于偏航修正。 與Oculus的Constellation等基于攝像頭成像的跟蹤系統(tǒng)不同，Lighthouse在從左到右的掃描中測量跟蹤對象的光敏傳感器X位置，而Y軸位置只會在上下掃描時進行，互相抵消8.333毫秒。

這有兩個主要的影響：第一，它增加了傳感器融合算法的復雜性。傳感器融合代碼必須以獨立的步驟限制跟蹤方案，而非以單一的攝像頭圖像約束跟蹤對象的姿勢預測。更重要的是，事實證明甚至沒有一個姿勢是局部的，因為當激光掃描整個空間時，設(shè)備光敏傳感器是會在不同時間被擊中的。

第二個是，從Lighthouse系統(tǒng)到傳感器融合代碼產(chǎn)生的信息的總量只是攝像頭成像系統(tǒng)在同樣速率下產(chǎn)生的一半。也就是說，基于Lighthouse偏航修正技術(shù)的慣性航位跟蹤系統(tǒng)并非想當然優(yōu)于60赫茲攝像頭成像跟蹤的一倍。

精密度與準確度

最后的兩個調(diào)查的參數(shù)便是精度和準確度。所謂精度是指——對于同一個空間點的多個后續(xù)測量值有多接近，而準確度——對某個點的測量結(jié)果有多接近實際的位置。對于6自由度跟蹤系統(tǒng)來說這是非常重要的兩位參數(shù)。

為了測量這兩個值，我將一把36英寸長的尺子放在房子正中央，用來測量每一英寸的3維坐標位置。我將一個探針針尖綁在控制器上，局部坐標系里的探針位置可以重復測量，然后我將系統(tǒng)的坐標值與標準的坐標值作比較。兩個點坐落的RMS距離為1.9毫米。這就是Lighthouse跟蹤準確度的預測誤差。

測量點集中存在非線性失真，但總體精度很好，RMS距離更小，為1.5毫米。

雷峰網(wǎng)原創(chuàng)文章，未經(jīng)授權(quán)禁止轉(zhuǎn)載。詳情見轉(zhuǎn)載須知。