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| 本文作者： 王銳 | 2016-04-25 15:07 | 專題：VR空間定位全解：如何在虛擬世界中行走？ |
雷鋒網按：本文是《VR實現空間定位的7種利器》的續集。 作者為VR行業資深從業者王銳。
正如前文所述，現在VR體驗館的構建卻還缺少最重要的一環，就是廉價而靈活準確的定位方案。
談及VR空間定位的利器，除了體感定位、光學定位與圖像識別、空間雷達、HTC Vive的Light House，本文將繼續談談余下的2種利器，并對已有的空間定位方案的優劣進行總結，歡迎探討。
實時差分GPS技術至少有兩個部分組成：在基站上安置接收機，對所有可見的GPS衛星進行連續觀測，并將觀測數據通過傳輸設備（比如數傳電臺，WIFI，以及公用3G/4G通信網等等），實時地發送給用戶觀測站（流動站）；而在用戶觀測站上，同樣通過GPS接收機接收GPS衛星信號，同時還通過無線電接收設備，接收基站傳輸的觀測數據，然后通過相對定位實時地解算用戶的三維坐標，其動態定位精度可達1cm-2cm。
這一技術不僅可以用作測繪，也可以用于軍事用途。它的高精度特性可以用于聯合收割機等大型農用機械的精確導航，從而在大機械生產和精耕細作之間達到完美結合；而在國內，一個相當廣泛的民用場景則是駕?？紬U……
在RTKGPS出現之前，測繪行業為了獲得一個精確到厘米的坐標，需要用普通GPS設備接收數據然后進行大量的離線計算。而RTKGPS的出現大大發展了許多新的應用場景，例如無人機。RTKGPS原本屬于專業領域，使用者寥寥且售價也非常高，不過近些年來已經有越來越多的從業者將這項技術變得更加親民，例如下圖這塊開源RTKGPS套件：
（Via www.swiftnav.com）
不過，RTKGPS畢竟是GPS，必須在戶外才能夠使用。這對于通常計劃設置在室內或者大商場中心的VR體驗館來說，無疑是一大不利的消息。不過室外的極重度VR體驗也絕非沒有先例，例如下文鏈接中的視頻曾一度紅遍各大媒體和朋友圈（但是真的是高度危險，絕不要自行嘗試）——《戴上VR頭盔開賽車，炫酷到沒朋友》。
這原本是某汽車大廠牌和某潤滑油一起搞的一次公關活動，賽手帶上OculusVR頭盔，同時車上裝載了高性能電腦，從而完全體驗到在虛擬空間當中漂移的樂趣。而這個冒險活動之所以能夠成功，其中一大原因就是采用了RTKGPS來完成定位，這樣才能比較精確的知道車與駕駛員的位置，并且安排對應的虛擬內容呈現（以及避免車手樂極生悲跌出場外）。
UWB定位技術屬于無線定位技術的一種，這一技術（Ultra Wide band）也被稱為“超寬帶”定位，它是一種利用脈沖信號進行高速無線數據傳輸的短程通信技術，而非一般無線通信系統所廣泛采用的載波方式。
UWB定位的原理其實也很簡單，就是利用信標發出的脈沖到達基站的飛行時間來解算位置，沒錯，還是我們所熟悉的名字，TOF（Time of Flight）。
不要忘了無線電也是基于光速傳播的，因此它的探測精度從理論上可以做到很高。
UWB最初的定義是來自于60年代興起的脈沖通信技術。UWB技術的脈沖長度通常在亞納秒量級，而信號帶寬可以達到數千兆赫茲（UWB限制在3.1 - 10.6 GHz），這項技術在1989年被美國國防部命名為超寬帶技術。其特點是大帶寬，無載波，低功率。
（Via 36kr.com）
正因為帶寬超大，因此UWB技術的穿透性比較好。而相比WIFI等技術來說，無線電的多徑效應（因為高頻信號都是直線傳播的，所以會因為建筑的遮擋等來回彈跳分成幾路，難以判斷）要弱的多，所以這一定位方案的精度往往要比傳統的基于WIFI的Room-Level方案（即判斷用戶在室內的哪個房間）高出不少。現在成熟的UWB定位方案系統甚至可以做到幾十厘米，也有個別方案商號稱能有2-5厘米的精度級別，但是實際在各種不同空間的建筑物室內場合部署的時候，基本上還是達不到這個精度。畢竟不可能所有的場地都是一個空曠且沒有任何遮擋，也沒有更多人參與的大屋子。而且不要忘記這項技術本身的核心還是通信鏈路，因此各種設備的通信干擾同時也產生了。
畢竟UWB本身還是一種無線電技術，它所覆蓋的頻段內所有的無線通信都會對它有所干擾，并且它的穿墻性能盡管比別的無線技術更好，但是仍然會有較大衰減。而且UWB的標準是限制發射功率的，所以現在絕大多數方案都是在10米左右有效，如果是室內較大場館的話，可能還要布設大量的通訊基站。
所以，目前如果采用UWB獨立定位的方案，恐怕還是達不到重度VR體驗所需要的定位精度和定位距離，不過如果可以與其他方式進行數據融合的話，也許有希望解決這一問題。
比如德國著名的Fraunhofer研究中心，早就有一種”黑科技”產品叫做RedFir：
（Via is.fraunhofer.de）
在球員雙腳的球鞋中安裝設備，以及球內放置好設備，同時在整個場地里布設大量的采集基站之后，整個球場就變成了一個高科技虛擬演播室，可以在進行比賽轉播的過程中隨時進行數據采集和分析，可視化的工作。這樣的好事當然也有希望用到VR體驗當中，只是為了無線傳輸本身的那些關鍵問題，恐怕依然要開發者們付出不小的代價。
SLAM的英文全稱是：Simultaneous Localization and Mapping，即時定位與地圖構建。
簡而言之，對于空間內的一個機器人（或者無人機），如果它處在一個完全未知的環境里（比如古墓探險），那么它就可以一面沿著墓道往里走，一面用攝像頭或者激光雷達來創建了這個墓道的數字信息拷貝（也就是構建地圖），這樣然后過一會就可以使用剛才創建的地圖數據給自己導航使用了。
哦，一些非常高檔的掃地機器人，也號稱用到了這項技術。
在電影《普羅米修斯》中有這樣一個場景，一個擁有激光探測信息能力的無人機（球）被扔出去之后，它就開始自主獲取空間信息。這就是一個典型的SLAM應用場景：
實際上，從學術定義上來說，機器人在完全未知的環境中從一個未知位置開始移動，然后在移動過程中根據位置估算和自身傳感器的數據進行不斷的定位和修正，同時建造增量式的地圖，這就是SLAM方法的基本過程了。
當然，這種方法不一定只服務于機器人，如果是人自己背負了便攜的計算設備（或者就是手機），那么通過SLAM同樣能在未知環境里創造地圖并給自己定位，這就是我們在VR場景中所迫切需要的功能了。
SLAM算法的數據源是多種多樣的，比如用激光雷達掃描的點云數據，也有雙目攝像頭利用RGB圖像和立體視覺來生成，或者就是直接使用Kinect這樣的RGBD（可見光+深度）方案；而實驗室級別中甚至也可以見到基于單攝像頭和RGB彩色圖像或者灰度圖像來做SLAM的算法論文。
從另一個角度來說，如果期望實現基于三維空間的識別技術（而不是傳統的二維碼或者圖片），那么就意味著必須更好更快地應用SLAM類的方法，而也是各大AR軟件和算法開發者（例如Metaio，不過已經被蘋果收購）一直在努力實現的目標。因為SLAM一方面能夠給出一個比較精準的空間位置，同時還能做為環境三維特征獲取和三維重建的必要手段，進而解決了顯示設備里實際場景和虛擬畫面疊加時，相互遮擋關系的問題，這樣的AR場景在將來也許是廣泛應用的，也是隨身可穿戴的一種剛性需求。
如今，SLAM已經被廣泛的應用在了VR/AR的設備上了，比如微軟的HoloLens就是典型的RGBD SLAM方案。而Google的Project Tange手機，以及Intel的 RealSense都屬于RGB-D SLAM的設備范疇。即使是一直沒有多少人見過實物的“黑科技”公司Magic Leap，恐怕也不可能不采用SLAM來做為空間定位和虛實遮擋關系判斷的基石。
而SLAM在高端商用市場上，其實早就有很成熟的案例。例如虛擬演播室攝像機系統NCAM，它無需傳統的電控云臺，可以直接架在斯坦尼康穩定器上到處拍攝。得到的相機位置和姿態結果則會實時地反映到內容制作工具當中，從而實現一部動畫片或者特效大片當中重要的攝像機走位環節。
當然了，SLAM技術絕不是沒缺點。
首先它依然是基于視覺的識別，信號的采集/傳輸/處理過程相對其他技術手段來看，目前的延時情況往往還是難以忽略的，而這恰恰是VR體驗里最不能接受的一點。另外，SLAM對現階段的移動設備來說，計算壓力仍然太大，Project Tango手機和HoloLens眼鏡為此增加了一塊或者多塊協處理器，這樣自然又帶來了電源管理和過熱等各種問題，傳聞中卡馬克也在為未來的OculusVR和GearVR頭盔尋求基于SLAM的定位方案，它是否能成為未來VR世界主流定位方式，也許目前還是個未知數而已。
以上所有的空間定位方案，都是基于同一個大前提，即玩家可以按照自己的意志在場地中自由行走，其行走范圍受到場地本身的限制。如果我們的體驗目標是一款在倉庫密室里大戰僵尸，或者在街口構筑工事迎擊強敵的VR游戲，那么這樣的方案顯然總有用武之地；但是如果我們是以一款《GTA5》一樣的超級大作為目標，或者是可以無限和探索下去的沙盒游戲，那么再大的場地恐怕也不夠玩家折騰……而且場地越龐大，結構和形狀越復雜，對應的定位設施安裝和維護成本就越高，要保持一個穩定的定位算法和精度也就越困難。
幸好，總有人能夠另辟蹊徑，比如在人們每天健身常用的跑步機當中，加入除了速度控制之外的方向控制因素，就成了所謂的全向跑步機（Omni-directional treadmill）：
（Via think-about.pl）
不過設計一款全向跑步機可不是去淘寶選一款帶觸摸屏和MP3功能的跑步機那么簡單的事情，這里有兩個巨大的問題需要開發者們去思考解決：
一、如何識別玩家在跑步機上運動的速度和方向；
二、如何把跑動的玩家限制在設備的中心，或者在他無察覺的前提下把他“拽回”設備中心？
上圖的Omnideck就是一套比較早推出的解決方案，它采用了一組以玩家為重心的徑向運動的傳送帶。當玩家走到任意一條傳送帶上面時，傳感器就會感知到玩家的運動方向和速度，然后帶動皮帶將玩家送回到中心。
(Via walkmouse.com)
不難想象，圖中設備的精度主要取決于這些徑向傳送帶的數量。而一旦增加傳送帶的數量，則會帶來更為沉重的維護成本，傳感器精度問題，以及自身重量。況且在如此巨大的空間內只能容納一個人游戲，這從營收角度上來看可能也是入不敷出的。因此，很多專注于VR行走體驗的公司隨即推出了一個看起來更為合理的方案，例如下圖中的Virtuix Omni：
Omni跑步機本身可以看作是一個炒菜用的不粘鍋鍋底（事實上它的材質確實也就是不粘鍋的材質），它的底盤被設計成一個表面凹陷的圓形曲面，并且由很多細小凹槽的光滑徑向跑道組成，上方是一個可調節支架，起到保護玩家和識別下蹲/跳起動作的功能，總重量約為50公斤，并且用戶需要穿上特制的鞋子才能夠在Omni的跑道上運動——更準確地說，是在跑道上滑動。這一設計能夠比前者更為輕巧和靈便，其關鍵就在于這種“腳部在鍋底滑動而無法離開中心”的特點，而凹槽中遍布的傳感器系統則會負責隨時測量用戶運動的方向和速率，從而模擬出玩家在虛擬空間的行進過程。
這一方案從原理上看起來無懈可擊，只是穿戴起來比較繁瑣，推向家用市場恐怕還有距離。然而，從實際使用者的反饋來看，“腳底滑步”的運動方式顯然不會讓他們感到舒適。甚至可能是一首兒歌中的感覺：
小老鼠，
上燈臺；
偷油吃——
那么有沒有那種不那么笨重，靈敏而準確，跑起來又不會讓玩家感到不適的方案呢？也許會有：
(Via mobilemag.com)
Infinadeck全向跑步機自誕生之日起就吸引了諸多媒體和行業人士的關注，它的基本構想其實并沒有非常復雜的地方：采用電機帶動皮帶輪的方式，使用一整條沿Y軸運動的大皮帶輪，帶動多條沿X軸運動的小皮帶輪，這樣玩家在兩個軸向上的運動都可以被識別和記錄下來。而玩家一旦離開了跑步機的中心位置，系統就會通過視覺識別或者其它的識別方式發覺玩家的偏移方向和距離，并且啟動電機將玩家送回原處。
當然，這樣的設計同樣存在兩個不小的難關要闖。首先是負重問題，如此多的電機和皮帶輪被安置在一臺設備之上，自身的承重壓力恐怕是相當不小，整個非機械結構也不得不用足原料，打造鋼鐵之軀；總體估算下來，這樣的設備難免有上噸的重量，真的搬到家里恐怕只會讓樓下的鄰居如坐針氈。其次是玩家的運動感受與設備尺寸的關系，如果設備本身過小，皮帶輪的周長也就很小，產生的摩擦力也就不同——由此很容易帶給玩家一種明顯的“被拽回原地”的感受；而設備過大雖然能夠讓“回原位”的過程變得平滑，卻無疑進一步增加了設備的體積和重量，讓家用級的使用成本變得更為難以接受。
Infinadeck一直在聲稱要構筑廉價和方便的全向跑步機系統，而他們遲遲沒有放出更新的消息，也許也正在受困于這些結構和選材上的難題吧。
我們簡單地總結一下之前提到的各種定位方案的優劣，如下表所示：
| 方案 | 成本 | 延遲時間 | 識別范圍 | 定位精度 | 人數 | 干擾方式 |
| Kinect體感 | <2000元 | >30ms | 4x3米 | 精確到角色骨骼，但是不穩定 | 最多6人，容易丟失 | 過多的雜物，多余的紅外光源，強反射材質 |
| PS Move | <2000元 | >30ms | 可以適當擴展 | 區分角色和武器 | 根據顏色ID適配多人，可能會誤報 | 過多的雜物，復雜的環境和背景色，遮擋標記點，錯誤的攝像頭標定 |
| 光學定位系統 | >20萬元 | <20ms | 可以無限擴展，但是成本也隨之飆升 | 精確到角色骨骼 | 通常不超過4人 | 過多的雜物，復雜的環境和背景色，遮擋標記點，錯誤的攝像頭標定 |
| HTC Lighthouse | <8000元 | <20ms | 5x5米 | 頭部和雙手手柄 | 建議1人 | 過多的雜物，不規則區域，錯誤的擺放 |
| 激光雷達 | 1-4萬 | 20-30ms | 40x40米 | 接觸點，距離越遠精度越低 | 建議1人，無法區分ID | 過多的雜物，互相遮擋 |
| UWB | ？ | <20ms | 取決于基站數量 | 15-30cm | 建議1人 | 過多的雜物，多徑問題，其它設備的干擾 |
| SLAM | ？ | >30ms | 可以無限擴展，但是數據量飆升 | 取決于預處理精度 | 1人 | 通常需要預處理地圖，之后不能有大的場地變化 |
| Virtuix Omni | <8000元 | 一步之內 | 不限制 | 精確到步態 | 1人 | 無干擾，但是穿戴復雜，體驗不真實 |
| Infinadeck | ？ | 一步之內 | 不限制 | 精確到步態 | 1人 | ？ |
結論似乎暫時還很讓人沮喪，沒有哪個方案可以說同時解決了成本，多人游戲，低延遲，抗干擾，以及空間限制這幾大問題。
換句話說，雖然筆者歷經千辛萬苦和各種求知求助，總算集齊了七大武器加上一個額外的Bouns（跑步機），卻依然無法達成那個一開始就存于心中的愿望：VR虛擬空間行走的體驗，難道就真的是一個遙不可及的目標？
幸好，我們看到有足夠多的從業者已經為這個目標而開始努力。
筆者體驗過上海青瞳的光學定位方案，其低延遲和準確性已經做到了可用的級別，而更低成本的產品研發想必也是這個團隊下一步的目標；諾亦騰據傳也不滿足于目前系統關鍵部件的高成本和受制于人，開始研究自己的光學定位系統；The Void更是秘密收了一個專精于UWB定位的團隊，打算把自己的主題公園定位方案更加精進。至于未來更多相關的腦洞大開，創新方案，以及更接近實際需求的定位手段，也許也已經距離我們不遠。
讓建造和維護成本更可控，讓多人同場游戲不再是關鍵難題，讓你的游戲者不要變得舉步維艱——就請相信VR空間定位的下一步棋，會給我們帶來驚喜。
題圖來自：engadget.com
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