本文转载自雷锋网,作者大格子GZ授权VR资讯网发表

雷锋网按:本文作者大格子GZ,格纳微科技技术总监,西安电子科技大学硕士,就读控制理论与控制工程专业。曾作为骨干参与国家惯导产品重要课题,所研成果已经成功运用于军工产业。目前在格纳微负责团队技术路线和产品技术研发,对于空间定位的惯导、超宽带、激光、视觉SLAM都略有涉及。

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多人VR的关键——精准定位

单人VR所需的空间小,但是缺少多人的互动。而在未来,多人VR可能会成为一种新的聚会交友和线下娱乐方式,彻底颠覆现在的KTV、密室逃脱、杀人游戏、约会、相亲、产品发布、儿童培训教育等等活动。通过软件即可在一个场地内实现多种应用,潜在的商业价值很大。但是相比单人VR而言,多人VR中最关键的是如何对多人进行快速精确的定位。

这里所说的定位,是指确定体验馆中的参与者在场馆中的绝对空间位置,并反馈到所有参与游戏的玩家和游戏服务器上,进而执行群体游戏所必需的各种游戏逻辑。

单人小场景应用中,HTC Vive应该是非常成熟的方案了。那么在大场景VR应用下,尤其是多人应用场景(多人动作、解迷、探险类场景)应该采用何种技术方案解决大空间范围内定位问题呢?首先,分解一下多人VR大场景中定位的需求

1. VR定位的关键部位是“头”+“手”,这两个部位定位好了就能获得VR游戏体验最关键的信息。如果能补充“双脚”位置,基本上就能解决所有VR应用的需求;

2. 时延不能超过20ms,否则会造成晕眩感,体验急剧下降;

3. 定位精度越高越好,精度如果在mm级可以获得最为良好的体验,如果多人之间的协同定位精度在10cm以内,也是可以满足需求的;

4. 覆盖50m×50m范围场地,可定位人数满足10人,基本上就能满足所有大场景VR应用。

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对现有多人VR定位技术方案分析如下:

1.“视觉+动作”捕捉方案,其问题是视觉受遮挡、设备成本高、计算量大;

2. 激光定位技术,依然是遮挡和成本问题,设备布设受影响;

3. 超宽带定位,基站需同步,可以解决部分遮挡问题,但是任何一个位置的确定需要同时收到至少四个基站的信号(TDOA),如果信号覆盖率要求很高,在实际应用中可能需要非常多的基站,并且人体对信号遮挡也不能忽略。经测试人体的转身都会对信号产生极大的遮挡,尤其多人在一起的时候,信号可能断断续续,从而造成定位结果不连续,这对于VR体验来说是不可接受的。

精准定位的解决方案

在多人大场景VR体验中,各种空间定位技术仍然不够成熟,如何解决遮挡、成本、适用性这几个核心缺陷,是多人VR大场景体验中空间定位解决方案的突破方向。  

基于此,我们此前研发的微惯导定位产品给解决多人大场景下的VR定位提供了思路。

微惯导定位产品采用的是惯性导航技术定位。与普通的定位技术不同的是,惯性导航系统不依赖于导航卫星、无线基站、电子标签等任何辅助设备和先验数据库,是一种完全自主式的导航系统。

通过集成到小型可佩戴的惯性传感器中,安装在运载体上,可实现任何场景下人员、车辆、机器人等的精准定位。但是长时间工作会累积较大误差,因此通常会采用超宽带、蓝牙等技术进行辅助定位。

产品定位精度优于0.3%,相当于走1公里误差不到3米。产品本身结合北斗/GPS、超宽带基站等技术在消防应急任务现场指控、军警部队训练、AGV机器人定位、重点区域人员管控等领域能够形成高精度“全域”定位结果。

那么将产品应用于多人VR体验的空间定位,结合超宽带辅助定位,即“微惯导+超宽带”的技术方案,是否可以来解决常规超宽带基站空间定位遮挡、设备布置麻烦以及成本过高问题呢?

我们首先尝试的是“PDR+超宽带”的方案,这种方案的好处在于惯导和超宽带的硬件设计可以集成到一个小香烟盒大小的设备里面,安装在人体的腰部位置,便于携带。惯导和超宽带数据可以严格同步,用惯性高速位置解算弥补超宽带的定位间隔。

但是从实际体验来看定位效果比较差,因为PDR安装在腰部,在正常步态下还好,但是当人小碎步、侧移、后退时就会出现精度下降问题,而这些动作在VR应用中是十分常见的。

另一种方案是“足部惯导(精度极高)+超宽带(腰部)”,即在每个玩家的足部配戴一个小型的惯导定位模块及腰部配备一个超宽带标签,惯导模块进行独立定位,在体验馆布设少量的超宽带基站进行辅助定位,即对惯导长时间累积的误差进行校准,每个玩家的运动数据通过通信网络实时传输到所有的玩家以及游戏服务器上。

这个技术方案基本可以适应VR里面的所有动作和多人空间位置关系,设备布置也基本没有影响。我们调试过的超宽带作用视距可以达到600m+,精度在10cm左右,基本用3个基站(我们不是采用TDOA或TOA,采用的是TOF(Time of Flight)方式)足够覆盖一个多人VR体验馆了,即使有些地方有遮挡也不会造成位置偏移,且基站之间无需同步。整个系统在开始会先进入绝对位置确定阶段,使用者要小范围先走几步自动确定空间绝对位置,后面在行走过程中通过系统级自校准纠正,可长时间保持较高的定位精度。

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现存问题的解决方案

但是这个方案现在仍然存在几个问题,也是我们不断改进和研究的方向:

1. 目前精度保持在20cm,但是实际上需要更高,我们也正在朝这个方面努力(如果用在AGV机器人上,精度可以保持在10cm以内,基本满足AGV的空间定位需求),这个精度误差由很多方面造成,如超宽带测距的不稳定性、惯性和超宽带位置在空间上不一致性、数据传输的不一致性等等。

2. 脚部是VR体验中相对较弱的位置需求,最强的是头和手,因此,需要根据骨骼模型进行反推,同时需要获取腿、头、腰、手的姿态,这将给使用者穿戴带来麻烦,但是在弱化定位精度要求的前提下,可以仅通过手的姿态推演手部位置。

3. 脚部和腰部数据传输不同步,空间位置上不同步造成精度只能保持在20cm左右,如果定位出左脚在(x0,y0),那么腰部在空间上可以是(x0±Δx,y0±Δy)范围内的位置,这个会在后台处理上带来麻烦,现在想到的进阶方案是双脚定位,取双脚位置之间作为身体位置,再通过手臂动捕反推手部空间位置。

在目前VR与消费级市场的距离越来越紧密的情况下,多人VR乃大势所趋,这种趋势能够帮助VR在消费级市场拥有更好的未来。在广大市场机遇面前,相信也会有更多的团队加入到这个领域,我们希望能够与更多的创客来交流空间定位技术,来试图给予市场难题合适的解决方案。

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