探秘HTC Vive的空间定位技术 真有传说中那么神奇？

Lighthouse空间追踪作为VR头显的代表技术一直被HTC引以为豪，虽然目前已经被Valve开放，但是空间定位一经推出，便纷纷被国内各大头显公司效仿，并相继推出自己的空间定位系统。

细细想来，空间定位真有那么神奇吗？电科技就为大家一一解开其中神秘的面纱。

光学定位是VR主题公园的核心

传统6度Free追踪是惯性传感器，最多只能跟踪头部的转动，想要跟踪头部的位移，就要引入光学系统。而在光学动作捕捉系统中，世界范围内最知名的两家公司就是英国的Vicon和美国的 Optitrack。

做为知名的光学动作捕捉公司，他们采用的是帧速率大于100Hz的专业摄像头，同时还起启用全局快门系统，这样就有效避免了高速运动的物体在画面上出现运动模糊的现象。

在摄像头的周围，他们通常采用的是红外LED进行补光，并用高反射率的材质来制作玩家佩戴的标记点。因为红外摄像头本身已经屏蔽了大部分的可见光信息，因此标记点在画面中就会显得分外明显。

但是，当扫描光线被用户或某些物体遮挡后，三维重构在缺少某个方向坐标准确信息后，会出现定位失败（而这仅仅是在非多人参与的理想状态）。当然遮挡问题可以通过多个角度来全方位定位（实际中就是多个摄像头）不过这也同时带来了高昂的成本，所以在理论上来说，空旷空间是最佳定位场所。

因此它也确实成为了目前很多VR体验馆搭建者的首选，国外包括像The Void主题公园、国内的诺亦腾的Project Alice，都是采用了OptiTrack的空间定位方案，而核心就是光学动作捕捉系统。

但其成本非常昂贵，单单一台摄像头的价格就以万人民币计算的，而构建一个相当规则空间起码需要4-5台这样的摄像头。所以对于大型的主题公园所来说，特定营造的环境和大空间场所是他们核心竞争力。

对于这样的价位实体店尚能负担的起，但相较于普通老板姓，这样高昂的成本显然就不适用了。

光学三维成像+外部基站? 别被名词给忽悠了

HTC Vive之所以在PC端VR市场如此受欢迎，主要在于亲民的价格。相较于其他高昂的空间定位来说，Lighthouse技术的普及让原本只能在网吧、主题公园才可以享受到娱乐方式变得更家庭化，很多年轻的玩家足不出户就可以同样享受同样的沉浸体验。

那么这种定位技术到底有什么神奇的功能？

根据之前介绍，我们知道，常规动作捕捉是光学三维成像，就是用光学的手段，根据测量物体的要求，获得物体三维空间信息的方法和技术。而目前主要是用于获得物体表面三维空间形状信息，应用也最广，激光光束可以是点、线，还可以是环。

像Oculus的Constellation系统就使用了摄像头加上红外主动马克点的方式，而HTC Vive则是主要依靠两个基站。

基站打开后是这样。

每个基站里有一个红外LED阵列，两个转轴互相垂直的旋转的红外激光发射器。转速为10ms一圈。每个基站分别两个循环指示显示A或者B，通过图片可看到内部是两个圆柱体，其旋转的一字激光器，一个是X轴扫量，另一个是Y轴扫量，两个激光器有固定的180度相位差，也就是说，A亮的时候B不亮，B亮的时候A不亮。

而它的工作原理是每20ms为一个循环，在循环开始的时候红外LED闪光，10ms内X轴的旋转激光扫过整个空间，Y轴不发光；下10ms内Y轴的旋转激光扫过整个空间，X轴不发光。

HTC Vive手柄内部

拆开 HTC Vive 头显的外壳，你会看到密密麻麻麻的传感器，总共 32 个，这些都是用来接受 Lighthouse基站发出的红外光，在基站的LED闪光之后就会自动同步所有设备的时间，然后激光开始扫描，此时光敏传感器可以测量出X轴激光和Y轴激光分别到达传感器的时间，激光发射器会分别以垂直和水平两个模式扫描整个房间，头显和手柄上的传感器接收到这些信号之后完成定位。

HTC Vive手柄头盔内部

为了确保 Lighthouse 基站能够准确定位，Vive 手柄上搭载了 24 个传感器，电路板上还有七个测试点。

换句话说，激光扫掠过传感器是有先后顺序的，因此头显上的几个传感器感知信号的时间存在一个先后关系，于是各个传感器相对于基站的X轴和Y轴角度也就已知了。而头显和手柄上安装传感器的位置已经提前标定过位置都是固定的。这样根据各个传感器的位置差，就可以计算出头显和手柄的位置和运动轨迹了。

引用极客视界

由此，我们可以知道，第一，Lighthouse技术占用计算能力小，因为Lighthouse仅仅是采用红外摄像头比单色摄像头简单，所以其使用的仅仅是时间参数，不涉及到图像处理，对于位置的计算在本地就可以处理。

第二，其延迟率低（仅仅是相对较低），因为需要的图形处理的数据相对要少，外加上Lighthouse可以直接将位置数据传输到电脑上，省略了从摄像头到电脑的高数据传输的步骤，缩短了传送数据的时间，但是这种延迟率仅仅是在传输方面降低，如何从根本上通过算法改变其传输方式，进行更有效的传输还尚待解决。

这些都建立在以基站能看的到的地方，它的可检测视角为120度范围以内，对于物体的高度并没有绝对限制，当时以能到最大范围优先。

精确度和扩展性成为Lighthouse绊脚石

当然，lighthouse也存在一些实际问题。

首先是 图象信息采集的精准度问题 ，目前这个问题从技术上还不能完全解决。

从理论来讲，传感器点亮的时候需要精确的知道激光当时的角度，那么就需要很精确的测量激光到达的时间。光敏传感器本身也有一定宽度，如果传感器“挤”在一起，间距达到了传感器本身的宽度量级，那么测角本身就会出现误差了。所以光敏传感器的分布之间需要一定的距离，设备不能制造的太小。Valve表示要保持对一个刚体的跟踪，需要至少5个传感器形成一个阵列。

所以，Vive的手柄前方的传感器阵列必须足够大，才能捕捉到激光传导过来信号，而且在这之间不能有遮挡物。手柄的体积大成为其中一大缺陷。

不过据电科技了解，HTC正在着眼与手势控制的公司合作，不久将来，或许手柄将逐渐淘汰，手势控制或许会成为未来的趋势。

另一个问题是 Lighthouse系统的可扩展性 。

在一个空间里Lighthouse有许多基站的话，很有可能出现的情况是光敏传感器同一时间内被多道激光扫过，就很难分清楚激光是来自哪个基站，位置计算能力就会变差了。目前的Lighthouse是使用时分复用：任意时刻只有一个基站发光。在未来最彻底的解决方案应该是频分复用——光敏传感器接受的每一道激光都带有信息报告自己的基站的id，但是这样整个系统的设计会变得比现在复杂得多，在那么短的一道激光中做到这一点，也可能需要更昂贵的设备。

Valve表示这套系统是理论上可扩展到无限容量的，但是他们并没有披露具体是用怎样的方法做到这一点。

做了以上诸多的理论解释，总结下来就是，HTC Vive的Lighthouse技术在消费级的产品来说，尚属目前最主流的空间定位技术，而且成本低也是不争的事实。

作为VR最重要的环节之一，空间定位系统一直在用户体验度上占据重要位置，目前不仅国内外研究人员都在试图解决核心算法和技术壁垒，同时在实际场景应用方面，例如像主题公园及游戏开发上也在朝着大空间、可移动的方向发展。电科技相信，空间定位技术必然是未来VR发展的核心内容。