揭秘HTC Vive Lighthouse光学位置追踪技术

HTC Vive系统包括以下组件：Vive头显、2个Lighthouse激光基站、2个无线手柄。Lighthouse光学位置追踪技术是HTC Vive相比于Oculus Rift头显最大的区别，国外科技媒体Hizook解谜了Lighthouse的基本原理：

头部追踪是VR头显非常重要的技术指标，最传统的方法是使用惯性传感器，就像智能手机那样。但是惯性传感器只能测出转动（绕XYZ三轴转动，称之为三个自由度），无法测量出移动（沿XYZ三轴移动，另外三个自由度，合起来称之为六自由度）。另外一点，就是惯性传感器的误差比较大，如需更精确和自由地跟踪头部动作，需要其他位置追踪技术。

HTC Vive使用的Lighthouse系统没有采取通常的使用光学镜头和马克点的定位系统，而是由两个激光基站构成：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。基站的工作状态是这样的：20ms为一个循环，在循环开始的时候红外LED闪光，10ms内X轴的旋转激光扫过玩家自由活动区域，Y轴不发光；下10ms内Y轴的旋转激光扫过玩家自由活动区域，X轴不发光。下图为Lighthouse基站：

HTC Vive在头显和无线手柄上安装了许多光敏传感器。在基站的LED闪光之后就会同步信号，然后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。这个时间就正好是X轴和Y轴激光转到这个特定的，点亮传感器的角度的时间，于是传感器相对于基站的X轴和Y轴角度也就已知了；分布在头显和控制器上的光敏传感器的位置也是已知的，于是通过各个传感器的位置差，就可以计算出头显的位置和运动轨迹。

Lighthouse系统相比光学镜头和马克点的定位系统有很多优势。第一、Lighthouse使用的是时间参数，不涉及到图像处理，对于位置的计算在设备本地就可以完成。第二、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。

HTC Vive的头部追踪和手柄跟踪非常精确，延迟极低，用户甚至可以做出将手柄抛来抛去的动作。Owlchemy Labs开发的HTC Vive游戏《Job Simulator》，在虚拟现实空间使用双手进行互动。玩家可以扮演厨师、零售店店员、办公室白领和汽车修理工，VR空间内的卡通物体巧妙使用手柄拿起来并能随意扔出去。

玩家可以使用手柄给自己冲杯咖啡，看到棕色的咖啡慢慢充满咖啡杯，拿起来放到嘴边，做出“喝咖啡”的动作，咖啡一点点从你眼前消失。

YOTOVR此前报道HTC副总裁Dan O’Brien详解HTC Vive定价，他表示手势和移动在虚拟现实里互动非常重要，你能感觉到所有的内容都环绕你周围，你可以在虚拟环境里安全自由走动。

Lighthouse系统也有一些缺点：首先基站本身的安装和校准的要求实在是相当精密，对一般消费者而言，门槛过高；其次高速旋转的部件带来了基站的震动——这种震动会导致跟踪变得不精确，手柄经常出现抖动和跳变的情况。目前，基站安装和校准的问题，HTC Viver通过精细的说明指导玩家来解决。

更令人惊叹的是Lighthouse光学位置追踪系统还可以应用到机器人领域，尤其是机器人远距离精准追踪。比如：

1、可以在室内跟踪四旋翼无人机，不必再花5万美金买一套Vicon光学运动追踪系统；

2、追踪充气式机器人的运动轨迹；

3、可替代目前机器人追踪巡航系统，诸如亚马逊并购的机器人公司Kiva Systems、还有First Robotics Competition和机器人足球世界杯RoboCup使用的教育或比赛机器人产品；

4、基站集成测距功能，简单使用线激光加一个深度摄像头就能测距，就像Morgan Quigley博士（他也是机器人开源操作软件Robot Operating System的发起人）制作的低成本机器人扫描系统。

除上述外，Lighthouse光学位置追踪系统在机器人领域还有更多可能性。