作為VR頭盔空間定位的代表，HTC Vive一直以其Lighthouse激光定位傲視群雄。也許Oculus、PSVR分別在用戶體驗和內容上有自己的優(yōu)勢，但要說到房間尺寸（Room-Scale）定位，則已經(jīng)推出一年的HTC Vive，至今在全世界還沒有對手，這也可以看出它激光定位方案的強大。
先給不玩VR的科普下（不玩VR你看這個文章干啥？），所謂Room-Scale，指的就是用戶能否自由地在VR里行走。其實，所謂的VR三大硬件（HTC Vive、Oculus Rift、PSVR）都能實現(xiàn)一定程度的Room-Scale體驗，但Oculus、PSVR采用攝像頭為主的方案，效果并不怎么好，大多數(shù)情況下還是坐著不動玩更舒服。
而HTC Vive的激光方案，才讓玩家真正能比較自由地在VR里行走，穩(wěn)定性和行走范圍均遠遠優(yōu)于另外兩者?？梢哉f，HTC Vive啥都能黑，就是這個定位黑不得。
在2017年的CES上，國內硬件廠商大朋帶來了雙目激光定位方案Polaris，似乎是要以自研技術和硬件，對HTC Vive發(fā)出挑戰(zhàn)。三月末又召開了發(fā)布會邀行業(yè)人現(xiàn)場體驗。經(jīng)過現(xiàn)場測試，大朋的雙目激光定位方案反饋還不錯。
但是我們仍然要問，大朋的雙目激光定位原理為何？如何實現(xiàn)？相比HTC Vive又有哪些好處？本著刨根問底的精神，青亭網(wǎng)專門采訪了大朋CEO陳朝陽，首次詳細獨家揭示大朋的技術奧秘。
首先來看看，HTC Vive的方案是怎么玩的？
首先，要想明白大朋比HTC Vive好在哪里，我們就必須得再詳細闡述一下HTC Vive的定位方案（熟悉的小伙伴可以跳過這部分，直接看大朋的）。這一方案使用的是兩個名為光塔（Lighthouse）的基站，對角擺放，拉出一塊空間，不斷發(fā)射激光來掃描空間里的HTC Vive和手柄。
那么，基站具體是怎么運作的？現(xiàn)在我們來拆解一下。
打開基站，會發(fā)現(xiàn)由三個部分組成，分別是LED燈陣列和兩個電機。電機分別用于打出一橫一豎兩個激光面。
如下圖，其中紅色面為豎直的激光面，掃動方向是水平的，藍色為水平激光面，掃動方向為上下垂直掃動，紅色陰影部分位于藍色面下方。
每當一個激光面遇到傳感器，就會停止掃描并記錄角度。假如兩個面停止位置如圖所示，則可以確定傳感器位于兩面相交線，即圖中細紅線上。
這樣得到的位置信息是不全面的，因為只知道點在哪條線上，不知道具體在線上什么位置，就像去某個地方，只知道在某條街上卻不知道門牌號碼。因此需要安裝多個傳感器。
所以聰明的你可能已經(jīng)猜到了，HTC Vive的傳感器都放在頭盔和手柄上，坑坑洼洼、如同月球表面的頭盔上，每一個小坑都是一個傳感器。并且傳感器是固定的，不能移動。
實際上，系統(tǒng)并不需要確定每個傳感器的位置。而只需要確定傳感器所在的直線就好了。這就好像吃烤雞腿，用手拿著可以直接確定雞腿的位置，也可以拿幾根簽子穿著固定住，雞腿的位置同樣是確定的。
也就是說，確定位置并不一定需要傳感器的點，還可以僅用足夠多的線來確定頭盔位置。只要知道頭盔尺寸，依據(jù)下圖就能確定位置了。
兩個激光面掃描完一次，確定的是頭盔上一個傳感器距離基站的直線方程。只知道掃描到的傳感器在這條直線上，但并不知道詳細距離。
這個時候就需要知道頭盔的尺寸了。然后通過專門的算法，明白在確定幾條直線、并已知頭盔大小的情況下，頭盔唯一有可能的方位在哪里。
在兩個激光面掃描完一個傳感器后，該傳感器就會關閉，以免下次再被掃到。等到掃到五個傳感器后（Valve官方給出的數(shù)字），頭盔定位完成。所有傳感器重新打開，開始新一輪的掃描，如此反復。
新版Lighthouse基站的LED陣列排列有變化
從上所述，理論上傳感器只需要五個就夠了。然而，實際上定位時由于光線接受可能被遮擋，傳感器之間又為了防止串擾信號必須保持距離，因此最后采用的傳感器有幾十個。所以不要再苛責你頭盔為什么長那么丑了，滿滿的都是愛啊……
重點來了，如何實現(xiàn)完整的數(shù)據(jù)流程，完成從用戶的移動到他們的頭盔圖像的變化呢？
我們要先確定關鍵的數(shù)據(jù)和采集方法。兩個激光面能確定一條線（也就是上文所說的，傳感器點所在的直線）。那么橫豎激光兩個面的位置怎么算？只需要角度就能知道了——角度是電機的角速度（轉速）和用時的乘積，角速度是恒定的，相當于已知，因此記錄下時間就能求出來。
下面是具體實現(xiàn)步驟了，對于不學理科的同學來說，可能還是有點復雜，打起精神！
首先基站會和傳感器進行一次溝通，同步閃光（sync light），這樣傳感器會告訴傳感器的控制芯片，讓它把計時器（類似于秒表的功能）歸零，接下來的10毫米內，會有一個激光面掃過，這個激光面接觸到傳感器的時候，傳感器就會發(fā)出信號，計時器就停了，記錄下時間，然后歸零。緊接著另一個激光面掃過，再次記錄時間，歸零。
這個過程看似復雜，實際上兩個電機只要以20毫秒轉一圈的速度（也就是每秒50轉）穩(wěn)定運行，而電機上的激光發(fā)射器“此起彼伏”地出現(xiàn)就行了。時間值隨后會來到傳感器的集線器，再到數(shù)據(jù)收集芯片，通過WiFi信號以某種數(shù)據(jù)包形式和協(xié)議（如UDP）發(fā)送到基站的計算部分。
這樣得到了兩個時間值能轉化為角度值，再轉為兩個面的方程，求出交線，就能獲得一個之前說到的傳感器所在的直線方程。然后諸多方程合并起來，通過算法算出一個頭盔上傳感器方位對應的位置，就是對頭盔完成了定位。這個定位數(shù)據(jù)隨后會由基站更新到計算機或主機，在3D引擎內修改攝影機位置，重新計算畫面，發(fā)送到頭盔顯示器，完成一幀的顯示。
那么，大朋是怎么做的呢？
說完了HTC Vive，終于輪到我們今天的正主兒——大朋了！根據(jù)青亭網(wǎng)對大朋CEO陳朝陽的采訪，再加上觀察和HTC Vive的Lighthouse原理推斷，大朋Polaris結構應該類似這樣：
畫工丑了點，將就點吧……是的，你沒看錯，大朋的基站里是三組電機，比Vive多一組。分別為兩個打出橫激光面的電機和一個打出豎激光面的電機。
如下圖，三個激光面會形成三條交線，實際上只任意用兩條（比如紅和藍）就能確定交點，該點即為要確定的傳感器位置。也就是說，三個掃描面的時候，不是確定傳感器所在直線，而是直接把傳感器所在位置確定了。
顯然，這樣定位方式比起Lighthouse的定位只能確定傳感器所在直線位置要更加有效率。只要釘死三個點就能確定位置，也就相當于頭盔上最少三個傳感器就夠了。（當然為了保證精確，實際上不止三個）
不過，實際中設計的時候為了防止橫向兩個面靠太近，影響精度（就像人要靠兩眼間存在距離才好定位一樣）。最好的辦法就是，把兩個橫向電機放在縱向電機的上下兩個位置。
這樣傳感器的數(shù)量比起Lighthouse大約能減少一半。但是存在問題是，如果激光面照不到傳感器就沒有效果了，為了實現(xiàn)無死角，最簡單的方式就是在基站的另一面再放一個基站，就能覆蓋到了，這樣雙基站的設計能讓傳感器數(shù)量再減一半。大概像這樣：
最后需要的傳感器數(shù)量大概是Lighthouse的四分之一左右（Lighthouse用了幾十個傳感器）。事實上，大朋官方也是這樣宣傳的，即頭盔所需傳感器相對Vive較少，僅需六個。頭盔得以更輕便，而相對的，大朋的基站就要比Lighthouse體積更大。
實際工作順序如下：
首先LED陣列發(fā)出閃光，與傳感器控制芯片同步一次，然后開始計時。如果能做到16毫秒左右延遲的話，總周期應該是15毫秒以內。
這里假設是15毫秒。則閃光后第一個5毫秒內，第一個橫向激光面掃過，傳感器發(fā)信號之后記錄時間；第二個5毫秒內，縱向激光面掃過，傳感器發(fā)信號后記錄時間；第三個5毫秒內，第二個橫向激光面掃過，傳感器發(fā)信號，記錄時間，然后WiFi信號傳輸時間數(shù)據(jù)包給基站進行位置計算，上傳到計算機或主機完成位置數(shù)據(jù)更新。
其實和HTC Vive很類似，只是多出一步橫激光面的掃描，定位的不是點所在的直線，而是點的坐標。
陳朝陽的在讀完青亭網(wǎng)的原理解析后，表示認可：“原理上已經(jīng)寫的很好了。沒什么好補充的了?！?但他也強調：“95%的難度在工程實現(xiàn)上，太多細節(jié)要考慮了?！?/p>
國內專注于大空間多人定位的公司ZVR CEO郭偉也對青亭網(wǎng)指出，激光方案主要是工程方面的問題，在具體的電機調校、產品量產、供應鏈方面會有很多坑。
定位方案相關疑問
綜上，我們對大朋的定位方案進行了解讀。但是聰明如你，一定還有一些疑惑。是的，關于大朋的定位方案，從原理上來說，我們萌生了這幾個問題（見文末附錄）。
青亭網(wǎng)就這些問題對陳朝陽進行求證，對方給出了可以理解的答復：“目前還沒到開源我們的所有原理的時候”。
筆者期待，作為國產硬件中少數(shù)采用自研技術方案的廠商，大朋的定位方案能夠走出一條自己的路，用體驗說話，在未來能夠對這些問題作出完美的解答。
文章來自: 咸寧新聞網(wǎng) http://www.xnnews.com.cn
原文參考：http://news.xnnews.com.cn/qyxc/201704/t20170421_2642108.shtml
