Posizionamento e tracciamento della testa in realtà virtuale con HTC Vive, Oculus Rift e PlayStation.

La tecnologia di posizionamento indoor per la realtà virtuale (VR) è in grado di localizzare i visori VR e di gestire dispositivi come il VIVE Tracker nello spazio. Grazie a un dispositivo VR posizionato nello spazio, non solo si ottiene una maggiore immersione, ma si riduce significativamente anche la sensazione di vertigine, rendendo l'intero schermo un luogo realistico in cui il mondo si muove in base ai nostri movimenti. La tecnologia di localizzazione indoor è fondamentale per i dispositivi di realtà virtuale desktop.

HTC Vive "Lighthouse" utilizza una tecnologia di posizionamento laser, mentre Oculus Rift e Sony PlayStation VR utilizzano una tecnologia di posizionamento ottico. Oculus Rift utilizza una tecnologia ottica attiva a infrarossi, mentre Sony PlayStation VR utilizza una tecnologia ottica attiva a luce visibile.

La tecnologia di posizionamento indoor Lighthouse di HTC Vive.

La tecnologia di posizionamento indoor Lighthouse di HTC è una tecnologia di posizionamento a scansione laser che utilizza laser e sensori fotosensibili per determinare la posizione di oggetti in movimento. Due emettitori laser sono posizionati diagonalmente per formare un'area rettangolare di dimensioni regolabili. Il raggio laser viene emesso da due file di LED fissi all'interno del trasmettitore, sei volte al secondo. Ciascun emettitore laser dispone di due moduli di scansione che trasmettono rispettivamente la scansione laser e lo spazio di posizionamento, in direzione orizzontale e verticale.

La testa e le impugnature dell'HTC Vive sono dotate di oltre 70 sensori di luce. Calcolando il tempo di ricezione del laser per determinare la posizione esatta del sensore rispetto all'emettitore laser, è possibile rilevare la posizione e la direzione della testa visibile tramite più fotosensori. In particolare, la tecnologia di posizionamento laser dell'HTC Vive utilizza l'ID del sensore fotosensibile e i dati ricevuti vengono trasmessi simultaneamente all'unità di elaborazione. Ciò significa che l'unità di elaborazione può distinguere direttamente i diversi sensori fotosensibili, costruendo così un modello tridimensionale della testa e delle impugnature, basato sulla posizione di ciascun sensore di luce presente sulla testa e sulle impugnature, nonché su altre informazioni.

La tecnologia di posizionamento laser, grazie al basso costo, all'elevata precisione di posizionamento, all'elaborazione distribuita e ad altri vantaggi, e alla quasi totale assenza di ritardi, non teme le ostruzioni, riuscendo a catturare il segnale anche in presenza di oggetti sulla schiena o all'inguine. Si può affermare che la tecnologia di posizionamento laser consente di ottenere un posizionamento indoor con elevata precisione e velocità di reazione, evitando al contempo gli svantaggi di elevata complessità, costi elevati delle apparecchiature, bassa velocità di calcolo e facile influenzabilità da parte della luce naturale tipici delle tecnologie di elaborazione delle immagini. Inoltre, rispetto agli altri due prodotti, HTC Vive permette agli utenti di svolgere attività in uno spazio limitato, adattandosi alle esigenze di movimento durante il gioco. Tuttavia, poiché la stazione base di lancio laser di HTC Vive utilizza un controllo meccanico per controllare lo spazio di scansione laser, e il controllo meccanico stesso presenta problemi di stabilità e scarsa durata, con conseguente minore stabilità e durata complessiva di HTC Vive.

Tecnologia di posizionamento di Oculus Rift

Oculus Rift utilizza la tecnologia di posizionamento ottico attivo.

Chi conosce l'utente di Oculus Rift sa che i dispositivi Oculus Rift nascondono alcuni dei marcatori a infrarossi che emettono luce infrarossa e vengono ripresi in tempo reale da due telecamere a infrarossi. La cosiddetta telecamera a infrarossi è installata all'esterno della telecamera, in modo che possa catturare solo la testa e il controller (Oculus Touch) sulla luce infrarossa per filtrare la testa e il controller intorno al segnale di luce visibile per migliorare l'immagine del testo. Il rapporto rumore aumenta la robustezza del sistema.

Dopo aver acquisito l'immagine a infrarossi, le immagini raccolte dalle due telecamere da angoli diversi vengono trasmesse all'unità di elaborazione e le informazioni indesiderate vengono filtrate dall'algoritmo di elaborazione visiva per ottenere la posizione della luce infrarossa.

Riutilizzo dell'algoritmo PnP, ovvero l'utilizzo di quattro luci infrarosse non complanari sulle informazioni di posizione del dispositivo, i quattro punti delle informazioni dell'immagine possono essere il dispositivo finale nel sistema di coordinate della telecamera, adattandosi al modello tridimensionale del dispositivo e quindi monitorando in tempo reale i movimenti della testa e delle mani del giocatore. Ciò che è necessario spiegare qui è che se si vogliono conoscere le informazioni di posizione delle diverse lampade a infrarossi sul dispositivo, è necessario essere in grado di distinguere tra le diverse lampade a infrarossi, le soluzioni specifiche sono le seguenti:

Il sistema identifica la telecamera tramite il lampeggio della lampada a infrarossi. Controllando la frequenza dell'otturatore e la frequenza di lampeggio di ciascun LED, è possibile regolare le dimensioni dell'immagine di ogni lampada a infrarossi. Successivamente, analizzando le variazioni di dimensione di ciascun punto nell'immagine a 10 fotogrammi, si determina il numero ID corrispondente al LED. In base a tale numero ID, è possibile risalire alla posizione della lampada a infrarossi sul dispositivo.

Inoltre, l'Oculus Rift è dotato di un sensore a nove assi che utilizza tale sensore per calcolare la posizione spaziale del dispositivo anche quando il posizionamento ottico a infrarossi è occluso o sfocato. Grazie all'evidente bias e deriva zero dei nove assi, il sistema di posizionamento ottico a infrarossi può utilizzare le informazioni di posizionamento ottenute per calibrare le informazioni acquisite dai nove assi quando il sistema di posizionamento ottico a infrarossi funziona normalmente, in modo che il posizionamento ottico a infrarossi e i nove assi si compensino a vicenda.

L'ottica a infrarossi attiva di Oculus Rift, unita al sistema di posizionamento a nove assi ad alta precisione e con forte capacità anti-inceppamento, consente di ottenere in qualsiasi momento le coordinate assolute del marker nello spazio circostante, eliminando così l'errore cumulativo.

Tuttavia, a causa del campo visivo limitato della telecamera, la gamma ristretta di prodotti disponibili limita notevolmente le possibilità dell'utente, rendendo impossibile utilizzare l'Oculus Rift per giocare a videogiochi in realtà virtuale che richiedono un'ampia gamma di attività, come ad esempio camminare. Pertanto, sebbene l'Oculus Rift possa supportare il posizionamento simultaneo di più bersagli, il numero di bersagli non può essere eccessivo, solitamente non più di due.

Tecnologia di posizionamento Playstation VR

PlayStation VR utilizza la tecnologia di posizionamento ottico attivo visibile.

Il dispositivo PlayStation VR utilizza una telecamera con sensori corporei e un oggetto illuminato a colori, simile al precedente PS Move, per tracciare la posizione della testa umana e i comandi. La testa e le impugnature sono dotate di sfere luminose a LED, ciascuna montata su una delle due. Queste sfere luminose emettono luce propria, con colori diversi a seconda della sfera, consentendo così una netta distinzione tra l'inquadratura della telecamera, la sfera luminosa e lo sfondo.

La PS3 inizialmente utilizzava una singola telecamera, calcolando il raggio della palla nell'immagine per determinarne la posizione rispetto alla telecamera e, in definitiva, la posizione del controller e della testa. Tuttavia, la precisione del posizionamento con una singola telecamera non era elevata, la robustezza non era elevata e a volte l'ambiente circostante veniva identificato come un controller colorato, o in presenza di forte luce solare il sistema non funzionava. Pertanto, la PS4 utilizza una telecamera somatosensoriale, ovvero una telecamera binoculare, che utilizza due immagini acquisite dalla telecamera per calcolare le coordinate tridimensionali della palla nello spazio. Principio specifico: in teoria, per un punto nello spazio tridimensionale, purché questo punto possa essere visto contemporaneamente da entrambe le telecamere, queste, in base all'immagine e ai parametri corrispondenti, possono determinare la posizione di quel punto nello spazio tridimensionale, come mostrato di seguito:

Grazie all'utilizzo della telecamera somatosensoriale, la precisione e la robustezza del posizionamento su PS4 sono state notevolmente migliorate.

Determinare un buon sistema di coordinate tridimensionali, ovvero x, y, z con tre gradi di libertà. La serie PS utilizza nove gradi di libertà per calcolare gli altri tre gradi di libertà e la libertà di rotazione. In questo modo si ottengono sei gradi di libertà e si determinano la posizione spaziale e l'orientamento dell'impugnatura.

Dalla descrizione precedente si evince che PS può supportare la localizzazione simultanea di più bersagli, distinguibili anche con colori diversi. Tuttavia, a causa della scarsa resistenza agli ostacoli, la presenza di più occlusioni contemporaneamente compromette immediatamente il posizionamento. Inoltre, a causa della portata limitata della fotocamera binoculare, PS Mobile è limitato all'area di azione della fotocamera, ovvero può essere utilizzato solo stando di fronte al PC. Sebbene PS4 utilizzi attualmente una fotocamera binoculare, il posizionamento si basa ancora sulla luce visibile, risultando facilmente influenzato dal colore dello sfondo. Infine, secondo i risultati dell'esperienza utente, la fotocamera per la motion capture più veloce non riesce a tenere il passo.

Infine, possiamo confrontare la seguente tabella per vedere i vantaggi e gli svantaggi delle tre tecnologie di posizionamento del prodotto.