Позиционирование в виртуальной реальности и отслеживание движений головы в HTC Vive, Oculus Rift и PlayStation.

Технология позиционирования в помещении позволяет определять местоположение VR-гарнитуры и управлять VR-устройствами, такими как VIVE Tracker, в пространстве. Использование VR-устройств в космосе не только обеспечивает лучшее погружение, но и значительно снижает головокружение, позволяя воспринимать весь экран как реальность, где мир действительно движется в соответствии с нашими движениями. Технология позиционирования в помещении очень важна для настольных VR-устройств.

HTC Vive «Lighthouse» — это технология лазерного позиционирования, Oculus Rift и Sony PlayStation VR — это оптическая технология позиционирования. Oculus Rift использует инфракрасную активную оптическую технологию, а Sony PlayStation VR — оптическую технологию видимого света.

Технология позиционирования Lighthouse от HTC Vive для использования внутри помещений.

Технология позиционирования внутри помещений Lighthouse от HTC — это технология лазерного сканирования , использующая лазер и фоточувствительные датчики для определения местоположения движущихся объектов. Два лазерных излучателя расположены по диагонали, образуя прямоугольную область регулируемого размера. Лазерный луч излучается двумя рядами неподвижных светодиодов внутри передатчика шесть раз в секунду. Каждый лазерный излучатель имеет два сканирующих модуля, которые, соответственно, передают данные лазерного сканирования и позиционирования в пространство позиционирования в горизонтальном и вертикальном направлениях.

В шлеме HTC Vive и его рукоятках установлено более 70 световых датчиков. Путем вычисления времени приема лазерного луча определяется точное положение датчика относительно лазерного излучателя, что позволяет нескольким фотодатчикам определять положение и направление видимой части шлема. Следует пояснить, что в процессе позиционирования HTC Vive используется технология лазерного позиционирования, при которой идентификаторы фотодатчиков передаются в вычислительный блок, что позволяет ему напрямую различать разные фотодатчики. Таким образом, на основе положения каждого светового датчика, закрепленного на шлеме и рукоятке, а также другой информации, строится трехмерная модель шлема и его рукоятки.

Технология лазерного позиционирования обладает низкой стоимостью, высокой точностью позиционирования, распределенной обработкой и другими преимуществами, а также практически полным отсутствием задержек, не боится блокировки, даже если рукоятка на спине или в паху все еще может захватывать цель. Можно сказать, что технология лазерного позиционирования позволяет достичь высокоточной и быстрой реакции позиционирования внутри помещений, избегая при этом недостатков, связанных с высокой сложностью, высокой стоимостью оборудования, низкой скоростью вычислений и подверженностью влиянию естественного освещения, характерных для технологий обработки изображений. Кроме того, по сравнению с двумя другими продуктами, HTC Vive позволяет пользователям выполнять действия в определенном пространстве, что ограничивает их возможности, и адаптироваться к необходимости перемещения во время игры. Однако, поскольку базовая станция лазерного позиционирования HTC Vive использует механическое управление для контроля пространства лазерного сканирования, и само механическое управление имеет проблемы со стабильностью и долговечностью, в результате чего стабильность и долговечность HTC Vive несколько хуже.

технология позиционирования Oculus Rift

Oculus Rift использует технологию активного оптического позиционирования.

Пользователи Oculus Rift, вероятно, знают, что устройства Oculus Rift скрывают часть инфракрасного излучения (то есть, маркеры), излучающие инфракрасный свет, и снимают его в реальном времени с помощью двух инфракрасных камер. Так называемая инфракрасная камера установлена ​​в инфракрасном фильтре снаружи основного устройства, поэтому она может захватывать только инфракрасный свет от головы и рукоятки (Oculus Touch), отфильтровывая видимый свет от головы и рукоятки, чтобы улучшить шумоподавление изображения и повысить надежность системы.

После получения инфракрасного изображения, снимки, сделанные двумя камерами под разными углами, передаются в вычислительный блок, где с помощью визуального алгоритма отфильтровывается ненужная информация для определения положения инфракрасного источника света.

Алгоритм повторного использования PnP, то есть использование информации о местоположении устройства, полученной с помощью четырех некопланарных инфракрасных источников света, позволяет преобразовать эти четыре точки изображения в систему координат камеры, соответствующую трехмерной модели устройства, и, таким образом, осуществлять мониторинг движений головы и рук игрока в реальном времени. Следует пояснить, что для определения местоположения различных инфракрасных источников света на устройстве необходимо уметь различать их. Конкретные решения приведены ниже:

Устройство определяет собственный идентификатор камеры по миганию ИК-лампы. Управляя частотой срабатывания затвора камеры и частотой мигания каждого светодиода, можно контролировать размер изображения каждой ИК-лампы на снимке, а затем, используя изменения размера каждой точки на 10-кадровом изображении, определить соответствующий ID-номер светодиода. На основе этого ID-номера можно определить местоположение ИК-лампы на устройстве.

Кроме того, Oculus Rift оснащен девятиосевым датчиком, который использует данные для расчета пространственного положения устройства в условиях перекрытия или размытия инфракрасного оптического позиционирования. Благодаря очевидному нулевому смещению и дрейфу девяти осей, инфракрасная оптическая система позиционирования может также использовать полученную информацию о положении для калибровки данных, полученных с помощью девяти осей, при нормальной работе инфракрасной оптической системы позиционирования, обеспечивая взаимную компенсацию между инфракрасным оптическим позиционированием и данными девяти осей.

Активная инфракрасная оптика Oculus Rift + девятиосевая система позиционирования с высокой точностью и надежной защитой от блокировок. Благодаря высокой скорости съемки используемых камер и возможности получения абсолютных координат маркера в текущем пространстве, система исключает накопление ошибок.

Однако из-за ограниченного поля зрения камеры и ограниченного ассортимента доступных продуктов возможности пользователя значительно ограничиваются, что делает невозможным использование Oculus Rift для игр в виртуальной реальности, требующих широкого спектра действий, таких как ходьба. Поэтому, хотя Oculus Rift может поддерживать одновременное позиционирование нескольких целей, их количество не может быть слишком большим, обычно не более двух.

Технология позиционирования Playstation VR

PlayStation VR использует технологию видимого активного оптического позиционирования.

Устройство PlayStation VR использует камеру, управляемую телом, и объект с цветной подсветкой, аналогичный предыдущему PS Move, для отслеживания положения головы и элементов управления. На голову и рукоятку устанавливаются светодиодные шары, каждый из которых крепится к голове и рукоятке. Эти светодиодные шары могут излучать собственный свет, причем разные шары излучают свет разных цветов, что позволяет очень хорошо различать светящиеся шары при съемке камерой, а также светящиеся шары и окружающую обстановку.

В PS3 изначально использовалась одна камера, которая, вычисляя радиус мяча на изображении, определяла его положение относительно камеры и, в конечном итоге, положение рукоятки и головки. Однако точность позиционирования с помощью одной камеры невысока, надежность невелика, и иногда она может распознавать цветные объекты, например, рукоятку, а при ярком солнечном свете — нет. Поэтому в PS4 используется бинокулярная камера, которая, используя два изображения, полученные камерой, вычисляет трехмерные координаты мяча в пространстве. Принцип работы: теоретически, для точки в трехмерном пространстве, если эта точка видна одновременно с двух камер, обе камеры, используя изображение и соответствующие параметры, могут определить местоположение точки в трехмерном пространстве, как показано ниже:

После использования соматосенсорной камеры точность позиционирования PS4 и надежность значительно улучшились.

Определите подходящие трехмерные координаты, а именно x, y, z — три степени свободы. Для расчета остальных трех степеней свободы и свободы вращения используется девять степеней свободы серии PS. Таким образом, получаются шесть степеней свободы, и определяются пространственное положение и ориентация рукоятки.

Из приведенного выше описания мы можем понять, что PS поддерживает одновременное определение местоположения нескольких целей, различающихся по цвету. Однако из-за слабой защиты от помех PS, при использовании нескольких объектов, перекрывающих друг друга, позиционирование сразу же ухудшается. А из-за ограниченного диапазона бинокулярной камеры, PS Mobile ограничена областью действия камеры, и в основном она работает только при сидении перед компьютером. Хотя PS4 в настоящее время использует бинокулярную камеру, но все же использует позиционирование с помощью видимого света, что легко может быть искажено цветом фона. Кроме того, согласно результатам пользовательского опыта, более быстрые камеры захвата движения не могут решить эту проблему.

Наконец, мы можем сравнить приведенную ниже таблицу, чтобы увидеть преимущества и недостатки трех технологий позиционирования продукта.