VR 線下體驗(yàn)館之痛——如何選擇最為合適的室內(nèi)定位系統(tǒng)？

　　VR 線下體驗(yàn)帶來的一大副產(chǎn)品就是，所有人都在說 “室內(nèi)定位”!可真正系統(tǒng)了解過室內(nèi)定位的人，太少了。本文將從實(shí)操的角度告訴你，七大定位方式，到底優(yōu)劣何在，如何揚(yáng)長避短。干貨滿滿，值得收藏細(xì)讀。

　　你將了解到：

　　室內(nèi)定位系統(tǒng)的現(xiàn)狀到底是什么樣?

　　每一種定位方式的原理及優(yōu)劣是什么?

　　好的定位方案應(yīng)當(dāng)以怎樣的標(biāo)準(zhǔn)作為自己的目標(biāo)?

　　現(xiàn)有的 VR 體驗(yàn)館構(gòu)建還缺少了最重要的一環(huán)，就是廉價(jià)而靈活準(zhǔn)確的定位方案。本文將據(jù)此闡述一些已有方案的優(yōu)劣：

　　缺失的一環(huán)

　　虛擬現(xiàn)實(shí)刮起的風(fēng)暴如今已經(jīng)愈演愈烈。

　　從形形色色的頭盔和眼鏡，到各種奇思妙想的交互設(shè)備，再到內(nèi)容制作和建立體驗(yàn)館的嘗試，越來越多的 VR 相關(guān)從業(yè)者和創(chuàng)業(yè)者都將 The Void，Zero Latency 等前輩作為自己下一步趕超的目標(biāo)，發(fā)出了開發(fā) VR 主題公園，或者 VR 主題體驗(yàn)解決方案的宣言。

　　然而，從宏觀的角度來看， 整個(gè)行業(yè)也并非發(fā)展的一帆風(fēng)順 ：

　　VR 頭盔和眼鏡的水準(zhǔn)參差不齊，VR 對系統(tǒng)配置的要求很高，相關(guān)設(shè)備隨身穿戴不易，而移動端設(shè)備的渲染則多半力有不逮;而針對體驗(yàn)館的交互內(nèi)容如何制作，互動方式如何設(shè)計(jì)，也有諸多不甚明朗的地方。

　　除此之外，VR 體驗(yàn)館的構(gòu)建卻還缺少了最重要的一環(huán)，就是廉價(jià)而靈活準(zhǔn)確的定位方案。

　　這里所說的定位，就是確定體驗(yàn)館中的參與者在場館中的絕對空間位置，并反饋到所有參與游戲的玩家和游戲服務(wù)器上，進(jìn)而執(zhí)行群體游戲所必需的各種游戲邏輯。

　　例如，當(dāng)一位玩家靠近樹林的邊緣時(shí)，一頭蓄謀已久的餓狼會猛然撲出來;又比如多位玩家展開一場虛擬現(xiàn)實(shí)的真人 CS 大賽，互相射擊與開展戰(zhàn)術(shù)。

　　如果玩家在游戲場地內(nèi)的位置無法得到有效識別，那么相應(yīng)的樂趣和復(fù)雜度自然也就少了很多，也許只是來一場第一人稱的定點(diǎn)射擊游戲而已。

　　而定位的精度和速度也絕對不容忽視，20cm 的誤差也許就決定了射出的子彈是否能穿透虛擬敵人的胸膛，而定位本身帶來的延遲，同樣也會給虛擬現(xiàn)實(shí)玩家的現(xiàn)場感帶來巨大的影響，甚至成為 3D 暈動癥的幫兇。

　　然而，縱觀現(xiàn)在市面上形形色色的 VR 空間定位方案，卻并沒有哪家能夠提供足夠成熟穩(wěn)定的技術(shù)實(shí)現(xiàn)，亦或者用巨大的成本以及靈活度的喪失作為代價(jià)，構(gòu)建并不成功的 Demo 作品。

　　這樣的程度恐怕還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能稱之為解決方案，也遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法滿足眾多體驗(yàn)館從業(yè)者的胃口。那么，好的定位方案應(yīng)當(dāng)以怎樣的標(biāo)準(zhǔn)作為自己的目標(biāo)?整個(gè)行業(yè)缺失的救世主又是否已經(jīng)到來呢?本文將嘗試對此略加闡述。

　　(一)體感攝像頭

　　去年底，日本新宿的繁華地段進(jìn)行了為期僅一天的 VR 體驗(yàn)，通過頭戴 Gear VR 顯示一個(gè)虛擬雪山場景，同時(shí)搭建了實(shí)體吊橋道具，并通過風(fēng)扇和冷空調(diào)來模擬寒冷的山巔環(huán)境。體驗(yàn)者在吊橋上戰(zhàn)戰(zhàn)兢兢地前進(jìn)，最終在場地的終點(diǎn)位置拿到屬于自己的獎品——來自經(jīng)銷商的一杯熱飲。

　　這個(gè)體驗(yàn)游戲的復(fù)雜度并不高，收效卻十分顯著。而其中不可或缺的一環(huán)就是判斷玩家在吊橋上行走的位置，然后對 Gear VR 中渲染的場景做出對應(yīng)的處理。而在同一個(gè)宣傳視頻中，我們不難發(fā)現(xiàn)這樣一絲端倪：

　　很顯然這是一臺微軟的 Kinect2 體感設(shè)備，它可以通過 TOF(飛行時(shí)間)計(jì)算的方法，獲取傳感器射出光線遇到物體反射后的相位差，從而得到設(shè)備與實(shí)際場景之間的距離值，也就是深度值(depth) 。

　　由此形成的深度圖像不僅可以用來判斷物體相對體感設(shè)備的位置，還可以進(jìn)一步得到物體的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，甚至是角色的骨骼信息。

　　最重要的是， Kinect2 本身只是 XBox One 游戲機(jī)的可選外設(shè)，因此要買到它并且用來做 VR 內(nèi)容的簡單空間定位，絕不會花費(fèi)太多成本。

　　不過，物美價(jià)廉的對立面就是差強(qiáng)人意的性能參數(shù)，30fps 的刷新頻率必然讓人能夠比較明顯地感受到定位結(jié)果的延遲(雖然這種延遲相比頭盔的延遲來說，給人的影響更小)，并且 Kinect 的視場角只有 60 度左右，最大識別范圍一般來說為 3-4 米。

　　在這個(gè)區(qū)域內(nèi)可以識別最多 6 個(gè)人的位置信息，并且他們在 Kinect 的視場范圍內(nèi)不能有太多的重疊，以免漏測(如上圖所示)。

　　顯然，這些苛刻的限制條件讓我們很難想象出一個(gè)比爬雪山喝咖啡更復(fù)雜的游戲了，不過至少這是一個(gè)不錯(cuò)的開始。

　　(二)光學(xué)定位與圖像識別

　　有一則去年的新聞，在大多數(shù) VR 從業(yè)者耳中應(yīng)該不會陌生：澳大利亞的 Zero Latency 成為了全世界第一家虛擬現(xiàn)實(shí)游戲體驗(yàn)中心，它占地 400 平方米左右，由 129 個(gè) PS Eye 攝像頭組成，同時(shí)支持 6 名玩家同場進(jìn)行游戲……

　　沒錯(cuò)，這個(gè)體驗(yàn)中心相比之前的 VR 應(yīng)用，其最大的賣點(diǎn)就是可以在虛擬空間中自由行走。而 PS Move 設(shè)備(包括 PS Eye 攝像頭，以及裝備了標(biāo)記光球的 Move 手柄)則是這一技術(shù)的核心所在。

　　如之前的游戲效果圖所示， 不同顏色的光球在 PS Eye 攝像頭中可以呈現(xiàn)出顯著不同于背景畫面的圖像，從而方便我們通過計(jì)算機(jī)視覺(CV)算法將它提取出來 。

　　當(dāng)然，僅有一個(gè) PS Eye 攝像頭的話，是無法得到玩家的三維空間信息。此時(shí)需要有不止一個(gè)攝像頭去捕捉玩家的光球在屏幕空間的位置，然后通過空中三角測量算法，取得玩家在世界坐標(biāo)系當(dāng)中的真實(shí)位置。

　　這里自然又帶出了兩個(gè)不小的問題 ：

　　如何準(zhǔn)確而穩(wěn)定地從攝像頭畫面里判斷和區(qū)分不同的光球(標(biāo)記點(diǎn));

　　如何知道攝像頭本身在世界空間的位置和姿態(tài)，從而正確推算玩家的位置和姿態(tài)。

　　為了解決這里所述的第一個(gè)問題，已經(jīng)足夠讓無數(shù)開發(fā)者絞盡腦汁、前赴后繼了。通過顏色來區(qū)分標(biāo)記點(diǎn)的方案當(dāng)然是可行的，不過如果攝像頭里出現(xiàn)了另一種類似顏色的干擾物呢?或者現(xiàn)場就是一片花花綠綠的環(huán)境怎么辦?

　　這種時(shí)候，誤識別恐怕是很難避免的。因此 ，一批光學(xué)動作捕捉供應(yīng)商站了出來，他們在理念與問題看待方式的不同使他們進(jìn)行了分支研究。

　　一種是深挖主動式光學(xué)，一種采取了被動式光學(xué)。

　　采用被動式光學(xué)的一方選擇采用紅外攝像頭作為識別的替代方案。

　　這里當(dāng)然首推老牌的 OptiTrack，他們采用了幀速率大于 100Hz 的專業(yè)攝像頭，并且采用了全局快門系統(tǒng)，因而有效避免了高速運(yùn)動的物體在畫面上出現(xiàn)運(yùn)動模糊的現(xiàn)象。

　　它在攝像頭的周圍采用紅外 LED 進(jìn)行補(bǔ)光，并且采用高反射率的材質(zhì)來制作玩家佩戴的標(biāo)記點(diǎn)。

　　因?yàn)榧t外攝像頭本身已經(jīng)屏蔽了大部分的可見光信息，因此標(biāo)記點(diǎn)在畫面中就會顯得分外明顯。 除非有人用另外的紅外光源來進(jìn)行干擾，否則幾乎不可能出現(xiàn)誤判斷的情形。

　　根據(jù)目前已知的一些信息，包括 The Void 主題公園，以及諾亦騰的 Project Alice，都是采用了 OptiTrack 的空間定位方案，這也無疑證明了這種方案的可靠性。

　　只是與之相對的，往往是高昂的成本(如下圖，一臺攝像頭的價(jià)格都是以數(shù)萬人民幣計(jì)算的，而構(gòu)建一個(gè)規(guī)則空間起碼需要 4 臺這樣的攝像頭，以及軟件系統(tǒng))。

　　不過，既然使用了不發(fā)光的標(biāo)記球替代 PS Move 的光球方案(這樣的另一個(gè)好處是，不用考慮怎么給標(biāo)記球供電的問題)，那么如何區(qū)分標(biāo)記球的 ID，進(jìn)而區(qū)分游戲中的多個(gè)玩家呢?

　　方法也有多種，例如通過對反射率的調(diào)整，讓標(biāo)記球在攝像頭畫面中顯示不同的亮度;或者采用不同的組合方式，讓一組光球在畫面中呈現(xiàn)出唯一的組合形態(tài)，如下圖所示：

　　而之前所說的第二個(gè)問題：如何知道攝像頭本身在世界空間的位置和姿態(tài)?

　　事實(shí)上是通過預(yù)先標(biāo)定(calibration)的方式來完成的。體驗(yàn)館的搭建者預(yù)先將每臺攝像機(jī)安裝到固定的位置，然后逐一觀察它們的畫面顯示。

　　通過已知位置姿態(tài)的一些標(biāo)記物來推算每臺攝像機(jī)的位置姿態(tài)，并且保存下來。這一過程無疑是繁瑣而枯燥的，尤其當(dāng)你需要動輒配置上百臺攝像機(jī)的時(shí)候。

　　而設(shè)置完成之后，如何避免攝像機(jī)被再次移動，或者因?yàn)閳鲳^結(jié)構(gòu)問題而發(fā)生震動和偏移，這又是每一位開發(fā)者所不得不面對的設(shè)備維護(hù)難題。

　　不過，因?yàn)楣鈱W(xué)定位方法具有相當(dāng)?shù)臏?zhǔn)確度和穩(wěn)定性，通過攝像頭參數(shù)的調(diào)校也可以達(dá)到很低的延遲，并且在理論上可以擴(kuò)展到無限的空間， 因此它也確實(shí)成為了目前很多國內(nèi) VR 體驗(yàn)館搭建者的首選。

　　然而，通過標(biāo)記點(diǎn)來識別多名玩家還是具有很大的局限性，因?yàn)闃?biāo)記點(diǎn)不可能無限組合下去，兩組標(biāo)記點(diǎn)靠得過近的話(例如背靠背作戰(zhàn)的兩位玩家)，也很容易發(fā)生誤測或者無法識別的情形。

　　此外，過于復(fù)雜的場館環(huán)境也會讓標(biāo)記點(diǎn)更容易被障礙物遮擋，從而發(fā)生漏測問題，因此目前我們所見的多家采用光學(xué)定位的體驗(yàn)館，都是在一個(gè)空曠的規(guī)則房間內(nèi)進(jìn)行游戲的。

　　而另一方深挖主動式光學(xué)的人們，則利用 LED 光點(diǎn)的頻率與群組方式進(jìn)行物體識別，使得每個(gè) LED 光點(diǎn)都有自己獨(dú)特的 ID，從而解決顏色區(qū)分受干擾的問題。

　　國內(nèi)的 VR 樂園 ARTA，采用的就是基于美國 NASA 的空間定位技術(shù)，配合主動式光點(diǎn)頻率與群組的方式，實(shí)現(xiàn)主動式動捕。

　　不過，這種技術(shù)明顯的優(yōu)勢在于，其打破了被動式動捕的弊端，可以無限疊加，LED 光點(diǎn)越多動作捕獲越細(xì)膩，因?yàn)橹鲃邮讲粫嬖诒粍邮秸趽醴矫娴膶擂螁栴}，可以實(shí)現(xiàn)自由擁抱，跳舞，交易交互等高遮擋性動作。

　　又因其光點(diǎn)亮度，可以無視陽光，可實(shí)現(xiàn)室外與室內(nèi)的雙重運(yùn)用。這樣突破了空間限制，也可以任意指定控制器(如我們可以給馬桶搋子綁定光點(diǎn)，而在游戲內(nèi)就可以變成騎士手握的圣劍)。

　　眾所周知，在同時(shí)間段內(nèi)主動式光從 LED 光點(diǎn)發(fā)出直接被攝像頭接收，而被動式則以攝像頭紅外，傳輸?shù)椒垂馇?，再由攝像頭接收，反饋到終端。這導(dǎo)致主動式的運(yùn)算效率更快，且沒有大量無用信息干擾，這也是被動式獲取大量干擾信息后，終端需要猜想導(dǎo)致畫面或動作變形的主要原因。

　　當(dāng)然世界上不存在絕對的無瑕疵，主動式的缺點(diǎn)為電池的續(xù)航，因?yàn)楣恻c(diǎn)自發(fā)光所以電池續(xù)航能力在 6-8 小時(shí)，采用這種方式的樂園，其內(nèi)容體驗(yàn)單局游戲需要做好時(shí)間控制，以此來支撐全類體驗(yàn)館與主題公園的使用。

　　(三)激光雷達(dá)

　　激光本身具有非常精確的測距能力，其測距精度可達(dá)毫米，一般常見的是日本 HOKUYO 北陽電機(jī)和德國 SICK 西克等專業(yè)領(lǐng)域的大廠所產(chǎn)的二維激光雷達(dá)。

　　二維的意思也就是這樣的激光雷達(dá)所發(fā)出的光是一個(gè)扇形平面，而各種用來做測繪用途或者建筑業(yè)用作三維重建的三維激光雷達(dá)，則是二維激光雷達(dá)又加了一個(gè)維度做旋轉(zhuǎn)，從而得到三維空間的結(jié)果。

　　激光雷達(dá)包括一個(gè)單束窄帶激光器和一個(gè)接收系統(tǒng)。

　　激光器產(chǎn)生并發(fā)射一束光脈沖，打在物體上再反射回來，最終被接收器接收。接收器準(zhǔn)確地測量光脈沖從發(fā)射到被反射回的傳播時(shí)間，即 TOF(Time of Flight)。 因?yàn)楣饷}沖以光速傳播，所以接收器總會在下一個(gè)脈沖發(fā)出之前收到前一個(gè)被反射回的脈沖。

　　鑒于光速是已知的，傳播時(shí)間即可被轉(zhuǎn)換為對距離的測量。因?yàn)槭且怨馑贋槌咦觼頊y量的，所以激光雷達(dá)的精度一般都相當(dāng)?shù)母撸谑覂?nèi)場合下用，誤差都在毫米級別。

　　二維激光雷達(dá)實(shí)際上也是由一維的單束激光器在一個(gè)旋轉(zhuǎn)底座上旋轉(zhuǎn)起來所形成的扇面，一個(gè)二維激光雷達(dá)可以以自已為中心，以幾十米為半徑畫扇面進(jìn)行測量，所以如果在這個(gè)區(qū)域內(nèi)有人活動的話，激光雷達(dá)就可以精確的知道一個(gè)人的位置并輸出給電腦使用。

　　當(dāng)然，激光雷達(dá)通常也可以用做機(jī)器人研究的避障傳感器。

　　旋轉(zhuǎn)底座旋轉(zhuǎn)的快慢也是分很多規(guī)格的，因此激光雷達(dá)也會有掃描頻率區(qū)分，正常來說，幾十赫茲的掃描頻率足夠我們在 VR 當(dāng)中做位置探測來用了。

　　但是激光雷達(dá)的工作原理對元器件要求高，通常又是工作在非常嚴(yán)苛的條件下，本身就要求防水防塵和數(shù)萬小時(shí)無故障的高可靠性，因此生產(chǎn)成本并不便宜。

　　此外，掃描頻率越高，探測距離越遠(yuǎn)(也就是發(fā)射功率越大)的激光雷達(dá)，價(jià)格也就越貴。所以二維激光雷達(dá)的價(jià)格就已不菲(近萬元到數(shù)萬元不等)，而用作測繪的機(jī)載三維激光雷達(dá)就不是一般人能問津的了(幾十萬至百萬)。

　　除了價(jià)格因素，激光雷達(dá)用作定位還存在一個(gè)主要的問題是: 因?yàn)閺募す馄靼l(fā)出的是一個(gè)扇形光，所以如果有一大堆運(yùn)動物體互相擁擠著在一起的時(shí)候，互相會有遮蔽，后邊的物體處在前邊物體的 “陰影區(qū)” 當(dāng)中，導(dǎo)致探測不到。

　　而且激光雷達(dá)只能測距，不能識別物體 ID，因此，就算不考慮價(jià)格因素，也比較適合單人情況下玩耍，如果想要群體的話，還是得采用其他方案。

　　(四)HTC Vive：Light House

　　這段時(shí)間里，HTC Vive 的發(fā)售成為了整個(gè)業(yè)界的一大新聞，而它所采用的一種不同于光學(xué)的定位方式也是人們津津樂道的地方。

　　HTC Vive 包括三大部分，本身布滿了紅外傳感器的頭盔和手柄，以及用作定位的 Light House。 游戲者預(yù)先將 Light House 布置到一個(gè)空屋子的兩個(gè)角落中，這兩個(gè) Light House 相當(dāng)于兩個(gè)固定的激光發(fā)射基站 ，如下圖所示：

　　Light House 的后蓋打開后，里面這樣的：

　　那片密密麻麻的 LED 就是用來同步的光束。兩個(gè)圓柱體則是旋轉(zhuǎn)的一字激光器，一個(gè)是 X 軸掃掠，另一個(gè)是 Y 軸掃掠。兩個(gè)激光器有固定的 180 度相位差，也就是說，A 亮的時(shí)候 B 不亮，B 亮的時(shí)候 A 不亮。

　　而手柄和頭盔上都有固定位置安裝的光敏傳感器，這套系統(tǒng)的具體工作流程分為三步：

　　同步 ：LED 燈板整體亮一次，手柄和頭盔的傳感器一起被照射，作為同步信號。

　　X 軸掃描 ：橫向的一字激光器照射手柄和頭盔上的光敏傳感器。

　　Y 軸掃描 ：豎向的一字激光器照射手柄和頭盔上的光敏傳感器。

　　頭顯和控制器上安裝了很多光敏傳感器，在基站的 LED 閃光之后就會自動同步所有設(shè)備時(shí)間，然后激光開始掃描，此時(shí)光敏傳感器可以測量出 X 軸激光和 Y 軸激光分別到達(dá)傳感器的時(shí)間。

　　換句話說，激光掃掠過傳感器是有先后順序的，因此頭顯上的幾個(gè)傳感器感知信號的時(shí)間存在一個(gè)先后關(guān)系，于是各個(gè)傳感器相對于基站的 X 軸和 Y 軸角度也就已知了。

　　而頭顯和手柄上安裝傳感器的位置已經(jīng)提前標(biāo)定過，位置都是固定的。這樣根據(jù)各個(gè)傳感器的位置差，就可以計(jì)算出頭顯和手柄的位置和運(yùn)動軌跡了。

　　Light House 最大優(yōu)勢在于，它需要的計(jì)算量非常少。這就不像 CV 視覺系統(tǒng)那樣需要先成像，然后通過軟件將成像中的特征分辨出來，成像細(xì)節(jié)越豐富，需要的圖像處理能力就越高。

　　Light House 使用的僅僅是光敏器件，無需成像，也就不涉及到大量計(jì)算和圖像處理，避免了性能損耗和不穩(wěn)定的可能。

　　另一方面來說，計(jì)算量大往往也就意味著延遲會更高，而且無法經(jīng)由嵌入式處理器來完成運(yùn)算。而 Light House 因?yàn)檫\(yùn)算量小，因此嵌入式系統(tǒng)可以自己計(jì)算和處理，再直接將位置數(shù)據(jù)傳輸?shù)?PC 上，節(jié)約了大量耗費(fèi)在傳輸和處理上的延時(shí)。

　　不過，雖然 Light House 是迄今為止體驗(yàn)最好的 VR 交互定位設(shè)備，但是因?yàn)榧す鈱θ搜郯踩丈涔β实南拗频葐栴}，它能夠覆蓋的距離比較有限，大概也就是 5M* 5M 見方的一個(gè)區(qū)域，并且不能有過多的遮擋物導(dǎo)致接收不到信號。

　　并且這種設(shè)備的安裝調(diào)試還是比較繁瑣的，對于一般用戶來說可能還是比較困難。

　　(五)RTKGPS

　　實(shí)時(shí)差分 GPS 技術(shù)至少有兩個(gè)部分組成：在基站上安置接收機(jī)，對所有可見的 GPS 衛(wèi)星進(jìn)行連續(xù)觀測，并將觀測數(shù)據(jù)通過傳輸設(shè)備(比如數(shù)傳電臺，Wi-Fi，以及公用 3G/4G 通信網(wǎng)等等)，實(shí)時(shí)地發(fā)送給用戶觀測站(流動站)。

　　而在用戶觀測站上，同樣通過 GPS 接收機(jī)接收 GPS 衛(wèi)星信號，同時(shí)還通過無線電接收設(shè)備，接收基站傳輸?shù)挠^測數(shù)據(jù)，然后通過相對定位實(shí)時(shí)地解算用戶三維坐標(biāo)，其動態(tài)定位精度可達(dá) 1cm-2cm。

　　這一技術(shù)不僅可以用作測繪，也可以用于軍事用途。它的高精度特性可以用于聯(lián)合收割機(jī)等大型農(nóng)用機(jī)械的精確導(dǎo)航，從而在大機(jī)械生產(chǎn)和精耕細(xì)作之間達(dá)到完美結(jié)合;而在國內(nèi)，一個(gè)相當(dāng)廣泛的民用場景則是駕?？紬U……

　　在 RTKGPS 出現(xiàn)之前，測繪行業(yè)為了獲得一個(gè)精確到厘米的坐標(biāo)，需要用普通 GPS 設(shè)備接收數(shù)據(jù)然后進(jìn)行大量的離線計(jì)算。

　　而 RTKGPS 的出現(xiàn)大大發(fā)展了許多新應(yīng)用場景，例如無人機(jī)。RTKGPS 原本屬于專業(yè)領(lǐng)域，使用者寥寥且售價(jià)也非常高，不過近些年來已經(jīng)有越來越多從業(yè)者將這項(xiàng)技術(shù)變得更親民，例如下圖這塊開源 RTKGPS 套件：

　　不過，RTKGPS 畢竟是 GPS，必須在戶外才能夠使用。這對于通常計(jì)劃設(shè)置在室內(nèi)或者大商場中心的 VR 體驗(yàn)館來說，無疑是一大不利的消息。

　　不過室外的極重度 VR 體驗(yàn)也絕非沒有先例，例如下文鏈接中的視頻曾一度紅遍各大媒體和朋友圈(但是真的是高度危險(xiǎn)，絕不要自行嘗試)——《戴上 VR 頭盔開賽車，炫酷到?jīng)]朋友》。

　　這原本是某汽車大廠牌和某潤滑油一起搞的一次公關(guān)活動，賽手帶上 OculusVR 頭盔，同時(shí)車上裝載了高性能電腦，從而完全體驗(yàn)到在虛擬空間當(dāng)中漂移的樂趣。

　　而這個(gè)冒險(xiǎn)活動之所以能夠成功，其中一大原因就是采用了 RTKGPS 來完成定位，這樣才能比較精確的知道車與駕駛員的位置，并且安排對應(yīng)的虛擬內(nèi)容呈現(xiàn)(以及避免車手樂極生悲跌出場外)。

　　(六)UWB

　　UWB 定位技術(shù)屬于無線定位技術(shù)的一種，這一技術(shù)(Ultra Wide band)也被稱為 “超寬帶” 定位，它是一種利用脈沖信號進(jìn)行高速無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)亩坛掏ㄐ偶夹g(shù)，而非一般無線通信系統(tǒng)所廣泛采用的載波方式。

　　UWB 定位原理其實(shí)也很簡單，就是利用信標(biāo)發(fā)出的脈沖到達(dá)基站的飛行時(shí)間來解算位置，沒錯(cuò)，還是我們所熟悉的名字，TOF(Time of Flight)。

　　不要忘了無線電也是基于光速傳播的，因此它的探測精度從理論上可以做到很高。

　　UWB 最初的定義是來自于 60 年代興起的脈沖通信技術(shù)。UWB 技術(shù)的脈沖長度通常在亞納秒量級，而信號帶寬可以達(dá)到數(shù)千兆赫茲(UWB 限制在 3.1 – 10.6 GHz)，這項(xiàng)技術(shù)在 1989 年被美國國防部命名為超寬帶技術(shù)。其特點(diǎn)是大帶寬，無載波，低功率。

　　正因?yàn)閹挸?，因?UWB 技術(shù)的穿透性比較好。

　　相比 Wi-Fi 等技術(shù)來說，無線電的多徑效應(yīng)(因?yàn)楦哳l信號都是直線傳播的，所以會因?yàn)榻ㄖ恼趽醯葋砘貜椞殖蓭茁?，難以判斷)要弱得多，所以這一定位方案精度往往要比傳統(tǒng)的基于 Wi-Fi 的 Room-Level 方案(即判斷用戶在室內(nèi)的哪個(gè)房間)高出不少。

　　現(xiàn)在成熟的 UWB 定位方案系統(tǒng)甚至可以做到幾十厘米，也有個(gè)別方案商號稱能有 2-5 厘米的精度級別，但是實(shí)際在各種不同空間的建筑物室內(nèi)場合部署的時(shí)候，基本上還是達(dá)不到這個(gè)精度。

　　畢竟不可能所有的場地都是一個(gè)空曠且沒有任何遮擋，也沒有更多人參與的大屋子。

　　不要忘記這項(xiàng)技術(shù)本身的核心還是通信鏈路，因此各種設(shè)備的通信干擾同時(shí)也產(chǎn)生了。

　　畢竟 UWB 本身還是一種無線電技術(shù)，它所覆蓋頻段內(nèi)所有的無線通信都會對它有所干擾，并且，盡管它的穿墻性能比別的無線技術(shù)更好，但是仍會有較大衰減。而且 UWB 的標(biāo)準(zhǔn)是限制發(fā)射功率的，所以現(xiàn)在絕大多數(shù)方案都是在 10 米左右有效，如果是室內(nèi)較大場館的話，可能還要布設(shè)大量的通訊基站。

　　因此，目前如果采用 UWB 獨(dú)立定位的方案，恐怕還是達(dá)不到重度 VR 體驗(yàn)所需要的定位精度和距離，不過如果可以與其他方式進(jìn)行數(shù)據(jù)融合的話，也許有希望解決這一問題。

　　比如德國著名的 Fraunhofer 研究中心，早就有一種” 黑科技” 產(chǎn)品叫做 RedFir：

　　在球員雙腳的球鞋中安裝設(shè)備，以及球內(nèi)放置好設(shè)備，同時(shí)在整個(gè)場地里布設(shè)大量的采集基站之后，整個(gè)球場就變成了一個(gè)高科技虛擬演播室，可以在進(jìn)行比賽轉(zhuǎn)播的過程中隨時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和分析，進(jìn)行可視化的工作。

　　這樣的好事當(dāng)然也有希望用到 VR 體驗(yàn)當(dāng)中，只是為了無線傳輸本身的那些關(guān)鍵問題，恐怕依然要開發(fā)者們付出不小的代價(jià)。

　　(七)當(dāng)紅炸子雞：SLAM

　　SLAM 的英文全稱是：Simultaneous Localization and Mapping，即時(shí)定位與地圖構(gòu)建。

　　簡而言之，對于空間內(nèi)的一個(gè)機(jī)器人(或者無人機(jī))，如果它處在一個(gè)完全未知的環(huán)境里(比如古墓探險(xiǎn))，那么它就可以一面沿著墓道往里走，一面用攝像頭或者激光雷達(dá)來創(chuàng)建這個(gè)墓道的數(shù)字信息拷貝(也就是構(gòu)建地圖)，這樣過一會兒就可以使用剛才創(chuàng)建的地圖數(shù)據(jù)給自己導(dǎo)航使用了。

　　哦，一些非常高檔的掃地機(jī)器人，也號稱用到了這項(xiàng)技術(shù)。

　　在電影《普羅米修斯》中有這樣一個(gè)場景，一個(gè)擁有激光探測信息能力的無人機(jī)(球)被扔出去后，就開始自主獲取空間信息。這是一個(gè)典型的 SLAM 應(yīng)用場景。

　　實(shí)際上，從學(xué)術(shù)定義上來說，機(jī)器人在完全未知的環(huán)境中從一個(gè)未知位置開始移動，然后在移動過程中根據(jù)位置估算和自身傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行不斷地定位和修正，同時(shí)建造增量式的地圖，這就是 SLAM 方法的基本過程了。

　　當(dāng)然，這種方法不一定只服務(wù)于機(jī)器人，如果是人背負(fù)了便攜計(jì)算設(shè)備(或者手機(jī))，那么通過 SLAM 同樣能在未知環(huán)境里創(chuàng)造地圖并給自己定位，這就是我們在 VR 場景中迫切需要的功能。

　　SLAM 算法的數(shù)據(jù)源是多種多樣的，比如用激光雷達(dá)掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，也有雙目攝像頭利用 RGB 圖像和立體視覺來生成，或者就是直接使用 Kinect 這樣的 RGBD(可見光 + 深度)方案;而實(shí)驗(yàn)室級別中甚至也可以見到基于單攝像頭和 RGB 彩色圖像或者灰度圖像來做 SLAM 的算法論文。

　　從另一個(gè)角度來說，如果期望實(shí)現(xiàn)基于三維空間的識別技術(shù)(而不是傳統(tǒng)的二維碼或者圖片)，那么就意味著必須更好更快地應(yīng)用 SLAM 類的方法，而也是各大 AR 軟件和算法開發(fā)者(例如 Metaio，不過已經(jīng)被蘋果收購)一直在努力實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)。

　　因?yàn)?SLAM 一方面能夠給出一個(gè)比較精準(zhǔn)的空間位置，同時(shí)還能做為環(huán)境三維特征獲取和三維重建的必要手段，進(jìn)而解決了顯示設(shè)備里實(shí)際場景和虛擬畫面疊加時(shí)，相互遮擋關(guān)系的問題，這樣的 AR 場景在將來也許是廣泛應(yīng)用的，也許也是隨身可穿戴的一種剛性需求。

　　如今，SLAM 已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用在 VR/AR 的設(shè)備上了，比如微軟的 HoloLens 就是典型的 RGBD SLAM 方案。而 Google 的 Project Tange 手機(jī)，以及 Intel 的 RealSense 都屬于 RGB-D SLAM 的設(shè)備范疇。

　　即使是一直沒有多少人見過實(shí)物的 “黑科技” 公司 Magic Leap，恐怕也不可能不采用 SLAM 來做為空間定位和虛實(shí)遮擋關(guān)系判斷的基石。

　　而 SLAM 在高端商用市場上，其實(shí)早就有很成熟的案例。例如虛擬演播室攝像機(jī)系統(tǒng) NCAM，它無需傳統(tǒng)的電控云臺，可以直接架在斯坦尼康穩(wěn)定器上到處拍攝。得到的相機(jī)位置和姿態(tài)結(jié)果則會實(shí)時(shí)地反映到內(nèi)容制作工具當(dāng)中，從而實(shí)現(xiàn)一部動畫片或者特效大片當(dāng)中重要的攝像機(jī)走位環(huán)節(jié)。

　　當(dāng)然了，SLAM 技術(shù)絕不是沒缺點(diǎn)。

　　首先它依然是基于視覺的識別，信號的采集 / 傳輸 / 處理過程相對其他技術(shù)手段來看，延時(shí)情況往往還是難以忽略，而這恰恰是 VR 體驗(yàn)里最不能接受的一點(diǎn)。

　　另外，SLAM 對現(xiàn)階段的移動設(shè)備來說，計(jì)算壓力仍然太大，Project Tango 手機(jī)和 HoloLens 眼鏡為此增加了一塊或者多塊協(xié)處理器，這樣自然又帶來了電源管理和過熱等各種問題，傳聞中卡馬克也在為未來的 OculusVR 和 GearVR 頭盔尋求基于 SLAM 的定位方案，它是否能成為未來 VR 世界主流定位方式，目前還是個(gè)未知數(shù)。

　　另辟蹊徑，全向跑步機(jī)

　　以上所有的空間定位方案，都是基于同一個(gè)大前提，即玩家可以按照自己的意志在場地中自由行走，其行走范圍受到場地本身的限制。

　　如果我們的體驗(yàn)?zāi)繕?biāo)是一款在倉庫密室里大戰(zhàn)僵尸，或者在街口構(gòu)筑工事迎擊強(qiáng)敵的 VR 游戲，那么這樣的方案顯然總有用武之地;但是如果我們是以一款《GTA5》一樣的超級大空間作為目標(biāo)，或者是可以無限和探索下去的沙盒游戲，那么再大的場地恐怕也不夠玩家折騰……

　　而且場地越龐大，結(jié)構(gòu)和形狀越復(fù)雜，對應(yīng)的定位設(shè)施安裝和維護(hù)成本就越高，要保持一個(gè)穩(wěn)定的定位算法和精度也就越困難。

　　幸好，總有人能夠另辟蹊徑，比如在人們每天健身常用的跑步機(jī)當(dāng)中，加入除了速度控制之外的方向控制因素，就成了所謂的全向跑步機(jī)

　　(Omni-directional treadmill)：

　　不過設(shè)計(jì)一款全向跑步機(jī)可不是去淘寶選一款帶觸摸屏和 MP3 功能的跑步機(jī)那么簡單的事情，這里有兩個(gè)巨大的問題需要開發(fā)者們?nèi)ニ伎冀鉀Q：

　　如何識別玩家在跑步機(jī)上運(yùn)動的速度和方向;

　　如何把跑動的玩家限制在設(shè)備中心，或者在他無察覺的前提下把他 “拽回” 設(shè)備中心?

　　上圖的 Omnideck 就是一套比較早推出的解決方案，它采用了一組以玩家為重心的徑向運(yùn)動的傳送帶。當(dāng)玩家走到任意一條傳送帶上面時(shí)，傳感器就會感知到玩家的運(yùn)動方向和速度，然后帶動皮帶將玩家送回到中心。

　　不難想象，圖中設(shè)備的精度主要取決于這些徑向傳送帶的數(shù)量。而一旦增加傳送帶的數(shù)量，則會帶來更為沉重的維護(hù)成本，傳感器精度問題，以及自身重量。

　　況且在如此巨大的空間內(nèi)只能容納一個(gè)人游戲，這從營收角度上來看可能也是入不敷出的。因此，很多專注于 VR 行走體驗(yàn)的公司隨即推出了一個(gè)看起來更為合理的方案，例如下圖中的 Virtuix Omni：

　　Omni 跑步機(jī)本身可以看作是一個(gè)炒菜用的不粘鍋鍋底(事實(shí)上它的材質(zhì)確實(shí)也就是不粘鍋的材質(zhì))，它的底盤被設(shè)計(jì)成一個(gè)表面凹陷的圓形曲面，并且由很多細(xì)小凹槽的光滑徑向跑道組成。

　　上方是一個(gè)可調(diào)節(jié)支架，起到保護(hù)玩家和識別下蹲 / 跳起動作的功能，總重量約為 50 公斤，并且用戶需要穿上特制的鞋子才能夠在 Omni 的跑道上運(yùn)動——更準(zhǔn)確地說，是在跑道上滑動。

　　這一設(shè)計(jì)比前者更為輕巧靈便，其關(guān)鍵就在于這種 “腳部在鍋底滑動而無法離開中心” 的特點(diǎn)，而凹槽中遍布的傳感器系統(tǒng)則會負(fù)責(zé)隨時(shí)測量用戶運(yùn)動的方向和速率，從而模擬出玩家在虛擬空間的行進(jìn)過程。

　　這一方案從原理上看起來無懈可擊，只是穿戴起來比較繁瑣，推向家用市場恐怕還有距離。然而，從實(shí)際使用者反饋來看，“腳底滑步” 的運(yùn)動方式顯然不會讓他們感到舒適。甚至可能是一首兒歌中的感覺：

　　小老鼠，上燈臺，偷油吃……

　　那么有沒有那種不那么笨重，靈敏而準(zhǔn)確，跑起來又不會讓玩家感到不適的方案呢?也許會有：

　　Infinadeck 全向跑步機(jī)自誕生之日起就吸引了諸多媒體和行業(yè)人士的關(guān)注，它的基本構(gòu)想其實(shí)并沒有非常復(fù)雜的地方：采用電機(jī)帶動皮帶輪的方式，使用一整條沿 Y 軸運(yùn)動的大皮帶輪，帶動多條沿 X 軸運(yùn)動的小皮帶輪，這樣玩家在兩個(gè)軸向上的運(yùn)動都可以被識別和記錄下來。

　　而玩家一旦離開了跑步機(jī)中心位置，系統(tǒng)就會通過視覺識別或者其它的識別方式發(fā)覺玩家的偏移方向和距離，并且啟動電機(jī)將玩家送回原處。

　　當(dāng)然，這樣的設(shè)計(jì)同樣有兩個(gè)不小的難關(guān)要闖。

　　首先是負(fù)重問題，如此多的電機(jī)和皮帶輪被安置在一臺設(shè)備之上，自身的承重壓力恐怕是相當(dāng)不小，整個(gè)非機(jī)械結(jié)構(gòu)也不得不用足原料，打造鋼鐵之軀;總體估算下來，這樣的設(shè)備難免有上噸的重量，真的搬到家里恐怕只會讓樓下的鄰居如坐針氈。

　　其次是玩家的運(yùn)動感受與設(shè)備尺寸的關(guān)系，如果設(shè)備本身過小，皮帶輪周長也就很小，產(chǎn)生的摩擦力也就不同——由此很容易帶給玩家一種明顯 “被拽回原地” 的感受;而設(shè)備過大雖然能夠讓 “回原位” 的過程變得平滑，卻無疑進(jìn)一步增加了設(shè)備體積和重量，讓家用級使用成本變得更為難以接受。

　　Infinadeck 一直在聲稱要構(gòu)筑廉價(jià)和方便的全向跑步機(jī)系統(tǒng)，而他們遲遲沒有放出更新的消息，也許也正在受困于這些結(jié)構(gòu)和選材上的難題吧。

　　各方案優(yōu)劣列表

　　我們簡單地總結(jié)一下之前提到的各種定位方案的優(yōu)劣，如下表所示：

　　結(jié)論似乎暫時(shí)還很讓人沮喪，沒有哪個(gè)方案可以說同時(shí)解決了成本、游戲人數(shù)、延遲時(shí)間、抗干擾性、以及空間限制這幾大問題。

　　換句話說，雖然筆者歷經(jīng)千辛萬苦和各種求知求助，總算集齊了七大武器加上一個(gè)額外的 Bouns(跑步機(jī))，卻依然無法達(dá)成那個(gè)一開始就存于心中的愿望：VR 虛擬空間行走的體驗(yàn)，難道就真的是一個(gè)遙不可及的目標(biāo)?

　　幸好，我們看到有足夠多的從業(yè)者已經(jīng)為這個(gè)目標(biāo)而開始努力。

　　筆者體驗(yàn)過上海青瞳的光學(xué)定位方案，其低延遲和準(zhǔn)確性已經(jīng)做到了可用的級別，而更低成本的產(chǎn)品研發(fā)想必也是這個(gè)團(tuán)隊(duì)下一步的目標(biāo);諾亦騰據(jù)傳也不滿足于目前系統(tǒng)關(guān)鍵部件的高成本和受制于人，開始研究自己的光學(xué)定位系統(tǒng);The Void 更是秘密收了一個(gè)專精于 UWB 定位的團(tuán)隊(duì)，打算把自己的主題公園定位方案更加精進(jìn)。

　　讓建造和維護(hù)成本更可控，讓多人同場游戲不再是關(guān)鍵難題，讓你的游戲者不要變得舉步維艱，期待未來出現(xiàn)更多接近實(shí)際需求的定位方式。

　　室內(nèi)位置服務(wù)與定位應(yīng)用如何更好的落地?在哪些潛力方向落地?各應(yīng)用領(lǐng)域的市場需求和難點(diǎn)各自在哪里?為了深入探討目前定位行業(yè)目前的應(yīng)用趨勢和應(yīng)用市場，物聯(lián)傳媒將于2018年4月26日下午在蘇州國際博覽中心舉辦“2018第二屆蘇州國際定位技術(shù)與應(yīng)用高峰論壇”。本屆定位技術(shù)高峰論壇將以各行業(yè)定位應(yīng)用為導(dǎo)向，廣泛邀請無線定位行業(yè)技術(shù)專家及前沿企業(yè)分享最新的技術(shù)成果和應(yīng)用案例分享，為想要在無線定位市場有所作為的企業(yè)和行業(yè)人士提供有價(jià)值的行業(yè)信息和交流平臺。歡迎大家積極參與!

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