什麼是Inside-out空間定位技術,簡單來說就是利用設備自身,而不依靠外部的傳感器等配件,實現虛擬場景裡的空間定位,以及更多的人機互動。
皮克斯動畫電影《頭腦特工隊》中把人的大腦構想成某個世界,在這個世界裡有幾個小精靈工作於大腦控制中心,負責控制人的行為。電影中採用虛擬和現實兩條平行的主線,一條是主人公Riley的現實世界發生的事情,另一條是Riley大腦中分別代表不同情緒的五個小精靈所經歷的事情。
可以這麼認為,電影中的五個情緒控制小精靈是一個人工智慧「小眼睛」,這個機器小眼睛被「植入」到你的頭戴顯示設備中,負責追蹤你和現實世界中的一舉一動,並通過計算機視覺算法同步到眼前的虛擬場景中,實現實時的多維度人機互動。這個「小眼睛」其實就是Inside-out空間定位技術最核心的部件,能夠取代外置的追蹤設備,就像你的大腦一樣工作,由內而外,達到在虛擬和現實環境中的定位以及更多的人機互動功能。
Inside-out定位跟蹤原理
Inside-out是一種光學跟蹤系統,光源發射裝置安裝在被跟蹤目標上,獲取光源信號的傳感器/標記點固定在使用環境中,其原理都是以三角定位算法為基礎,測量目標反射或者是主動發射的光線,並經過計算機特殊的視覺算法可轉換成目標的空間位置數據,從而實現對目標的位置跟蹤。
在VR設備領域,主要是在VR頭顯上安裝攝像頭,讓 VR 頭顯自己檢測外部環境變化,藉助計算機或者自身的算法晶片計算出 VR 頭顯的空間位置。
而根據光源發射裝置(攝像頭)數量,可分為多目視覺定位(如微軟HoloLens),單目視覺定位(如蟻視二代VR頭盔)
國內外技術發展現狀
微軟的AR 頭顯hololens,採用的就是inside-out方式,它擁有一顆深度攝像頭,一顆用以拍攝圖像/視頻的200萬像素攝像頭,以及4顆環境感知攝像頭,採集環境中的特徵點進行匹配,利用SLAM算法獲得空間位置信息。而近日微軟與聯想、惠普、戴爾、華碩和宏碁幾家合作的VR頭顯,同樣採用了 inside-out 空間定位系統。
Oculus 首席技術官 John Carmack 曾在去年9月召開的第二屆開發者大會上表示,可用於移動頭顯的 inside-out 追蹤技術「是我現在想要解決的一個問題,在今年的Oculus Connect大會上,扎克伯格公布了一款正在開發的VR一體機產品Santa Cruz,這款產品除了將計算單元都集成到頭盔中,還在前面增加了4顆攝像頭。
而同樣用到多顆攝像頭的還有Google的Tango系統,首款搭載Tango系統的聯想Phab2 Pro手機背部除了普通的攝像頭外,還有有一顆深度攝像頭和一顆運動追蹤魚眼鏡頭。分別由Oculus、微軟和Google推出的這三款產品,雖然對外展示的產品形態迥異,核心卻都是Inside-out追蹤技術。在Google從事Tango開發的技術Johnny Lee表示,Tango所用的Inside-out定位和微軟的HoloLens很像,只不過Tango目前僅用在手機上,而HoloLens用的設備是頭盔。
在國內,VR領域的創業公司蟻視早在去年美國E3展會對外展示了其自主研發的位置追蹤系統——全息甲板(HoloDeck),在頭盔的底部前方內置了一顆紅外攝像頭,通過捕捉地面的標記點,追蹤頭盔佩戴者的的水平空間位置和垂直高度,實現在虛擬世界中隨意行走。而在今年7月份蟻視正式推出了配置inside-out單目紅外位置追蹤技術的VR頭顯。
多攝像頭、單攝像頭孰優孰劣?
其實,無論是微軟、Oculus、Google推出的多攝像頭方案,還是蟻視研發的單目紅外攝像頭方案,都屬於Inside-out技術追蹤方案,那麼就目前VR技術發展的階段,兩種解決方案孰優孰劣呢?
多攝像頭解決方案,在VR/AR頭顯內置一個高性能運算晶片,通過多個攝像頭與外部空間的任何一點(被追蹤目標)確定三角定位法則,經過內置晶片計算出目標的空間數據,而外部並不需要放置標複雜的記點。然而該方案的缺點是晶片數據運算量較大,而且成本相對較高,目前市場上鮮有能滿足要求的運算晶片。
以微軟hololens為例,最早是在2015年1月份,微軟在其開發者大會上展示的項目,當時由於使用者能通過 HoloLens 與虛擬世界中的物體產生交互,一時成為當時的熱點。它無需架設額外的輔助識別設備,只需要依靠機器上的攝像頭即可進行實時的場景掃描。不過,HoloLens內置的運算晶片成本高達幾百美金,這也直接導致其高昂的產品售價。
單目攝像頭解決方案,是在VR頭顯內置一顆攝像頭,與外部標記點中的任何兩點形成三角定位法則,通過計算機的特殊算法計算出目標物的空間位置。該方案的優點是電腦CPU運算量較小,成本也相對比較低,目前市場上配置較高的電腦都可以流暢的運行。缺點是需要在外部空間中設置大量標記點,佔用太多空間面積。
以蟻視的二代VR頭盔為例,頭盔前方底部配置了一顆紅外攝像頭,搭配模塊化設計的蟻視VR定位地毯。攝像頭周邊的紅外燈向外發射紅外光,通過地面鋪設的定位地毯上的標記點反射回攝像頭,經過計算機特殊的視覺算法,從而計算出目標物的空間位置。因此,必須要有足夠的空間鋪設標記點才能實現空間定位功能。
未來發展趨勢
目前來說,眼下的高端VR設備,包括Oculus Rift和HTC Vive,全都是用的「outside-in」位置追蹤技術,可以進行房間級的定位追蹤,但是要想達到最好的體驗效果,你需要在房間裡精心布置傳感器的擺放或者懸掛位置。如果你想把 VR 體驗場地換到另外一個房間,傳感器的擺放就又得重新布置。同樣,蟻視的單目紅外Inside-out追蹤方案,也面臨類似問題。
蟻視CEO覃政在接受媒體採訪時表示,就目前缺乏高性能運算晶片的VR發展階段而言,單攝像頭方案既經濟又合理,不過隨著晶片技術的發展和進步,特別是視覺算法晶片的運算效率的提升,不依靠外部標記點的多攝像頭Inside-out追蹤方案一定是未來VR設備發展的趨勢,VR能夠真正成為的「無線」體驗,讓人們在 VR 世界裡拼接利用肢體和手勢進行交互。
如果把HoloLens改用非透明的屏幕,並將視場角擴大到110度,那就成了一款可以秒殺目前所有VR頭顯的一款高性能VR設備。加入微軟的南加大MR專家Mark Bolas曾撰文表示,微軟HoloLens當中擁有「Inside-Out」追蹤技術可用於VR頭顯設備,而這也基本上已經可以確定微軟未來的VR發展方向,這或許也正是國內外VR廠商正在努力的方向。
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