虚拟实现VR原理介绍

1、VR追踪技术原理6自由度（DOF）自由度指的就是物体在空间里面的基本运动方式，总共有6种。任何运动都可以拆 分成这6种基本运动方式。这6种基本运动方式又可以分为两类：位移和旋转。位移包括前后、左右、上下三种，如下图所示。旋转包括：前后翻转（ROLL）、左右摇摆（PITCH）以及水平转动（YAW），如下图 所示。这两类，每类三个自由度，加起来就是6自由度。VR实现空间定位的设备（一）体感摄像头很显然这是一台微软的Kinect2体感设备，它可以通过TOF （飞行时间）计算的方 法，获取传感器出射光线遇到物体反射后的相位差，从而得到设备与实际场景之间 的距离值，也就是深度值（depth）。由此形成的

2、深度图像不仅可以用来判断物体 相对体感设备的位置，还可以进一步得到物体的点云数据，甚至是角色的骨骼信 息。不过，差强人意的性能参数，30fps的刷新频率必然让人能够比较明显地感受到定 位结果的延迟，并且Kinect的视场角只有60度左右，最大识别范围一般来说为 3-4米。在这个区域内可以识别最多6个人的位置信息，并且他们在Kinect的视 场范围内不能有太多的重叠。（二）光学定位与图像识别来自澳大利亚的Zero Latency成为了全世界第一家虚拟现实游戏体验中心，由 129个PS Eye摄像头组成，同时支持6名玩家同场进行游戏。而PS Move设备（包括PS Eye摄像头，以及装备了标记光球

3、的Move手柄）则是 这一技术的核心所在。不同颜色的光球在PS Eye摄像头中可以呈现出显著不同于背景画面的图像，从而 方便我们通过计算机视觉（CV）算法将它提取出来。当然，仅有一个PS Eye摄像 头的话，是无法得到玩家的三维空间信息的。此时需要有不止一个摄像头去捕捉玩 家的光球在屏幕空间的位置，然后通过空中三角测量的算法，取得玩家在世界坐标 系当中的真实位置。问题：一、如何准确而稳定地从摄像头画面里判断和区分不同的光球（标记点）；二、如何知道摄像头本身在世界空间的位置和姿态，从而正确推算玩家的位置和姿 态。通过颜色来区分标记点的方案当然是可行的，不过如果摄像头里出现了另一种类似 颜色的干扰

4、物的时候，误识别恐怕是很难避免的。因此选择采用红外摄像头作为识 别的替代方案。例如OptiTrack及WorldViz，他们采用了帧速率大于100Hz的专业摄像头，并且 采用了全局快门系统，因而有效避免了高速运动的物体在画面上出现运动模糊的现 象。在摄像头的周围采用红外LED进行补光，并且采用高反射率的材质来制作玩家 佩戴的标记点。因为红外摄像头本身已经屏蔽了大部分的可见光信息，因此标记点 在画面中就会显得分外明显。Prime 41 切 s%999OptiTracKs premium motion capture camera. With 4.1 MP resalutian. a 100 tr

5、acking range, and 513 field of view, the Prime 41 is ideal fior large volume, full-p rodijction mo cap with impectable fidelity.4.1 MP 180 FPS 51c FOV G；gE而之前所说的第二个问题：如何知道摄像头本身在世界空间的位置和姿态。事实上 是通过预先标定(calibration)的方式来完成的。搭建者预先将每台摄像机安装 到固定的位置，然后逐一观察它们的画面显示。通过已知位置姿态的一些标记物来 推算每台摄像机的位置姿态，并且保存下来。激光雷达二维的意思

6、也就是这样的激光雷达所发出的光是一个扇形平面，而各种用来做测绘 用途或者建筑业用作三维重建的三维激光雷达，则是这样的二维激光雷达又加了一 个维度做旋转，从而得到三维空间的结果。激光雷达包括一个单束窄带激光器和一个接收系统。激光器产生并发射一束光脉 冲，打在物体上并反射回来，最终被接收器所接收。接收器准确地测量光脉冲从发 射到被反射回的传播时间，即TOF(Time of Flight)。因为光脉冲以光速传 播，所以接收器总会在下一个脉冲发出之前收到前一个被反射回的脉冲。鉴于光速 是已知的，传播时间即可被转换为对距离的测量。因为是以光速为尺子来测量的， 所以激光雷达的精度一般都相当的高，在室内场合

7、下用，误差都在毫米级别。二维激光雷达实际上也是由一维的单束激光器在一个旋转底座上旋转起来所形成的 扇面，一个二维激光雷达可以以自己为中心，以几十米为半径画扇面进行测量，所 以如果在这个区域内有人活动的话，激光雷达就可以精确的知道一个人的位置并输 出给电脑使用。HTC Vive： Light HouseHTC Vive包括三大部分，本身布满了红外传感器的头盔和手柄，以及用作定位的 Light House。使用者预先将Light House布置到一个空屋子的两个角落中，这 两个Light House相当于两个固定的激光发射基站，如下图所示。Light House的后盖打开后，里面这样的:那片密密麻

8、麻的LED就是用来同步的光束。两个圆柱体则是旋转的一字激光器。一 个是X轴扫掠，另一个是Y轴扫掠。两个激光器有固定的180度相位差，也就是 说，A亮的时候B不亮，B亮的时候A不亮。而手柄和头盔上都有固定位置安装的光敏传感器:这套系统的具体工作流程分为三步：1、同步：LED灯板整体亮一次，手柄和头盔的传感器一起被照射，作为同步信 号。2、X轴扫描：横向的一字激光器照射手柄和头盔上的光敏传感器。3、Y轴扫描：竖向的一字激光器照射手柄和头盔上的光敏传感器。头显和控制器上安装了很多光敏传感器。在基站的LED闪光之后就会自动同步所有 设备的时间，然后激光开始扫描，此时光敏传感器可以测量出X轴激光和Y轴激光 分别到达传感器的时间。换句话说，激光扫掠过传感器是有先后顺序的，因此头显上的几个传感器感知信号 的时间存在一个先后关系，于是各个传感器相对于基站的X轴和Y轴角度也就已知 了；而头显和手柄上安装传感器的位置已经提前标定过，位置都是固定的。这样根 据各个传感器的位置差，就可以计算出头显和手柄的位置和运动轨迹了。Light House的最大优势在于，它需要的计算量非常少。这就不像CV视觉系统那 样需要先成像，然后通过软件将成像中的特征分辨出来，成像的细节越丰富，需要 的图像处理能力就越高。Light House使用的仅仅是光敏器件，无需成像，也就 不涉