虛擬實現(xiàn)VR原理介紹

1、VR追蹤技術(shù)原理6自由度（DOF）自由度指的就是物體在空間里面的基本運動方式，總共有6種。任何運動都可以拆 分成這6種基本運動方式。這6種基本運動方式又可以分為兩類：位移和旋轉(zhuǎn)。位移包括前后、左右、上下三種，如下圖所示。旋轉(zhuǎn)包括：前后翻轉(zhuǎn)（ROLL）、左右搖擺（PITCH）以及水平轉(zhuǎn)動（YAW），如下圖 所示。這兩類，每類三個自由度，加起來就是6自由度。VR實現(xiàn)空間定位的設(shè)備（一）體感攝像頭很顯然這是一臺微軟的Kinect2體感設(shè)備，它可以通過TOF （飛行時間）計算的方 法，獲取傳感器出射光線遇到物體反射后的相位差，從而得到設(shè)備與實際場景之間 的距離值，也就是深度值（depth）。由此形成的

2、深度圖像不僅可以用來判斷物體 相對體感設(shè)備的位置，還可以進一步得到物體的點云數(shù)據(jù)，甚至是角色的骨骼信 息。不過，差強人意的性能參數(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，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。在這個區(qū)域內(nèi)可以識別最多6個人的位置信息，并且他們在Kinect的視 場范圍內(nèi)不能有太多的重疊。（二）光學(xué)定位與圖像識別來自澳大利亞的Zero Latency成為了全世界第一家虛擬現(xiàn)實游戲體驗中心，由 129個PS Eye攝像頭組成，同時支持6名玩家同場進行游戲。而PS Move設(shè)備（包括PS Eye攝像頭，以及裝備了標記光球

3、的Move手柄）則是 這一技術(shù)的核心所在。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 方便我們通過計算機視覺（CV）算法將它提取出來。當然，僅有一個PS Eye攝像 頭的話，是無法得到玩家的三維空間信息的。此時需要有不止一個攝像頭去捕捉玩 家的光球在屏幕空間的位置，然后通過空中三角測量的算法，取得玩家在世界坐標 系當中的真實位置。問題：一、如何準確而穩(wěn)定地從攝像頭畫面里判斷和區(qū)分不同的光球（標記點）；二、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)。通過顏色來區(qū)分標記點的方案當然是可行的，不過如果攝像頭里出現(xiàn)了另一種類似 顏色的干擾

4、物的時候，誤識別恐怕是很難避免的。因此選擇采用紅外攝像頭作為識 別的替代方案。例如OptiTrack及WorldViz，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動的物體在畫面上出現(xiàn)運動模糊的現(xiàn) 象。在攝像頭的周圍采用紅外LED進行補光，并且采用高反射率的材質(zhì)來制作玩家 佩戴的標記點。因為紅外攝像頭本身已經(jīng)屏蔽了大部分的可見光信息，因此標記點 在畫面中就會顯得分外明顯。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而之前所說的第二個問題：如何知道攝像頭本身在世界空間的位置和姿態(tài)。事實上 是通過預(yù)先標定(calibration)的方式來完成的。搭建者預(yù)先將每臺攝像機安裝 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)的一些標記物來 推算每臺攝像機的位置姿態(tài)，并且保存下來。激光雷達二維的意思

6、也就是這樣的激光雷達所發(fā)出的光是一個扇形平面，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，則是這樣的二維激光雷達又加了一 個維度做旋轉(zhuǎn)，從而得到三維空間的結(jié)果。激光雷達包括一個單束窄帶激光器和一個接收系統(tǒng)。激光器產(chǎn)生并發(fā)射一束光脈 沖，打在物體上并反射回來，最終被接收器所接收。接收器準確地測量光脈沖從發(fā) 射到被反射回的傳播時間，即TOF(Time of Flight)。因為光脈沖以光速傳 播，所以接收器總會在下一個脈沖發(fā)出之前收到前一個被反射回的脈沖。鑒于光速 是已知的，傳播時間即可被轉(zhuǎn)換為對距離的測量。因為是以光速為尺子來測量的， 所以激光雷達的精度一般都相當?shù)母?，在室?nèi)場合

7、下用，誤差都在毫米級別。二維激光雷達實際上也是由一維的單束激光器在一個旋轉(zhuǎn)底座上旋轉(zhuǎn)起來所形成的 扇面，一個二維激光雷達可以以自己為中心，以幾十米為半徑畫扇面進行測量，所 以如果在這個區(qū)域內(nèi)有人活動的話，激光雷達就可以精確的知道一個人的位置并輸 出給電腦使用。HTC Vive： Light HouseHTC 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。使用者預(yù)先將Light House布置到一個空屋子的兩個角落中，這 兩個Light House相當于兩個固定的激光發(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

8、麻的LED就是用來同步的光束。兩個圓柱體則是旋轉(zhuǎn)的一字激光器。一 個是X軸掃掠，另一個是Y軸掃掠。兩個激光器有固定的180度相位差，也就是 說，A亮的時候B不亮，B亮的時候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：1、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。2、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。3、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)備的時間，然后激光開始掃描，此時光敏傳感器可以測量出X軸激光和Y軸激光 分別到達傳感器的時間。換句話說，激光掃掠過傳感器是有先后順序的，因此頭顯上的幾個傳感器感知信號 的時間存在一個先后關(guān)系，于是各個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)提前標定過，位置都是固定的。這樣根 據(jù)各個傳感器的位置差，就可以計算出頭顯和手柄的位置和運動軌跡了。Light House的最大優(yōu)勢在于，它需要的計算量非常少。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，成像的細節(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