VR定位追踪技术带给你虚拟现实里完全的“沉浸感”

疫情下VR让病毒无隙可乘

3月19日，由HTC举办的首届以“零界·未来”为主题的VIVE虚拟生态大会（V²EC 2020），在全球范围内，第一次把线下的大型活动搬进了虚拟世界。

整场会议的所有流程与交互，都以虚拟方式完成。来自55个国家的上千名嘉宾，事先用照片生成了自己的3D虚拟形象，并以这个虚拟角色"亲临会场"，在VR会场里欣赏海景，相互讨论，运动下棋，游戏冒险，倾听演讲。

它甚至用一个特殊的方式，表达了抗击新冠疫情的祝愿：面对从屏幕里四散飞出的漫天病毒，所有观众都在刹那间集体变装，穿上了白色的防护服。

这也正是这场会议在虚拟世界召开的一个重要原因。现实里，我们暂时没法坐进同一个会场，而VR则让病毒无隙可乘。

它同时也是一个新的信号。在5G、人工智能等科技的带动下，具有更强网络和社交能力的云VR已经在快速发展，整个VR虚拟现实产业在多年辗转反复之后，正重新回到增长的快车道。

VR虚拟现实早就不是一个新鲜的概念

随着科技的不断发展，VR虚拟现实技术也离人们的生活越来越近，但是仍有很多人不了解VR是什么，也不了解VR能做什么，他们会觉得VR就是一个头套，或者眼镜，哪有人们说的那么惊喜，那么今天就跟着小编来一起了解下关于VR的一些信息吧。

VR/AR 发展史回顾（如下图）：

从热炒，低谷，到复苏 2012 年，谷歌推出了 Google Glass 的 AR 眼镜产品，其后， Oculus 被 Facebook 以 20 亿美金收购，并推出 VR 头盔。VR/AR 概念进入市场视野，被认为是替代智能手机的下一代终端形态。Facebook 和微软先后进入 VR/AR 市场，包括 Sony、三星、HTC 等多家大厂开始推出相关的硬件产品，2015-2016 年 VR/AR 市场热度达到高点。但到了 2016 年下半年，由于商业模式，以及网络、硬件和内容上的瓶颈都没有突破，资本输血式的发展模式并 不能够持续，行业开始进入寒冬。

按 Gartner 的新兴技术成熟度曲线（Hype Cycle），2018 年 VR 从曲线中消失，意味着虚拟现实技术历经热炒、 低谷，已逐步成熟，AR 仍处于泡沫破灭的低谷期，有待技术的突破和发展。

VR的定义及特性

很多人会对于 VR、AR 和 MR 这些概念的界定感到困惑，而不同企业和机构的定义 又往往有所不同。

简而言之，虚拟现实（VR）是虚拟场景的封闭式体验，而增强现实（AR）体验会将数字元 素叠加到现实世界的对象和背景上。混合现实（MR）可以说是升级版的 AR，能够实现虚实场景的结合，和 AR 的区别就是对虚拟图像的真实感做严格的要求，因此是 AR 的一种类别。

其中VR的特性主要有：

1. 沉浸感：营造出身处虚拟场景内的感觉
2. 交互性：用户可以和虚拟场景中的内容发生实时交互
3. 假想性：可以根据设计者的想象设计出各种各样的虚拟场景

其中VR最引以为傲的特性，即为“沉浸感”。要想达到真正完全式沉浸体验，不仅需要光学透镜拥有较大视场角，覆盖玩家的视野，让人恍如真正置身其中。如小派8K VR头显，为了打造VR最佳沉浸感，头显的视场角达到200度，使用户的视野尽可能被虚拟影像包裹。

同时VR头显的定位追踪技术也能让人在其中交互时，产生一种身临其境的感觉。因为用户在VR环境中移动时计算机可以迅速进行复杂的运算，将精确的动态运动特征传回，从而产生强大的临场感、真实感。但要实现该类应用，首先要让计算机感知使用者在虚拟空间中所处的位置，包括距离和角度等，这一定位技术一般应用于PC VR头显上。

VR/AR的关键要素—感知交互技术

交互性是 VR/AR 的关键要素，如何实现设备对人的感知，以及人和设备的交互成为 VR/AR 技术中重要一部分。目前，在感知交互领域中，主要包括追踪定位、手势交互、机器视觉、触觉反馈、眼球追踪、沉浸声场即虚拟移动等技术。

定位追踪技术的目的是，感知人体的每一个动作（头部旋转、位置移动），并在虚拟世界产生相应的效果， 带来沉浸感。定位技术的原理简单概括，就是“信号源+传感器”，使用相应的算法,计算出物体的位置信息（包括xyz三轴及旋转共六个自由度，6DoF）

两大主流定位追踪解决方案：outside-in和inside-out

当前VR头显的定位追踪解决方案大致分为outside-in和inside-out两大类型。outside-in依靠外部的摄像头和发射器来捕捉和追踪用户的动作，因此具有较强的精度和准度。HTC Vive采用由Valve公司研发而成的Lighting House定位技术，是公认的效果最好的outside-in定位技术之一。

虽然outside-in定位追踪技术效果较好、实现起来比较简单，但其也存在一定的局限，如追踪物体远离传感器的测距或是被物体遮挡时，就无法获得用户的准确位置；用户不能随意离开传感器的有效监测区，而这也就限制了其自由活动范围。

为了打破outside-in定位追踪技术存在的种种局限，开发者开始研究无需线缆，自由度更高的inside-out定位追踪技术。与outside-in需要外部传感器捕捉定位不同，inside-out定位追踪技术是利用设备自身，而不是依靠其他外部传感器实现虚拟场景里的空间定位，以及更多的人机交互。

因此inside-out定位追踪技术可以在无硬件搭建、无标记的环境中使用，不受遮挡问题影响，也不受传感器监测范围限制，拥有更多样的移动性与更高的自由度。也正是由于其没有外接传感器帮助运算，所以在精度等方面表现得不是那么好。

基于当前这两套定位追踪系统，厂商们根据自己头显的实际情况，研发出了各种不同的定位追踪系统，如HTC Vive的Lighthouse定位技术、Oculus Rift的星座定位大家都熟悉得不能再熟悉了。

定位追踪技术新方向—视线追踪

据最新消息，世界上所有顶级虚拟现实（VR）耳机制造商都同意，视线追踪（gaze tracking）将成为下一代VR硬件的基础，因为视线追踪能够实时感知眼睛的位置，使计算机能够优化细节渲染，甚至提供光标控制，无需手或头移动。

但是视线追踪硬件目前不便宜、体积也不小，因此美国人工智能计算公司英伟达（Nvidia）的研究人员提出了一种新颖的解决方案，可以使该技术变得更加普及。

英伟达（Nvidia）的新型视线追踪器利用普通LED的功能（既能发光又能感知光），简化了确定眼睛相对于显示器的位置。像其他视线跟踪系统一样，英伟达的系统使用一圈红外LED，将看不见的光投射到眼睛中，在这里，LED也用于从同一位置进行颜色选择感测。

研究人员指出，这可以实现迄今为止开发的最小、成本最低的视线跟踪器，并与当今最常见解决方案的准确性和采样率相匹配。

在一个原型中，英伟达对于每只眼睛总共使用9个LED，其中三个发出红外光，六个LED感应光，而在第二个原型中，对于每只眼睛，使用6个LED作为光传感器和光源。由于LED消耗的功率很少，并且依赖于相对简单的控制器硬件和软件，因此减少了总延迟、减少了头戴式耳机所需的摄像头数量，并消除了头戴式耳机管线内添加图像处理模块的需求。

尽管英伟达的解决方案性能足以满足典型的VR应用，但研究人员警告说，它可能不适合阅读、神经系统应用或心理研究。LED系统的中间角度误差为“良好”，为0.7度，平均角度误差低至1.1度，而基于摄像头的替代方案可以提供“非常高精度”的结果，且误差水平低于0.5度。

英伟达还指出，与其他解决方案相比，其初始校准阶段“比较长”，并且如果佩戴者的脸部相对于感应硬件移动，则必须要重新校准。

英伟达的视线感应LED系统仍处于原型阶段，因此尚未准备好挑战HTC和Pico VR耳机中的Tobii解决方案等。但是，它可能会进入下一代VR头戴式耳机，假设研究人员能够找到使校准过程足够快且又不惹恼用户的方法的话，新型廉价且轻巧、性能更换的产品指日可待。

VR虚拟现实的一切都值得去等待

VR虚拟现实并不是如你想的那样，除了需要做到视觉的完全拟真，还要结合动作捕捉和大范围的定位追踪。因为戴上VR头显的用户，只要所有感官都被完全带入到虚拟环境中，才能无障碍在虚拟环境中与其中的场景进行交互。

因为定位追踪技术能够实时扫描传输人体手指、身体、腿脚、头部、眼球等关键部位的运动和行动轨迹等关键信息投射到虚拟世界中。准确的追踪对象位置，是定位追踪技术需要解决的问题，但技术这件事，说着简单，其中需要攻克的技术无数。

现在，VR头戴显示的画面还不够清晰，仍然可以看到像素颗粒，你也无法去触摸你看到的东西，但随着时间的推移，这一切都会有所改观。不可否认的是，VR虚拟现实技术将会成为一种重要的新媒介、新的平台，无论是对于游戏还是社交，亦或是其他更多领域。

相信无论VR虚拟现实技术如何发展，产业怎样演进，还有很多的未知等着我们去发现，无论是创新的引领者、推广者还是接受者，都应保持一颗开放、宽容的心来迎接更多的可能。相信，你会发现虚拟现实的一切都值得去等待！

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