[摘 要]隨著科技的發(fā)展，計(jì)算機(jī)用戶不再滿足于使用鍵盤、鼠標(biāo)實(shí)現(xiàn)基于WIMP界面的交互方式，在人機(jī)交互上出現(xiàn)全新的技術(shù)——虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是可以創(chuàng)建和體驗(yàn)虛擬世界的計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，其采用的定位技術(shù)直接決定用戶的體驗(yàn)感，是整個(gè)技術(shù)的重要依托。文章首先介紹虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，然后分析對比目前虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中的經(jīng)典定位技術(shù)，研究定位技術(shù)使用的算法，再介紹主流虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備，最后分析目前定位技術(shù)存在的問題、未來發(fā)展的趨勢和方向。

[關(guān)鍵詞]虛擬現(xiàn)實(shí);計(jì)算機(jī)技術(shù);定位技術(shù);動作捕捉

[中圖分類號]TP399 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A [文章編號]1008-7656（2022）01-0032-05

引言

近幾年，隨著傳感技術(shù)、圖像處理技術(shù)、5G技術(shù)等發(fā)展及相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈的成熟，虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，VR）技術(shù)得到快速發(fā)展，并廣泛應(yīng)用于教育、娛樂、商業(yè)、工業(yè)等領(lǐng)域。例如，針對青少年的虛擬消防逃生課、心臟搭橋模擬手術(shù)等，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)搭建虛擬課堂或虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，系統(tǒng)中設(shè)置虛擬智能角色，帶領(lǐng)學(xué)生在虛擬環(huán)境中學(xué)習(xí)交流、體驗(yàn)探討，降低實(shí)驗(yàn)操作的風(fēng)險(xiǎn)，提升學(xué)生的主觀能動性和自主學(xué)習(xí)能力。

一、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是基于計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感技術(shù)、仿真技術(shù)、圖形學(xué)、三維場景構(gòu)建等學(xué)科的新興技術(shù)，其目標(biāo)是通過計(jì)算機(jī)硬件和軟件人工合成三維視覺空間，用戶通過使用虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備與之進(jìn)行人機(jī)交互，從而獲得視、聽、觸、嗅、味的感覺，營造出一種與現(xiàn)實(shí)世界一樣的感官體驗(yàn)，從而產(chǎn)生身臨其境的感覺。

虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)是沉浸式交互仿真系統(tǒng)，如下頁圖1的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的構(gòu)建過程圖所示。在整個(gè)系統(tǒng)中，虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備是實(shí)現(xiàn)用戶與虛擬世界交互的重要技術(shù)節(jié)點(diǎn)，是使虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)具有3I特性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[1]，其核心技術(shù)就是空間定位技術(shù)及動作捕捉。

二、虛擬現(xiàn)實(shí)定位系統(tǒng)

目前的虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備主要是穿戴式設(shè)備，由頭戴式顯示器、手柄、數(shù)據(jù)手套、數(shù)據(jù)衣服及定位器組成。頭戴式顯示器在為用戶展現(xiàn)3D場景的同時(shí)，捕捉用戶頭部的定位和方向、眼睛的凝視點(diǎn);手柄或手套用于捕捉用戶手的位置及動作;將虛擬設(shè)備檢測捕捉到的數(shù)據(jù)信息回傳到3D場景空間，虛擬場景及目標(biāo)事物做出相應(yīng)的反饋，實(shí)現(xiàn)用戶與虛擬世界的交互;而定位器用來捕捉穿戴式設(shè)備的位置等信息，其在整套設(shè)備中起著重要的作用。

虛擬現(xiàn)實(shí)定位系統(tǒng)的主要功能是將用戶在三維視覺空間的位置、方向、位移等信息以高精度、低延時(shí)、低復(fù)雜度的方式提供給虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)[2]，繼而呈現(xiàn)在虛擬空間中，用戶沉浸于虛擬世界時(shí)感覺到的和看到的一致。

當(dāng)前相對成熟的室內(nèi)空間定位技術(shù)包括激光、紅外線、可見光、超聲波、慣性傳感器和計(jì)算機(jī)視覺定位等，但由于定位精度和部署條件各異，能應(yīng)用于虛擬空間的定位技術(shù)有限。VR空間定位的核心性能指標(biāo)是定位精度高且時(shí)延低，定位精度要達(dá)到mm級，定位系統(tǒng)時(shí)延必須要小于20ms[3]。如何精準(zhǔn)地獲取用戶位置信息并捕捉到其動作，如何使時(shí)延盡量短不影響用戶體驗(yàn)的流暢性，且快速地反饋到VR內(nèi)容中，這是VR普及的關(guān)鍵。對比能夠滿足虛擬現(xiàn)實(shí)定位需求的相關(guān)定位算法、定位精度、抗干擾性、部署成本及對環(huán)境的依賴程度，如表1虛擬現(xiàn)實(shí)定位技術(shù)表所示[4]，其中，光定位技術(shù)，激光定位技術(shù)、紅外光學(xué)定位技術(shù)、可見光定位技術(shù)已應(yīng)用于HTC、Oculus、索尼三大廠商的主流產(chǎn)品中，使其VR設(shè)備成為消費(fèi)級商品。超聲波定位技術(shù)有著高性能，但由于較高的成本，使許多虛擬設(shè)備商望而卻步。慣性傳感器定位技術(shù)和計(jì)算機(jī)視覺定位技術(shù)具有高精度定位能力，但需要復(fù)雜的算法程序?qū)崿F(xiàn)，時(shí)延較長，目前其還處于改進(jìn)階段。

三、光定位技術(shù)

（一）激光定位技術(shù)

激光定位技術(shù)使用激光掃描法，在定位空間內(nèi)安裝數(shù)個(gè)激光發(fā)射器，利用光塔固定，向橫豎兩個(gè)方向掃射激光，測定激光發(fā)射器間的距離;在目標(biāo)物體上設(shè)置多個(gè)激光感應(yīng)接收器，收集計(jì)算兩束光線到達(dá)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的角度差，利用三角公式計(jì)算節(jié)點(diǎn)與激光發(fā)射器之間的距離，再利用離線理論值進(jìn)行比較匹配，解算出待測節(jié)點(diǎn)的三維坐標(biāo)。在掃描過程中遇到障礙物，只需修正匹配方法，仍可以實(shí)現(xiàn)高精度定位。

相對于靜態(tài)掃描，掃描物體的動態(tài)過程可以省去較為復(fù)雜的計(jì)算和匹配過程，在位置估計(jì)時(shí)間內(nèi)，根據(jù)測定的轉(zhuǎn)向角度、速度、加速度等信息可以估算出位置，判定物體的移動，從而完成動作捕捉。由于各種干擾的存在，該位置會存在誤差，用估計(jì)到的位置信息，理論計(jì)算出被定位物體的距離并得到期望列表，再通過設(shè)置物體估算距離閾值進(jìn)行加速匹配[3]，得到更為精準(zhǔn)的位置坐標(biāo)。

激光定位利用機(jī)械方式控制激光掃描，必須保障光塔的穩(wěn)定性，如果光塔發(fā)生移動或抖動，要重新對焦匹配，否則無法定位。另外其耐用性較差，機(jī)械結(jié)構(gòu)磨損也會導(dǎo)致故障。但激光定位精度和寬容度高，可避免復(fù)雜的程序運(yùn)算，延遲短，反應(yīng)速度快，可以定位多個(gè)目標(biāo)物體，且可移動范圍廣。該定位方法已在虛擬現(xiàn)實(shí)中得到推廣應(yīng)用。

消費(fèi)級產(chǎn)品HTC Vive的Lighthouse是激光定位技術(shù)的代表產(chǎn)品之一，由定位光塔、頭顯、手柄組成。在活動空間的對角線上利用支架安裝兩個(gè)光塔，高度大約2m，對角距離3～5m，光塔每秒發(fā)出6次激光束，內(nèi)置水平方向和垂直方向兩個(gè)掃描模塊，分別輪流對空間發(fā)射激光掃描定位物體[2]。在頭顯和兩個(gè)手柄上安裝多達(dá)70個(gè)光敏傳感器，根據(jù)接收激光的時(shí)間計(jì)算得到傳感器相對于激光發(fā)射器的精準(zhǔn)位置，利用頭顯和手柄上不同位置的多個(gè)光敏傳感器得出頭顯和手柄的位置及方向。

（二）紅外光學(xué)定位技術(shù)

紅外光學(xué)定位技術(shù)實(shí)現(xiàn)原理：在空間內(nèi)布置安裝多個(gè)紅外發(fā)射攝像頭，發(fā)射調(diào)制紅外線，并對整個(gè)空間覆蓋拍攝，在待測目標(biāo)節(jié)點(diǎn)布置紅外反光點(diǎn)接收反射紅外信號，攝像頭捕捉反射影像，經(jīng)過處理計(jì)算，最終得到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的空間坐標(biāo)。最具代表性的產(chǎn)品是OptiTrack的攝像頭，屬于被動式紅外光學(xué)定位技術(shù)。

隨著紅外光學(xué)定位技術(shù)應(yīng)用的深入，該技術(shù)得到了改進(jìn)，發(fā)展成主動式紅外光學(xué)定位技術(shù)。例如，Oculus Rift產(chǎn)品在頭顯和手柄上增加可發(fā)射紅外光的紅外燈，實(shí)現(xiàn)主動式定位，提高定位精度;并配備由三軸陀螺儀、三軸加速度計(jì)和三軸磁強(qiáng)計(jì)組成的九軸傳感器，當(dāng)目標(biāo)物體被遮擋或者模糊時(shí)，可以通過九軸傳感器獲取目標(biāo)的空間位置信息，解決紅外光無穿透能力等問題，提升抗遮擋能力。Oculus Rift產(chǎn)品中配備高拍攝速率的攝像頭，能夠得到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)在當(dāng)前空間的三維坐標(biāo)，因此，定位系統(tǒng)不存在累積誤差[1]。但定位角度受限于攝像頭的視角，用戶可活動的空間較小，也不支持多目標(biāo)節(jié)點(diǎn)定位。Hypereal研發(fā)360°無死角三攝像頭定位系統(tǒng)，將活動范圍擴(kuò)大到12.8m2。該主動式紅外光學(xué)定位技術(shù)定位精度高、部署容易、成本低、耐用性高，在虛擬現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域很適合推廣。

（三）可見光定位技術(shù)

可見光定位技術(shù)的原理與紅外光學(xué)定位技術(shù)類似，在不同的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)上安裝可以發(fā)射不同顏色的可見光的發(fā)光燈，利用攝像頭捕捉追蹤各種顏色的光點(diǎn)，區(qū)分不同的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，并獲取目標(biāo)點(diǎn)的位置信息，計(jì)算出其空間坐標(biāo)。例如，索尼PS VR的兩個(gè)體感手柄上分別發(fā)射天藍(lán)色和粉紅色的光，頭顯上發(fā)射藍(lán)光。

可見光定位技術(shù)靈敏度高、穩(wěn)定性好、成本低、技術(shù)難度小，且無需后續(xù)復(fù)雜的算法，但對環(huán)境高求高，抗遮擋性差。如果周邊光線太強(qiáng)，手柄和頭顯的燈光被削弱到一定程度，則無法定位;如果定位空間出現(xiàn)同色光則可能導(dǎo)致定位錯(cuò)亂;當(dāng)燈光被遮擋，位置信息無法準(zhǔn)確傳遞，則無法定位。另外，受燈光數(shù)量和攝像頭視角的影響，可追蹤目標(biāo)有限且目標(biāo)移動范圍小。

四、前沿技術(shù)

為了優(yōu)化虛擬現(xiàn)實(shí)中的定位和交互系統(tǒng)，業(yè)界著力研究慣性傳感器定位技術(shù)和計(jì)算機(jī)視覺定位技術(shù)，使定位精度更高、范圍更廣，捕捉姿態(tài)更細(xì)膩。

（一）慣性傳感器定位技術(shù)

慣性傳感器定位系統(tǒng)在目標(biāo)物體的重要節(jié)點(diǎn)安裝集成加速傳感器、陀螺儀和磁力計(jì)等運(yùn)動傳感器設(shè)備[4]，用于捕捉采集目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動數(shù)據(jù)，包括姿態(tài)、方位等，再將數(shù)據(jù)傳給數(shù)據(jù)處理設(shè)備，通過慣性導(dǎo)航原理修正、處理數(shù)據(jù)信息，最終建立起三維空間模型，完成目標(biāo)物體的位置、姿態(tài)、角度的測量。該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)捕捉，靈敏度高、動態(tài)性能好、空間范圍大、環(huán)境適應(yīng)性高，但用于測量傳感器運(yùn)動參數(shù)的慣性測量單元（IMU）易受噪聲干擾，會出現(xiàn)角度偏差;MEMS器件存在零偏和漂移，測量得到的信息存在步態(tài)判斷誤差和步長估計(jì)誤差，這些誤差會隨時(shí)間推移而累積，導(dǎo)致系統(tǒng)不能長時(shí)間地進(jìn)行精準(zhǔn)定位跟蹤[5]。有效消除累計(jì)誤差是該技術(shù)在VR領(lǐng)域走進(jìn)消費(fèi)市場的關(guān)鍵。

（二）計(jì)算機(jī)視覺定位技術(shù)

計(jì)算機(jī)視覺定位技術(shù)在捕捉空間里采用各種光敏攝像機(jī)作為感知器，設(shè)計(jì)各種成像系統(tǒng)模擬人體視覺器官作為敏感信息的輸入方式，再由計(jì)算機(jī)代替人腦對捕捉到的姿態(tài)、位置等信息進(jìn)行處理，同時(shí)使計(jì)算機(jī)像人一樣通過觀察理解環(huán)境從而具備自主學(xué)習(xí)和適應(yīng)環(huán)境的能力，實(shí)現(xiàn)高精度捕捉定位目標(biāo)節(jié)點(diǎn)和解析目標(biāo)姿態(tài)[6]。在系統(tǒng)中用戶無需穿戴傳感器就能精細(xì)地捕捉到動作，可以輕松舒適地沉浸在VR世界。由于使用光敏攝像機(jī)，對環(huán)境光、視角等都有高要求。另外使用計(jì)算機(jī)視覺軟件創(chuàng)造精度的同時(shí)，必須縮短處理信息時(shí)間，縮小反饋時(shí)延，技術(shù)要求高。

五、發(fā)展趨勢和方向

對比采用各種光定位技術(shù)的主流產(chǎn)品，發(fā)現(xiàn)沒有完美的傳感器，所有的光定位技術(shù)都有自身的局限性及技術(shù)壁壘。要打破其局限，應(yīng)使用融合算法融合多種定位技術(shù)的優(yōu)勢，提高定位精度及檢測反饋速度。當(dāng)前融合定位算法是VR定位技術(shù)的研究熱點(diǎn)，主要分為兩種模式：基于貝葉斯濾波的融合定位[7]和基于機(jī)器學(xué)習(xí)的融合定位[8]。

基于貝葉斯濾波的融合算法在傳感器定位存在可能誤差的情況下，運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法進(jìn)行評估測算，使定位系統(tǒng)捕捉到的眾多信息有統(tǒng)一的接口，從而估算出目標(biāo)點(diǎn)的當(dāng)前位置?；跈C(jī)器學(xué)習(xí)的融合算法使虛擬設(shè)備模擬或?qū)崿F(xiàn)人類的學(xué)習(xí)行為，使用從定位系統(tǒng)中獲取的位置和動作信息，利用機(jī)器學(xué)習(xí)算法重新組織并改善自身定位性能，以得到更準(zhǔn)確的三維坐標(biāo)，如下頁圖2的基于機(jī)器學(xué)習(xí)的慣性傳感器定位系統(tǒng)圖所示。這兩種模式可以將精度提高50%左右[5]，都是基于算法實(shí)施，增加復(fù)雜的程序運(yùn)算和內(nèi)存的使用率，在反饋時(shí)延上沒有優(yōu)勢，需要固化算法，提高了運(yùn)行成本。

六、結(jié)語

本文分析虛擬現(xiàn)實(shí)定位系統(tǒng)的任務(wù)和性能，剖析虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用于消費(fèi)級VR產(chǎn)品的典型定位技術(shù)，闡述目前定位技術(shù)存在的問題和未來發(fā)展趨勢。從商品價(jià)值和技術(shù)成熟度來看，VR定位技術(shù)處于高度關(guān)注期，定位技術(shù)日趨完善成熟，VR將給人們的生活方式帶來新的變化。

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[作者簡介]陳淑玲，閩西職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師，碩士，研究方向：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)。

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