【你問我答專欄】請教Oculus rift的constellation和HTC Vive的lighthouse技術相比,何者較佳? Part2

前篇【你問我答專欄】的文章發表後,引起讀者同鞋們的熱烈指教,其中不乏許多VR產業的從業者給予幼幼老師更精準地回復建議。VR幼幼班為台灣前一、二個專門報導VRAR技術應用和技術發展的新聞媒體,我們時刻要求自己能提供給讀者們專業、客觀、全面的評析,非常謝謝同鞋們的支持和建議,我們日後會更要求文章的品質和觀點的完整。

對於前次讀者提出的問題:

您好,想請問一下在VR頭戴式裝置的定位技術上,Oculus rift的constellation和HTC Vive的lighthouse相比,哪一家比較好呢?謝謝!

我們收到一位VR硬體業者「黑影」(筆名)投稿給我們的補充說明,以下所有文章內容為讀者粉絲「黑影」撰寫,所有引用內容、圖片和影片,版權歸原創者所有–



**寫在前頭: 以下的內容可能因為筆者的不專業或是希望淺顯易懂的描述導致各種失真,請小心服用。《所有引用內容、圖片和影片,版權歸原創者所有》

親愛的讀者你好,

我想一切的開始,還是要從VR的Tracking 技術開始講起。

為了讓使用者有在虛擬空間的體感,身體的追蹤定位是不可或缺的一個環節,
而當中又以頭部動作的追蹤最為重要,這關係到了要把甚麼樣的虛擬內容送到你眼前的螢幕上,進而讓你有一種你真的身歷其境,彷彿活在VR世界中的感覺。

這樣的系統因其應用的特性,可主要分類為兩大類別,一種是獨立從使用者裝置(通常是頭戴式攝影機)出發即可追蹤的類型,又可細分為需要特殊圖樣貼紙才可追蹤( 如下圖所示, AR常拿來做物體的位置定位,但也可以反過來應用,把貼紙貼滿房間,就可以追蹤自己在房間裡的定位)

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(下圖為Valve在HTC Vive 之前的開發階段曾經使用過的Tracking room)

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或是可直接使用房間特徵點即可追蹤 (下圖)的兩種類型。其實你可以把第二種技術想像成他自己能從空間中的影像,擷取出特徵點,進而拿來做追蹤定位。所以技術難度是更高的,常常會受到環境的變化,或是擺設的複雜程度,影響能夠定位的精準度

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說了那麼多,很不幸的,你所問的問題都不在以上的分類裡,上述的技術,我想你應該可以想像實際應用時會遇到的難處,或是技術上會遇到的挑戰。所以不約而同的,Oculus 和 Vive 都選用了另外一種架構的追蹤定位技術來當最後的商品化產品,必須有另外的追蹤裝置架設在環境中,用來幫助定位。

Oculus 和Vive剛好選擇了這類別裡的兩種代表方式,分別是外界接收和外界發射。先不管是誰發訊號誰接收,我們先來了解到底Tracking 在這兩個系統裡是怎麼辦到的。讓我們先看看下圖兩間公司產品的圖片,看你是否有發現共通點?
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沒錯,他們的頭盔上都有特定的感應器排列,而這些感應器通過訊號的的接收或是發射,可以拿來幫助定位,實際的定位方式,其實非常接近數學上常見的(N點透視問題,perspective-n-point problem),知道特徵點在空間中的位置之後(利用訊號時間差或是影像相對位置)去推算出最可能的實際裝置位置,這樣就可以追蹤你頭部的擺動和看的角度了。

接下來就討論Oculus和Vive最大的差別點,也就是你所問的,
Constellation V.S. Lighthouse
Constellation,運作的基本原理,是讓每個位置上的LED燈閃閃發光,並且在環境中架設攝影機去捕捉這些特徵點的位置變化,所以過程中你會看到類似下圖的影像。

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在定位的過程中,幫助每個特徵點擁有自己的編號,是非常重要的一件事,這樣可以大幅降低運算所需要的時間,達到即時追蹤定位的目的。每間廠商都有自己特別的方式做到這件事,在Oculus上,這件事是透過讓LED有10bit的閃爍編碼,來幫助系統辨認每一個特徵點,就像是你在更前面看到的貼紙一樣,每個特徵點有自己的編碼,貼紙算是空間上的編碼,而閃爍的頻率則可以被當成時間上的編碼。

Lighthouse,基本的工作原理比較難以言傳,我在最下面有附上YouTube的連結,希望可以幫助大家理解,不過簡單來說,最大的分別是,Lighthouse是從環境中的燈塔(lighthouse)來發光,用頭盔上的接收器來收光,這跟剛剛上面所講的Oculus是完全相反的,所以你在Oculus的照片中看到的是發光的LED,在Vive看到的會是一顆一顆的光感應器,另外相對於用攝影機捕捉特徵點的方式,在Vive上是採用兩顆互相垂直的雷射光去做交替掃描,利用接受到雷射光的時間差,反推出每個感應器在空間中的相對位置,有了這些點的位置之後,基本上就和Oculus的步驟沒有太大的差別了,一樣是去解多點投影問題,找出最接近的頭盔位置。 到此我基本上算是非常非常表面的講解了一些這兩套系統的原理和最主要的差別。

關於你想知道的好壞,我沒辦法下定論
但是我可以跟你講,它們可預見的需求和限制。
對Oculus來說,
外部的攝影機,會需要傳輸線,把資料傳回電腦上作運算,
精確度跟幀數會受限於相機的解析度和可以運作的頻寬。
運作的距離相對有限,很快的頭盔上的光點就會太過靠近,導致運算結果誤差開始放大。目前體驗暫時多受限於坐式體驗(room scale沒那麼快能夠商業化)。

對Vive來說,
外部的燈塔只會發光,不需要把資料回傳給電腦運算。
精確度受到馬達和雷射的穩定度所限制,目前官方宣稱可以達到5m的距離並有mm級的精確度。幀數受到馬達轉速所影響,目前和Oculus一樣都為每秒60次的更新。
運作的距離會隨著雷射光和同步IR LED的訊號強弱而有所改變,不過因為外部燈塔是單向的,不需要傳輸訊號,所以可以簡單的增加燈塔數來增大追蹤範圍,這也是為什麼對Vive來說,可以有走動的體驗,是相對有優勢的。另外補充一點,Vive只有一顆燈塔是一樣可以工作的,也不會有所謂只能在房間玩,不能坐下來玩的問題,目前的工作距離應該約為1m~5m。所以我想單純的坐式體驗也是沒有問題的。

聽起來好像是Vive的優點相對比較多,但是另一方面,因為用的不是像攝影機這樣相對成熟的產品架構,成本應該直接是Oculus的兩倍以上,這樣的價格差別很有可能的會大幅影響消費者的接受程度。

如果沒有英文閱讀障礙的同學,也歡迎去閱讀下列網站裡的資訊和影片,可以得到更深入的資訊唷!
By 黑影

For Oculus :
Hacking the Oculus Rift DK2, part III

For HTC Vive:
This is how valve’s amazing lighthouse tracking technology works

Valve’s “Lighthouse" Tracking System May Be Big News for Robotics

Lighthouse Video:

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