HTC Vive的Lighthouse工做原理

在虛擬現實（VR）這樣一個新興產業裏，得到了最多注目的天然是明星公司Oculus。不少人都體驗過Oculus Rift，知道VR頭顯會是一種什麼樣的體驗。可是由Valve和HTC合做而開發的Vive，就沒有那麼多人體驗過了。最近筆者有幸接觸到了HTC Vive，儘量的向你們解釋Vive到底在體驗上，與Oculus有何區別，以及它有什麼過人之處。

說到Vive就不得不提到Valve。核心遊戲玩家都對Valve的大名如雷貫耳：他們開發了《半條命》（Half-Life）系列，《反恐精英》（Counter Strike）系列，《傳送門》（Portal）系列，以及《Dota 2》。可是這點就不是那麼多人知道了：Valve同時也是VR產業的技術先鋒。

　　Valve是一個特別有創造力的公司。這能夠部分歸功於Steam極度盈利，Valve沒有業績壓力。在Oculus的早期Valve就已經介入而且幫助Oculus解決了不少技術難題而且讓自家遊戲（《半條命2》）支持Oculus，能夠說Valve其實是跟Oculus同樣的VR產業先鋒，並且在某種意義上來講他們的技術更加先進。後來Valve中止了和Oculus的合做，轉向HTC，推出瞭如今咱們看到的HTC Vive，以及Valve獨家的VR定位技術Lighthouse。Lighthouse纔是HTC Vive相比於其餘VR頭顯的鶴立雞羣之處，在這裏須要好好解釋一下Lighthouse的基本原理。

　　頭動跟蹤是VR頭顯很是重要的技術指標。要作到頭動跟蹤，最傳統的方法是使用慣性傳感器，就像咱們每日都用的智能手機那樣。可是慣性傳感器只能測出轉動（繞XYZ三軸轉動，稱之爲三個自由度），沒法測量出移動（沿XYZ三軸移動，另外三個自由度，合起來稱之爲六自由度）。另一點，就是慣性傳感器的偏差比較大——想要VR頭顯的偏差達到理想水平，可能須要洲際導彈上的慣導系統。

　　因此說更精確和自由的跟蹤頭部運動，須要額外手段的輔助。

這就是Lighthouse的基站Vive沒有采起一般的使用光學鏡頭和馬克點的定位系統。它使用的這套定位系統叫作Lighthouse，由兩個基站構成：每一個基站裏有一個紅外LED陣列，兩個轉軸互相垂直的旋轉的紅外激光發射器。轉速爲10ms一圈。基站的工做狀態是這樣的：20ms爲一個循環，在循環開始的時候紅外LED閃光，10ms內X軸的旋轉激光掃過整個空間，Y軸不發光；下10ms內Y軸的旋轉激光掃過整個空間，X軸不發光。

高速攝影機下的Lighthouse基站Valve在頭顯和控制器上安裝了不少光敏傳感器。在基站的LED閃光以後就會同步信號，而後光敏傳感器能夠測量出X軸激光和Y軸激光分別到達傳感器的時間。這個時間就正好是X軸和Y軸激光轉到這個特定的，點亮傳感器的角度的時間，因而傳感器相對於基站的X軸和Y軸角度也就已知了；分佈在頭顯和控制器上的光敏傳感器的位置也是已知的，因而經過各個傳感器的位置差，就能夠計算出頭顯的位置和運動軌跡

Lighthouse的原理解釋；圖自Hizook從理論來說，Lighthouse的精度依賴於系統的時間分辨率。這也就意味着，光敏傳感器的分佈之間須要必定的距離，設備不能製造的過小。光敏傳感器自己也有必定寬度，若是傳感器「擠」在一塊兒，間距達到了傳感器自己的寬度量級，那麼測角自己就會出現偏差了。Lighthouse具體能支持多高的測角精度，Valve並無給出數據。同時，Valve也表示，須要至少5個傳感器纔可以保證一個剛體的6自由度跟蹤。

　　這個系統有不少優點。第一條是其須要的計算能力很是小。一個光學系統須要進行成像，而後程序就須要經過圖像處理的方法來將成像中的馬克點分辨出來。成像的細節越豐富，須要的圖像處理計算能力就越高。因此紅外攝像頭比單色攝像頭簡單，單色攝像頭比彩色攝像頭簡單。Lighthouse使用的僅僅是時間參數，那麼它就不涉及到圖像處理，對於位置的計算在設備本地就能夠完成。

　　第二個優勢是其延遲也很小。計算能力需求高就意味着延遲會高：圖形處理的大量數據要從攝像頭傳輸到電腦中，再從電腦傳輸到頭顯上，就會增長延遲。而Lighthouse能夠直接將位置數據傳輸到電腦上，省略了從攝像頭到電腦的高數據傳輸的步驟。

光圈科技提示您：Lighthouse須要兩個基站因此Lighthouse造就了目前最好的VR體驗。Vive的頭動跟蹤和手柄跟蹤都很是精確，延遲極低，用戶甚至能夠作出將手柄拋來拋去的動做。就我的體驗而言，Vive的頭動和手柄跟蹤的精確程度已經讓人真的產生了「這就是現實」的錯覺——你會不自覺的對你在整個環境中所能作到的事情產生更高的指望，好比大動態的動做，試着去伸手夠到遠方的物體，等等。在這種狀況下，Vive所默認的只有手柄的交互體驗就會顯得十分不天然，在虛擬現實中的身體感知就是十分迫切的了，而全身動捕在這裏大有可爲。

Lighthouse基站的轉速很高，震動不小除開Lighthouse，Vive做爲頭顯自己體驗也不錯。屏幕分辨率很高，紗窗效應十分不明顯——用戶須要有意識的注意纔可以注視到像素點。Vive使用的是菲涅耳透鏡而非Oculus用的球面鏡，優勢是色散低，因此沒有Oculus那麼明顯的色散補償效應，缺點則是透光率低，開發者本身開發的應用須要調很高的亮度才能在頭顯裏看起來正常。另外使用菲涅耳透鏡的一個缺點是：對佩戴者的視點要求很嚴格，稍微有一點點的錯位，看上去就一片模糊。而Oculus Rift的普通球面透鏡容許必定的錯位。

　　Lighthouse並非沒有缺點——能夠說，就如今所接觸的設備而言，Vive目前並仍然是開發機狀態，在某些基本問題上HTC仍然須要對硬件進行改進。Lighthouse的兩個基站裏有旋轉部件，因此其可靠性尚待檢驗；基站自己的安裝和校準的要求實在是至關精密，對通常消費者而言，門檻太高。做爲VR從業者，咱們仍然前先後後花了差很少兩個下午的時間才真正將Lighthouse調試安裝完畢，達到精密完美的狀態。並且，高速旋轉的部件帶來了基站的震動——這種震動會致使跟蹤變得不精確，手柄常常出現抖動和跳變的狀況。須要將基站固定的十分牢固，纔可以得到比較滿意的效果。並且，基站震動久了就會變鬆，用戶須要時不時的從新固定。

頭顯和手柄上都分佈了數十個光敏傳感器設備自己也有改進餘地：頭顯自己有點重，使用能夠伸縮的織帶固定，因此頭顯的整個重量都壓在臉上，佩戴不是很牢固。留給鼻子的空間太大（照顧歐美人的臉型），戴正了之後仍是能夠明顯感覺到外界的光線。手柄自己的材質看起來也十分脆弱而廉價，讓人擔憂會不會很容易就把它磕碰壞掉。這些問題並非不能解決的，好比基站安裝和校準的問題，就原則上能夠經過更加精細的說明指導來解決。筆者但願HTC可以在消費者版公佈的時候解決這些問題而且推出更加完善，更加對用戶友好的Vive。

　　若是有機會，在以後的文章中，咱們將討論Vive所帶來的室內（Roomscale）VR體驗。