HTC Vive的Lighthouse工做原理

在虚拟现实（VR）这样一个新兴产业里，得到了最多注目的天然是明星公司Oculus。不少人都体验过Oculus Rift，知道VR头显会是一种什么样的体验。可是由Valve和HTC合做而开发的Vive，就没有那么多人体验过了。最近笔者有幸接触到了HTC Vive，尽量的向你们解释Vive到底在体验上，与Oculus有何区别，以及它有什么过人之处。

说到Vive就不得不提到Valve。核心游戏玩家都对Valve的大名如雷贯耳：他们开发了《半条命》（Half-Life）系列，《反恐精英》（Counter Strike）系列，《传送门》（Portal）系列，以及《Dota 2》。可是这点就不是那么多人知道了：Valve同时也是VR产业的技术先锋。

　　Valve是一个特别有创造力的公司。这能够部分归功于Steam极度盈利，Valve没有业绩压力。在Oculus的早期Valve就已经介入而且帮助Oculus解决了不少技术难题而且让自家游戏（《半条命2》）支持Oculus，能够说Valve其实是跟Oculus同样的VR产业先锋，并且在某种意义上来讲他们的技术更加先进。后来Valve中止了和Oculus的合做，转向HTC，推出了如今咱们看到的HTC Vive，以及Valve独家的VR定位技术Lighthouse。Lighthouse才是HTC Vive相比于其余VR头显的鹤立鸡群之处，在这里须要好好解释一下Lighthouse的基本原理。

　　头动跟踪是VR头显很是重要的技术指标。要作到头动跟踪，最传统的方法是使用惯性传感器，就像咱们每日都用的智能手机那样。可是惯性传感器只能测出转动（绕XYZ三轴转动，称之为三个自由度），没法测量出移动（沿XYZ三轴移动，另外三个自由度，合起来称之为六自由度）。另一点，就是惯性传感器的偏差比较大——想要VR头显的偏差达到理想水平，可能须要洲际导弹上的惯导系统。

　　因此说更精确和自由的跟踪头部运动，须要额外手段的辅助。

这就是Lighthouse的基站Vive没有采起一般的使用光学镜头和马克点的定位系统。它使用的这套定位系统叫作Lighthouse，由两个基站构成：每一个基站里有一个红外LED阵列，两个转轴互相垂直的旋转的红外激光发射器。转速为10ms一圈。基站的工做状态是这样的：20ms为一个循环，在循环开始的时候红外LED闪光，10ms内X轴的旋转激光扫过整个空间，Y轴不发光；下10ms内Y轴的旋转激光扫过整个空间，X轴不发光。

高速摄影机下的Lighthouse基站Valve在头显和控制器上安装了不少光敏传感器。在基站的LED闪光以后就会同步信号，而后光敏传感器能够测量出X轴激光和Y轴激光分别到达传感器的时间。这个时间就正好是X轴和Y轴激光转到这个特定的，点亮传感器的角度的时间，因而传感器相对于基站的X轴和Y轴角度也就已知了；分布在头显和控制器上的光敏传感器的位置也是已知的，因而经过各个传感器的位置差，就能够计算出头显的位置和运动轨迹

Lighthouse的原理解释；图自Hizook从理论来说，Lighthouse的精度依赖于系统的时间分辨率。这也就意味着，光敏传感器的分布之间须要必定的距离，设备不能制造的过小。光敏传感器自己也有必定宽度，若是传感器“挤”在一块儿，间距达到了传感器自己的宽度量级，那么测角自己就会出现偏差了。Lighthouse具体能支持多高的测角精度，Valve并无给出数据。同时，Valve也表示，须要至少5个传感器才可以保证一个刚体的6自由度跟踪。

　　这个系统有不少优点。第一条是其须要的计算能力很是小。一个光学系统须要进行成像，而后程序就须要经过图像处理的方法来将成像中的马克点分辨出来。成像的细节越丰富，须要的图像处理计算能力就越高。因此红外摄像头比单色摄像头简单，单色摄像头比彩色摄像头简单。Lighthouse使用的仅仅是时间参数，那么它就不涉及到图像处理，对于位置的计算在设备本地就能够完成。

　　第二个优势是其延迟也很小。计算能力需求高就意味着延迟会高：图形处理的大量数据要从摄像头传输到电脑中，再从电脑传输到头显上，就会增长延迟。而Lighthouse能够直接将位置数据传输到电脑上，省略了从摄像头到电脑的高数据传输的步骤。

光圈科技提示您：Lighthouse须要两个基站因此Lighthouse造就了目前最好的VR体验。Vive的头动跟踪和手柄跟踪都很是精确，延迟极低，用户甚至能够作出将手柄抛来抛去的动做。就我的体验而言，Vive的头动和手柄跟踪的精确程度已经让人真的产生了“这就是现实”的错觉——你会不自觉的对你在整个环境中所能作到的事情产生更高的指望，好比大动态的动做，试着去伸手够到远方的物体，等等。在这种状况下，Vive所默认的只有手柄的交互体验就会显得十分不天然，在虚拟现实中的身体感知就是十分迫切的了，而全身动捕在这里大有可为。

Lighthouse基站的转速很高，震动不小除开Lighthouse，Vive做为头显自己体验也不错。屏幕分辨率很高，纱窗效应十分不明显——用户须要有意识的注意才可以注视到像素点。Vive使用的是菲涅耳透镜而非Oculus用的球面镜，优势是色散低，因此没有Oculus那么明显的色散补偿效应，缺点则是透光率低，开发者本身开发的应用须要调很高的亮度才能在头显里看起来正常。另外使用菲涅耳透镜的一个缺点是：对佩戴者的视点要求很严格，稍微有一点点的错位，看上去就一片模糊。而Oculus Rift的普通球面透镜容许必定的错位。

　　Lighthouse并非没有缺点——能够说，就如今所接触的设备而言，Vive目前并仍然是开发机状态，在某些基本问题上HTC仍然须要对硬件进行改进。Lighthouse的两个基站里有旋转部件，因此其可靠性尚待检验；基站自己的安装和校准的要求实在是至关精密，对通常消费者而言，门槛太高。做为VR从业者，咱们仍然前先后后花了差很少两个下午的时间才真正将Lighthouse调试安装完毕，达到精密完美的状态。并且，高速旋转的部件带来了基站的震动——这种震动会致使跟踪变得不精确，手柄常常出现抖动和跳变的状况。须要将基站固定的十分牢固，才可以得到比较满意的效果。并且，基站震动久了就会变松，用户须要时不时的从新固定。

头显和手柄上都分布了数十个光敏传感器设备自己也有改进余地：头显自己有点重，使用能够伸缩的织带固定，因此头显的整个重量都压在脸上，佩戴不是很牢固。留给鼻子的空间太大（照顾欧美人的脸型），戴正了之后仍是能够明显感觉到外界的光线。手柄自己的材质看起来也十分脆弱而廉价，让人担忧会不会很容易就把它磕碰坏掉。这些问题并非不能解决的，好比基站安装和校准的问题，就原则上能够经过更加精细的说明指导来解决。笔者但愿HTC可以在消费者版公布的时候解决这些问题而且推出更加完善，更加对用户友好的Vive。

　　若是有机会，在以后的文章中，咱们将讨论Vive所带来的室内（Roomscale）VR体验。