虚拟现实的位置追踪及动作捕捉技术【2】

由内向外的位置追踪是虚拟现实（VR）技术中常用的位置跟踪方法，专门用于追踪头戴式显示器（HMD）和运动控制手柄等体感附件的位置。由内向外跟由外向内的区别主要是他们用来定位的相机、传感器的位置，在从里到外的位置追踪中，定位相机或传感器位于被跟踪的设备（例如，VR头盔）上，而在由外向内的定位，传感器被放置在外部空间中固定的位置。

使用由内向外追踪方式的VR设备通过往外看外部环境，便可以查看其位置与环境的关系，并确定VR设备的运动。当VR头盔移动时，里面的传感器跟着调整其在房间中的位置，并且虚拟环境相应地实时响应。这种类型的位置追踪可以通过在环境中放置或不放置标记来实现。后者被称为无标记的由内向外追踪（Markerless Inside-out Tracking）。

放置在VR头盔上的相机（或任何其他光学传感器）可以观察周围环境的特征。 当使用外部标记时，这些标记被设计成容易被跟踪系统检测，并且被放置在特定区域中。这些基准标记包括像点、正方形和圆形的基本形状。 二维码是位置标记的一个例子，可以放置在外部世界作为跟踪相机的参考点。使用红外（IR）标记和对这种类型的光敏感的相机也可以实现从内到外的位置追踪。 在使用标记的情况下，只有在可以检测到标记的情况下，由内向外定位系统才起作用；如果这些标记不在视野之内，位置跟踪将受到影响。

使用无标记的由内向外追踪方式（Markerless Inside-out Tracking）呢？这是一种基于自然特征的方法，即，使用原本存在于环境中的独特特征来确定位置和方向。系统的算法可以识别任意特定的图像或形状，并使用它们来计算设备在空间中的位置。VR设备中加速度计和陀螺仪的数据也可以用来提高位置跟踪的精度。

• Microsoft HoloLens

• 任天堂Wii 遥控器（并非专门用于VR设备）

• 所有Microsoft Windows Mixed Reality头盔设备

• 任天堂Wii Sensor Bar定位系统（并非专门用于VR设备）

• Microsoft Windows Mixed Reality的定位系统

由外向内的外部追踪是位置追踪的一种形式，通常它采用光学跟踪的方法。 当跟虚拟现实（VR）结合时，追踪是实时跟踪运动对象的场景坐标的过程，例如头戴式显示器（HMD）或运动控制手柄等外围设备。

由外向内的VR追踪，使用放置在外部静止位置并朝向跟踪对象（例如头盔）的相机或其他传感器来定位，该跟踪对象（运动物体）围绕由相机的相交可视范围限定的指定区域自由移动，因此该运动物体由固定跟踪装置从外部观察。通常，被跟踪物体具有已知的一组标记，这些标记对于计算其相对于传感器的位置是必不可少的。虽然这种类型的位置跟踪可以使用可见光谱来实现，但通常使用的光谱是红外（IR）光标记和可以检测到这类光谱的相机。

目前，大多数商用光学跟踪器使用由外向内的追踪方式。其准确性和性能取决于光学传感器、跟踪标记和目标、数据处理能力和跟踪算法等各种因素，所有这些因素都有很大差异。

使用标记进行由外向内的追踪是一项研究得相当成熟的技术。 实际上，一组研究人员（Pustka等人，2012年）只使用未修改的现成移动电话，就建立了这种位置跟踪系统。此外，Madritsch和Gervautz在1996年描述了早期的双摄像机跟踪系统，1999年由Dorfmüller描述了一个使用同步红外摄像机，能够区分6自由度目标的系统。

市场上的主要VR设备，Oculus Rift、HTC Vive和PlayStation VR，都使用由外向内的方式进行跟踪。即在任何情况下，VR头盔和配件都由外部设备跟踪。Oculus Rift的位置跟踪（Constellation）是通过将一个光学传感器放置在头戴式显示器上来实现的，PlayStation VR也具有相似的设置。HTC Vive通过在要追踪的区域周围放置Lighthouse灯塔传感器，来实现位置追踪。虽然这种设置主要应用于高端VR系统，但还是有一些由外向内追踪应用于移动VR的实验。

光学摄像机或传感器放置好后，外置跟踪系统需要进行室内校准，系统采集的数据在计算机上处理。除了在VR中的应用之外，这种类型的追踪被应用于动作捕捉，比如电影行业。

目前，由外向内的外部追踪定位的准确度最高，可以在房间内增加更多的传感器追踪器，以进一步改善传感器追踪的精度。这种类型追踪的延迟也更短，减少了VR用户感觉恶心眩晕的可能性。尽管如此，这种外部定位系统确实存在局限性，主要是由于空间的遮挡。当传感器不在相机的视线范围之内时，就不能跟踪物体，导致追踪错误。

预计由外而内的外部追踪将继续成为高端VR系统的主要定位追踪技术，成为最好的全面解决方案。但是这个市场很可能逐渐走向由内而外追踪技术。 其他技术，如重定向行走也可能对VR位置跟踪有很大的影响，进一步改善外部跟踪的特点。

• HTC VIVE（包括开发者版本）

• Oculus rift（包括开发者版本）

• PSVR
  

• SteamVR的Lighthouse系统

• Oculus的Constellation系统

• PlayStation相机系统

• Neon追踪系统(HTC Link使用)

参考资料：

（1）http://www.roadtovr.com/overview-of-positional-tracking-technologies-virtual-reality/

（2）http://vrguy.blogspot.pt/2014/08/positional-tracking-outside-in-vs.html

（3）https://www.wareable.com/vr/inside-out-vs-outside-in-vr-tracking-343

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