Daydream手柄是不是動(dòng)捕？詳解VR運(yùn)動(dòng)追蹤技術(shù)101

　　按：到現(xiàn)在來寫運(yùn)動(dòng)追蹤技術(shù)101似乎有些晚，但還是想寫，是因?yàn)殛P(guān)于VR的追蹤技術(shù)時(shí)常看到會(huì)有各種混用，以致讓人摸不著頭腦。本文試圖講清楚關(guān)于追蹤的一些基本理論和技術(shù)，已經(jīng)很懂的各種業(yè)內(nèi)大拿們可以無視。

　　在今年的I/O大會(huì)上，Google推出了Daydream VR平臺(tái)的官方頭盔設(shè)計(jì)參考，而且包含有一款手柄。關(guān)于這款手柄許多外媒（比如The Verge）稱其為“MoTIon Controller”（體感控制器），也就是說它能捕捉你的動(dòng)作，讓你通過手勢來進(jìn)行操作。然而當(dāng)小編稱其為“動(dòng)捕手柄”的時(shí)候，業(yè)內(nèi)人士表示“這不是動(dòng)捕，Google也沒有稱其為動(dòng)捕”。

　　那么到底Daydream手柄是不是動(dòng)捕呢？實(shí)際上，你可以稱其為“動(dòng)捕手柄”，但又要明白它和其它產(chǎn)品是有區(qū)別的。下面就來看看動(dòng)捕到底應(yīng)該如何理解。

　　6自由度（DOF）

　　要理解Daydream手柄先要理解“自由度”，這是經(jīng)常會(huì)聽到的一個(gè)詞，英文叫“Degrees of Freedom，通?？s寫為DOF”。

　　自由度指的就是物體在空間里面的基本運(yùn)動(dòng)方式，總共有6種。任何運(yùn)動(dòng)都可以拆分成這6種基本運(yùn)動(dòng)方式。這6種基本運(yùn)動(dòng)方式又可以分為兩類：位移和旋轉(zhuǎn)。

　　位移包括前后、左右、上下三種，如下圖所示。

　　旋轉(zhuǎn)包括：前后翻轉(zhuǎn)（ROLL）、左右搖擺（PITCH）以及水平轉(zhuǎn)動(dòng)（YAW），如下圖所示。

　　這兩類，每類三個(gè)自由度，加起來就是6自由度。

　　在每個(gè)自由度里面，有兩個(gè)不同的方向。比如升降電梯的運(yùn)動(dòng)只有一個(gè)自由度：上下，但在這個(gè)自由度里面它可以選擇往上或者往下；同理，輪胎轉(zhuǎn)動(dòng)也只有一個(gè)自由度，但它可以選擇順時(shí)針還是逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。

　　任何硬的物體的運(yùn)動(dòng)，不管多么復(fù)雜，都可以用位移和旋轉(zhuǎn)來解釋（軟的物體還有膨脹收縮等運(yùn)動(dòng)，比如氣球）。例如，碰碰車只有3個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)：它可以在水平面轉(zhuǎn)動(dòng)或是前后、左右位移，但不能上下位移、前后翻轉(zhuǎn)或左右搖擺（如果不發(fā)生事故的話）。

　　這個(gè)時(shí)候再來解釋Daydream手柄就容易多了，首先它是動(dòng)捕，但它只能追蹤前后翻轉(zhuǎn)、左右搖擺以及水平轉(zhuǎn)動(dòng)三個(gè)旋轉(zhuǎn)的自由度，無法知道手柄在空間里的位移情況。所以，如果要準(zhǔn)確描述Daydream手柄，就應(yīng)該稱其為3自由度或3DOF動(dòng)捕手柄。

　　對(duì)比之下，HTC Vive的追蹤系統(tǒng)讓手柄擁有6個(gè)自由度，包括位移的3個(gè)自由度。其結(jié)果就是，你沒法用Daydream的手柄做伸手揀地上物品這樣的動(dòng)作，但Vive的手柄可以。

　　下面兩個(gè)視頻分別演示的是Daydream手柄可以做的事情，以及Vive可以做但Daydream做不了的事情，都來自Google。

　　Daydream手柄演示，3自由度：

　　http://v.qq.com/boke/page/z/0/6/z03027aria6.html

　　Daydream Lab - 打鼓鍵盤（Drum Keys），6自由度：

　　http://v.qq.com/boke/page/o/0/8/o0302pcjyc8.html

　　IMU和慣性動(dòng)捕

　　IMU是InerTIal Measurement Unit的縮寫，也就是慣性測量單元。它通常包含加速度計(jì)、陀螺儀和磁力儀三種傳感器。以前主要用在飛機(jī)上，現(xiàn)在大部分智能手機(jī)都有了，成本比較低。使用IMU可以測量速度、方向和重力，這種動(dòng)捕技術(shù)也就是我們常說的慣性動(dòng)捕。

　　通過IMU可以很好地追蹤物體3個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度的運(yùn)動(dòng)，Daydream手柄基本可以肯定用的就是IMU傳感器了。而這也是為什么Google可以讓開發(fā)者用一款A(yù)ndroid手機(jī)來替代Daydream手柄進(jìn)行開發(fā)，因?yàn)槭謾C(jī)上也有IMU。

　　慣性動(dòng)捕的問題是很難判斷物體在空間里的絕對(duì)位置，因而位移運(yùn)動(dòng)的3個(gè)自由度無法被追蹤。

　　光學(xué)動(dòng)捕

　　除了慣性動(dòng)捕，另一個(gè)常被提到的技術(shù)是光學(xué)動(dòng)捕，或者是光學(xué)空間定位，通過精確的空間位置可以判斷物體的位移及旋轉(zhuǎn)。光學(xué)動(dòng)捕有很多種，這里以帶Mark點(diǎn)的技術(shù)為例。

　　Sensics dSight頭顯的紅外Mark點(diǎn)

　　光學(xué)動(dòng)捕通過一個(gè)或多個(gè)攝像頭持續(xù)不斷過地追蹤物體上的Mark點(diǎn)，這些點(diǎn)以特定的模式排列，然后通過一系列的算法來判斷出物體的位置。算法通過將已知Mark點(diǎn)的位置與物體上Mark點(diǎn)位置進(jìn)行比對(duì)，判斷出物體的絕對(duì)位置和旋轉(zhuǎn)方向。

　　Mark點(diǎn)的數(shù)量、位置和排列是有科學(xué)依據(jù)的。例如，如果只用4個(gè)構(gòu)成正方形的Mark點(diǎn)，就無法判斷物體是不是倒過來了，或是旋轉(zhuǎn)了90度。除此之外如果Mark點(diǎn)被擋住了或是受環(huán)境光影響而追蹤不了，也會(huì)影響位置的判定。

　　此時(shí)通常要投入更多的攝像頭和計(jì)算性能來進(jìn)行持續(xù)和精確地追蹤，導(dǎo)致成本大增。所以很多動(dòng)捕技術(shù)方面提供商，比如諾亦騰，會(huì)采用光學(xué)和慣性動(dòng)捕相結(jié)合的方式來實(shí)現(xiàn)6自由度的精確追蹤，從而降低攝像頭使用數(shù)量及對(duì)計(jì)算性能的需求，控制成本。

　　總結(jié)

　　各種用于VR的追蹤技術(shù)，都是為了實(shí)現(xiàn)高精度、低成本的6自由度運(yùn)動(dòng)追蹤。目前來講，通過IMU來判斷物體旋轉(zhuǎn)的3個(gè)自由度已經(jīng)很成熟，所以被應(yīng)用于各種方案中；而通過空間定位來判斷位移的技術(shù)中也有Vive的Lighthouse這種較低成本的方案了，但很多光學(xué)動(dòng)捕的方案成本依然較高。光學(xué)動(dòng)捕除了上述方案外還有很多其它類型的技術(shù)，而光學(xué)動(dòng)捕之外也有很多其它追蹤技術(shù)。

　　配圖及參考資料來源：RoadtoVR