位置跟踪技术——虚拟体验打破次元墙

"隆与敌人相对而立，静待对方主动出击。。。
眨眼间，敌人一声暴喝，全速向他冲来。隆猛然一退，躲闪开去。他堪堪躲过砸向他身体的这一击，惊险之余只看得到一抹拳影。余光中他看见敌人的另一只手作势就要袭来，便猝然弓身，抓住这个绝佳的机会送出一记上勾拳..."

虚拟现实(VR)绝不止于引人入胜的炫目三维画面,流畅地反馈用户的手势,姿势,动作和站位,对于实现身临其境的浸入式体验至关重要。如果无法快速准确地跟踪用户的动作，要实现上述打斗戏根本是天方夜谭。更糟的是，跟踪问题会导致内容不连贯，动作延迟。因此，动作和位置跟踪必须实现高准确性和低延迟。

完整的跟踪系统包含动作跟踪和位置跟踪。动作跟踪通常通过惯性测量单元(IMU)实现,包含加速计和陀螺仪,有时也包含磁力计。位置跟踪通常根据配置方式来分类。目前主流VR平台使用的位置跟踪技术实际上有两种:由外向内和由内向外,二者各有优劣。由外向内跟踪对计算能力要求相对较低,但需要额外设置来定义被跟踪区域。由内而外跟踪的设置相对简单,但对复杂视觉处理和计算性能有更高要求。

由外向内跟踪

由外向内跟踪是眼睛的裂痕,HTC万岁和PSVR等虚拟现实平台的基础,需要用到外部信标或跟踪器。宏达电万岁平台使用SteamVR灯塔(SteamVR灯塔)作为信标,实现与头戴显示器(HMD)上的红外接收器和手持游戏柄等配件的连接;眼睛的裂痕和索尼的PSVR使用外部摄像头来跟踪HMD和配件上的信标。这些解决方案需要妥善放置跟踪器/信标来定义活动区域。

由外向内跟踪的优势是信标或标记可以提供清晰的信号/模式,简化跟踪计算。需要处理的数据更少，所需的计算能力就更低，跟踪准确率也就更高。另一方面，用户必须在跟踪器/信标的视距范围内活动以防遮挡。这意味着跟踪器/信标的放置必须合适，使用范围内不能有过高的家具或植物。而这对空间有限的用户来说，是一个难题。

由内而外跟踪

由内而外跟踪通常使用立体视觉或ToF(飞行时间)传感器来测绘相对位置的变化。无标记的纯由内向外跟踪运用同步定位和地图构建(大满贯)算法来建立或更新未知位置环境的地图,同时跟踪用户的位置。有的平台使用外部信标来简化计算。微软最近发布的混合现实头盔,因特尔基于RealSense技术的项目合金VR头盔和Ximmerse的X-Cobra均以由内向外跟踪为基础。

其最大优势是可以在大多数地方使用，且无需大动干戈进行配置。这般便捷并非全无代价。由内而外跟踪以立体视觉为基础,需要强大的机器视觉处理。复杂计算处理对PC而言不算困难,但对驱动HMD的移动处理器却是一大挑战。高效能的加速器可以大幅缩小性能差异。

上述的许多平台中均应用了莱迪思低延迟,高灵活性的FPGA。在维尔福软件公司的SteamVR跟踪中、低功耗,低成本的iCE40 FPGA用于执行红外接收器的低延迟,同步数据捕捉。交联视频桥接FPGA也被用于由内向外跟踪平台,连接并聚合多个MIPI CSI-2图像传感器数据从而让电脑进行大满贯处理。针对移动虚拟现实,Ximmerse的X-Cobra不仅将ECP5FPGA运用于立体摄像头接口和聚合,也将它用作移动处理器的额外加速器,实现低延迟立体视觉处理。莱迪思的其他VR / AR解决方案包括:用于无线虚拟现实的WirelessHD，消除最后一根线缆，营造百分百浸入式虚拟世界；360度摄像头的多摄像头聚合;适用于微型显示器的MIPI桥接。

随着虚拟现实技术的稳步发展,提供更优跟踪功能,更身临其境VR体验的新系统指日可待。莱迪思全面的智能互连产品将继续推动虚拟现实技术的发展,为位置跟踪技术实现低延迟,同步数据采集和高效的视频计算功能。