Hypereal 定位燈塔

眾所周知，HTC Vive是VR領(lǐng)域最優(yōu)秀的頭顯之一，而之所以能做到這點(diǎn)，很重要的一個原因就是應(yīng)用了 Valve 的 Lighthouse 激光定位技術(shù)，為頭顯帶來房間級的游玩體驗(yàn)，同時也幫助實(shí)現(xiàn)了手柄的動捕操控?？梢哉f Lighthouse 是 Vive 的核心技術(shù)之一。

現(xiàn)在，這一核心技術(shù)被國內(nèi)創(chuàng)業(yè)公司 Hypereal開源了。當(dāng)然，開源的并不是 Valve 的技術(shù)，而是 Hypereal 研發(fā)的版本。Valve 此前亦將 Lighthouse 開放給第三方廠商，但并沒有開放源代碼。

今天，Hypereal 在其官網(wǎng)上放出其激光定位系統(tǒng)的源代碼和技術(shù)文檔。從各模塊開源內(nèi)容詳解來看，主要圍繞著核心的激光定位技術(shù)，包含硬件、軟件和算法。基于這一整套源代碼，第三方可以自行開發(fā)出一套帶室內(nèi)激光定位的VR設(shè)備。

據(jù)Hypereal 介紹，開源的內(nèi)容主要包括以下三個部分：

硬件部分， Hypereal 激光定位系統(tǒng)硬件部分設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)都在此次開源中有介紹，內(nèi)容涉及電路與嵌入式軟件。開源涉及的組件均由 Hypereal 激光定位系統(tǒng)原理性驗(yàn)證機(jī)版本總結(jié)整理而來，去除了驗(yàn)證系統(tǒng)設(shè)計(jì)中其他與定位特性無關(guān)的內(nèi)容。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)上分為相對獨(dú)立的兩大部分，分別是作為定位信標(biāo)的激光線束掃描燈塔與被定位設(shè)備。

軟件部分，Hypereal 的定位設(shè)備，包括 IMU 和 Light Sensor 的驅(qū)動程序以及 sample 程序都徹底提供。有了這些驅(qū)動程序，VR HMD 和解決方案提供商能很容易獲取被定位設(shè)備的姿態(tài)和位置信息，燈塔的位置和狀態(tài)，并和 Hypereal 定位算法庫集成，第三方可以把 HYPEREAL 的燈塔定位方案集成到自己的 SDK 或者應(yīng)用中。

算法部分，Hypereal 直接提供了一個完整的燈塔定位算法庫，包括所有的核心算法模塊：燈塔掃描和 IMU 數(shù)據(jù)的解析和處理，姿態(tài)求解算法，數(shù)據(jù)融合算法，雙燈塔融合算法，運(yùn)動預(yù)測算法等等。算法庫框架完全基于模塊化設(shè)計(jì)，開發(fā)者可以基于此框架一鍵式進(jìn)行算法研究和定制開發(fā)工作。

Hypereal 創(chuàng)始人黃柴銘

Hypereal 這次開源是早有預(yù)告的，在該公司于去年 ChinaJoy 上發(fā)布首款產(chǎn)品后，就宣布要將自家的激光定位技術(shù)開源。至于為什么要開源，該公司 CEO 黃柴銘是這樣解釋的：

壟斷意味著高價，但 Hypereal 的愿景是為大眾提供性價比最高的VR解決方案。目前的燈塔方案雖然效果好，但是技術(shù)實(shí)現(xiàn)難度比較高，不利于VR產(chǎn)品的普及。我們把自主研發(fā)的燈塔技術(shù)完全開源出來，是希望更多人參與到該技術(shù)的研發(fā)和改進(jìn)中來，加快技術(shù)的成熟和成本的降低，以此來促進(jìn)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。我們的下一代產(chǎn)品將采用全新的技術(shù)，請大家拭目以待。

關(guān)于 Hypereal 的激光定位技術(shù)

根據(jù) Hypereal 此前發(fā)表在公眾號的一篇文章介紹，燈塔（lighthouse）定位技術(shù)的最早原型是在1989年被提出的 Minnesota Scanner，其原理是利用掃描激光面對空間進(jìn)行編碼進(jìn)而對物體做跟蹤。而后有很多人基于相似原理做了改進(jìn)用于不同領(lǐng)域的應(yīng)用中。Valve首先把它成功的帶到了VR消費(fèi)電子領(lǐng)域。

Hypereal圖形技術(shù)總監(jiān)陳祿在去年 CGDC 的演講中，對該公司研發(fā)的燈塔定位技術(shù)進(jìn)行了介紹：

HyTrack早期原型、基本原理

這是我們公司自己研發(fā)的比較早期的原型，做得比較裸。左邊是燈塔，有兩個電機(jī)，電機(jī)上面有透鏡，這里有一個小動畫演示燈塔的結(jié)構(gòu)，可以看到通過透鏡把一束激光變?yōu)橐粋€扇面，再利用電機(jī)使得激光面勻速掃描。

中間的部分是我們頭顯的早期原型，上面有很多小的線路板就是我們自己制作的傳感器模塊，每一個中心有一個光電二極管。傳感器把光信號轉(zhuǎn)成電信號再到數(shù)字信號，然后傳到計(jì)算機(jī)里?；驹砣缟蠄D，左邊這一塊是激光掃描扇面的頂視圖，激光會從一個基準(zhǔn)位置開始向下掃。在掃過基準(zhǔn)位置時刻，我們會發(fā)射一個無線同步信號。藍(lán)線是掃到每個光電二極管的激光面。

右邊的圖是傳感器上面的時序圖，從收到無線同步信號的時候開始計(jì)時，當(dāng)被光掃過的時候，會留下一個很小的間距的光脈沖，測量脈沖中點(diǎn)時刻，結(jié)合電機(jī)轉(zhuǎn)速，我們可以計(jì)算得到該掃描面相對基準(zhǔn)平面的夾角。這樣我們就知道這個點(diǎn)處在空間當(dāng)中哪一個平面上。通過兩個方向的掃描，被照到的傳感器點(diǎn)我們可以確定其在空間當(dāng)中的某條直線上。

在這里我們和VIVE采用了不同的技術(shù)方案，他們使用的光同步，燈塔會有LED燈。無線同步的好處是，燈塔之間不用同步線連接了，或者燈塔不用互相對著擺放。兩種方案在工程實(shí)現(xiàn)上的區(qū)別很大，測量手段也會不一樣，但是本質(zhì)上都是為了獲得同步信號時間。

他接著解釋了算法原理，主要是基于一個數(shù)學(xué)模型：

數(shù)學(xué)模型

我們通過光學(xué)系統(tǒng)所得到的其實(shí)是兩個角度，這樣就可以知道，這個物體的某些點(diǎn)在投影平面上的坐標(biāo)。這里等同于一個小孔成像的相機(jī)模型，也可以很好地表達(dá)成一個線性的約束。

在靜止?fàn)顟B(tài)下我們已知傳感器點(diǎn)的相對位置，當(dāng)物體運(yùn)動過之后，可以得到某些點(diǎn)的掃描觀測值，因?yàn)樗徽盏?，它會處在這個空間當(dāng)中某兩個面的交線上，這個可以很好的寫成一個線性約束表達(dá)式，可以把它們聯(lián)立起來，相當(dāng)于做一個最優(yōu)化的問題，我需要求解在滿足這些約束情況下最優(yōu)的旋轉(zhuǎn)和平移。

這個問題其實(shí)是一個比較標(biāo)準(zhǔn)的問題，求解的方法也非常多，其實(shí)在視覺領(lǐng)域，對這類問題有很多人做過不同的方法，比如說你怎么樣參數(shù)化你的旋轉(zhuǎn)，就會有不同的方法，基本上這個應(yīng)該算是一個比較成熟的問題。

算法流程圖

以上我們提到的是激光系統(tǒng)的原理，但不要忘了，在頭盔和手柄上還可以利用IMU。其實(shí)在有陀螺儀、加速器和磁力器的情況下，IMU本身也可以做定位工作，但是它有個很大的問題——會漂移。

其實(shí)我們對這個物體姿態(tài)有兩個數(shù)據(jù)來源，一個是IMU，一個是激光系統(tǒng)，這兩套系統(tǒng)理論上都可以獨(dú)立對這個姿態(tài)進(jìn)行估計(jì)，IMU的好處是采樣頻率高在短時間內(nèi)相對來說比較精確，壞處是稍微長一點(diǎn)時間就會有較大漂移。而激光系統(tǒng)則是在大尺度下相對比較精確，但是它可能被遮擋和有誤差。我們要做的工作之一就是怎么把這兩個信號融合在一起。

這就是我們HyTrack定位系統(tǒng)的基本原理。

Vive 會受到威脅嗎？

前文已經(jīng)提到，Lighthouse 定位是 HTC Vive 的核心技術(shù)優(yōu)勢之一，而 Hypereal 也表示，基于這一整套源代碼，第三方可以自行開發(fā)出一套帶室內(nèi)激光定位的VR設(shè)備。那么這一開源舉措對業(yè)內(nèi)會有怎樣的影響呢？對 Vive 來說又意味著什么？

為此雷鋒網(wǎng)詢問了幾位業(yè)內(nèi)人士的看法。

一位同樣從事 VR 空間定位領(lǐng)域，不愿具名的人士對雷鋒網(wǎng)表示：

開源是一個非常好的舉動，這種開放的做法必然加大國內(nèi)的技術(shù)交流水平，推動國內(nèi)VR行業(yè)的整體發(fā)展。

但激光定位是一套整體的工程，代碼電路圖只是整個技術(shù)環(huán)節(jié)中的一部分，如果要實(shí)現(xiàn)真正的產(chǎn)品化，還將面對大量的問題——軟硬件的集成度還很低，大量的Know-how必須處理。正是因?yàn)檫@樣，所以一些國內(nèi)的從業(yè)者會選擇與專業(yè)廠商進(jìn)行適配，定向開源。

VR定位領(lǐng)域的技術(shù)研發(fā)，90%的功力要花在最后10%的優(yōu)化上，只有做完這10%，才能真正達(dá)到國際大廠的水平?？傮w上這套代碼足夠業(yè)余愛好者搭建一個基礎(chǔ)Demo實(shí)用，但如果真的要形成量產(chǎn)的產(chǎn)品，還有較長一段路要走。

實(shí)際上，國內(nèi)另一家同樣推出了激光定位方案的公司 G-Wearable 也將自家的技術(shù)開源了，但是只針對廠商。“因?yàn)檫@東西制造難度不低，就算開源，沒有很認(rèn)真的投入也做不出來。”G-Wearable CEO 郭成告訴雷鋒網(wǎng)(公眾號：雷鋒網(wǎng))。

UCVR聯(lián)合創(chuàng)始人 & CEO 胡金暉認(rèn)為，

Hypereal 的光塔定位技術(shù)和 Vive 很相似（或者說理論基礎(chǔ)一樣，實(shí)現(xiàn)方式大體一樣），但在一些細(xì)節(jié)地方實(shí)現(xiàn)方式有不同。

體驗(yàn)效果的好壞其實(shí)來源于很多技術(shù)細(xì)節(jié)。比如我在西雅圖學(xué)習(xí) Vive 光塔技術(shù)的時候Synapas 提到了多種產(chǎn)生誤差的可能，和他們具體的解決方法。但從這兩份文件里面沒有提到細(xì)節(jié)，所以不好判斷。

但有一點(diǎn)我很欣賞這個團(tuán)隊(duì)，他們把 Lighthouse 做出來了。不管別人再說抄襲也好怎樣也好，能做出來就是王道，而且 Hypereal 也有自己的創(chuàng)新點(diǎn) 希望他們盡早以專利的形式將自己保護(hù)起來。

對于行業(yè)的意義主要還是在于精神層面，因?yàn)檫@種技術(shù)想被廣泛授權(quán)有點(diǎn)難度，真的背后還是要有一個平臺支持（套用 HTC 汪叢青的話）。精神層面就是能夠給予中國技術(shù)流派 VR 公司一劑強(qiáng)心劑。

雷鋒網(wǎng)編輯也曾體驗(yàn)過 Hypereal 的產(chǎn)品 demo，發(fā)現(xiàn)它可以提供接近 Vive 的體驗(yàn)，但仍存在抖動及穩(wěn)定性欠缺等問題。

總體來說，Hypereal 開源受到業(yè)內(nèi)歡迎，但其影響如何仍有待觀察。至于對 Vive 的影響，顯然還是有限的。

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