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VR定位动捕技术难点在哪看4大因素要考虑

最近有文章解析了因为追星仪和陀螺仪的出错，加上科学家写反喷气代码导致了造成了价值19亿的一台名为逗瞳地的X射线太空望远镜被玩坏了。实际上，追星仪和陀螺仪实现的类似于VR中的光学定位及姿态捕捉。一直以来，大家都在说VR定位动捕技术难，那到底难在哪里呢看作者系VR行业从业者，本文将会探讨下这个问题。

我相信，逗瞳地真实的毁灭原因一定比文章中描述的要复杂很多，我写这篇文章也不是为了跟大家探讨逗瞳地，而是想跟大家聊一下由此事件引发的一些思考。

|逗瞳地和VR中的光学定位及姿态捕捉

瞳的追星仪，在文章中是这样描述的逗追星仪是卫星上一个判断自己方位的仪器总的来说就是一个小相机，通过跟踪拍摄背景里一些亮的星星的位置用来判断自己所指向的方位地。

为什么总说VR定位动捕技术难，它究竟难在哪里看

追星仪的定位技术大概是目标物体（即瞳本身）拍摄背景中的星星，根据得到的图像及所识别出的星星的位置来获取自身的方位信息。而瞳的陀螺仪则用来侦测瞳自身的空间姿态。所以，追星仪和陀螺仪实际上实现的类似于VR中的光学定位及姿态捕捉。

（1）光学定位技术

VR中的光学定位技术是利用摄像机拍摄目标物体，根据得到的目标图像及摄像机自身的位置信息推算出目标物体的位置及姿态等信息。根据标记点发光技术不同，光学定位技术还分为主动式和被动式两种。

具体实现流程：定位物体上布满标记点，标记点可以自主发射光信号或者反射定位系统发射来的点信号，使得摄像头拍摄的图像中标记点与周围环境可以明显区分。摄像机捕捉到目标物上标记点后，将多台摄像机从不同角度采集到的图像传输到计算机中，再通过视觉算法过滤掉无用的信息，从而获得标记点的位置。该定位法需要多个CCD对目标进行跟踪定位，需要至少两幅以上的具有相同标记点的图像进行亚像素提取、匹配 *** 作计算出目标物的空间位置。实现流程图如下：

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光学定位技术实现流程

目前，光学定位技术在国际上最受认可的是Optitrack。OptiTrack定位方案适用于游戏与动画制作，运动跟踪，力学分析，以及投影映射等多种应用方向，在VR行业有着非常大的影响力。

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（2）惯性动作捕捉

陀螺仪的工作原理是通过测量三维坐标系内陀螺转子的垂直轴与固定方向之间的夹角，并计算角速度，通过夹角和角速度来判别物体在三维空间的运动状态。

它的强项在于测量设备自身的旋转运动。陀螺仪用于姿态捕捉，集成了加速度计和磁力计后，共同应用在惯性动作捕捉系统。

惯性动作捕捉系统需要在运动物体的重要节点佩戴集成加速度计，陀螺仪和磁力计等惯性传感器设备，传感器设备捕捉目标物体的运动数据，包括身体部位的姿态、方位等信息，再将这些数据通过数据传输设备传输到数据处理设备中，经过数据修正、处理后，最终建立起三维模型，并使得三维模型随着运动物体真正、自然地运动起来。

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|VR定位动捕技术到底难在哪里看

前文提到，逗瞳地最终没有避免毁灭的命运，当然我们得说这次毁灭有一些人为的可避免的错误造成，但无法否认的事实是它耗费了人类价值19亿的资源。这也从侧面证实了定位及动捕技术难度之高。

当然，应用于VR行业中时，对于精度等的要求不会有逗瞳地那么高，但为了能给使用者带来超强沉浸感体验，定位及动捕的精度、延迟、刷新率等也一定要达到非常高的水平。很多人知道2016年被称为VR的元年，但是又有多少人知道VR自1963年被提出至今耗费了多少科学家、工程师的心血看

读者可能会有疑问，大家一直在说VR定位动捕技术难，那到底难在哪里呢看接下来笔者就来谈谈VR定位动捕技术的难点。

（1）人体运动复杂性

由于在现实世界里面，逗场景地是相对静止的，我们之所以看到眼前的东西在动，是因为我们头部、眼部、身体等在移动，使得眼前的逗场景地形成了一个动画。而虚拟现实就是要模拟出现实世界的这种逗动画地，也就是说在虚拟现实的设备中，画面要根据人的这些动作做出相应的调整才可以，而这些动作看似使用定位、陀螺仪等设备就可以解决，但其实则不然。人体的动作可以看作是复杂且有一定规律的一系列动作组合而成，为了完成一个动作，每一个完整的动都可以分解为各个肢体的动作，各个肢体之间的动作既相互独立又相互限制。人体的各种动作是有多个自由度组成，其复杂性使得计算机追踪时存在着很多的困难和挑战。

这里给大家举个例子：

在一些大家很喜欢的搏斗或者射击游戏中，我们经常需要作出身体快速移动，头部快速转动，以及高速的转身、下蹲等动作，一方面这些动作会带来我们实现的变化，眼前所看到的画面也会跟随变化，且虚实情况也有区别；

另一方面，这些动作也必须会带来虚拟世界中的一些反馈，例如瞄准僵尸打出一颗子d，则虚拟世界中的僵尸将受伤或者倒下。想要让使用者有真实的体验，那么追踪技术就必须可以已非常高的精度实现定位及动捕，否则就不能算是真正的虚拟现实了。

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（2）精度问题

定位及动作捕捉精度，对于VR设备非常的重要。如果定位及动作捕捉精度不够高，会严重影响VR体验效果，也失去了虚拟现实的本质。影响精度问题的因素包括遮挡、干扰以及算法自身的限制等。

遮挡是各种定位及动捕系统最常见的工作失效原因之一。

例如光学定位系统中：当扫描光线被用户或物体遮挡时，空间点三维重构由于缺少必要的二维图像中的特征点间对应信息，容易导致定位跟踪失败。遮挡问题可以通过多视角光学系统来减轻，但这又造成了该系统又一大缺陷——价格过于昂贵。以Optitrack为例，Optitrack是国际上非常受认可的光学定位技术，如果有足够的摄像机，Optitrack定位及动捕技术可以很好地解决遮挡问题，具有非常高的精度。但是Optitrack摄像机的价格却让多添加几个摄像机变得不那么容易。

干扰包括外界电磁波干扰和自身设备间相互干扰。不管是光学定位还是激光定位，对外界的电磁波干扰都非常敏感，特别是当设备使用无线的方式通信时，如果存在同波段的电磁干扰，就会造成卡顿、失灵等现象，严重影响体验效果。

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还有一个因素是算法本身的限制，例如惯性式动作捕捉技术。

惯性式动作捕捉系统采用MEMS三轴陀螺仪、三轴加速度计和三轴磁力计组成的惯性测量单元（IMU，InertialMeasurementUnit）来测量传感器的运动参数。而由IMU所测得的传感器运动参数有严重噪声干扰，MEMS器件又存在明显的零偏和漂移，使得惯性式动作捕捉系统无法长时间地对人体姿态进行精确的跟踪。

目前对于这个问题，G-Wearables的解决方案或许可以参考，其利用激光定位、反向动力学、惯性式动作捕捉相融合的算法来解决，从CESAsia展会上发布的STEPVR大盒子的体验来看，融合算法确实较好地解决了惯性式动捕的零偏和漂移问题，实现了1:1精准的动作还原。当然，这款产品的其他方面还需要消费者们自行去体验，与本文主题无关就不再赘述。

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（3）快速运动时的定位及动捕问题

快速运动时的定位及动捕一直是VR行业一大难题，甚至现在很多公司都放弃了快速运动时的定位及动捕，通过VR内容控制用户不要有快速的动作来避免这一问题，但这终究无法从根源上解决问题。

那为什么说，快速运动时的定位及动捕难呢看

对于光学定位来说，难点在于运动模糊。

如果目标物体移动过于快速，则会出现运动模糊，即由于摄像设备和目标在曝光瞬间存在相对运动而形成的一种现象。这种现象很常见，我们平时用手机拍摄人物时，如果人物快速移动（例如奔跑、迅速起身等），则我们拍摄的即是模糊的，在VR的光学定位中是一样的。

光学定位系统利用多台摄像头拍摄目标物体，再利用所获得的图像信息及摄像头的位置信息来最终推算目标的空间位置，并基于这样的空间位置通过IK算法或者惯性传感器等来推算目标物体的动作。那么如果目标物体处于快速运动中，则摄像头拍摄的图像就存在模糊，信息不可用，也就无法实现精准的定位。因此基于光学定位的VR系统，在目标物体快速移动时会出现卡顿、跳点等现象。

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对于激光定位技术来说，难点在于两束激光扫描存在时间间隔。

激光定位技术需要水平、垂直两个方向上的激光扇面对整个定位空间进行扫描，目标物体绑定的传感器必须接收到水平、垂直两个方向上的激光后方可进行定位，缺一不可。然而，这两个方向上的激光扇面是先后扫描，也就是存在时间差，如果目标物体迅速移动，则会出现水平和垂直两个方向上激光扫描到传感器时传感器所在的位置不一样，也就无法定位准确，进而影响动作捕捉。

中国三大运营商都在大力发展物联网业务，物联网卡和NB物联网卡已成为物联网领域的重中之重。谈到物联网，很多人都在想大力发展NB物联网意味着什么。使用现有的2G、3G和4G网络以及移动网络信号是否不方便？
物联网卡的不同应用场景
高速率业务：主要使用3G、4G技术，例如车载物联网设备和监控摄像头，对应业务特点要求是实时数据传输。
中等速率业务：主要使用GPRS技术，例如居民小区或超市的储物柜，使用频率高但并非实时使用，对网络传输速度的要求远不及高速率业务。
低速率业务：业界将低速率业务市场归纳为LPWAN市场，即低功耗广域网。目前还没有对应的蜂窝技术，多数情况下通过GPRS技术勉力支撑，从而带来了成本高、影响低速率业务普及度低的问题。
目前低速率业务市场急需开拓，而低速率业务市场其实是最大的市场，如建筑中的灭火器、科学研究中使用的各种监测器，此类设备在生活中出现的频次很低，但汇集起来总数却很可观，这些数据的收集用于各类用途，比如改善城市设备的配置等等。
此时NB-IOT网络就应运而生，NB-IoT是指窄带物联网技术。NB－IOT聚焦于低功耗广域（LPWA）物联网市场，是一种可在全球范围内广泛应用的新兴技术。目前三大运营商已完成全国性主要地区的覆盖。
目前nb-iot物联卡具备以下优势
·大连接：每一个扇区可以支持10万个连接，与现有无线技术相比，NB-IoT可以提升50~100倍的接入数。
·广覆盖：比传统GSM网络增益20GB，一个基站提供的覆盖面积是以往的10倍。
·低功耗：NB-IoT节电技术DRX和PSM，通过减少不必要的信令和在PSM状态时不接受寻呼信息来达到省电的目的通常可以保障电池拥有5年以上的寿命。
·广应用：由于NB-IoT具有覆盖广、连接多、成本低和功耗低的优点，故其非常适合应用于低功耗设备，广泛应用于多种垂直行业。
·易使用：体积小，只需要搭配相应的NB-IOT模组，不占用内任何电路板空间。
·简单计费：NB物联卡的内部通信芯片、通信协议和资费政策较传统物联网卡有较大区别，支持定向连接，资费更优。
NB物联网卡和普通物联卡的区别有哪些？中景元物联指出合适NB-iot的应用场景非常多，对适合使用NB-iot的领域来说，机会非常多。从物联网企业家的角度来看，这等于是在扩大一个新的市场。在物联网时代，信息产业的传统运作模式正在被打破。
物联网（TheInternetofThings，简称IOT），即“万物相连的互联网”，是互联网基础上的延伸和扩展的网络，将各种信息传感设备与互联网结合起来而形成的一个巨大网络，实现在任何时间、任何地点，人、机、物的互联互通。
物联网并不是个新鲜的概念，20多年前，物联网概念由比尔盖茨首次在他的《未来之路》中提起。只是当时受限于无线网络、硬件及传感设备的发展，并未引起世人的重视。
2005年本人从事电表行业软件开发工作时，就接触过电力公司的远程抄表系统，这其实就是物联网的一种行业具体应用。传统的远程抄表系统均为集中抄读方式，即使用集中器通过485/MBus/PLC/Lora/Zigbee等有线或无线方式抄读目标设备的数据，如水表、气表、电表、传感器等。但是，有线存在布线困难问题，无线存在各种通信质量问题：如PLC难以避免噪声干扰、Lora通信速度较慢、点对点传输、ZigBee存在组网不可控现场通信质量差等。那有没存在一种通信技术，直接把设备数据上传到系统平台呢？这也是有的，一般方案是通过GPRS模块通信。但GPRS模块依然存在供电功耗和流量资费问题，因而没有很好地应用普及和推广。
2016年基于授权频谱（Licensed）的NB-IoT新型技术，很好的解决了GPRS的功耗问题，也因其大容量、覆盖广、高安全性等优势，在众多物联技术中脱颖而出，成为业界关注的焦点。具体来说，NB-IoT优点如下：
广覆盖：在同样的频段下，NB-IoT比现有的网络增益20dB，可更好满足厂区、管道井、井盖等这类对深度覆盖有要求的地方。
低功耗：模块在平时处于休眠状态，每天可根据程序设定自动唤醒上传数据，若没有收到请求的命令，模块会自动进入休眠，终端模块待机时间可长达8年。
低成本：与LoRa相比，NB-IOT无需自建基站，通讯稳定可靠。
大连接：同一基站可比现有无线技术提供50-100倍的接入数。
基于以上优点，NB-IoT通信技术可方便应用在以往难以应用远抄技术的领域，也使得传统远抄技术方案变得更简单，让设备通信更简单、更可靠。可广泛应用在各种行业中，比如：智能路灯、智慧停车、烟感气感监测、智慧消防、智能门锁、智慧水务、智慧井盖、智慧农业等行业应用。
目前，中国三大运营商正大张旗鼓地进行相关NBIoT通信基础建设，NBIoT相关行业应用也已初成规模。像NB-IOT在水表市场已小有突破，少数企业2018年出货实现了百万量级。燃气表龙头金卡智能，2017年全年试挂不足2万台，中间经过客户小批量试挂、中批量验证，2018年其出货量达到70万台。
凡事有利就有弊，那NBIoT通信技术应用有什么缺点呢？
传输数据少。基于低功耗的机制，注定了NBIoT只能传输少量的数据到远端，因此正式应用时要么单次传输字节数少，要么传输数据间隔长。比如智能水表、气表，一般是24小时传输一次数据。这意味着依靠实时数据分析的行业应用难以推广此技术。此外，还存在寿命到期电池更换的麻烦。
通信成本贵。目前NBIoT通信模块还是偏贵，主流芯片厂家主要有紫光展锐、华为海思和联发科，一块NBIoT模组在20~50元左右。通信流量上，电信是20元一年，包年时间多相对便宜，中国移动资费差不多，若设备量大还有议价空间。一块水电表零售价也就一两百元，NBIoT模组就吃掉了一大块成本。
技术待成熟。虽然中国各大运营商号称投入大量人力物力财力进行相关建设，NBIoT技术还不是很成熟。本人所在公司系统平台于2017年底就和电信云平台进行了系统对接，目前接了近万台NB-IoT电表和水表。发现电信平台依然在不断地更新升级，曾经在某商厦安装了300多块NBIoT电表，结果导致基站出现故障，后经电信技术人员积极抢修才恢复正常。诚然，电信云平台后面是华为公司作为技术支撑，实力强大，想必不久将来技术会成熟稳定。
平台对接难。电信的IOT平台走的是CoPA协议，CoPA协议对接方面复杂。虽然华为电信物联网平台上资料齐全，要和电信开放平台对接，还是要花不少时间。2017年公司研发部门安排专人花了2个月才对接好，为兼容传统tcp、udp通讯，后期又对设备通讯服务进行了优化处理，前前后后花了大概半年时间才完全稳定。因此，这对于一般传统企业还是有一定技术门槛的。
可以说，物联网是通向未来智能世界的万物互联必由之路，下一个万亿元级的通信业务，蕴育着巨大的市场空间，是未来促进社会发展刺激GDP增长的重要驱动力。NB-IoT通信技术，使得万物互联成了可能，将会普及到各个行业中。预计未来几年，物联网行业将因技术的更新换代呈现爆发性增长，拭目以待！

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