vr内向外和外向内定位追踪的原理与发展趋势详解

现在的移动VR已经不再像以前那样令人感到晕眩恶心。当然，现在我们尚不能实现跟Oculus Rift和PSVR相近的质量。但技术正在迅速发展，这允许我们剪掉烦人的线缆。但移动VR的繁荣更为我们带来了对虚拟世界6自由度的新思考。

能自由在空间中漫步（存在一定限制）使得HTC Vive成为当前市场上最具吸引力的系统，但所使用的定位追踪并不一定适合所有人。Oculus提供了类似的功能，但他们正在研究一种内向外追踪（inside-out tracking），无需缆线，可提供更多的移动性。事实上，我们已经在去年的OC3大会上体验过Santa Cruz原型。

你或许已经听说过内向外（inside-out）和外向内（outside-in）追踪，你甚至可能还知道它们的具体含义。但两者具体的优缺点又是什么呢？我们在未来10年内又将会使用哪种追踪方式呢？

1. 外向内追踪（Outside-In）

如果你尝试过"三大"系统（Oculus Rift、HTC Vive和PSVR），那你已经体验过外向内追踪。头显和配件都由外部设备进行追踪。Vive是通过Steam定位器（Lighthouse）进行追踪，而Oculus Rift则通过像麦克风一样的传感器进行追踪，PSVR跟Oculus系统类似。

在三种设置中，传感器都需要放置在房间中的不同位置，然后识别头显相对于环境的位置。虽然这在高端系统中十分常见，但部分移动VR同样在实验外向内追踪解决方案。

优点

·外向内解决方案保持固定，是当前精度最高的系统。你还可以在房间中添加更多的追踪器以提高准确度。

·当前外向内追踪的时延更低，这会减少你出现晕动症的几率。除非其他解决方案能实现相近的追踪质量，否则外向内追踪将会继续成为最强大的追踪解决方案。因此，这种追踪方案对移动VR同样存在一定的优势。

缺点

·一个主要的限制在于遮挡。如果你突然走到沙发或高大植物的背后，远离传感器的视距，系统将会难以追踪你的具体位置。传感器需要有效地对你进行360度追踪，否则系统将会丢失对你的追踪。

·另一个主要问题是传感器的限制。跟内而外追踪不同，你需要一直维持在传感器视场范围之内。一旦你超出范围，沉浸感就会被打破。如果VR设置的空间有限，这个问题将会更加突出。

2.内向外追踪（Inside-Out）

在这种情景下，设备本身集成了追踪器，可以检测设备相对于外部环境位置而变化。当头显移动时，传感器会重新调整房间中位置的坐标，这样给人的感觉是你正在虚拟环境中实时移动。内向外追踪可以使用标记或不使用标记。虽然像小鸟Neo CV这样的头显可以让你自由地使用，但你也可以回顾一下Valve demo演示室的图片。为协助内而外追踪，他们在墙壁上覆盖了许多空白标记。

现在已经有企业提供极具吸引力的内向外追踪解决方案，包括高通的835参考头显。Eonite同样展示了他们的内向外解决方案，他们把一个传感器附在HTC Vive头显上，虽然头显仍需要缆线连接至电脑，但我们可以自由地在虚拟世界中漫步，无需任何外部传感器。最知名的应该是微软，HoloLens和即将上市的s混合现实头显都将集成内向外追踪，包括宏碁"混合现实"头显。

优点

·自由！有了内向外追踪，你将不局限于一个游玩空间。移动性会增加，而虚拟现实会感觉更加真实。

·对增强现实和混合现实来说，内向外追踪将变得至关重要，因为我们需要系统提供更多的移动性。

缺点

·精度和时延。内向外追踪需要优秀的计算机视觉，但这种技术目前落后于外向内追踪，但现在正在靠近目标。

·头显必须完成所有的计算任务，所以对设备的性能要求十分高。

3.未来走向

完全准确的内向外追踪是所有"现实"的圣杯。毕竟，当你在虚拟现实中探索一个浩瀚无垠的宇宙时，谁希望会突然撞到一台电脑桌呢？

Moore Insights&Strategy的VR分析师安歇尔·沙格（Anshel Sag）表示："我认为我们只会在高端桌面PC中看到外向内追踪的存在，而在转至内向外追踪之前很有可能是最后一种解决方案。"

"我相信我们将会看到可以加速内向外追踪发展的新追踪方案，但现在尚未出现。最终，诸如VR和AR这样的技术将会整合在一起，而内置追踪方案存在优势的理由有很多，尤其是对AR来说。大部分原因跟移动性和功耗有关，这两者都是当前大部分缺乏内向外追踪的VR解决方案的痛点。"

或许未来的解决方案不需要在技术上实现飞跃，而是利用人类本身的弱点。一种有趣的运动技术被称为"重定向行走"，这主要是利用了人类无法走在一条直线上的原理。没错，如果你不相信，你可以让你的小伙伴蒙住眼睛向前走，那时你就会明白。

这意味着有可能操纵某人的轨迹，让他们相信自己仍然走在一条直线上。虽然在现实世界中是一个弱点，但在虚拟世界中能成为定位追踪的一个优势。

下面是此前报道的关于重定向行走的例子。一个半径至少为22米的圆弧被用来欺骗人们，用户会以为自己一直走在直线上。但问题是，我们需要足够大的游玩空间才能发挥作用，但对定位追踪来说，"无限走廊"是一种值得探索的技术。

虽然内向外追踪已经开始浮现，但诸如Daydream VR和三星Gear VR尚未使用这种技术。但相信假以时日，未来的移动头显将会集成内向外追踪。这是空间追踪的逻辑发展方向，尤其是考虑到AR的潜能和要求。约翰·卡马克在2014年发布推文称，他正在研发内向外追踪，但由于"所有人都在怀疑这是否有效，所以不要期望太大。"现在，内向外追踪感觉更像是一种必然的趋势。

在谷歌召开的一场新闻发布会上，笔者有幸跟谷歌Tango的工程部经理JohnnyLee(强尼·李)进行了一次谈话。Tango是谷歌旗下专门研究3D位置追踪的一个现实增强项目，而他们的研发成果inside-out位置追踪系统目前已经能够应用在最新推出的应用程序上。交谈中通过强尼的描述，笔者还了解到，这项技术的出现，将能成功解决时下最新的无线VR设备上关于实时位置追踪的问题。

Tango宣传视频

"目前我们已经大体上解决了这个问题。"强尼说道，"目前Tango开发的程序已经在联想Lenovo Phab 2 Pro智能手机上成功运行。这款实时位置的应用能够完美的适配这款手机。此外，我们在平板设备上也进行了测试，结果证明位置追踪技术同样适用。目前唯一困扰我们的主要是机身发热的问题，我们发现当用户在手机上运行这款位置追踪应用程序的时候，机身的温度会迅速升高，此外，手机屏幕上的图像显示会变得非常不稳定。不过我们相信，随着谷歌白日梦设备以及Tango位置追踪技术的不断成熟，这一问题将会在未来的2到3年内得到解决。"

不过，当我们问到究竟什么时候才能完全解决这一问题，从而让这项新技术商业化，并投入对于VR设备的应用中时，强尼对此没有发表评论。

Tango的产品经理也对强尼的发言表示同意。他认为这一问题最终一定会得到攻克，不过目前还有很多的技术困难需要一段时间去思考和解决。

目前市面上流行的高端VR产品,包括Oculus Rift,Playstation VR,HTC Vive,他们使用的位置感应追踪系统都是从外向内的，也就是说，要达到位置追踪的效果，它们需要接收某种外界的感应器发来的信息，比如相机，激光，传感器等，而不能自发的单凭VR头显进行追踪。一旦失去了外界的支持，它们也就是去了高级追踪的功能，只能像移动端匹配的谷歌Cardboard、三星Gear VR那样进行简单的限于前后左右的操作。

因此，只有inside-out位置追踪系统才能真正实现VR设备"无线"化，并且支持更多更为强大的功能，而这也是目前VR技术开发所追求的目标。几乎所有的VR公司都想做第一家在这个领域做出真正突破的公司，在今年的Oculus Connect大会上，脸书就已经公布了代号为"Santa Cruz"的原型，而微软也利用旗下的HoloLens追踪系统把这个技术带到有线的VR设备上。除此之外，像高通、因特尔等公司也都在致力于解决VR设备无线化的问题。

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