揭秘大朋雙目激光定位，HTC的又一勁敵？

作為VR頭盔空間定位的代表，HTC Vive一直以其Lighthouse激光定位傲視群雄。也許Oculus、PSVR分別在用戶體驗和內容上有自己的優勢，但要說到房間尺寸（Room-Scale）定位，則已經推出一年的HTC Vive，至今在全世界還沒有對手，這也可以看出它激光定位方案的強大。

先給不玩VR的科普下（不玩VR你看這個文章幹啥？），所謂Room-Scale，指的就是用戶能否自由地在VR里行走。其實，所謂的VR三大硬體（HTC Vive、Oculus Rift、PSVR）都能實現一定程度的Room-Scale體驗，但Oculus、PSVR採用攝像頭為主的方案，效果並不怎麼好，大多數情況下還是坐著不動玩更舒服。

而HTC Vive的激光方案，才讓玩家真正能比較自由地在VR里行走，穩定性和行走範圍均遠遠優於另外兩者。可以說，HTC Vive啥都能黑，就是這個定位黑不得。

在2017年的CES上，國內硬體廠商大朋帶來了雙目激光定位方案Polaris，似乎是要以自研技術和硬體，對HTC Vive發出挑戰。三月末又召開了發布會邀行業人現場體驗。經過現場測試，大朋的雙目激光定位方案反饋還不錯。

但是我們仍然要問，大朋的雙目激光定位原理為何？如何實現？相比HTC Vive又有哪些好處？本著刨根問底的精神，我們專門採訪了大朋CEO陳朝陽，首次詳細獨家揭示大朋的技術奧秘。

首先來看看，HTC Vive的方案是怎麼玩的？

首先，要想明白大朋比HTC Vive好在哪裡，我們就必須得再詳細闡述一下HTC Vive的定位方案（熟悉的小夥伴可以跳過這部分，直接看大朋的）。這一方案使用的是兩個名為光塔（Lighthouse）的基站，對角擺放，拉出一塊空間，不斷發射激光來掃描空間里的HTC Vive和手柄。

那麼，基站具體是怎麼運作的？現在我們來拆解一下。

打開基站，會發現由三個部分組成，分別是LED燈陣列和兩個電機。電機分別用於打出一橫一豎兩個激光面。

如下圖，其中紅色面為豎直的激光面，掃動方向是水平的，藍色為水平激光面，掃動方向為上下垂直掃動，紅色陰影部分位於藍色面下方。

每當一個激光面遇到感測器，就會停止掃描並記錄角度。假如兩個面停止位置如圖所示，則可以確定感測器位於兩面相交線，即圖中細紅線上。

這樣得到的位置信息是不全面的，因為只知道點在哪條線上，不知道具體在線上什麼位置，就像去某個地方，只知道在某條街上卻不知道門牌號碼。因此需要安裝多個感測器。

所以聰明的你可能已經猜到了，HTC Vive的感測器都放在頭盔和手柄上，坑坑窪窪、如同月球表面的頭盔上，每一個小坑都是一個感測器。並且感測器是固定的，不能移動。

實際上，系統並不需要確定每個感測器的位置。而只需要確定感測器所在的直線就好了。這就好像吃烤雞腿，用手拿著可以直接確定雞腿的位置，也可以拿幾根簽子穿著固定住，雞腿的位置同樣是確定的。

也就是說，確定位置並不一定需要感測器的點，還可以僅用足夠多的線來確定頭盔位置。只要知道頭盔尺寸，依據下圖就能確定位置了。

兩個激光面掃描完一次，確定的是頭盔上一個感測器距離基站的直線方程。只知道掃描到的感測器在這條直線上，但並不知道詳細距離。

這個時候就需要知道頭盔的尺寸了。然後通過專門的演算法，明白在確定幾條直線、並已知頭盔大小的情況下，頭盔唯一有可能的方位在哪裡。

在兩個激光面掃描完一個感測器後，該感測器就會關閉，以免下次再被掃到。等到掃到五個感測器後（Valve官方給出的數字），頭盔定位完成。所有感測器重新打開，開始新一輪的掃描，如此反覆。

新版Lighthouse基站的LED陣列排列有變化

從上所述，理論上感測器只需要五個就夠了。然而，實際上定位時由於光線接受可能被遮擋，感測器之間又為了防止串擾信號必須保持距離，因此最後採用的感測器有幾十個。所以不要再苛責你頭盔為什麼長那麼丑了，滿滿的都是愛啊……

重點來了，如何實現完整的數據流程，完成從用戶的移動到他們的頭盔圖像的變化呢？

我們要先確定關鍵的數據和採集方法。兩個激光面能確定一條線（也就是上文所說的，感測器點所在的直線）。那麼橫豎激光兩個面的位置怎麼算？只需要角度就能知道了——角度是電機的角速度（轉速）和用時的乘積，角速度是恆定的，相當於已知，因此記錄下時間就能求出來。

下面是具體實現步驟了，對於不學理科的同學來說，可能還是有點複雜，打起精神！

首先基站會和感測器進行一次溝通，同步閃光（sync light），這樣感測器會告訴感測器的控制晶元，讓它把計時器（類似於秒錶的功能）歸零，接下來的10毫米內，會有一個激光面掃過，這個激光面接觸到感測器的時候，感測器就會發出信號，計時器就停了，記錄下時間，然後歸零。緊接著另一個激光面掃過，再次記錄時間，歸零。

這個過程看似複雜，實際上兩個電機只要以20毫秒轉一圈的速度（也就是每秒50轉）穩定運行，而電機上的激光發射器「此起彼伏」地出現就行了。時間值隨後會來到感測器的集線器，再到數據收集晶元，通過WiFi信號以某種數據包形式和協議（如UDP）發送到基站的計算部分。

這樣得到了兩個時間值能轉化為角度值，再轉為兩個面的方程，求出交線，就能獲得一個之前說到的感測器所在的直線方程。然後諸多方程合并起來，通過演算法算出一個頭盔上感測器方位對應的位置，就是對頭盔完成了定位。這個定位數據隨後會由基站更新到計算機或主機，在3D引擎內修改攝影機位置，重新計算畫面，發送到頭盔顯示器，完成一幀的顯示。

那麼，大朋是怎麼做的呢？

說完了HTC Vive，終於輪到我們今天的正主兒——大朋了！根據我們對大朋CEO陳朝陽的採訪，再加上觀察和HTC Vive的Lighthouse原理推斷，大朋Polaris結構應該類似這樣：

畫工丑了點，將就點吧……是的，你沒看錯，大朋的基站里是三組電機，比Vive多一組。分別為兩個打出橫激光面的電機和一個打出豎激光面的電機。

如下圖，三個激光面會形成三條交線，實際上只任意用兩條（比如紅和藍）就能確定交點，該點即為要確定的感測器位置。也就是說，三個掃描面的時候，不是確定感測器所在直線，而是直接把感測器所在位置確定了。

顯然，這樣定位方式比起Lighthouse的定位只能確定感測器所在直線位置要更加有效率。只要釘死三個點就能確定位置，也就相當於頭盔上最少三個感測器就夠了。（當然為了保證精確，實際上不止三個）

不過，實際中設計的時候為了防止橫向兩個面靠太近，影響精度（就像人要靠兩眼間存在距離才好定位一樣）。最好的辦法就是，把兩個橫向電機放在縱向電機的上下兩個位置。

這樣感測器的數量比起Lighthouse大約能減少一半。但是存在問題是，如果激光面照不到感測器就沒有效果了，為了實現無死角，最簡單的方式就是在基站的另一面再放一個基站，就能覆蓋到了，這樣雙基站的設計能讓感測器數量再減一半。大概像這樣：

最後需要的感測器數量大概是Lighthouse的四分之一左右（Lighthouse用了幾十個感測器）。事實上，大朋官方也是這樣宣傳的，即頭盔所需感測器相對Vive較少，僅需六個。頭盔得以更輕便，而相對的，大朋的基站就要比Lighthouse體積更大。

實際工作順序如下：

首先LED陣列發出閃光，與感測器控制晶元同步一次，然後開始計時。如果能做到16毫秒左右延遲的話，總周期應該是15毫秒以內。

這裡假設是15毫秒。則閃光後第一個5毫秒內，第一個橫向激光面掃過，感測器發信號之後記錄時間；第二個5毫秒內，縱向激光面掃過，感測器發信號後記錄時間；第三個5毫秒內，第二個橫向激光面掃過，感測器發信號，記錄時間，然後WiFi信號傳輸時間數據包給基站進行位置計算，上傳到計算機或主機完成位置數據更新。

其實和HTC Vive很類似，只是多出一步橫激光面的掃描，定位的不是點所在的直線，而是點的坐標。

陳朝陽的在讀完原理解析後，表示認可：「原理上已經寫的很好了。沒什麼好補充的了。」 但他也強調：「95%的難度在工程實現上，太多細節要考慮了。」

國內專註於大空間多人定位的公司ZVR CEO郭偉指出，激光方案主要是工程方面的問題，在具體的電機調校、產品量產、供應鏈方面會有很多坑。

定位方案相關疑問

綜上，我們對大朋的定位方案進行了解讀。但是聰明如你，一定還有一些疑惑。是的，關於大朋的定位方案，從原理上來說，我們萌生了這幾個問題。

筆者就這些問題對陳朝陽進行求證，對方給出了可以理解的答覆：「目前還沒到開源我們的所有原理的時候」。

筆者期待，作為國產硬體中少數採用自研技術方案的廠商，大朋的定位方案能夠走出一條自己的路，用體驗說話，在未來能夠對這些問題作出完美的解答。