淺談空間定位系統的內向外追蹤和外向內追蹤

文章相關引用及參考：映維網

本文來自PTC的Varun Mani

（映維網 2018年08月06日）從本質上講，一個空間定位系統需要提供兩個要素：第一，對原點的普遍共識；第二，三個空間維度上與原點的偏移（如下圖所示）。在GPS中，共同原點是地球本身，偏移則描述為緯度，經度和高度。相比之下，室內空間定位系統可以擁有相對於物體定位的任意原點。例如，某些商場使用藍牙信標來追蹤訪客。在這種情況下，每個信標將充當原點，並且可以追蹤個人行動電話的位置。儘管單個信標追蹤已經有用，但我們可以組合來自多個信標的信號，以及一個普遍認可的原點來創建更複雜的室內定位系統。我們可以使用WiFi，紅外線，甚至是搭載計算機視覺演算法的攝像頭來代替藍牙信標，然後在空間中追蹤對象。

1. 追蹤方法

目前存在兩種在3D空間中追蹤對象的方法：內向外追蹤和外向內追蹤。

對於採用某種信標的任何方法都屬於外向內追蹤。對於這種方法，你需要在環境中置放一定的對象（信標，追蹤塔或攝像頭），然後向需要追蹤的對象發送信號或接受信號。根據信號，追蹤對象和信標，各種演算法（信號強度，信號之間的時間，對象大小等）接下來將對對象的位置進行三角測量。目前市場上的大多數VR系統都採用不同形式外向內跟蹤。例如，HTC Vive使用外部追蹤塔和紅外發射器來精確追蹤頭顯的位置；Oculus Rift和PSVR同樣利用外置攝像頭來追蹤頭顯的位置。

內向外追蹤不需要外部感測器或信標。相反，被追蹤對象將搭載一個或多個攝像頭，以及一個慣性測量單元（磁力計，陀螺儀和加速度計）。然後系統將利用3D即時定位與地圖構建（SLAM）演算法等複雜的計算機視覺演算法來獲取對象的精確位置。內向外追蹤試圖模仿人類記憶位置的能力，並單單依靠自己的「眼睛」和「內耳」在空間中導航。

儘管內向外追蹤不像外向內追蹤那樣需要外部感測器，但缺少外部感測器則意味著沒有明顯的共同原點可供選擇。在外向內追蹤系統中，外部感測器不會（也不能）移動，因為底層演算法假設外部信標屬於靜止狀態。外向內追蹤的這一固有屬性意味著原點通常位於所有信標的中心，從而提供最精確的結果。對於內向外追蹤，由於不存在原點概念，所以對象的初始位置在追蹤開始後將作為原點。圖2是外向內追蹤和內向外追蹤的示意圖。

2. 室內追蹤與室外追蹤

自全球定位系統（GPS）誕生以來，我們一直在利用空間數據。GPS是外向內追蹤的一個例子，其中地球靜止衛星（靜態「信標」）產生無線電信號，然後相對於地球的位置（共同原點）追蹤單個對象。

3. 室外GPS追蹤

獲取對象在3D空間中的確切位置有助於我們每天的導航，幫助卡車車隊將位置報告回總部，甚至幫助導彈發射。GPS同時允許航空公司和航運公司優化路線，確定其資產的確切位置。優步等移動出行平台則利用GPS的空間數據來鼓勵駕駛員轉向需求較高的地區。通過GPS位置來定位消費者，我們手機上的位置感知應用程序已經開啟了全新的消費與零售場景。

遺憾的是，一旦進入室內，這種精確且無處不在的追蹤技術就變得毫無用處。由於GPS需要從衛星接收的信號，所以設備需要降級至不太精確的空間追蹤機制，如藍牙或WiFi。

4. 用於增強現實和虛擬現實的室內追蹤

幸運的是，隨著增強現實和虛擬現實的出現，室內追蹤變得更加普遍，價格範圍更加親民，安裝也更加簡單。AR和VR設備需要非常精確地追蹤用戶的位置和方向。欺騙用戶並令其認為虛擬對象屬於靜止狀態的唯一方法是，根據用戶視角和移動來完美地定向虛擬對象。換句話說，如果用戶向左移動一英尺，設備必須要檢測到這一點，然後將顯示屏中的所有內容向右移動一英尺，從而令畫面保持靜止。設備越能快速和準確地做到這一點，這種幻覺就越有效。

早期的VR設備無法追蹤用戶在3D空間中的位置。對於簡單的慣性測量單元，這種設備只能確定用戶的方向（縱搖、橫搖和垂搖）。這可以實現一種靜態VR體驗，其中用戶能夠上下左右地瀏覽環境，但無法在空間中移動。要完全捕捉對象在三維空間中的旋轉和位置，我們需要捕捉所有六個自由度。最近的VR和AR設備已經能夠通過外向內追蹤來實現這一目的，但需要在環境中預先安裝靜態信標，追蹤塔或攝像頭。至於現在，隨著更先進的AR和VR設備，以及更精確的感測器和內向外追蹤演算法的出現，我們終於能夠在不需要事先安裝追蹤組件的情況下，以前所未有的精度來捕獲所有六個自由度。

文章《淺談空間定位系統的內向外追蹤和外向內追蹤》首發於 映維網。

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