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科普 | 何为3DoF、6DoF、9DoF?定位追踪对VR为何重要?

时间: 2017-12-18阅读:

    本文将简单介绍运动中的“自由度”,这是讨论VR机制的必要概念。自由度(DoF)与刚体在空间内的运动相关,可以解释为“物体移动的不同基本方式”。

    自由度总共有6个,可分成两种不同的类型:平移和旋转。


1. 平移运动


    刚体可以在3个自由度中平移:向前/向后,向上/向下,向左/向右。



2. 旋转运动


    刚体也可以在3个自由度中旋转:纵摇(Pitch)、横摇(Roll)和垂摇(Yaw)。



    因此,3种类型的平移自由度+3种类型的旋转自由度 = 6自由度!


    在任意一个自由度中,物体可以沿两个“方向”自由运动。例如,电梯限制在1个自由度中    (垂直平移),但电梯能够在这个自由度中上下运动。同样,摩天轮限制在1个自由度中,但这是旋转自由度,所以摩天轮能够朝相反的方向旋转。


    我们可以继续举例子,比如说主题公园。碰碰车总共有3个自由度:它只能在3轴中的2条里平移(无法像电梯那样上下移动);然后它只能以一种方式旋转(无法像飞机那样纵摇和垂摇)。 所以2个平移+1个旋转=3自由度。


    无论有多复杂,刚体的任何可能性运动都可以通过6自由度的组合进行表达。例如在你用球拍击打网球的时候,球拍的复杂运动可以表示为平移和旋转的组合。


3. 惯性测量单元和自由度


    惯性测量单元(IMU)是一种通过传感器组合(加速度计、陀螺仪和磁力计)来测量和报告速度、方向和重力的电子设备。IMU过去的主要应用之一是作为飞机仪表设备,但现在它们已经应用于一系列电子设备,比如说智能手机。IMU的成本已经出现了大幅下降,映维网觉得我们今天可以认为3DoF定位问题已经得到了“解决”。但遗憾的是,IMU在实际应用中只能准确地测量和报告方向值(旋转),无法处理平移。


4. 九自由度是什么


    IMU的世界里出现了有趣的术语,比如一系列关于“9自由度”IMU的说法,但这令人相当困惑,因为自由度总共只有6个。


    基本上,很多IMU厂商都生造了“9自由度”一词来推销他们的产品,但这都不是真正意义上的自由度。9自由度主要是IMU内每一个传感器所能测量到的自由度的总和。比如,如果IMU搭载了一个可以测量3自由度的加速度计,一个能测量3自由度的陀螺仪,以及一个能测量3自由度的磁力计,厂商就有可能将其称之为9自由度IMU(九轴)。但这与现实不符,因为这3个传感器所测量的是相同的3自由度(只有方向)。


    一个9自由度IMU(九轴)可能比6自由度IMU(六轴)更好,因为它可以通过传感器融合(结合来自不同传感器的数据)来提高最终输出的质量。然而,这仍然无法测量平移。


5. 为什么定位追踪对VR很重要


    定位追踪是硬件与软件的组合,能够监测物体的绝对位置。这对VR而言非常重要,因为结合定位追踪,系统可以测量和报告真实意义上的6自由度。 由于虚拟现实是模拟(修改)现实,所以我们需要准确地追踪对象(如头部或手部)是如何在现实世界中移动,这样系统才能在VR世界中实现精确的映射。


    比如,最初的Oculus Rift开发套件DK1只能提供3自由度(旋转)头部追踪。所以尽管你可以通过倾斜和转动头部来查看虚拟现实世界,但你无法探下头来观察地板上的物体,因为系统无法准确地判断头部位置。


    六自由度指的是系统可以识别你在空间中的完整运动,而不仅只有头部转动。

现在,六自由度追踪是高端头显(如Oculus Rift)和低端头显(如Gear VR或谷歌Cardboard)之间的主要区别。


    如果实现移动VR6自由度,这一点对移动VR来说,也很有意义。目前以 GearVR 为代表的移动 VR 头显,与三大 PC VR 头显相比,一个突出的不足就是不能追踪头部的空间运动。Gear VR 只能检测到各方向转头的 3 自由度,而头部在空间中前进、后退等移动则不能检测,这就造成了移动VR 显示不随在房间行走变化。通过 Inside-out Tracking,让 VR 头显自己去检测环境变化,反向计算出 VR 头显自身的运动,被认为是更具便携性、移动性的解决方案,


6. 高通845将支持移动VR6自由度


    骁龙845让移动VR的交互革命有了进一步升级的机会。6DOF室内空间定位、SLAM技术、对6DOF手势追踪和手柄支持的提升,这让移动VR的交互从过去的3DOF头控以及手柄全面升级为6DOF位置追踪、手势识别等多通道高沉浸感的VR交互方式。

    和骁龙835相比,新一代骁龙845的CPU性能提升25%、GPU性能提升30%、功耗降低30%,这对于VR来说意义重大,因为VR天然需要极大的计算量。以显示为例,VR的双目原理和360°内容让需要处理渲染的计算量高达普通2D内容的数倍;另外,位置追踪、手势追踪和实时渲染也需要进行大量的数据计算和处理。

        

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