👵🏽 👲🏻 👨🏿‍🌾 نظرة عامة على طرق وتقنيات تحديد المواقع للواقع الافتراضي 🎽 🎸 ♎️

التتبع الموضعي هو مزيج من الأجهزة والبرامج التي تتيح لك تحديد الموضع المطلق لكائن في الفضاء. هذه التكنولوجيا حاسمة لتحقيق تأثير الانغماس في الواقع الافتراضي. إلى جانب تتبع التوجيه ، يصبح من الممكن قياس وإرسال جميع درجات الحرية (6-DoF) للعالم الواقعي إلى VR. في سياق العمل مع تقنيات الواقع الافتراضي في شركتنا ، اكتسبنا بعض الخبرة في هذا الأمر ونود مشاركته من خلال التحدث عن الطرق الحالية لتتبع الوضع للواقع الافتراضي ، بالإضافة إلى إيجابيات وسلبيات الحل.

تصنيف صغير

يمكن تقسيم مجموعة الطرق والأساليب لحل هذه المشكلة إلى عدة مجموعات:

صوتي
تردد الراديو
مغناطيسي
بصري
القصور الذاتي
هجين

يضع إدراك الإنسان متطلبات عالية على الدقة (~ 1 مم) والتأخير (أقل من 20 مللي ثانية) في معدات BP. الطرق البصرية والقصور الذاتي هي الأقرب إلى هذه المتطلبات ، وغالبًا ما تستخدم معًا ، تكمل بعضها البعض. فكر في المبادئ الأساسية التي بنيت عليها الأساليب المذكورة أعلاه.

طرق صوتية

تستخدم أجهزة التتبع الصوتية الموجات فوق الصوتية (عالية التردد) لقياس موضع واتجاه الجسم المستهدف. لتحديد موضع الجسم ، يتم قياس وقت طيران ( وقت وصول ) الموجة الصوتية من المرسل إلى المستقبلات ، أو فرق طور الموجة الصوتية الجيبية أثناء الاستقبال والإرسال. شركة Intersense موقف جهاز تطوير التتبع على أساس الموجات فوق الصوتية.
تتميز أجهزة التتبع الصوتي عمومًا بمعدل تحديث منخفض نظرًا لانخفاض سرعة الصوت في الهواء. مشكلة أخرى هي أن سرعة الصوت في الهواء تعتمد على العوامل البيئية مثل درجة الحرارة والضغط الجوي والرطوبة.

طرق RF

هناك العديد من الطرق التي تعتمد على الترددات اللاسلكية. في العديد من النواحي ، وفقًا لمبادئ تحديد الموقع ، فهي مشابهة لطرق التتبع الصوتية (الفرق فقط في طبيعة الموجة). أكثر الطرق الواعدة في الوقت الحالي هي طرق UWB (Ultra-Wide Band) ، ولكن حتى في أفضل الحلول المستندة إلى UWB ، تصل الدقة إلى طلب السنتيمترات فقط ( DW1000 من DecaWave و Dart من Zebra Technologies و Series 7000 من Ubisense وغيرها). ربما في المستقبل ، ستتمكن الشركات الناشئة مثل Pozyx أو IndoTraq من تحقيق دقة أقل من المليمتر. ومع ذلك ، فإن حلول تتبع المواقع UWB لا تنطبق بعد على الواقع الافتراضي.
يتم وصف طرق أخرى لتحديد المواقع على ترددات الراديو بمزيد من التفصيل في هذاالمقالة .

طرق مغناطيسية

يعتمد التتبع المغناطيسي على قياس شدة المجال المغناطيسي في اتجاهات مختلفة. كقاعدة ، توجد في مثل هذه الأنظمة محطة قاعدة تولد مجالًا مغناطيسيًا متناوبًا أو ثابتًا. نظرًا لأن قوة المجال المغناطيسي تتناقص مع زيادة المسافة بين نقطة القياس ومحطة القاعدة ، يمكنك تحديد موقع وحدة التحكم. إذا تم تدوير نقطة القياس ، يتغير توزيع المجال المغناطيسي على محاور مختلفة ، مما يسمح لك بتحديد الاتجاه. أكثر المنتجات المعروفة بناءً على التتبع المغناطيسي هي وحدة تحكم Razer Hydra ونظام Sixense's STEM .
يمكن أن تكون دقة هذه الطريقة عالية جدًا في ظل ظروف خاضعة للرقابة (تشير مواصفات Hydra إلى دقة موضعية 1 مم ودرجة واحدة من دقة التوجيه) ، ومع ذلك ، فإن التتبع المغناطيسي يخضع للتداخل من المواد الموصلة بالقرب من الباعث أو المستشعر ، من المجالات المغناطيسية الناتجة عن الأجهزة الإلكترونية الأخرى والمغناطيسية المغناطيسية. المواد في مساحة التتبع.

طرق بصرية

الطرق البصرية هي مزيج من خوارزميات رؤية الكمبيوتر وأجهزة التتبع ، والتي تشمل الكاميرات المرئية أو بالأشعة تحت الحمراء ، وكاميرات استريو وكاميرات عمق.
اعتمادًا على اختيار النظام المرجعي ، هناك طريقتان لتتبع الموقف:

يشير النهج الخارجي إلى وجود مراقب خارجي ثابت (كاميرا) ، والذي يحدد موضع الجسم المتحرك من خلال نقاط مميزة. تستخدم في Oculus Rift (Constrellation) و PSVR و OSVR والعديد من أنظمة التقاط الحركة.
يفترض نهج الداخل إلى الخارج وجود مستشعر ضوئي على جسم متحرك ، بفضله يمكن تتبع حركة النقاط الثابتة نسبيًا في الفضاء المحيط. تستخدم في Microsoft Hololens ، Project Tango (SLAM) ، SteamVR Lighthouse (خيار هجين ، لأن هناك محطات أساسية).

أيضًا ، وفقًا لتوفر العلامات الضوئية الخاصة ، يتم عزلها بشكل منفصل:

عادةً ما يعتمد التتبع بدون علامات على خوارزميات معقدة تستخدم كاميرتين أو أكثر ، أو كاميرات ستيريو مزودة بمستشعرات عمق.
, . ( , ), QR-. .

Perspective-n-Point (PnP)

مع التتبع البصري ، يتم حل مشكلة PnP (Perspective-n-Point) لتحديد موضع كائن في الفضاء ، عندما يكون من الضروري تحديد موضع كائن في مساحة ثلاثية الأبعاد من إسقاط منظور الكائن على مستوى مستشعر الكاميرا.

بالنسبة لنموذج ثلاثي الأبعاد للكائن وإسقاط ثنائي الأبعاد للكائن على مستوى الكاميرا ، يتم حل نظام المعادلات. نتيجة لذلك ، يتم الحصول على العديد من الحلول الممكنة. يعتمد عدد القرارات على عدد النقاط في النموذج ثلاثي الأبعاد للكائن. يمكن الحصول على حل لا لبس فيه لتحديد موضع 6-DoF للكائن مع 4 نقاط على الأقل. بالنسبة للمثلث ، يتم الحصول على 2 إلى 4 حلول ممكنة ، أي أنه لا يمكن تحديد الموضع بشكل لا لبس فيه:

الحل مقترح بواسطة عدد كبير بما فيه الكفاية من الخوارزميات التي يتم تنفيذها في المكتبات:

بوسيت
يطرح
OpenCV ( olvePnP )

SLAM - التعريب المتزامن ورسم الخرائط

طريقة التعريب المتزامن وبناء الخرائط (SLAM) هي الطريقة الأكثر شيوعًا لتحديد المواقع في الروبوتات (وليس فقط) ، والتي يتم استخدامها لتتبع الموضع في الفضاء.

تتكون الخوارزمية من جزأين: الأول هو رسم خريطة لبيئة غير معروفة بناءً على القياسات (بيانات من عداد المسافات أو كاميرا ستيريو) ، والثاني هو تحديد موقعه (توطينه) في الفضاء بناءً على مقارنة القياسات الحالية مع خريطة فضائية موجودة. يتم إعادة حساب هذه الدورة بشكل مستمر ، بينما تشارك نتائج عملية واحدة في حسابات عملية أخرى. تشمل الطرق الأكثر شيوعًا لحل المشكلة مرشح الجسيمات ومرشح كالمان المتقدم. في الواقع ، يعتبر SLAM موضوعًا واسعًا إلى حد ما ، وليس مجرد خوارزمية واحدة محددة ، ويستند تحليل جميع الحلول الحالية حول هذا الموضوع إلى مقالة منفصلة.
يعتبر نظام SLAM ملائمًا لحلول الواقع الافتراضي والمعزز. ومع ذلك ، فإن عيب هذا النهج هو التعقيد الحسابي الكبير ، الذي ، إلى جانب تطبيقات VR / AR الصعبة ، سيحمل بشكل كبير الموارد الإنتاجية للجهاز.

يعد Project Tango من Google و Microsoft Hololens أشهر المشاريع القائمة على SLAM للأجهزة المحمولة. ومن المتوقع أيضًا دعم التتبع المستند إلى SLAM في المنتجات التي تم الإعلان عنها مؤخرًا من Intel ( Project Alloy ) و Qualcomm ( VR820 ).
من بين الحلول مفتوحة المصدر ، يمكننا التمييز بين ORB-SLAM و LSD-SLAM و PTAM-GPL .

تتبع القصور الذاتي

تتيح لك أنظمة القياس بالقصور الذاتي الحديثة ( IMUs ) المستندة إلى تقنية MEMS تتبع الاتجاه (لفة ، خطوة ، انحراف) في الفضاء بدقة كبيرة وأقل تأخيرات.

بفضل خوارزميات دمج المستشعر بناءً على مرشح تكميلي أو مرشح كالمان ، فإن البيانات من الجيروسكوب ومقياس التسارع تصحح بعضها البعض بنجاح وتوفر الدقة لكل من القياسات قصيرة المدى ولمدة طويلة.

ومع ذلك ، تحديد الإحداثيات (الإزاحة) بسبب التكامل المزدوج للتسارع الخطي ( الحساب الميت)) ، المحسوبة من البيانات الأولية من مقياس التسارع ، لا تفي بمتطلبات الدقة لفترات طويلة من الزمن. يعطي مقياس التسارع نفسه بيانات صاخبة للغاية ، وعندما يتم دمجه ، يزداد الخطأ بشكل تربيعي بمرور الوقت.
يساعد الجمع بين نهج القصور الذاتي للتتبع مع الطرق الأخرى التي تصحح بشكل دوري ما يسمى انجراف مقياس التسارع على حل هذه المشكلة.

طرق هجينة

نظرًا لأن أيًا من الطرق لا تشوبه شائبة ، ولديها جميع نقاط ضعفها ، فمن المعقول جدًا الجمع بين طرق التتبع المختلفة. لذا يمكن أن يوفر التتبع بالقصور الذاتي (IMU) ترددًا عاليًا لتحديث البيانات (حتى 1000 هرتز) ، في حين أن الطرق البصرية يمكن أن تعطي دقة ثابتة على مدى فترات زمنية طويلة (تصحيح الانحراف).

تعتمد طرق التتبع الهجين على خوارزميات " Sensor Fusion " ، وأكثرها شيوعًا هو Extended Kalman Filter ( EKF ).

كيف تعمل منارة SteamVR؟

يتكون نظام تتبع HTC Vive من محطتين أساسيتين ، وأجهزة استشعار بصرية ووحدات قياس بالقصور الذاتي (IMUs) في وحدات التحكم والخوذة. تتكون المحطات القاعدية من ليزرين دوارين ومجموعة من مصابيح LED بالأشعة تحت الحمراء. يدور أحد الليزر رأسياً ، والثاني - أفقياً. وهكذا ، فإن الليزر بدوره "مسح" المساحة المحيطة. تعمل المحطات الأساسية بشكل متزامن: في وقت معين ، يقوم واحد فقط من أشعة الليزر الأربعة "بمسح" مساحة التتبع. لمزامنة تشغيل النظام بأكمله بين كل تشغيل ليزر ، يتم إضاءة المساحة المحيطة بالكامل بواسطة نبضة ضوء الأشعة تحت الحمراء.

تقوم المستشعرات الموجودة على وحدات التحكم والخوذة بتسجيل جميع النبضات الضوئية من محطات القاعدة وقياس الوقت بينهما. نظرًا لأن سرعة الليزر معروفة مسبقًا (60 هرتز) ، يمكن حساب زوايا دوران كل من الأشعة من الوقت بين النبضات. ما يمنحنا إحداثيات ثنائية الأبعاد للمستشعر البصري ، مع معرفة الوضع النسبي لأجهزة الاستشعار على وحدة التحكم ، يمكنك بسهولة استعادة الوضع ثلاثي الأبعاد لوحدة التحكم في الفضاء (مهمة PnP). من خلال الرؤية المتزامنة لمحطتين أساسيتين ، يمكن حساب الموضع ثلاثي الأبعاد لوحدة التحكم من تقاطع اثنين من الأشعة ، مما يعطي نتائج أكثر دقة ويتطلب حسابًا أقل. يتم توضيح عملية التتبع بشكل أوضح أدناه.

قبل شهر ، أعلنت شركة Valve أنها كانت تفتح نظام التتبع الخاص بها لمطوري الجهات الخارجية. يمكنك قراءة المزيد عن هذا هنا .

ما هي طريقة تتبع الموضع في الفضاء الأكثر واعدًا للواقع الافتراضي / المعزز في رأيك؟

هذه هي المقالة الأولى في سلسلة حول خبراء تقنية BP ، إذا كان هناك اهتمام ، فسنستمر في كتابتهم بشكل أكبر.

PS لماذا لا يوجد مركز واقع افتراضي؟

نظرة عامة على طرق وتقنيات تحديد المواقع للواقع الافتراضي