🎛️ 🏆 🏴󠁧󠁢󠁥󠁮󠁧󠁿 वर्चुअल रियलिटी के लिए पोजिशनिंग मेथड्स एंड टेक्नोलॉजीज का अवलोकन 🖕🏽 👩‍👩‍👦‍👦 🚽

पोजिशनल ट्रैकिंग हार्डवेयर और सॉफ्टवेयर का एक संयोजन है जो आपको अंतरिक्ष में किसी वस्तु की पूर्ण स्थिति निर्धारित करने की अनुमति देता है। यह तकनीक आभासी वास्तविकता में विसर्जन के प्रभाव को प्राप्त करने के लिए महत्वपूर्ण है। अभिविन्यास ट्रैकिंग के साथ संयोजन में, वास्तविक दुनिया के सभी 6 डिग्री स्वतंत्रता (6-DoF) वीआर को मापना और संचारित करना संभव हो जाता है। हमारी कंपनी में आभासी वास्तविकता प्रौद्योगिकियों के साथ काम करने के दौरान, हमने इस मामले में कुछ अनुभव प्राप्त किया और आभासी वास्तविकता के लिए स्थिति पर नज़र रखने के मौजूदा तरीकों के बारे में बात करने के साथ-साथ समाधान के पेशेवरों और विपक्षों को भी साझा करना चाहते हैं।

छोटा वर्गीकरण

इस समस्या को हल करने के तरीकों और दृष्टिकोणों के समूह को कई समूहों में विभाजित किया जा सकता है:

वक्ताओं
रेडियो फ्रीक्वेंसी
चुंबकीय
ऑप्टिकल
जड़त्वीय
संकर

मानव धारणा बीपी उपकरण में सटीकता (~ 1 मिमी) और देरी (<20 एमएस) पर उच्च मांग रखती है। ऑप्टिकल और जड़त्वीय विधियां इन आवश्यकताओं के सबसे करीब हैं, और एक-दूसरे के पूरक हैं और अक्सर एक साथ उपयोग किए जाते हैं। उन मूल सिद्धांतों पर विचार करें जिन पर उपरोक्त विधियां निर्मित हैं।

ध्वनिक विधियाँ

ध्वनिक ट्रैकिंग डिवाइस लक्ष्य वस्तु की स्थिति और अभिविन्यास को मापने के लिए अल्ट्रासोनिक (उच्च आवृत्ति) ध्वनि तरंगों का उपयोग करते हैं। ऑब्जेक्ट की स्थिति निर्धारित करने के लिए, ट्रांसमीटर से रिसीवर तक ध्वनि तरंग की उड़ान ( समय-आगमन ), या रिसेप्शन और ट्रांसमिशन के दौरान साइनसोइडल ध्वनि तरंग के चरण अंतर को मापा जाता है । कंपनी Intersense विकासशील डिवाइस स्थिति अल्ट्रासाउंड के आधार पर ट्रैकिंग।
हवा में ध्वनि की कम गति के कारण ध्वनिक ट्रैकर्स की आम तौर पर कम ताज़ा दर होती है। एक और समस्या यह है कि हवा में ध्वनि की गति तापमान, बैरोमीटर के दबाव और आर्द्रता जैसे पर्यावरणीय कारकों पर निर्भर करती है।

आरएफ तरीके

रेडियो फ्रिक्वेंसी पर आधारित कई विधियां हैं। कई मामलों में, स्थिति का निर्धारण करने के सिद्धांतों के अनुसार, वे ध्वनिक ट्रैकिंग विधियों के समान हैं (अंतर केवल लहर की प्रकृति में है)। सबसे पल में वादा किया UWB (अल्ट्रा वाइड बैंड) विधि है, लेकिन (यहां तक कि सबसे अच्छा समाधान UWB परिशुद्धता पहुँच के आधार पर केवल सेंटीमीटर के बारे में हैं DecaWave की DW1000 , ज़ेबरा से डार्ट टेक्नोलॉजीज ' , Ubisense से सीरीज 7000 , और अन्य)। शायद भविष्य में, पॉज़िक्स या इंडोट्रैक जैसे स्टार्टअप उप-मिलीमीटर सटीकता प्राप्त करने में सक्षम होंगे। हालांकि, यूडब्ल्यूबी स्थिति ट्रैकिंग समाधान अभी तक आभासी वास्तविकता पर लागू नहीं हैं।
रेडियो फ्रिक्वेंसी पर पोजिशनिंग के अन्य तरीकों का इसमें और अधिक विस्तार से वर्णन किया गया हैलेख ।

चुंबकीय विधियाँ

चुंबकीय ट्रैकिंग विभिन्न दिशाओं में चुंबकीय क्षेत्र की तीव्रता को मापने पर आधारित है। एक नियम के रूप में, ऐसी प्रणालियों में एक बेस स्टेशन होता है जो एक वैकल्पिक या निरंतर चुंबकीय क्षेत्र उत्पन्न करता है। चूंकि माप बिंदु और बेस स्टेशन के बीच बढ़ती दूरी के साथ चुंबकीय क्षेत्र की ताकत कम हो जाती है, आप नियंत्रक का स्थान निर्धारित कर सकते हैं। यदि मापने वाला बिंदु घूमता है, तो विभिन्न अक्षों के साथ चुंबकीय क्षेत्र का वितरण बदलता है, जो आपको अभिविन्यास निर्धारित करने की अनुमति देता है। चुंबकीय ट्रैकिंग पर आधारित सबसे प्रसिद्ध उत्पाद रेजर हाइड्रा नियंत्रक और सिक्सेंस की एसटीईएम प्रणाली हैं ।
नियंत्रित स्थितियों के तहत इस पद्धति की सटीकता काफी अधिक हो सकती है (हाइड्रा विनिर्देशों 1 मिमी की स्थिति सटीकता और अभिविन्यास सटीकता की 1 डिग्री का उल्लेख करते हैं), हालांकि, चुंबकीय ट्रैकिंग अन्य इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों और फेरोमैग्नेटिक से उत्पन्न चुंबकीय क्षेत्रों से, एमिटर या सेंसर के पास प्रवाहकीय सामग्रियों के हस्तक्षेप के अधीन है। ट्रैकिंग अंतरिक्ष में सामग्री।

ऑप्टिकल तरीके

ऑप्टिकल तरीके कंप्यूटर विज़न एल्गोरिदम और ट्रैकिंग डिवाइस का एक संयोजन है, जिसमें दृश्यमान या अवरक्त कैमरे, स्टीरियो कैमरा और डेप्थ कैमरा शामिल हैं।
संदर्भ प्रणाली की पसंद के आधार पर, ट्रैकिंग स्थिति के लिए दो दृष्टिकोण हैं:

बाहरी दृष्टिकोण में एक निश्चित बाहरी पर्यवेक्षक (कैमरा) की उपस्थिति का अर्थ है, जो कि विशेषता बिंदुओं द्वारा एक चलती वस्तु की स्थिति निर्धारित करता है। Oculus Rift (कॉन्स्ट्रेलेशन), PSVR, OSVR और कई मोशन कैप्चर सिस्टम में उपयोग किया जाता है।
अंदर-बाहर दृष्टिकोण एक चलती हुई वस्तु पर एक ऑप्टिकल सेंसर की उपस्थिति को मानता है, जिसके लिए आसपास के स्थान में अपेक्षाकृत निश्चित बिंदुओं की गति को ट्रैक करना संभव है। Microsoft Hololens, Project Tango (SLAM), SteamVR लाइटहाउस (एक हाइब्रिड विकल्प, क्योंकि बेस स्टेशन हैं) में उपयोग किया जाता है।

इसके अलावा, विशेष ऑप्टिकल मार्करों की उपलब्धता के आधार पर, उन्हें अलग से अलग किया जाता है:

मार्कर रहित ट्रैकिंग आमतौर पर दो या दो से अधिक कैमरों या गहन सेंसर वाले स्टीरियो कैमरों का उपयोग करते हुए जटिल एल्गोरिदम पर आधारित होती है।
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Perspective-n-Point (PnP)

ऑप्टिकल ट्रैकिंग के साथ, तथाकथित PnP (परिप्रेक्ष्य-एन-पॉइंट) समस्या को अंतरिक्ष में किसी वस्तु की स्थिति निर्धारित करने के लिए हल किया जाता है, जब कैमरे के सेंसर के विमान पर वस्तु के परिप्रेक्ष्य प्रक्षेपण से 3 डी अंतरिक्ष में किसी वस्तु की स्थिति निर्धारित करना आवश्यक होता है।

ऑब्जेक्ट के दिए गए 3D मॉडल और कैमरा प्लेन पर ऑब्जेक्ट के 2D प्रोजेक्शन के लिए, समीकरणों की एक प्रणाली हल की जाती है। नतीजतन, कई संभावित समाधान प्राप्त किए जाते हैं। निर्णयों की संख्या वस्तु के 3D मॉडल में अंकों की संख्या पर निर्भर करती है। किसी वस्तु की 6-DoF स्थिति का निर्धारण करने के लिए एक स्पष्ट समाधान कम से कम 4 बिंदुओं के साथ प्राप्त किया जा सकता है। एक त्रिकोण के लिए, 2 से 4 संभावित समाधान प्राप्त किए जाते हैं, अर्थात्, स्थिति को स्पष्ट रूप से निर्धारित नहीं किया जा सकता है:

समाधान पुस्तकालयों में पर्याप्त रूप से लागू एल्गोरिदम द्वारा प्रस्तावित है:

किसी स्थिति में रखना
posest
OpenCV ( SolvePnP )

एसएलएएम - एक साथ स्थानीयकरण और मानचित्रण

एक साथ स्थानीयकरण और मानचित्र निर्माण (एसएलएएम) की विधि रोबोटिक्स में सबसे लोकप्रिय पोजिशनिंग विधि है (और न केवल), जिसका उपयोग अंतरिक्ष में स्थिति को ट्रैक करने के लिए किया जाता है।

एल्गोरिथ्म में दो भाग होते हैं: पहला माप के आधार पर एक अज्ञात वातावरण की मैपिंग है (एक ओडोमीटर या स्टीरियो कैमरा से डेटा), दूसरा एक मौजूदा अंतरिक्ष मानचित्र के साथ वर्तमान माप की तुलना के आधार पर अंतरिक्ष में इसके स्थान (स्थानीयकरण) का निर्धारण कर रहा है। यह चक्र लगातार पुनर्गणित होता है, जबकि एक प्रक्रिया के परिणाम दूसरी प्रक्रिया की गणना में भाग लेते हैं। समस्या को हल करने के लिए सबसे लोकप्रिय तरीकों में एक कण फिल्टर और एक उन्नत कलमन फ़िल्टर शामिल हैं। वास्तव में, एसएलएएम एक व्यापक विषय है, और केवल एक विशिष्ट एल्गोरिथ्म नहीं है, और इस विषय पर सभी मौजूदा समाधानों का विश्लेषण एक अलग लेख की ओर आकर्षित करता है।
एसएलएएम मोबाइल आभासी और संवर्धित वास्तविकता समाधानों के लिए सुविधाजनक है। हालांकि, इस दृष्टिकोण का नुकसान महान कम्प्यूटेशनल जटिलता है, जो मांग वीआर / एआर अनुप्रयोगों के साथ मिलकर डिवाइस के उत्पादक संसाधनों को बहुत अधिक लोड करेगा। Google और Microsoft Hololens से

प्रोजेक्ट टैंगो मोबाइल उपकरणों के लिए सबसे प्रसिद्ध SLAM- आधारित परियोजनाएं हैं। हाल ही में घोषित इंटेल ( प्रोजेक्ट मिश्र धातु ) और क्वालकॉम ( वीआर 820 ) से एसएलएएम आधारित ट्रैकिंग के लिए समर्थन की उम्मीद है ।
ओपन-सोर्स समाधानों के बीच, हम ORB-SLAM , LSD-SLAM , PTAM-GPL को अलग कर सकते हैं ।

जड़त्वीय ट्रैकिंग

एमईएमएस प्रौद्योगिकी पर आधारित आधुनिक जड़त्वीय मापन प्रणाली ( IMU ) आपको अंतरिक्ष में बड़ी सटीकता और न्यूनतम देरी के साथ अभिविन्यास (रोल, पिच, यॉ) को ट्रैक करने की अनुमति देते हैं।

एक पूरक फिल्टर या कलमन फ़िल्टर पर आधारित सेंसर फ्यूजन एल्गोरिदम के लिए धन्यवाद , गायरोस्कोप और एक्सेलेरोमीटर से डेटा सफलतापूर्वक एक-दूसरे को सही करते हैं और अल्पकालिक माप और लंबी अवधि दोनों के लिए सटीकता प्रदान करते हैं।

हालांकि, रैखिक त्वरण ( मृत रेकिंग ) के दोहरे एकीकरण के कारण निर्देशांक (विस्थापन) का निर्धारण), एक्सेलेरोमीटर से कच्चे डेटा से गणना की जाती है, लंबे समय तक सटीकता की आवश्यकताओं को पूरा नहीं करता है। एक्सेलेरोमीटर ही बहुत शोर डेटा देता है, और जब एकीकृत होता है, तो त्रुटि समय के साथ द्विघात रूप से बढ़ जाती है।
अन्य तरीकों के साथ ट्रैकिंग के लिए जड़त्वीय दृष्टिकोण को संयोजित करना जो समय-समय पर तथाकथित एक्सीलरोमीटर बहाव को सही करता है, इस समस्या को हल करने में मदद करता है।

संकर विधियाँ

चूंकि विधियों में से कोई भी निर्दोष नहीं है, और वे सभी अपने कमजोर बिंदु हैं, इसलिए विभिन्न ट्रैकिंग विधियों को संयोजित करना सबसे उचित है। इसलिए इनरटियल ट्रैकिंग (IMU) डेटा अपडेट की एक उच्च आवृत्ति (1000 हर्ट्ज तक) प्रदान कर सकता है, जबकि ऑप्टिकल विधियां लंबे समय तक (बहाव सुधार) पर स्थिर सटीकता दे सकती हैं।

हाइब्रिड ट्रैकिंग के तरीके " सेंसर फ्यूजन " एल्गोरिदम पर आधारित हैं , जिनमें से सबसे लोकप्रिय विस्तारित कलमन फ़िल्टर ( ईकेएफ ) है।

स्टीमवीआर लाइटहाउस कैसे काम करता है?

HTC Vive ट्रैकिंग सिस्टम में दो बेस स्टेशन, ऑप्टिकल सेंसर और कंट्रोलर और हेलमेट में जड़त्वीय माप इकाइयां (IMU) शामिल हैं। बेस स्टेशनों में दो घूमने वाले लेजर और अवरक्त एलईड की एक सरणी होती है। लेज़रों में से एक लंबवत घूमता है, दूसरा - क्षैतिज रूप से। इस प्रकार, पराबैंगनीकिरण आसपास के स्थान को "स्कैन" करता है। बेस स्टेशन समकालिक रूप से संचालित होते हैं: समय के एक निश्चित बिंदु पर, ट्रैकिंग स्थान के चार लेज़रों में से केवल एक "स्कैन" करता है। प्रत्येक लेजर स्विचिंग के बीच पूरे सिस्टम के संचालन को सिंक्रनाइज़ करने के लिए, पूरे आस-पास के स्थान को एक अवरक्त प्रकाश नाड़ी द्वारा रोशन किया जाता है।

नियंत्रक और हेलमेट पर सेंसर बेस स्टेशनों से सभी ऑप्टिकल दालों को रिकॉर्ड करते हैं और उनके बीच के समय को मापते हैं। चूँकि लेज़र की गति पहले से ज्ञात होती है (60 हर्ट्ज), प्रत्येक किरणों के घूर्णन के कोणों की गणना दालों के बीच के समय से की जा सकती है। हमें ऑप्टिकल सेंसर के 2D निर्देशांक क्या देता है, नियंत्रक पर सेंसर की सापेक्ष स्थिति को जानने के बाद, आप आसानी से अंतरिक्ष (PnP कार्य) में नियंत्रक की 3 डी स्थिति को पुनर्स्थापित कर सकते हैं। दो बेस स्टेशनों की एक साथ दृश्यता के साथ, नियंत्रक की 3 डी स्थिति की गणना दो किरणों के प्रतिच्छेदन से की जा सकती है, जो अधिक सटीक परिणाम देती है और कम संगणना की आवश्यकता होती है। ट्रैकिंग प्रक्रिया को और अधिक स्पष्ट रूप से नीचे प्रदर्शित किया गया है।

एक महीने पहले, वाल्व ने घोषणा की कि वह अपने ट्रैकिंग सिस्टम को तीसरे पक्ष के डेवलपर्स के लिए खोल रहा है। आप इसके बारे में और अधिक यहाँ पढ़ सकते हैं ।

आपकी राय में आभासी / संवर्धित वास्तविकता के लिए अंतरिक्ष में ट्रैकिंग स्थिति की कौन सी विधि सबसे अधिक आशाजनक है?

यह बीपी प्रौद्योगिकीविदों के बारे में एक श्रृंखला का पहला लेख है, यदि रुचि है, तो हम उन्हें आगे लिखना जारी रखेंगे।

PS कोई वर्चुअल रियलिटी हब क्यों नहीं है?

वर्चुअल रियलिटी के लिए पोजिशनिंग मेथड्स एंड टेक्नोलॉजीज का अवलोकन