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發(fā)布時(shí)間： 2017年07月31日
你正在家里戴著Oculus Rift玩虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）游戲，像個(gè)老手一樣躲避著僵尸。但隨后，你退后太多或者回頭去看時(shí)，突然被凍結(jié)在空間中，因?yàn)樵撓到y(tǒng)的紅外相機(jī)無(wú)法看見(jiàn)眼鏡上的光線并且失去了和你的聯(lián)系。如今，研究人員找到使你免于這種令人沮喪的結(jié)局的辦法：通過(guò)利用標(biāo)準(zhǔn)的Wi-Fi技術(shù)增強(qiáng)VR的追蹤能力。除了改善VR，該技術(shù)還能幫助追蹤機(jī)器人或者無(wú)人機(jī)，并且使電影的動(dòng)作捕捉簡(jiǎn)單化。
VR使用戶得以在虛擬的3D世界中穿梭。為追蹤用戶的移動(dòng)，Rift會(huì)利用房間中放置在三腳架上的一個(gè)或多個(gè)紅外相機(jī)。頭戴設(shè)備擁有測(cè)量?jī)A斜度的加速儀，以及被相機(jī)用來(lái)追蹤向前、向后或者向側(cè)面移動(dòng)的紅外光線。另一種名為HTC Vive的VR系統(tǒng)通過(guò)將來(lái)自設(shè)備的紅外光線投射到可被頭戴設(shè)備上傳感器探測(cè)到的房間角落，追蹤人的移動(dòng)。一種被稱為增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）的技術(shù)，將虛擬特征繪制到穿戴者看到的真實(shí)場(chǎng)景中。因此，用戶的客廳里可能居住著虛擬的怪物。微軟的HoloLens AR系統(tǒng)則利用頭戴設(shè)備上若干面向外部的相機(jī)，追蹤用戶的移動(dòng)。
不過(guò)，此類系統(tǒng)存在限制。為了讓VR游戲流暢地進(jìn)行，用戶通常需要呆在幾平方米的空間內(nèi)。同時(shí)，紅外視線不能被家具或者其他人擋住，用戶也不能轉(zhuǎn)過(guò)臉。微軟的AR系統(tǒng)在所有光照條件下都無(wú)法運(yùn)行，并且可能被墻壁或者窗戶“迷惑”。同時(shí)，如果你的手移出視線，該系統(tǒng)便無(wú)法追蹤到它們。
來(lái)自美國(guó)斯坦福大學(xué)的研究人員想獲得更加簡(jiǎn)單、廉價(jià)和強(qiáng)大的系統(tǒng)。為此，他們借助于常見(jiàn)的無(wú)線電技術(shù)——Wi-Fi。該校計(jì)算機(jī)科學(xué)家Manikanta Kotaru介紹說(shuō)，此前Wi-Fi被用于定位空間中的人和物，但精確度只有幾十厘米。Kotaru和同事認(rèn)為，Wi-Fi可以表現(xiàn)得更好。
他們的解決辦法被稱為WiCapture，需要兩部分：諸如你可能在手機(jī)上發(fā)現(xiàn)的標(biāo)準(zhǔn)Wi-Fi芯片，以及至少兩個(gè)像在家用路由器中見(jiàn)到的信號(hào)傳送器一樣的Wi-Fi接入點(diǎn)。芯片和信號(hào)傳送器之間的通訊以高頻無(wú)線電波的形式進(jìn)行。為了在毫米精度上追蹤Wi-Fi信號(hào)源，研究人員需要測(cè)量信號(hào)從芯片傳播到傳送器所需的時(shí)間，而這要精確到皮秒（1皮秒=1012秒）。然而，芯片和傳送器擁有不同的時(shí)鐘，并且Wi-Fi設(shè)備中的任何兩個(gè)時(shí)鐘都無(wú)法完全同步。
為解決這個(gè)問(wèn)題，研究人員利用信號(hào)通過(guò)很多路徑到達(dá)傳送器這一事實(shí)。一些無(wú)線電波直接傳送到接收器，從而創(chuàng)建了主信號(hào)。同時(shí)，其他電波從墻壁反射回來(lái)，產(chǎn)生了“回聲”。Kotaru編寫(xiě)了從兩個(gè)不同路徑探測(cè)信號(hào)的算法。這些信號(hào)通過(guò)在傳送器的多重天線間進(jìn)行三角測(cè)量得以確認(rèn)，并且同樣受到時(shí)鐘異步的影響。因此，在芯片移動(dòng)并且忽略了時(shí)鐘定時(shí)的漂移時(shí)，該算法僅能比較它們的相對(duì)變化。這種方法僅能測(cè)量到一個(gè)傳送器的距離。利用兩個(gè)或多個(gè)傳送器組合，使該算法得以利用三角測(cè)量法追蹤二維移動(dòng)。研究人員最終將改進(jìn)WiCapture，使其追蹤三維移動(dòng)。
為測(cè)試該想法，科學(xué)家將Wi-Fi芯片放置在一個(gè)機(jī)械裝置上。在一間放有4個(gè)Wi-Fi傳送器的30平方米辦公室內(nèi)，該裝置能以較高精度移動(dòng)芯片。當(dāng)研究人員以各種模式移動(dòng)芯片時(shí)，WiCapture追蹤了芯片的位置并且將其精確到1厘米內(nèi)。下一步，他們?cè)谝婚g所有Wi-Fi傳送器都被家具或者墻壁遮住的辦公室內(nèi)進(jìn)行了試驗(yàn)。只要傳送器和芯片在同一個(gè)房間內(nèi)，WiCapture的中位誤差仍然只有1.5厘米。在外面，中位誤差再次小于1厘米。該團(tuán)隊(duì)在7月于火奴魯魯舉行的計(jì)算機(jī)視覺(jué)和模式認(rèn)知會(huì)議上報(bào)告了這一成果。
“將無(wú)線社區(qū)的工作和虛擬現(xiàn)實(shí)社區(qū)的工作結(jié)合起來(lái)真是棒極了?！辈⑽磪⑴c這項(xiàng)試驗(yàn)的麻省理工學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)家Dina Katabi表示。位于馬里蘭州哥倫比亞市的VR硬件和軟件公司Sensics首席執(zhí)行官Yuval Boger認(rèn)為，對(duì)于強(qiáng)大的高分辨率位置追蹤器的需求是實(shí)實(shí)在在的，雖然1厘米對(duì)于頭部追蹤來(lái)說(shuō)并不是足夠高的精度。
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