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科学家利用标准Wi-Fi技术增强虚拟现实设备追踪能力
来源:中国科学报      作者:宗华      时间:2017-07-31 00:00      关键词:

Wi-Fi技术增强虚拟现实的追踪能力。图片来源:alvarez/iStockphoto

你正在家里戴着Oculus Rift玩虚拟现实(VR)游戏,像个老手一样躲避着僵尸。但随后,你退后太多或者回头去看时,突然被冻结在空间中,因为该系统的红外相机无法看见眼镜上的光线并且失去了和你的联系。如今,研究人员找到使你免于这种令人沮丧的结局的办法:通过利用标准的Wi-Fi技术增强VR的追踪能力。除了改善VR,该技术还能帮助追踪机器人或者无人机,并且使电影的动作捕捉简单化。

VR使用户得以在虚拟的3D世界中穿梭。为追踪用户的移动,Rift会利用房间中放置在三脚架上的一个或多个红外相机。头戴设备拥有测量倾斜度的加速仪,以及被相机用来追踪向前、向后或者向侧面移动的红外光线。另一种名为HTC Vive的VR系统通过将来自设备的红外光线投射到可被头戴设备上传感器探测到的房间角落,追踪人的移动。一种被称为增强现实(AR)的技术,将虚拟特征绘制到穿戴者看到的真实场景中。因此,用户的客厅里可能居住着虚拟的怪物。微软的HoloLens AR系统则利用头戴设备上若干面向外部的相机,追踪用户的移动。

不过,此类系统存在限制。为了让VR游戏流畅地进行,用户通常需要呆在几平方米的空间内。同时,红外视线不能被家具或者其他人挡住,用户也不能转过脸。微软的AR系统在所有光照条件下都无法运行,并且可能被墙壁或者窗户“迷惑”。同时,如果你的手移出视线,该系统便无法追踪到它们。

来自美国斯坦福大学的研究人员想获得更加简单、廉价和强大的系统。为此,他们借助于常见的无线电技术——Wi-Fi。该校计算机科学家Manikanta Kotaru介绍说,此前Wi-Fi被用于定位空间中的人和物,但精确度只有几十厘米。Kotaru和同事认为,Wi-Fi可以表现得更好。

他们的解决办法被称为WiCapture,需要两部分:诸如你可能在手机上发现的标准Wi-Fi芯片,以及至少两个像在家用路由器中见到的信号传送器一样的Wi-Fi接入点。芯片和信号传送器之间的通讯以高频无线电波的形式进行。为了在毫米精度上追踪Wi-Fi信号源,研究人员需要测量信号从芯片传播到传送器所需的时间,而这要精确到皮秒(1皮秒=1012秒)。然而,芯片和传送器拥有不同的时钟,并且Wi-Fi设备中的任何两个时钟都无法完全同步。

为解决这个问题,研究人员利用信号通过很多路径到达传送器这一事实。一些无线电波直接传送到接收器,从而创建了主信号。同时,其他电波从墙壁反射回来,产生了“回声”。Kotaru编写了从两个不同路径探测信号的算法。这些信号通过在传送器的多重天线间进行三角测量得以确认,并且同样受到时钟异步的影响。因此,在芯片移动并且忽略了时钟定时的漂移时,该算法仅能比较它们的相对变化。这种方法仅能测量到一个传送器的距离。利用两个或多个传送器组合,使该算法得以利用三角测量法追踪二维移动。研究人员最终将改进WiCapture,使其追踪三维移动。

为测试该想法,科学家将Wi-Fi芯片放置在一个机械装置上。在一间放有4个Wi-Fi传送器的30平方米办公室内,该装置能以较高精度移动芯片。当研究人员以各种模式移动芯片时,WiCapture追踪了芯片的位置并且将其精确到1厘米内。下一步,他们在一间所有Wi-Fi传送器都被家具或者墙壁遮住的办公室内进行了试验。只要传送器和芯片在同一个房间内,WiCapture的中位误差仍然只有1.5厘米。在外面,中位误差再次小于1厘米。该团队在7月于火奴鲁鲁举行的计算机视觉和模式认知会议上报告了这一成果。

“将无线社区的工作和虚拟现实社区的工作结合起来真是棒极了。”并未参与这项试验的麻省理工学院计算机科学家Dina Katabi表示。位于马里兰州哥伦比亚市的VR硬件和软件公司Sensics首席执行官Yuval Boger认为,对于强大的高分辨率位置追踪器的需求是实实在在的,虽然1厘米对于头部追踪来说并不是足够高的精度。(宗华编译)


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