浅谈空间定位系统的内向外追踪和外向内追踪

文章相关引用及参考：映维网

本文来自PTC的Varun Mani

（映维网 2018年08月06日）从本质上讲，一个空间定位系统需要提供两个要素：第一，对原点的普遍共识；第二，三个空间维度上与原点的偏移（如下图所示）。在GPS中，共同原点是地球本身，偏移则描述为纬度，经度和高度。相比之下，室内空间定位系统可以拥有相对于物体定位的任意原点。例如，某些商场使用蓝牙信标来追踪访客。在这种情况下，每个信标将充当原点，并且可以追踪个人移动电话的位置。尽管单个信标追踪已经有用，但我们可以组合来自多个信标的信号，以及一个普遍认可的原点来创建更复杂的室内定位系统。我们可以使用WiFi，红外线，甚至是搭载计算机视觉算法的摄像头来代替蓝牙信标，然后在空间中追踪对象。

1. 追踪方法

目前存在两种在3D空间中追踪对象的方法：内向外追踪和外向内追踪。

对于采用某种信标的任何方法都属于外向内追踪。对于这种方法，你需要在环境中置放一定的对象（信标，追踪塔或摄像头），然后向需要追踪的对象发送信号或接受信号。根据信号，追踪对象和信标，各种算法（信号强度，信号之间的时间，对象大小等）接下来将对对象的位置进行三角测量。目前市场上的大多数VR系统都采用不同形式外向内跟踪。例如，HTC Vive使用外部追踪塔和红外发射器来精确追踪头显的位置；Oculus Rift和PSVR同样利用外置摄像头来追踪头显的位置。

内向外追踪不需要外部传感器或信标。相反，被追踪对象将搭载一个或多个摄像头，以及一个惯性测量单元（磁力计，陀螺仪和加速度计）。然后系统将利用3D即时定位与地图构建（SLAM）算法等复杂的计算机视觉算法来获取对象的精确位置。内向外追踪试图模仿人类记忆位置的能力，并单单依靠自己的“眼睛”和“内耳”在空间中导航。

尽管内向外追踪不像外向内追踪那样需要外部传感器，但缺少外部传感器则意味着没有明显的共同原点可供选择。在外向内追踪系统中，外部传感器不会（也不能）移动，因为底层算法假设外部信标属于静止状态。外向内追踪的这一固有属性意味着原点通常位于所有信标的中心，从而提供最精确的结果。对于内向外追踪，由于不存在原点概念，所以对象的初始位置在追踪开始后将作为原点。图2是外向内追踪和内向外追踪的示意图。

2. 室内追踪与室外追踪

自全球定位系统（GPS）诞生以来，我们一直在利用空间数据。GPS是外向内追踪的一个例子，其中地球静止卫星（静态“信标”）产生无线电信号，然后相对于地球的位置（共同原点）追踪单个对象。

3. 室外GPS追踪

获取对象在3D空间中的确切位置有助于我们每天的导航，帮助卡车车队将位置报告回总部，甚至帮助导弹发射。GPS同时允许航空公司和航运公司优化路线，确定其资产的确切位置。优步等移动出行平台则利用GPS的空间数据来鼓励驾驶员转向需求较高的地区。通过GPS位置来定位消费者，我们手机上的位置感知应用程序已经开启了全新的消费与零售场景。

遗憾的是，一旦进入室内，这种精确且无处不在的追踪技术就变得毫无用处。由于GPS需要从卫星接收的信号，所以设备需要降级至不太精确的空间追踪机制，如蓝牙或WiFi。

4. 用于增强现实和虚拟现实的室内追踪

幸运的是，随着增强现实和虚拟现实的出现，室内追踪变得更加普遍，价格范围更加亲民，安装也更加简单。AR和VR设备需要非常精确地追踪用户的位置和方向。欺骗用户并令其认为虚拟对象属于静止状态的唯一方法是，根据用户视角和移动来完美地定向虚拟对象。换句话说，如果用户向左移动一英尺，设备必须要检测到这一点，然后将显示屏中的所有内容向右移动一英尺，从而令画面保持静止。设备越能快速和准确地做到这一点，这种幻觉就越有效。

早期的VR设备无法追踪用户在3D空间中的位置。对于简单的惯性测量单元，这种设备只能确定用户的方向（纵摇、横摇和垂摇）。这可以实现一种静态VR体验，其中用户能够上下左右地浏览环境，但无法在空间中移动。要完全捕捉对象在三维空间中的旋转和位置，我们需要捕捉所有六个自由度。最近的VR和AR设备已经能够通过外向内追踪来实现这一目的，但需要在环境中预先安装静态信标，追踪塔或摄像头。至于现在，随着更先进的AR和VR设备，以及更精确的传感器和内向外追踪算法的出现，我们终于能够在不需要事先安装追踪组件的情况下，以前所未有的精度来捕获所有六个自由度。