看不懂6DoF，还想谈AR？深入浅出讲解6DoF四种流行方案

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看不懂6DoF，还想谈AR？深入浅出讲解6DoF四种流行方案

2019 年 4 月 24 日 雷锋网

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AR圈都在吹爆的6DoF 到底有什么魔力？

文 | 霍志宇

雷锋网按：6DoF追踪带给AR眼镜怎样的体验飞跃？如何在设计一款AR眼镜时，实现六自由度追踪？Rokid R-Lab研究科学家霍志宇从成本和性能角度出发，对目前流行的四种6DoF追踪解决方案进行了比较。

6DOF追踪的进化：从标识追踪到SLAM定位，带给AR体验质的飞越

好的增强现实体验首先要是一种互动体验，实现现实环境和虚拟世界的结合，而这种体验离不开6 DOF追踪（Six degrees of freedom tracking）的加入。

6DoF追踪为用户提供了前所未有的互动体验和对虚拟世界的控制，可以说，6DoF追踪是虚拟世界与现实世界建立联系的基础，是AR实现颠覆式体验的前提。近年来，随着技术的指数级的增长，这种新型的AR互动体验正在以超出我们想象的态势发展。

AR领域六自由度（6DoF）追踪的应用，最早可以追溯到2003年, 由ARToolKit所支持的首个移动端AR应用就出现在了WinCE平台上，但早期运体验并没有那么优秀。

早期的AR利用标识图来跟踪摄像机的位置和姿态，实现6DoF追踪。使用者必须将标识图保留在视野范围内，虚拟内容也只能覆盖在标识图上，使用者稍微移动便会失去对标识物的追踪，虚拟内容便无法对现实进行覆盖，虚拟与现实的融合停留在比较浅层的阶段，无法给予使用者沉浸式的体验。

3DoF与6DoF技术对比图

随着SLAM (simultaneous localization and mapping)技术的普遍应用，6DoF追踪与SLAM相结合，沉浸式的AR体验时代终于来临了。使用者可以摆脱标识图的束缚，进行实时定位与地图构建，从而在虚拟内容上产生更加沉浸和逼真的体验。

微软Holoens设备的SLAM功能演示

早期的AR眼镜，为了在任意场景下都能提供最为精确和可靠的追踪体验，需要装备由多个鱼眼摄像头、深度摄像头和其他传感器驱动的高性能追踪系统。不过这会让设备变得沉重且昂贵。即便是功能最为丰富且拥用商用前景的AR眼镜,也会因为其高昂的成本和糟糕的佩戴体验而遭到市场拒绝。

2016年面世的Meta 2 AR眼镜

因此，想在轻量级AR设备领域取得成功，产品需要结合舒适性、经济性和技术可行性来进行研发。很多AR眼镜研发公司，正在尝试通过有限的视觉设备和更少的算力来实现6DoF追踪。

在AR眼镜上实现6DoF追踪，这4种流行方案到底谁更好？

让我们从成本和性能出发，比较以下四种流行的6DoF追踪解决方案：

1、单摄像头

● 硬件成本低

● 易于集成到多种眼镜设计中

● 需要更专业的优化和定制

● 适用于偏静态场景

单摄像头

视频摄像头是AR眼镜的常用组件，主要用于拍摄高分辨率的照片和视频。在外观和可用性方面，将单个相机安装在眼镜上相对简单。

但是，视频摄像机通常以低频率（<60fps，大多数<30fps）运行，无法在运动中捕捉的高质量图像。“果冻效应”和其他扭曲使得位置追踪失败。

2、单眼鱼眼摄像头

● 为6DoF追踪所预留的传感器

● 持续高频刷新6DoF追踪结果

● 会出现尺度漂移，使得虚拟物体会在场景中意外移动

单鱼眼摄像头

一些AR眼镜会配备用于6DOF追踪的单个鱼眼镜头。此解决方案会产生一些额外的功耗，但通常会为设备提供更好的6DOF追踪效果。鱼眼摄像头的高相机帧更新率（> 90fps）和全局快门功能，可以使得SLAM系统在运动场景中保持可靠的追踪位置。但单个鱼眼摄像机应放置在眼镜前面，这会产生一些设计限制。

单鱼眼摄像头比较不足的的地方在于它所支持的场景规模有限。一旦移动范围过大，SLAM系统就容易产生尺度漂移，导致虚拟对象在场景中意外移动。

3、双目鱼眼摄像头　

● 高功耗

● 追踪、尺度估算准确

● 眼镜的工业设计会面临挑战

基于双目鱼眼的6DoF追踪系统已被不同的AR / VR头戴式设备制造商证明是一种可以量产的解决方案，高通已经使用双目鱼眼视觉在其VR头盔上展示了高质量的6DoF位置追踪功能。

双目鱼眼摄像头模组

由于它提供实时的地图初始化、强大的追踪和对环境尺度的准确测量，因此额外增加摄像机所产生的功耗和成本是值得的。与单眼解决方案相比，双目鱼眼摄像头可以更快地扩展场景，并能更准确的测量环境尺度从而防止漂移。即使传感器数量加倍，计算复杂度也不比单眼视觉系统高很多。但该方案的实现需要高质量优化和定制工作，并且功耗高、发热大，需要更强的系统和硬件支持。