科學家利用標準Wi-Fi技術增強虛擬現實設備追蹤能力

你正在家裡戴著Oculus Rift玩虛擬現實（VR）遊戲，像個老手一樣躲避著殭屍。但隨後，你退後太多或者回頭去看時，突然被凍結在空間中，因為該系統的紅外相機無法看見眼鏡上的光線並且失去了和你的聯繫。如今，研究人員找到使你免於這種令人沮喪的結局的辦法：通過利用標準的Wi-Fi技術增強VR的追蹤能力。除了改善VR，該技術還能幫助追蹤機器人或者無人機，並且使電影的動作捕捉簡單化。

VR使用戶得以在虛擬的3D世界中穿梭。為追蹤用戶的移動，Rift會利用房間中放置在三腳架上的一個或多個紅外相機。頭戴設備擁有測量傾斜度的加速儀，以及被相機用來追蹤向前、向後或者向側面移動的紅外光線。另一種名為HTC Vive的VR系統通過將來自設備的紅外光線投射到可被頭戴設備上感測器探測到的房間角落，追蹤人的移動。一種被稱為增強現實（AR）的技術，將虛擬特徵繪製到穿戴者看到的真實場景中。因此，用戶的客廳里可能居住著虛擬的怪物。微軟的HoloLens AR系統則利用頭戴設備上若干面向外部的相機，追蹤用戶的移動。

不過，此類系統存在限制。為了讓VR遊戲流暢地進行，用戶通常需要呆在幾平方米的空間內。同時，紅外視線不能被傢具或者其他人擋住，用戶也不能轉過臉。微軟的AR系統在所有光照條件下都無法運行，並且可能被牆壁或者窗戶「迷惑」。同時，如果你的手移出視線，該系統便無法追蹤到它們。

來自美國斯坦福大學的研究人員想獲得更加簡單、廉價和強大的系統。為此，他們藉助於常見的無線電技術——Wi-Fi。該校計算機科學家Manikanta Kotaru介紹說，此前Wi-Fi被用於定位空間中的人和物，但精確度只有幾十厘米。Kotaru和同事認為，Wi-Fi可以表現得更好。

他們的解決辦法被稱為WiCapture，需要兩部分：諸如你可能在手機上發現的標準Wi-Fi晶元，以及至少兩個像在家用路由器中見到的信號傳送器一樣的Wi-Fi接入點。晶元和信號傳送器之間的通訊以高頻無線電波的形式進行。為了在毫米精度上追蹤Wi-Fi信號源，研究人員需要測量信號從晶元傳播到傳送器所需的時間，而這要精確到皮秒（1皮秒=1012秒）。然而，晶元和傳送器擁有不同的時鐘，並且Wi-Fi設備中的任何兩個時鐘都無法完全同步。

為解決這個問題，研究人員利用信號通過很多路徑到達傳送器這一事實。一些無線電波直接傳送到接收器，從而創建了主信號。同時，其他電波從牆壁反射回來，產生了「回聲」。Kotaru編寫了從兩個不同路徑探測信號的演算法。這些信號通過在傳送器的多重天線間進行三角測量得以確認，並且同樣受到時鐘非同步的影響。因此，在晶元移動並且忽略了時鐘定時的漂移時，該演算法僅能比較它們的相對變化。這種方法僅能測量到一個傳送器的距離。利用兩個或多個傳送器組合，使該演算法得以利用三角測量法追蹤二維移動。研究人員最終將改進WiCapture，使其追蹤三維移動。

為測試該想法，科學家將Wi-Fi晶元放置在一個機械裝置上。在一間放有4個Wi-Fi傳送器的30平方米辦公室內，該裝置能以較高精度移動晶元。當研究人員以各種模式移動晶元時，WiCapture追蹤了晶元的位置並且將其精確到1厘米內。下一步，他們在一間所有Wi-Fi傳送器都被傢具或者牆壁遮住的辦公室內進行了試驗。只要傳送器和晶元在同一個房間內，WiCapture的中位誤差仍然只有1.5厘米。在外面，中位誤差再次小於1厘米。該團隊在7月於火奴魯魯舉行的計算機視覺和模式認知會議上報告了這一成果。

「將無線社區的工作和虛擬現實社區的工作結合起來真是棒極了。」並未參與這項試驗的麻省理工學院計算機科學家Dina Katabi表示。位於馬里蘭州哥倫比亞市的VR硬體和軟體公司Sensics首席執行官Yuval Boger認為，對於強大的高解析度位置追蹤器的需求是實實在在的，雖然1厘米對於頭部追蹤來說並不是足夠高的精度。

from:科學網

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