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Inside-out与Outside-in定位实测：原来它才是最强王者
Esther｜编辑
如今距离2016年所谓的“VR元年”竟已经过去4年多时间，这期间，Oculus凭借Quest系列一体机逐渐突破消费级游戏市场，成为行业中的佼佼者。尽管如此，市场依然被Valve、HTC、Oculus、WMR、PS VR等多个VR平台占据，每种产品有自己独特的技术和形态，适用的场景也有所不同。
那么对于用户来讲，如何根据自己的需求去选择VR头显？更重要的是，选择Inside-out定位方式的VR头显还是基站式Outside-in头显？选择更便携的VR一体机还是追踪范围更大的SteamVR头显？
为了解答上述问题，致力于VR科研的德国费尔巴赫VDC（虚拟维度中心）对市面上5款主流VR头显进行了测试。与此前的头显FOV测试实验不同，这一次VDC将研究重点放在头显系统定位的准确性，以及实际追踪范围上。
（一）VR定位范围对比实验
在实验中，VDC利用机械臂来围绕头显移动VR手柄，以这种方式分别测量了市面上Quest、Rift S、Vive Pro、Vive Cosmos和三星Odyssey头显的追踪范围，以度数为单位。结果发现，SteamVR追踪范围最大，可追踪到VR头显周围360°完整范围，而WMR追踪范围最小，通常不足180°。
实际上，不同的VR头显采用不同的追踪定位方案，追踪范围也有差异。Vive Pro采用至少两个SteamVR基站来定位整个房间，追踪范围比Inside-out更广。
而Quest、WMR等产品则利用头显上的摄像头Inside-out方案来追踪周围的空间，无法追踪使用者的身后，手柄超出范围后容易无法识别，而且摄像头数量不同也会影响追踪范围。具体来讲，Quest配备4颗内向外追踪摄像头、Rift S配备5颗内向外追踪摄像头、Vive Cosmos配备6颗内向外追踪摄像头，三星Odyssey则基于WMR头显方案的2颗摄像头进行追踪定位。
细节方面，科研人员利用固定了VR手柄的机械臂，分别在两个水平面和一个垂直平面（Lv3）上围绕VR头显移动。两个水平面分别标记为Lv2和Lv1，位于头显上方40厘米处和头显下方30厘米处。机械臂控制VR手柄在Lv1和Lv2分别转圈移动，半径分别为55厘米和75厘米。手柄在不同速度下转一圈后，VR系统识别到的部分则算作追踪范围。也就是说如果机械臂转一圈，VR手柄可持续被追踪定位，则追踪范围为360°。
除了移动平面不同外，科研人员还为机械臂设定了三种移动速度、Lv1和Lv2的机械臂以10毫米/秒、50毫米/秒、100毫米/秒三种速度移动，而Lv3则以100毫米/°、500毫米/°、10000毫米/°三个速度移动。
左：机械臂在Lv1平面以10毫米/秒移动时追踪范围对比；右：机械臂在Lv2平面以10毫米/秒移动时追踪范围对比
当机械臂在Lv1和Lv2速度为10毫米/秒移动，Lv3速度为100毫米/度移动时，发现Vive Pro的SteamVR方案追踪范围最大，每个平面都能360°定位手柄。其次是Rift S的Inside-out方案，追踪范围在303°到330°之间。Vive Cosmos的Inside-out方案在Lv1和Lv2的追踪范围与Rift S相近，不过Lv3垂直平面的追踪范围仅为203°，这可能与头显上定位摄像头的布局有关系。
机械臂在Lv3平面以10毫米/秒移动时追踪范围对比
除此之外，手柄移动速度在三个平面上都对追踪范围有所影响。当手柄以三个实验中最快速移动时，Quest和Rift S在部分平面可追踪到360°范围。三星Odyssey也是如此，最大可追踪到357°范围。
相比之下，同样采用Inside-out方案的Quest的追踪范围比Rift S和Vive Cosmos要少仅100°，这应该是因为Quest摄像头更少，仅为四个。比Quest追踪范围更小的，是三星Odyssey，仅为108°到166°之间。
总之，实验结果显示SteamVR定位的追踪范围最大，只需要两个基站即可追踪到VR头显周围360°的范围。两个置于空中的基站可向整个房间发射肉眼不可见的光，Vive手柄接收到光线信号后即可定位。
而Inside-out基于VR头显上的摄像头，目前这些摄像头并不能覆盖头显周围360°范围，如果手柄离开摄像头视场角，追踪信号会丢失。就拿Quest来讲，当你开启自动手势识别切换功能时，如果将Oculus手柄置于后脑勺，就会失去对手柄的追踪，而开启手势识别。
另一方面，WMR头显通常仅配备两颗摄像头，实际追踪角度竟无法达到180°。也就是说，当你佩戴三星Odyssey时，向左右两个方向平举手柄，可能会直接丢失手柄信号。
那么追踪范围小就一定不好吗？一般来讲，VR手柄追踪范围越大，体验感越好。不过并不是每个场景都需要360°定位，如果只是在VR中看电影，或是玩一些动作不大的游戏，Quest的追踪范围足够。如果是在培训模拟和3D设计场景，对手柄定位范围的要求会更高。
（二）VR定位精准性实验
除了VR系统定位范围实验外，VDC此前还对SteamVR、Vive Cosmos、WMR、Quest、Rift S、ARTTRACK光学动捕控制器六种方案进行测试，对比定位的准确性。
在这一实验中，SteamVR再次吊打Inside-out定位方式，误差在0.084到0.205毫米之间。除此之外，Rift S、Quest和WMR的标准误差相近，分别为0.449毫米、0.467毫米、0.393毫米。
不过，Vive Cosmos手柄的最大误差竟达3.209毫米，标准误差和平均误差也分别为2.041毫米和2.495毫米，是其他5种方案的5倍以上。
科研人员将VR手柄固定在机械臂上，并使机械臂在距离50厘米的两点之间反复移动50次。同时，将固定的位置与VR中追踪的位置匹配，来对比误差。
结果发现，在靠近VR头显的位置，SteamVR定位最准确。在远离VR头显的位置，采用Inside-out的Rift S追踪误差增加幅度较大，范围在0.661毫米至1.245毫米之间。同时，Rift S的准确性偶尔不如Quest，分析原因可能手柄仅在水平线上移动，Rift S的第五颗摄像头并不会带来额外的追踪效果。
同时，Vive Cosmos的Inside-Out定位模式误差偶尔超过5毫米，运行不同的VR软件可能也会有不同结果。
相比之下，ARTTRACK是6种方案中最精准的，误差范围在0.007毫米到0.011毫米之间。不过ARTTRACK的精准定位系统主要应用于专业场景，并不面向普通用户发售。
VDC表示：ARTTrack和SteamVR的误差可控制在次毫米级，适合用在3D建模、医疗模拟等需要高精准度的场景。
总之，实际测量结果显示Inside-out比Outside-out准确性还是要差一些，而追踪范围差距更大。不过这是为了提升移动性而做出的牺牲，Inside-out定位无需基站使用起来更方便，适用于家庭娱乐场景，而在B端培训等场景中，SteamVR定位可提供更精准、范围更大的追踪效果。因此，可以根据实际应用场景和需求来进行选择。
参考：
https://www.vdc-fellbach.de/fileadmin/user_upload/Applikationszentrum_VAR_-_Bericht__11_-_Werkstattbericht__06_-_Trackingreichweite_bei_VR-Trackingsystemen.pdf
https://mixed.de/trackingreichweite-so-schneiden-vr-trackingsysteme-ab/
（ END）
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