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[外设交流] 从头瞄到VR——闲话游戏视野控制技术发展史

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发表于 2018-3-21 18:13:36 | 显示全部楼层 |阅读模式
1997年,在美国成立了一家名为Eye Control Technologies(ECT)的小公司,创始人是Jim Richardson和Birch Zimme,通过公司名字:眼控科技,我们就可以知道他们想干什么,Jim Richardson的表弟瘫痪在床,只能通过移动眼睛与人沟通。公司成立后不久,就提交了一份名为iON-E的发明专利,可以用于跟踪用户眼睛的转动,旨在为身体残疾人士提供轻松控制电脑的能力,在当时iON-E系统在许多技术指标上优于之前的眼控技术,2,500美元的价格也比竞争对手便宜得多。iON-E技术很快被用来开发追踪人体其他部分的运动,其中追踪头部运动的产品,被命名为:TrackIR,随着产品名被广为人知,Eye Control Technologies 公司改名为 NaturalPoint Inc.

TrackIR 1代

TrackIR 2代


TrackIR 1/2 均使用一个小型红外摄像机来跟踪一小块反光片反射的红外光,需要使用者在眉心帖一个圆形的反光片,只能提供头部水平旋转(Yaw)和抬头低头(Pitch)的有限传感,无法测量头部的左右侧偏,更无法提供位移数据。即便如此,著名空战模拟游戏IL-2的总设计师 Oleg Maddox 马上敏锐的意识到这款产品的潜力,并在他开发的IL-2: Forgotten Battles(IL2遗忘的战争)中提供了充分支持,其后Modern Air Combat (LOMAC) 和Flight Simulator 2004 (FS2004) 也宣布支持 TrackIR 2。

NaturalPoint 公司知道,用户使用不停消耗的反光贴并不是最佳方案,而且只有2个旋转轴的传感也过于简单,他们于2004年推出了TrackIR 3 和 TrackIR 3-Pro,第一次使用三反光块的支架,实现头部视角三轴旋转和视点三轴位移的传感。

TrackIR 3-Pro


由于三反光点的旋转和位移计算对红外光源传感质量要求的提升,NaturalPoint 公司改进了红外摄像头和芯片数据处理的性能,以提供足够的精确性和稳定性,当然价格也有相应上涨。


2005年,TrackIR 4 PRO发布,在减小体积的同时增强了性能逐渐成为一款成熟的产品

2009年 TrackIR 5发布,同时发布的有主动红外发射三角支架,主动支架的使用,不仅可以关闭接收器上的红外发射器从而降低主机温度,还可以有效提高响应精度。这将是为至今为止 TrackIR 系列的最后一款产品,很难想象一款电子产品可以持续近10年不再更新而依然销售,可见其当初设计之优秀,但反过来也证明红外方案已经走到了性能和功能极限。


在游戏视野控制技术发展20年的历程中,还有 FaceTrackNoIR 和 FreeTrack 两个免费的软件体系,需要自配摄像头或自配硬件进行头部运动跟踪,但总体性能、适用性、易用性离 TrackIR 相去太远,始终无法成为主流。


2014年曾经有段时间不少人尝试使用开源的 Arduino 自制体感头瞄,但还是因为过于麻烦、体积过大、效果不佳、只有视角三轴旋转、没有视点位移等原因,逐渐销声匿迹,有兴趣可以看看相关资料:



2017年底,在国内有团队发布了一款被称为Aimxy的自创头瞄产品,无需外部定位设备,视角三轴旋转和视点三轴位移,一开始我还以为他们采用微软最新的Inside Out技术,后来看到其产品外观和售价,判断其技术更接近Arduino 原理,但该方案可以实现三轴位移的精确传感还是令人意外,估计类似以下体感技术:

对于这样新鲜有趣的产品,本人一直非常感兴趣,2018年1月购买了一套Aimxy头瞄专业版,主要部件包括三个传感模块和一个USB无线接收器:


与我们看到的类似体感方案必须穿着定制的服装不同,Aimxy头瞄的传感模块不需要严格按一定方向佩戴,比如头部模块可以固定在头部任意位置,其中原理我到现在还没想明白。头部模块可以方便的和耳机一起组合使用,也可以单独佩戴,或者夹在帽子的任意位置。Aimxy头瞄分为三个版本,实际是同样传感模块不同数量组合,除了都可以提供三轴视角旋转外,一个模块的灵动版可以提供左右位移,两个模块的标准版可以提供左右前后位移,三个模块的专业版可以提供左右前后上下位移。

这是在飞友圈广泛流传的Aimxy产品搞笑图,我们可以看到该产品可以精确体感坐高垂直变化。除了模拟飞行,我也玩欧卡、尘埃拉力等模拟赛车游戏,以及精英危险等太空模拟游戏,比如所有开车类游戏,WT街机模式,实际一个模块的灵动版就完全够用了;P3D,XP11等民航模拟以及WT、DCS这样的空战模拟,两个模块的标准版非常合适;如果你偏好IL-2、BOS、或WT全真等二战空战模拟,还是选择可以如上图体感坐高变化的更好。有兴趣可以去某宝搜索,视频可以去哔哩哔哩搜。


最后要说的就是近期才上市,采用微软Inside Out技术的全新一代VR:三星玄龙MR,这款设备我也期待了很久,自从知道微软会有新的定位传感技术实用化,就非常感兴趣。

我一直非常好奇Inside Out技术到底是如何实现精确的6自由度定位,而不需要像HTC VIVE需要安装灯塔,或是Oculus Rift 采用的类似TrackIR 的红外摄像头定位。今年2月入手玄龙MR当天,我就迫不及待测试了一番,原来6DOF传感的关键技术是两个前置摄像头……,真是没有想到,微软已经可以做到仅使用2个摄像头(可能还是安装了陀螺仪等传感器,但可以肯定没有声纳或雷达)就完成视角三轴旋转和视点三轴位移传感,而且非常细腻灵敏,想来所谓 Inside Out 技术也许就是模仿人眼,通过视频流的帧画面比对,进行运动传感计算,这绝对是未来的方向。有关玄龙MR的其他测评我就不写了,百度上到处都是。



我现在有TrackIR 5 Clip pro正版产品,自己尝试过组装 Arduino(失败了o(≥v≤)o),然后购买了Aimxy头瞄,最后测试了三星玄龙MR,总体评估而言,不说一定客观,先说TrackIR 5的优点:


1. 旋转和位移都非常精准
2. 响应灵敏度非常好,无可视延迟
3. 软件兼容性好,没办法,他是创始者,标准制定者
4. 佩戴还算方便,但主动架只能安装在左侧面有些局限,左转头有时会碰到立领,被动式需要帽子有些遮挡视野。
TrackIR 5的缺点:
1. 通过3个光点构成一个三角平面计算旋转和位移,任何一个光点丢失,画面就卡死了,白天玩游戏画面容易卡,就算调了发射强度和滤波,偶尔还是有卡顿的情况。
2. 玩比较激烈的游戏,头部需要经常大范围观察的时候,容易超出接收器的范围,特别是我换了大屏幕显示器以后,接收器会比较高,总是找不最合适的位置,要么抬头容易卡死,要么低头容易卡死,要么身体像前靠近屏幕的时候容易卡死,这没办法,原理局限。
3. 最要命的是,在被动反射模式下玩游戏超过2小时后,眼睛看周围有泛绿的感觉,我觉得这玩意的红外线对眼睛还是有一定伤害,特别是较长时间使用;使用Clip pro主动发生支架,这种情况要好一些,因为接收器的4个红外光源不再发射,但屏幕本身也是反射面,实际眼睛依然被红外光照射着,虽然要好一些。后来百度查了一下感觉有些担心,特别是孩子也想玩一下的时候就越发不敢用了。

顺便提一下国内某些人做的TrackIR 5山寨版,我有玩家朋友买过某宝的山寨版,开始半年他说很好,后来同样遇到跟我说的玩时间久了看周围泛绿的情况,后来他还买了山寨的主动架,但没用到1年又坏了,索性拆开一看,并要我拍摄正版TrackIR 5的背面照片给他对比:
某宝寨版TrackIR 5故障后拆解照片






正版TrackIR 5


寨版TrackIR 5主动红外架拆解照片




本人工作就是电子产品相关,寨版无论电路版材质、走线设计、元器件的选用都比正版差了许多,而且差异非常明显,虽然寨版380+160售价比正版的1350的便宜了许多,但我们都知道研发费用和软件开发费用才是成本的主要成分,山寨版通过破解别人软件和硬件识别,剩下只有山寨硬件的成本,我相信懂行人的都看得出来,这山寨货已经是暴利。最关键的是,山寨版的红外光波长和强度是否在安全范围,完全无法保证,请大家为了自己和孩子的健康不要贪便宜,免得因小失大。


接下来说说Aimxy头瞄优点:

1. 按要求校准好头部模块后,长时间使用没有运动漂移,也没有累积漂移误差,视角旋转没有卡死区(原理性解决问题)。
2. 位移相当精准、细腻,身体非常小幅度的前后左右上下移动,都会反映到画面上,当然,位移也没有卡死区,很爽,原来用TrackIR5最烦就是前俯或侧身的时候,超出红外接收区域了。
3. 画面延迟非常低,跟随性非常好,说动就动,说停就停,与正版TrackIR5不相上下。
4. 在相同画面平滑程度是,Aimxy静态画面稳定性性比正版TrackIR5明显优秀,这一点对需要点击座舱操作的模拟特别有用。
5. 配合大屏幕或大电视玩游戏太爽了,因为不需要安装接收器,在家里用65寸电视玩游戏,至少有80%VR的感觉,而且不会眩晕。

6. 轻便,模块真的很轻很小,比麻将牌还小点,全无线的设计太好了,因为我耳机也是无线的,完全没有牵绊。

7. 续航6-8小时,充电1小时,这么小还有这么好的续航,不容易,应该优化过硬件控制算法。
8. 令人出乎意料的游戏兼容性,居然支持660多款全球游戏,我玩的模拟游戏没有一个不支持,甚至模拟火车,还有模拟农场,而且很有意思的是,TrackIR的软件必需在运行游戏前启动,有时忘记了还得先退出游戏,Aimxy不需要,运行游戏的前后启动Aimxy软件,头瞄都可以正常工作,这个很神奇。

Aimxy头瞄的缺点:
1. 配套的头戴难看又太系!可能是工科男的选择,希望改进
2. 配套的夹子不太好用,但确实材料很结实,希望多想点方案,让使用更简单。
3. 软件没有TrackIR功能丰富,占用资源也稍高一些,但听说正在开发全新版本,先等等看。
4. 软件没有自动升级功能,希望以后提供全自动升级。
5. 单模块的版本很好,但多模块的版本目前在使用流程比TrackIR5复杂,强烈要求增加模块连接记忆、模块自定义名称、断线自动重连等功能,撒泡尿回来又要重连很不爽。


最后说说三星玄龙MR运动传感的优点,有关分辨率、晶格感、画质什么的就不说了,不在本主题讨论范围:

1. 被Inside out技术震撼了,这绝对是未来的发展方向,不需要安装外部定位器或红外接收器,也不用做校准,不需要任何感觉繁琐的准备工作,几乎就是通电连接就可以用了,
2. 旋转和位移都非常细腻,准确,无延迟感,与TrackIR5和Aimxy没有可视差别。
3. 静态稳定性与Aimxy感觉差不多,比TrackIR好,想盯着一个方向时候,画面不会有稳不下来的感觉
4. 对着电视屏幕也能使用!这个太出乎意料了,如果你带着这套MR,面前的屏幕是你游戏的画面,Inside out可以寄计算他自己为背景的视场变化!这太不可思议了!绝妙的解决方案。
5. 在较弱的环境光下,依然正常使用。
6. 没有声纳,没有雷达,没有红外线,对人的脑袋非常健康,哈哈!


三星玄龙MR运动传感的缺点:
1. 如果环境光线太暗,就无法正常使用了,但这不算大问题。
2. 不好意思,真的想不出有什么缺点了,大爱Inside out,什么灯塔和红外摄像头,都可以见鬼去了。

但我可能人有点缺点,就是VR不能长时间使用,一是眩晕感还是无法根除,连续使用30-45分钟一定开始恶心,二是面部的压迫感最终会越来越严重,长时间佩戴VR还是难受。所以现在要玩超过半小时的游戏,用Aimxy头瞄,如果想刺激一下,就用玄龙MR。

最后,感谢大家能看到这里,因为我自己也算半个技术宅,很希望能把自己的感受和想法分享给大家,希望有兴趣的朋友们可以参与讨论,真开心可以活在一个技术日新月异的时代。
发表于 2018-8-1 16:35:19 来自手机 | 显示全部楼层
真心不错,我准备DIY脚舵,能不能给点建议
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发表于 2018-9-8 00:32:08 | 显示全部楼层
总结得不错
我觉得TrackIR5和Aimxy最大的问题,还是偏转的时候,目光轴线与面部轴线不一致的问题,即头转动了,眼睛还盯着前方,特别别扭,屏幕小的时候更突出
VR现在还有纱窗效应,哪怕是vive pro,不能看航图、检查单也是一大问题
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