Hypereal 定位灯塔
众所周知，HTC Vive是VR领域最优秀的头显之一，而之所以能做到这点，很重要的一个原因就是应用了 Valve 的 Lighthouse 激光定位技术，为头显带来房间级的游玩体验，同时也帮助实现了手柄的动捕操控。可以说 Lighthouse 是 Vive 的核心技术之一。
现在，这一核心技术被国内创业公司 Hypereal开源了。当然，开源的并不是 Valve 的技术，而是 Hypereal 研发的版本。Valve 此前亦将 Lighthouse 开放给第三方厂商，但并没有开放源代码。
今天，Hypereal 在其官网上放出其激光定位系统的源代码和技术文档。从各模块开源内容详解来看，主要围绕着核心的激光定位技术，包含硬件、软件和算法。基于这一整套源代码，第三方可以自行开发出一套带室内激光定位的VR设备。
据Hypereal 介绍，开源的内容主要包括以下三个部分：
硬件部分， Hypereal 激光定位系统硬件部分设计与实现细节都在此次开源中有介绍，内容涉及电路与嵌入式软件。开源涉及的组件均由 Hypereal 激光定位系统原理性验证机版本总结整理而来，去除了验证系统设计中其他与定位特性无关的内容。系统整体结构上分为相对独立的两大部分，分别是作为定位信标的激光线束扫描灯塔与被定位设备。
软件部分，Hypereal 的定位设备，包括 IMU 和 Light Sensor 的驱动程序以及 sample 程序都彻底提供。有了这些驱动程序，VR HMD 和解决方案提供商能很容易获取被定位设备的姿态和位置信息，灯塔的位置和状态，并和 Hypereal 定位算法库集成，第三方可以把 HYPEREAL 的灯塔定位方案集成到自己的 SDK 或者应用中。
算法部分，Hypereal 直接提供了一个完整的灯塔定位算法库，包括所有的核心算法模块：灯塔扫描和 IMU 数据的解析和处理，姿态求解算法，数据融合算法，双灯塔融合算法，运动预测算法等等。算法库框架完全基于模块化设计，开发者可以基于此框架一键式进行算法研究和定制开发工作。
Hypereal 创始人黄柴铭
Hypereal 这次开源是早有预告的，在该公司于去年 ChinaJoy 上发布首款产品后，就宣布要将自家的激光定位技术开源。至于为什么要开源，该公司 CEO 黄柴铭是这样解释的：
垄断意味着高价，但 Hypereal 的愿景是为大众提供性价比最高的VR解决方案。目前的灯塔方案虽然效果好，但是技术实现难度比较高，不利于VR产品的普及。我们把自主研发的灯塔技术完全开源出来，是希望更多人参与到该技术的研发和改进中来，加快技术的成熟和成本的降低，以此来促进产业的发展。我们的下一代产品将采用全新的技术，请大家拭目以待。
关于 Hypereal 的激光定位技术
根据 Hypereal 此前发表在公众号的一篇文章介绍，灯塔（lighthouse）定位技术的最早原型是在1989年被提出的 Minnesota Scanner，其原理是利用扫描激光面对空间进行编码进而对物体做跟踪。而后有很多人基于相似原理做了改进用于不同领域的应用中。Valve首先把它成功的带到了VR消费电子领域。
Hypereal图形技术总监陈禄在去年 CGDC 的演讲中，对该公司研发的灯塔定位技术进行了介绍：
HyTrack早期原型、基本原理
这是我们公司自己研发的比较早期的原型，做得比较裸。左边是灯塔，有两个电机，电机上面有透镜，这里有一个小动画演示灯塔的结构，可以看到通过透镜把一束激光变为一个扇面，再利用电机使得激光面匀速扫描。
中间的部分是我们头显的早期原型，上面有很多小的线路板就是我们自己制作的传感器模块，每一个中心有一个光电二极管。传感器把光信号转成电信号再到数字信号，然后传到计算机里。基本原理如上图，左边这一块是激光扫描扇面的顶视图，激光会从一个基准位置开始向下扫。在扫过基准位置时刻，我们会发射一个无线同步信号。蓝线是扫到每个光电二极管的激光面。
右边的图是传感器上面的时序图，从收到无线同步信号的时候开始计时，当被光扫过的时候，会留下一个很小的间距的光脉冲，测量脉冲中点时刻，结合电机转速，我们可以计算得到该扫描面相对基准平面的夹角。这样我们就知道这个点处在空间当中哪一个平面上。通过两个方向的扫描，被照到的传感器点我们可以确定其在空间当中的某条直线上。
在这里我们和VIVE采用了不同的技术方案，他们使用的光同步，灯塔会有LED灯。无线同步的好处是，灯塔之间不用同步线连接了，或者灯塔不用互相对着摆放。两种方案在工程实现上的区别很大，测量手段也会不一样，但是本质上都是为了获得同步信号时间。
他接着解释了算法原理，主要是基于一个数学模型：
数学模型
我们通过光学系统所得到的其实是两个角度，这样就可以知道，这个物体的某些点在投影平面上的坐标。这里等同于一个小孔成像的相机模型，也可以很好地表达成一个线性的约束。
在静止状态下我们已知传感器点的相对位置，当物体运动过之后，可以得到某些点的扫描观测值，因为它被照到，它会处在这个空间当中某两个面的交线上，这个可以很好的写成一个线性约束表达式，可以把它们联立起来，相当于做一个最优化的问题，我需要求解在满足这些约束情况下最优的旋转和平移。
这个问题其实是一个比较标准的问题，求解的方法也非常多，其实在视觉领域，对这类问题有很多人做过不同的方法，比如说你怎么样参数化你的旋转，就会有不同的方法，基本上这个应该算是一个比较成熟的问题。
算法流程图
以上我们提到的是激光系统的原理，但不要忘了，在头盔和手柄上还可以利用IMU。其实在有陀螺仪、加速器和磁力器的情况下，IMU本身也可以做定位工作，但是它有个很大的问题——会漂移。
其实我们对这个物体姿态有两个数据来源，一个是IMU，一个是激光系统，这两套系统理论上都可以独立对这个姿态进行估计，IMU的好处是采样频率高在短时间内相对来说比较精确，坏处是稍微长一点时间就会有较大漂移。而激光系统则是在大尺度下相对比较精确，但是它可能被遮挡和有误差。我们要做的工作之一就是怎么把这两个信号融合在一起。
这就是我们HyTrack定位系统的基本原理。
Vive 会受到威胁吗？
前文已经提到，Lighthouse 定位是 HTC Vive 的核心技术优势之一，而 Hypereal 也表示，基于这一整套源代码，第三方可以自行开发出一套带室内激光定位的VR设备。那么这一开源举措对业内会有怎样的影响呢？对 Vive 来说又意味着什么？
为此雷锋网询问了几位业内人士的看法。
一位同样从事 VR 空间定位领域，不愿具名的人士对雷锋网表示：
开源是一个非常好的举动，这种开放的做法必然加大国内的技术交流水平，推动国内VR行业的整体发展。
但激光定位是一套整体的工程，代码电路图只是整个技术环节中的一部分，如果要实现真正的产品化，还将面对大量的问题——软硬件的集成度还很低，大量的Know-how必须处理。正是因为这样，所以一些国内的从业者会选择与专业厂商进行适配，定向开源。
VR定位领域的技术研发，90%的功力要花在最后10%的优化上，只有做完这10%，才能真正达到国际大厂的水平。总体上这套代码足够业余爱好者搭建一个基础Demo实用，但如果真的要形成量产的产品，还有较长一段路要走。
实际上，国内另一家同样推出了激光定位方案的公司 G-Wearable 也将自家的技术开源了，但是只针对厂商。“因为这东西制造难度不低，就算开源，没有很认真的投入也做不出来。”G-Wearable CEO 郭成告诉雷锋网(公众号：雷锋网)。
UCVR联合创始人 & CEO 胡金晖认为，
Hypereal 的光塔定位技术和 Vive 很相似（或者说理论基础一样，实现方式大体一样），但在一些细节地方实现方式有不同。
体验效果的好坏其实来源于很多技术细节。比如我在西雅图学习 Vive 光塔技术的时候Synapas 提到了多种产生误差的可能，和他们具体的解决方法。但从这两份文件里面没有提到细节，所以不好判断。
但有一点我很欣赏这个团队，他们把 Lighthouse 做出来了。不管别人再说抄袭也好怎样也好，能做出来就是王道，而且 Hypereal 也有自己的创新点 希望他们尽早以专利的形式将自己保护起来。
对于行业的意义主要还是在于精神层面，因为这种技术想被广泛授权有点难度，真的背后还是要有一个平台支持（套用 HTC 汪丛青的话）。精神层面就是能够给予中国技术流派 VR 公司一剂强心剂。
雷锋网编辑也曾体验过 Hypereal 的产品 demo，发现它可以提供接近 Vive 的体验，但仍存在抖动及稳定性欠缺等问题。
总体来说，Hypereal 开源受到业内欢迎，但其影响如何仍有待观察。至于对 Vive 的影响，显然还是有限的。
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