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  • 科技魔方

    微軟專利提出基于并行位置完善AR/VR地理位置導航

    AR/VR

    2021年12月23日

      計算設備可以包括用于估計的當前位置的導航模式。例如,計算設備可通過全球定位系統(GPS)、視覺慣性里程計(VIO)或行人航位推算(PDR)進行導航。計算設備確定自己的地理位置可以帶來重要的幫助。

      作為一個例子,所述信息可以呈現給用戶,以緯度和經度坐標形式或以圖形地圖方式來提供位置到導航,從而幫助用戶確定自己的位置,或者確定設備的當前位置(當設備丟失時)。作為另一個示例,設備可配置為根據其當前位置執行特定的動作或功能。

      以頭戴式設備為例,它可通過一系列不同的導航技術確定其地理位置,例如全球定位系統(GPS)導航、視覺慣性里程計(VIO)和行人航位推算(PDR)等。然而,所述技術存在各自的缺點,例如GPS導航需要足夠的信號強度和與閾值數量的衛星的通信,而VIO在低光和低紋理場景中會受到影響。所以,僅依賴一種導航模式的設備在準確報告其地理位置時往往會遇到困難。

      在名為“Device navigation based on concurrent position estimates”的專利申請中,微軟就介紹了一種基于并行位置估計來為頭戴式顯示設備導航的方法。

      對于頭戴式顯示設備,特定于位置的虛擬圖像可呈現給用戶眼睛,并且特定于位置的虛擬圖像可以隨著設備位置的變化而變化或更新,如圖1A所示。圖1A描繪了在真實環境104中使用頭戴式顯示設備102的示例用戶100。頭戴式顯示設備包括近眼顯示器106,其配置為向用戶眼睛呈現虛擬圖像。同時,所述近眼顯示器允許用戶感知現實世界。

      在圖1A中,頭戴式顯示設備102通過近眼顯示器向用戶眼睛呈現特定于位置的虛擬圖像110和112,包括指示設備相對于周圍環境的大致位置的標記111。虛擬圖像112采用持久標記的形式,并且標記朝向地標的方向(在本例中為用戶的家)。在其他情況下,可使用其他地標,例如用戶的汽車、另一用戶的位置、地理特征(如附近的建筑物、山脈、興趣點)。

      當頭戴式顯示設備在環境中移動時,特定位置的虛擬圖像可以更新,從而反映設備最近報告的位置,如圖1B所示。圖1B示出了用戶100在真實環境104中使用頭戴式顯示設備102。但在圖1B中,頭戴式顯示設備在真實環境中的位置已經改變。所以,通過改變標記111相對于地圖特征的位置來更新虛擬圖像110。類似地,根據相對于用戶的家的朝向來相應地更新虛擬圖像112。

      在一個實施例中,頭戴式設備可以通過多個導航模式同時輸出多個位置估計,并將具有最高置信值的位置估計報告為設備的當前報告位置。隨著設備的移動及其環境的變化,一些導航模式的輸出可能變得更加可靠,而另一些導航模式則變得不那么可靠。所以,在任何給定的時間,設備可以報告由各種導航模式中所估計的位置,以便準確地追蹤和報告設備的移動。

      圖2示出了用于計算設備導航的示例方法200,而圖3則是一個關于頭戴式顯示器的示例。如圖3所示,設備300包括近眼顯示器302,其配置為向用戶眼睛呈現虛擬圖像303。在各種實施例中,頭戴式顯示設備300可配置為提供增強和/或虛擬現實體驗。

      近眼顯示器顯示的虛擬圖像可以采用任何合適的形式,并且可以隨著頭戴式顯示設備位置的變化而動態更新(或不動態更新)。圖1描述的位置特定虛擬圖像是一個非限制性示例。特定位置的虛擬圖像可以在增強現實和虛擬現實設置中呈現。例如,即使在完全虛擬的環境中,系統都可以提供動態更新的映射,并指示設備相對于周圍真實世界環境或虛擬虛擬環境的位置。類似地,可以為真實世界中的真實地標或虛構地標提供指示朝向方向的標記。

      回到圖2。在202,方法200包括經由計算設備的第一和第二導航模式同時輸出第一和第二位置估計。但應當理解的是,計算設備可以具有兩個以上的導航模式,并且因而可以輸出兩個以上的并發位置估計。換言之,計算設備還可以經由第三導航模態與第一和第二位置估計同時輸出第三位置估計。

      如上所述,示例導航模式可能包括GPS、VIO和PDR。圖3的頭戴式顯示設備300包括三個導航傳感器308、310和312,對應于三種不同的導航模式。例如,導航傳感器308可以是GPS傳感器,配置為與多個軌道GPS衛星接口以估計設備的當前地理位置。這可以表示為絕對位置,并以緯度和經度坐標表示。

      與GPS傳感器輸出的絕對位置不同,其他導航模式可能會輸出相對于先前報告位置的位置估計值。例如,導航傳感器310可以包括配置成對周圍真實世界環境成像的攝像頭。通過分析捕獲的圖像以識別周圍環境中的圖像特征,并評估特征如何隨著設備視角的變化而變化,設備可通過視覺里程計估計其相對位置。在某些情況下,這可以與適當的運動傳感器(例如慣性測量單元IMU)的輸出相結合,以實現視覺慣性里程計估計。需要注意的是,這將帶來位置的位置估計,而不是新的絕對位置。

      導航傳感器312可包括運動傳感器(例如IMU、加速計、磁強計、陀螺儀)的適當集合,其配置用于通過PDR估計設備遠離先前報告位置的運動方向和幅度。同樣,這將帶來位置的位置估計,而不是新的絕對位置。

      在較長的時間尺度上,相對位置估計(如VIO和PDR輸出的估計)可能不如絕對位置估計(如GPS輸出的估計)準確。這是因為每個相對位置估計可能會受到某種程度的傳感器誤差或漂移的影響。當輸出多個連續的相對位置估計值時,每個估計值可能會使先前相對估計值的傳感器誤差/漂移復合,導致設備的報告位置逐漸偏離設備的實際位置。相比之下,絕對位置估計值與之前報告的設備位置無關。所以,與絕對位置估計相關的任何傳感器誤差/漂移只會影響該位置估計,不會在一系列估計中復合。

      圖4示意性地示出了經由多個輸入模式的多個位置估計的并發輸出。如圖所示,在時間幀400A,通過三種不同的導航模式輸出三種不同的位置估計402A、402B和402C。每個不同的位置估計對應于不同的形狀。換句話說,位置估計402A(正方形)由第一導航模式(例如,GPS)輸出,而位置估計402B和402C(圓形和三角形)由第二和第三導航模式(例如,VIO和PDR)輸出。

      回到圖2,在204,方法200包括,基于確定第一位置估計具有比第二位置估計更高的置信值,將第一位置估計報告為計算設備的第一報告位置。具體地,第一位置估計402A渲染為黑色以指示其具有最高置信值,并且因此被報告為計算設備的第一報告位置。

      如上所述,設備使用的各種導航模式在各種情況下可能或多或少地可靠。例如,GPS導航通常需要設備檢測至少具有適當信號強度的閾值數量的GPS衛星,以便輸出準確的位置估計。因此,當設備進入室內環境時,GPS位置估計的精度可能會受到影響。

      類似地,VIO依賴于檢測周圍真實環境中捕獲的圖像中的特征。所以,VIO位置估計的準確性可能會在弱光環境中以及具有相對較少獨特可檢測特征的環境中降低。例如,如果設備位于空場中,則設備可能難以檢測足夠數量的特征以準確追蹤設備的移動。

      關于PDR,用于實施PDR的運動傳感器通常會出現一定程度的漂移或其他誤差。隨著時間的推移,設備繼續移動,而錯誤將變得復雜,并導致設備位置的估計越來越不準確。

      因此,計算設備的每個導航模態輸出的每個位置估計值可分配相應的置信值。所述置信值可以任何適當的方式計算,并基于有助于每個導航模式精度的各種因素的任何適當權重。應理解,用于計算置信值的具體方法以及每個置信值所采用的具體形式將因實施和導航模式的不同而不同。

      例如,如上所述,與相對位置估計序列相比,絕對位置估計序列通常不易受到傳感器誤差/漂移的影響。因此,當確定特定位置估計的置信值時,用于輸出估計的導航模態的性質(即,絕對vs相對)可被視為輸入。因此,絕對位置估計(例如,GPS)通常比相對位置估計(例如,VIO,PDR)具有更高的置信度,尤其是在先前報告的設備位置由相對導航模式輸出的情況下。

      無論如何,每次設備通過兩個或多個導航模式同時輸出位置估計值時,具有最高置信值的位置估計值將被報告為計算設備的報告位置。值得注意的是,“報告”位置不需要向計算設備的用戶顯示或以其他方式指示該位置。相反,“報告的位置”是計算設備在當前時間的當前位置的內部參考。換句話說,計算設備的任何特定于位置的功能可以將最近報告的位置視為計算設備的實際位置。例如,請求設備的當前位置(如通過位置API)的計算設備的任何軟件應用程序可以提供最近報告的位置,而不管該位置是否曾經以視覺方式指示給用戶。

      回到圖2,在206,方法200包括在計算設備離開第一報告位置時,經由計算設備的第一和第二導航模式同時輸出第一和第二后續位置估計。再一次,計算設備在某些情況下可以包括兩個以上的導航模式,并且因此可以同時輸出兩個以上的后續位置估計。如圖所示,在多個連續時間幀400B-400G中的每一個,設備經由計算設備的各種導航模式同時輸出新的位置估計。連續時間幀可以以任何合適的頻率出現,例如每秒1幀、每秒5幀、每秒10幀、每秒30幀、每秒60幀。在一些示例中,連續時間幀可能不會以任何固定頻率出現。相反,當設備的一個或多個軟件應用程序請求設備的當前位置時,導航模式可以同時輸出位置估計。

      回到圖2,在208,方法200包括報告經由第二導航模態輸出的第二后續位置估計,作為計算設備的第二報告位置。這可以基于確定經由第一導航模態輸出的第二后續位置估計的置信值高于第一后續位置估計的置信值來實現。這也在圖4中示意性地示出。如圖4所示,在時間幀400B處,第二后續位置估計404B渲染為黑色,以指示其被報告為計算設備的第二報告位置,而不是第一后續位置估計404A。

      繼續圖4,在時間幀400C,經由第三導航模態報告的第三后續位置估計406C報告為計算設備的第三報告位置。通常,在任何特定時間幀,計算設備的每個導航模態可以輸出計算設備的不同位置估計。所述位置估計值中具有最高置信值的任何一個都可以報告為計算設備的最近報告位置。

      在一個示例場景中,第一導航模式可以是GPS導航。當設備在第一個和第二個報告位置之間移動時,設備可用的GPS衛星數量可能會減少,從而降低第一個后續位置估計的置信值。

      在另一示例場景中,第一導航模態可以是VIO。當設備在第一和第二報告位置之間移動時,設備環境中的環境光水平可能降低,從而降低第一后續位置估計的置信值。另外,或者,當設備的攝像頭可見的場景中的紋理級別在第一和第二報告位置之間降低時,第一后續位置估計的置信值可以降低。

      在另一示例場景中,第一導航模態可以是PDR。如上所述,用于實現PDR的傳感器通常會出現一定程度的誤差,并且所述誤差會隨著時間的推移而加劇。因此,經由PDR輸出的位置估計的置信值可以與自替代導航模式(例如配置為輸出絕對位置估計的導航模式)可用以來經過的時間成反比。換言之,隨著在報告第一位置之后的時間流逝,經由PDR輸出的位置估計的置信值可以降低到低于對應于經由其他導航模式輸出的其他位置估計的置信值。

      再次回到圖2,在210,方法200包括通過近眼顯示器向用戶眼睛呈現特定于位置的虛擬圖像,特定于位置的虛擬圖像隨著頭戴式顯示設備從第一報告位置移動到第二報告位置而動態更新。步驟210以虛線示出,以指示特定位置虛擬圖像的呈現和更新可在方法200的整個過程中進行。

      需要注意的是,可以考慮導航模式對續航能力的影響。例如,某些導航模式可能比其他導航模式對設備電池續航的影響更大。例如,VIO可能比GPS或PDR消耗更多的電池電量。因此,當第一導航模態是VIO時,在報告第二位置之前,設備的剩余電池電平可以降低到閾值(例如20%)以下。因此,在一些示例中,當設備電池電量降至閾值以下時,VIO(和/或其他電池密集型導航模式)可能被禁用。因此,該導航模態可能不會在下一時間幀輸出位置估計。因此,可報告由第二(例如,較少電池密集型)導航模態輸出的第二后續位置估計。

      此外,在某些情況下,設備可能會收到用戶輸入,以指定設備的手動定義位置。然后,可以將手動定義的位置報告為設備的最近報告的位置。用戶輸入可以采用任何合適的形式。例如,用戶可以手動輸入數字坐標。用戶可以指定一個特定的航向,例如北方。作為另一示例,用戶可以在地圖應用程序中放置定義手動定義位置的標記。

      通過利用多種導航模式的并發估計,系統可以更精準地判斷設備的當前位置,并用以支持各種用例和功能。

      名為“Device navigation based on concurrent position estimates”的微軟專利最初在2020年6月提交,并在日前由美國專利商標局公布。

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    來源:映維網

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