何为3DoF、6DoF、9DoF？定位追踪对VR为何重要？

　　2017年12月18日，本文将简单介绍运动中的“自由度”，这是讨论VR机制的必要概念。自由度(DoF)与刚体在空间内的运动相关，可以解释为“物体移动的不同基本方式”。

　　自由度总共有6个，可分成两种不同的类型：平移和旋转。

　　1. 平移运动

　　刚体可以在3个自由度中平移：向前/向后，向上/向下，向左/向右。

　　2. 旋转运动

　　刚体也可以在3个自由度中旋转：纵摇(Pitch)、横摇(Roll)和垂摇(Yaw)。

　　因此，3种类型的平移自由度+3种类型的旋转自由度 = 6自由度!

　　在任意一个自由度中，物体可以沿两个“方向”自由运动。例如，电梯限制在1个自由度中(垂直平移)，但电梯能够在这个自由度中上下运动。同样，摩天轮限制在1个自由度中，但这是旋转自由度，所以摩天轮能够朝相反的方向旋转。

　　我们可以继续举例子，比如说主题公园。碰碰车总共有3个自由度：它只能在3轴中的2条里平移(无法像电梯那样上下移动);然后它只能以一种方式旋转(无法像飞机那样纵摇和垂摇)。 所以2个平移+1个旋转=3自由度。

　　无论有多复杂，刚体的任何可能性运动都可以通过6自由度的组合进行表达。例如在你用球拍击打网球的时候，球拍的复杂运动可以表示为平移和旋转的组合。

　　3. 惯性测量单元和自由度

　　惯性测量单元(IMU)是一种通过传感器组合(加速度计、陀螺仪和磁力计)来测量和报告速度、方向和重力的电子设备。IMU过去的主要应用之一是作为飞机仪表设备，但现在它们已经应用于一系列电子设备，比如说智能手机。IMU的成本已经出现了大幅下降，映维网觉得我们今天可以认为3DoF定位问题已经得到了“解决”。但遗憾的是，IMU在实际应用中只能准确地测量和报告方向值(旋转)，无法处理平移。

　　4. 九自由度是什么

　　IMU的世界里出现了有趣的术语，比如一系列关于“9自由度”IMU的说法，但这令人相当困惑，因为自由度总共只有6个。

　　基本上，很多IMU厂商都生造了“9自由度”一词来推销他们的产品，但这都不是真正意义上的自由度。9自由度主要是IMU内每一个传感器所能测量到的自由度的总和。比如，如果IMU搭载了一个可以测量3自由度的加速度计，一个能测量3自由度的陀螺仪，以及一个能测量3自由度的磁力计，厂商就有可能将其称之为9自由度IMU(九轴)。但这与现实不符，因为这3个传感器所测量的是相同的3自由度(只有方向)。

　　一个9自由度IMU(九轴)可能比6自由度IMU(六轴)更好，因为它可以通过传感器融合(结合来自不同传感器的数据)来提高最终输出的质量。然而，这仍然无法测量平移。

　　5. 为什么定位追踪对VR很重要

　　定位追踪是硬件与软件的组合，能够监测物体的绝对位置。这对VR而言非常重要，因为结合定位追踪，系统可以测量和报告真实意义上的6自由度。 由于虚拟现实是模拟(修改)现实，所以我们需要准确地追踪对象(如头部或手部)是如何在现实世界中移动，这样系统才能在VR世界中实现精确的映射。

　　比如，最初的Oculus Rift开发套件DK1只能提供3自由度(旋转)头部追踪。所以尽管你可以通过倾斜和转动头部来查看虚拟现实世界，但你无法探下头来观察地板上的物体，因为系统无法准确地判断头部位置。