[ 輕知識 ] 什麼是3DoF、6DoF？以及關於慣性測量單元等等

     本文將簡單介紹運動中的“自由度”，這是討論VR機制的必要概念。自由度（DoF）與剛體在空間內的運動相關，可以解釋爲“物體移動的不同基本方式”。

自由度總共有6個，可分成兩種不同的類型：平移和旋轉。

1. 平移運動

剛體可以在3個自由度中平移：向前/向後，向上/向下，向左/向右。

圖自增強現實產業聯盟

2. 旋轉運動

剛體也可以在3個自由度中旋轉：縱搖（Pitch）、橫搖（Roll）和垂搖（Yaw）。

圖自增強現實產業聯盟

因此，3種類型的平移自由度+3種類型的旋轉自由度 = 6自由度！

在任意一個自由度中，物體可以沿兩個“方向”自由運動。例如，電梯限制在1個自由度中（垂直平移），但電梯能夠在這個自由度中上下運動。同樣，摩天輪限制在1個自由度中，但這是旋轉自由度，所以摩天輪能夠朝相反的方向旋轉。

我們可以繼續舉例子，比如說主題公園。碰碰車總共有3個自由度：它只能在3軸中的2條裏平移（無法像電梯那樣上下移動）；然後它只能以一種方式旋轉（無法像飛機那樣縱搖和垂搖）。 所以2個平移+1個旋轉=3自由度。

無論有多複雜，剛體的任何可能性運動都可以通過6自由度的組合進行表達。例如在你用球拍擊打網球的時候，球拍的複雜運動可以表示爲平移和旋轉的組合。

3. 慣性測量單元和自由度

慣性測量單元（IMU，Inertial Measurement Unit）是一種通過傳感器組合（加速度計、陀螺儀和磁力計）來測量和報告速度、方向和重力的電子設備。IMU過去的主要應用之一是作爲飛機儀表設備，但現在它們已經應用於一系列電子設備，比如說智能手機。IMU的成本已經出現了大幅下降，我們今天可以認爲3DoF定位問題已經得到了“解決”。但遺憾的是，IMU在實際應用中只能準確地測量和報告方向值（旋轉），無法處理平移。

4. 九自由度是什麼

IMU的世界裏出現了有趣的術語，比如一系列關於“9自由度”IMU的說法，但這令人相當困惑，因爲自由度總共只有6個。

基本上，很多IMU廠商都生造了“9自由度”一詞來推銷他們的產品，但這都不是真正意義上的自由度。9自由度主要是IMU內每一個傳感器所能測量到的自由度的總和。比如，如果IMU搭載了一個可以測量3自由度的加速度計，一個能測量3自由度的陀螺儀，以及一個能測量3自由度的磁力計，廠商就有可能將其稱之爲9自由度IMU（九軸）。但這與現實不符，因爲這3個傳感器所測量的是相同的3自由度（只有方向）。

一個9自由度IMU（九軸）可能比6自由度IMU（六軸）更好，因爲它可以通過傳感器融合（結合來自不同傳感器的數據）來提高最終輸出的質量。然而，這仍然無法測量平移。

5. 爲什麼定位追蹤對VR很重要

定位追蹤是硬件與軟件的組合，能夠監測物體的絕對位置。這對VR而言非常重要，因爲結合定位追蹤，系統可以測量和報告真實意義上的6自由度。 由於虛擬現實是模擬（修改）現實，所以我們需要準確地追蹤對象（如頭部或手部）是如何在現實世界中移動，這樣系統才能在VR世界中實現精確的映射。

比如，最初的Oculus Rift開發套件DK1只能提供3自由度（旋轉）頭部追蹤。所以儘管你可以通過傾斜和轉動頭部來查看虛擬現實世界，但你無法探下頭來觀察地板上的物體，因爲系統無法準確地判斷頭部位置。

（編輯：Kor）

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文章標籤：虛擬現實,增強現實,VR入門,AR入門