一、基本概念

虚拟现实系统的高度沉浸，除了视觉方向的逼真感之外，空间的真实感也至关重要。要实现在虚拟空间下的随意漫游、全自由度观看、自然准确的虚实交互，都离不开虚拟现实空间定位。

目前VR主流空间定位方式有两种：

（1）Outside-in（由外而内的定位）：顾名思义，需要在环境中布置定位器，实现从外到内的位置计算。

（2）Inside-out（由内而外的定位）：由内向外的空间定位不需要额外布置空间定位设备，借助VR设备自身的传感器进行环境的感知与事实位置计算。

二、分类及原理

2.1 Outside-in

由外向内的定位方式又可以分为被动式定位和主动式定位。

被动式定位由事先放置的定位点收集信息进行反馈，典型的案例有基于红外摄像头的空间定位系统，如Optitrack、ART等，体验用户会佩戴反光标记，红外摄像头发射红外射线照射到反光标记，再捕获反射的红外信号，进行位置计算。

主动式定位由头盔主动收集信息进行反馈，像HTC VIVE采用的Lighthouse以及Oculus Rift采用的外置光学摄像头等都属于这类定位系统。HTC Vive的Lighthouse室内定位技术使用的是红外激光定位，基本原理就是利用配套定位光塔（小方盒子）对定位空间发射横竖两个方向扫射的激光，再通过Vive头盔上的接收器接收光束，之后计算两束光线到达定位物体的角度差，解算出待测定位节点的坐标。

Oculus Rift也是红外光学定位的一种。Rift设备上隐藏了一些红外灯（即为标记点），这些灯会向外发射红外光，利用配套的摄像机去捕捉头显和手柄上的红外灯，过滤掉头显及手柄周围环境的可见光信号后；再利用PnP算法，即四个不共面的红外灯在设备上的位置信息、四个点获得的图像信息即可最终将设备纳入摄像头坐标系，拟合出设备的三维模型，并以此来实时监控玩家的头部、手部运动。

2.2 Inside-out

Inside-out是基于环境中设备自身的传感器进行周边环境的实时动态感知，通过视觉算法(SLAM算法)计算出摄像头的空间位置，从而实现对目标的位置跟踪。

而对于在VR/AR设备，主要是利用在VR/AR头显的视觉传感器，让 VR/AR 头显设备自己检测外部环境变化，借助计算机或者自身的算法芯片计算出 VR 头显的空间位置坐标。

而根据光源发射装置（摄像头）数量，可分为多目视觉定位，单目视觉定位。对于多目视觉定位来说，因为多目传感器自身角度关系，既可以进行静态的位置估计，也可以进行动态的位置估计。二单目视觉定位则只能在动态环境中获取不同时刻的目标图像，再根据坐标的变换进行位置估算。当前主流的AR/MR设备都是多目视觉定位。

三、主流设备应用

对于Outside-in由外而内的定位：如HTV VIVE pro、Oculus Rift、Varjo VR等都是采用该类定位系统。

对于Inside-out由内而外的定位：如Oculus Quest2、HTC VIVE Cosmos、HTC VIVE Focus等基于标记的VR设备以及Hololens1/2、影创鸿鹄、Nreal等基于视觉SLAM算法的AR/MR设备。

四、优缺点

（1）Outside-in

优点：

① 定位精确

② 根据选择光源，大部分光源可以在黑暗中工作。

缺点：

① 要事先放置定位点，如果需要提高精度还要增加设备数。

② 有空间范围约束。

③ 受光学定位原理影响，如果有遮挡物则会丢失或影响精度。

④ 移动空间需要重新校准跟踪。

⑤ 不同的光线会有不同问题。

（2）Outside-in

优点：

不受区域范围影响，理论上来说，只要虚拟场景设计的足够大，如神庙逃亡这样的环境，可以在现实世界中走到无限远，也就是大家希望体验到的那种移动VR。

缺点：

① 是跟踪精度相对较低，有跟踪死角（手柄控制器超出前置摄像头的"观测"范围。

② 受环境光照影响较大，极端的例子是采用这种跟踪方案的设备几乎不能在全黑、全白（或者几乎没有环境颜色细节变化）的空间中进行体验

③ 计算能力差，实时性和精度会有劣势。移动设备计算能力相对态势机的计算能力存在不足。

五、未来发展趋势

目前来看，Outside-in定位技术与Inside-out定位技术在VR/AR/MR领域均有较为广泛应用，二者也各有优劣。但从未来虚拟现实发展趋势来看，更高的空间沉浸感、更自然的交互、更逼真的场景体验都对虚拟现实定位技术提出了更高的要求。Inside-out定位技术在VR一体机以及AR/MR领域最新设备的深入应用，也反映了Inside-out定位技术会是未来的主流。从另外一个角度来讲，虚拟现实的终极状态中，虚拟场景、真实环境、人的边界越来越模糊，高度融合，所以对于虚拟环境中的空间位置计算也越来越趋近于真实人眼在物理环境中的漫游定位。所以从这个角度来说，Inside-out的空间定位也必将成为主流方式。

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