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| 本文作者： 田苗 | 2017-09-04 17:18 |
雷鋒網(wǎng)按：本文作者為 Matt Miesnieks，目前擔任 6D.ai 的 CEO，Super Ventures 合伙人。此前，他發(fā)布過多篇文章探討了 ARKit 的相關問題。谷歌推出 ARCore 后，引起業(yè)界熱議，Matt 的最新博文中對 ARCore 做了詳細的分析。本文轉(zhuǎn)自亮風臺，雷鋒網(wǎng)對文章進行了校對和補充。
一位開發(fā)者戲稱：“我覺得 ARCore SDK，就像是他們隨便地把 Tango SDK 改了個名字，注釋掉深度相機那塊代碼，改了一種編譯標志?！睉摬恢惯@些，但也不會太多，比如支持 ARCore 的新的 Web 瀏覽器對開發(fā)者來說很友好，但它們屬于相互獨立的核心 SDK。
大概很多人都想知道為什么12個月之前，一切都已準備好的時候，Google 沒有發(fā)布 Tango VIO （無需深度相機），但現(xiàn)在才發(fā)布出來。
不論如何，這是一個好消息，意味著 ARCore 是非常成熟的，而且經(jīng)過了充分的軟件測試（盡管蘋果收購了 Metaio 和 Flyby 兩家公司有技術儲備，但 ARCore 還是比 ARKit 至少多兩年的實踐測試）；另外，谷歌已經(jīng)為 Tango 安排好了全面的功能藍圖，其中不是所有的功能都要依賴 3D 深度相機，現(xiàn)在 ARCore 讓這些功能可以全面發(fā)揮出來了。
拋開名字不談，如果在能運行 ARCore 的普通智能手機上添加深度相機，你就等同于擁有了 Tango 手機。現(xiàn)在谷歌有一個更簡單的路徑，可以通過 OEM 旗艦機，推廣 SDK，ARCore 就會隨著手機而被推廣開來。
沒人會因為一款手機帶有 AR 功能而放棄使用優(yōu)質(zhì)的安卓手機，就像是沒人會因為 Windows 系統(tǒng)手機帶有 AR 功能，而放棄使用任何安卓手機。所以，微軟直接進軍頭戴設備?，F(xiàn)在人們一定會買手機，而 ARCore 也終于實現(xiàn)了免費。
一開始，Tango 聚焦于對 3D 空間手機移動的追蹤。最開始 Tango 的應用也多在于室內(nèi)映射。后來，VR/AR 才變成了最受歡迎的使用場景。
說到命名，這很有趣。Tango 總是被描述為“一款知道自己定位的手機”。而人們從不會被這樣的描述對 Tango 留下深刻印象。對我而言，當某系東西與 Google 地圖密切聯(lián)系時，手機才會有定位（但不知道 Google 是否這樣看）。有了新名字 ARCore，一切便與 AR 有關。
這就是有趣之所在了……我之前有說過蘋果 ARKit 能夠如此穩(wěn)定的三種標定方法：
相機的光學幾何校正（簡單）
相機的光度標定（難）
IMU誤差消除（非常難）
另外，傳感器的時鐘同步是更重要的。
標定不是非黑即白的問題，需要統(tǒng)計、并做更多的迭代以減少誤差，才能讓用例更加穩(wěn)定。系統(tǒng)標定得越好，位置估計誤差就會越不容易出現(xiàn)。
正如蘋果的 ARKit，Google 也做了以下幾件事：
首先，Google 對所支持的設備選擇十分謹慎。起初，只有Samsung S8和 Pixel。谷歌工程師已經(jīng)在這些平臺進行過傳感器標定的優(yōu)化，以適配于 DayDream 的 Inside-Out 追蹤（從三自由度向六自由度）。
不久前，谷歌工程師在韓國對 Samsung 傳感器進行標定和調(diào)諧，希望下一代手機可以支持 Daydream。所以我們才有了標定好且符合時鐘同步的相機與 IMU 的兩款設備。
Google 在今年早些時候的 I/O 大會上宣布 Inside-Out 6自由度跟蹤支持 Daydream
今年，Google為融合 Tango 和 Daydream SDK 做了大量工作，據(jù)說11 月份這項工作就會結(jié)束，所以 8 月底，很多底層工作應該會完成，意味著 Tango/ARCore VIO 系統(tǒng)可以利用 Daydream 傳感器融合的工作成果。
最后，標定的真正好處可以從系統(tǒng)表現(xiàn)看出來。ARKit 和 ARCore 在用戶發(fā)現(xiàn)誤差之前，都可以追蹤得非常好。在 AR 應用中，目前還是以內(nèi)容直觀可見的形式為主，不像室內(nèi)導航那樣，存在長時間長距離的端對端測試。
所以，從 AR 應用角度來看，標定帶來的差異幾乎是無法被檢測的。但是開發(fā)者們正在擴大 SDK 應用的界限，谷歌預計會在工廠中做更緊密的標定，并上市一批新一代的設備。
震動器被用于在工廠中標定加速度計，AR 軟件堆棧更無須擔心過多誤差的問題了。
我曾與一家最大的 IMU OEM 交談過，為了節(jié)省成本，他們的智能機IMU 在工廠中只是在單一溫度下進行標定。這意味著 IMU 硬件在某一指定的溫度下，誤差被調(diào)節(jié)到最低。但當手機發(fā)熱的時候，IMU 就不會那樣準確。雖然這是十分普遍的現(xiàn)象，但是對于 VIO 來說，一旦設備發(fā)熱，標定結(jié)果不可信，算法結(jié)果會產(chǎn)生漂移。當然，OEM 也可以在客戶要求下，在多種溫度下標定傳感器。
這一點，谷歌比不上蘋果。雖然這只是一個很小的誤差，但是意味著谷歌 ARCore VIO 代碼會隨著設備不同而發(fā)生變化。蘋果的軟硬件垂直集成幫助它更快地應對這類挑戰(zhàn)，而 Android 需要對整個生態(tài)系統(tǒng)進行過濾。
ARCore 和 ARKit 提供了場景中的光照實時估計，所以開發(fā)者們可以迅速調(diào)整模擬光照，以便匹配真實世界（還可能同時觸發(fā)動畫人物）。
ARKit 和 ARCore 可以對場景光進行簡單的估計，不管是真實世界環(huán)境光還是尖銳的聚光燈。ARKit 為開發(fā)者提供了強度和色溫選項，而ARCore 提供了單像素強度值（Android Studio API）或 shader（Unity API）。這兩種方法在早期 Demo 中有相似的結(jié)果，而 Google 的 Demo看起來更好一些，可能是因為開發(fā)者們對 Tango 用得更熟。
不過，Google 在今年的 I/O 大會中已經(jīng)表示，對虛擬陰影在真實世界光照下調(diào)整的功能即將和開發(fā)者們見面。這是一個很大的進步，會讓 AR 更加真實。
Mapping，即 SLAM 中的‘M’，也叫構(gòu)建地圖，是 ARCore 相對于 ARKit 的顯著優(yōu)勢領域之一。
它意味著可以將 3D 真實世界的環(huán)境信息存在內(nèi)存中，供追蹤器（VIO系統(tǒng)中的重要部分）進行設備的定位。設備就可以知道自己在環(huán)境中所處的位置。為了幫助大家理解，舉個例子，蒙著眼睛把你放到一個陌生城市的市中心，只給你一張地圖，你可以通過地圖了解到自己的位置。
最簡單形式的 SLAM 建圖是一些離散的 3D 點云數(shù)據(jù)，它們代表了光學特征點的位置（例如桌角）。在這些數(shù)據(jù)中還隱藏著一些元數(shù)據(jù)，通過特征點在多幀中相同位置出現(xiàn)的次數(shù)，表明點的可信度（例如走來走去的狗，可信度就很低，因為每張圖拍到的結(jié)果都不同）。
一些圖包括了“關鍵幀”，也就是每隔幾秒存儲的視頻或照片的單幀，可以幫助追蹤器更好地將真實世界與圖進行匹配。另外，一些圖使用密集點云，更可信但是需要 GPU 和更多內(nèi)存。ARCore 和 ARKit 都使用了離散點云圖（可能沒有關鍵幀）。
離散點云圖就像右上圖所示。左上圖顯示了點云和真實世界是如何匹配的（顏色代表點的可信度）。左下圖是原始圖像，右下圖是強度圖，可以被用到多種 SLAM 系統(tǒng)中（但并沒有用到 ARKit 或 ARCore 中）。
那么這是如何工作的呢？當你加載 ARCore/ARKit App 時，跟蹤器會檢測之前是否有加載好的圖，如果沒有就會通過立體計算，自定義一個新的地圖，也就是說我們擁有了相機視角下的一個小范圍3D圖。當你開始四處運動，相機捕捉到新的一幅圖，更多的 3D 點云加入到地圖中，地圖越變越大。
如果地圖變得太大而無法控制，追蹤則會變得糟糕，以至于追蹤出現(xiàn)漂移。不過，這也不再是個大問題，控制地圖是 SLAM 研究正在做的一部分（還有深度學習和 CNN AI）。
ARKit 在建圖的時候使用了“sliding window”，也就是說它只會在圖中保存最近的時間和距離數(shù)據(jù)，舊的數(shù)據(jù)會被自動忽視，而 ARCore 會管理更大的地圖，也就是說系統(tǒng)會更加穩(wěn)定。
所以使用ARCore，即使追蹤跟丟了也會恢復得很好。
ARCore 和 ARKit 都采用了一種被稱為“錨點”（Anchors）的概念，讓我們感覺地圖似乎覆蓋了更大的物理面積。我第一次看到這個概念是在 HoloLens 上。正常情況下，系統(tǒng)會完全控制地圖，而用戶或應用開發(fā)者并不知道這點。錨點使開發(fā)者告訴系統(tǒng)“記住周圍的地圖，不要將其丟棄”。
我覺得錨點的物理范圍大概有 1 平方米，這其中有我自己猜測的部分，也有可能會根據(jù)系統(tǒng)看到的光學特征發(fā)生多種變化。但當用戶重新范圍物理位置時，該范圍足以讓系統(tǒng)重新實現(xiàn)定位。
不管何時，內(nèi)容被放置在一個物理位置時，開發(fā)者通常會丟下一個錨點。如果沒有錨點，用戶來回走動時，物理位置周圍構(gòu)建的地圖（內(nèi)容所呈現(xiàn)的地方）將會丟失，內(nèi)容也將丟失。而加上錨點后，內(nèi)容將永遠固定在那里，也不排除因為積累的漂移，系統(tǒng)需要矯正重新定位時，糟糕的 UX （用戶體驗）會對內(nèi)容產(chǎn)生影響。
構(gòu)建地圖的目的是以兩種方式來幫助追蹤：
第一，當我前后移動手機，地圖從一開始移動便建立，手機往回移動時，新的特征點可被實時檢測。
在位置計算中，通過對當前和先前場景的特征點收集，這使追蹤也更加穩(wěn)定。
第二，構(gòu)建地圖可幫助定位追蹤或是恢復追蹤。有時你會遮擋攝像頭，手機掉落，或是移動的太快，或是不穩(wěn)定因素發(fā)生，這時攝像頭看到的場景與最新更新的地圖無法匹配。
這就是我們所說的“追蹤丟失”，過去幾年，那些率先嘗試的開發(fā)者們每天都要吐槽 1000 次這個問題。這種情況下，系統(tǒng)可以做兩件事：
重置所有的標定系統(tǒng)，然后重啟！這純粹由測距系統(tǒng)完成（沒有地圖）。你會看到所有的內(nèi)容“跳到”新的位置，然后固定在那里。用戶體驗并不好。
還有一件事是，系統(tǒng)可以使用它檢測到的 3D 特征，然后搜索整個地圖，嘗試匹配，隨著正確的虛擬位置進行更新。如果你當什么都沒發(fā)生，一直使用應用，你會發(fā)現(xiàn)虛擬內(nèi)容展示時，追蹤不停丟失，但恢復后，追蹤又正常。
這里又有兩個問題。
首先，隨著地圖構(gòu)建的越大，搜索過程會更耗時，過程也會更 密集，也就是說要一遍又一遍地開啟搜索；
其次，手機當前的位置永遠不會精準地與手機過去那一時刻的位置相匹配，所以這也加大了地圖搜索的難度，并且還要花費時間和計算去重新定位。基本上，即便有了構(gòu)建地圖，如果你移動的離地圖太遠，應用就沒法定位了，系統(tǒng)需要重置、重啟。
圖片上的每條線是 SLAM 地圖中的街道。在世界上任何地方，使用移動設備實現(xiàn) AR 功能，都會遇到 SLAM 地圖構(gòu)建問題。記住，現(xiàn)在盡管有機器可讀的地圖和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，但它們不是那種人們可使用的 3D 街景地圖（這也是必須的）。
注意，對移動 AR 來說，我提到的“大”地圖大致意思為，可以覆蓋較大房間，或小型公寓物理面積的地圖。
同時，也意味著，對于室外 AR，我們不得不思考全新構(gòu)建地圖的方式。
針對地圖強大的重新定位是非常非常難的問題，而且在消費者體驗層面還未解決。如果任何人宣稱他們能提供多人 AR 玩法，或是固定性強的 AR 內(nèi)容，那么不管是由一號玩家創(chuàng)建的地圖，還是云端下載的地圖，他們的 UX 會受到其他手機（如二號玩家手機）重新定位性能的限制。
你會發(fā)現(xiàn)，二號玩家不得不站在距離二號玩家很近的地方，雙方幾乎以同樣的姿勢舉著手機。但是，二號玩家，或其他玩家只想坐在與你相反方向的沙發(fā)上，打開手機，立馬看到你眼前看到的事物?；蚴钦f，站在距離幾米的空間內(nèi)，看到 AR 內(nèi)容“固定”在那里。
（這里有一段 Tango實驗的視頻效果：https://www.youtube.com/watch?v=YulYq5P3heo）
現(xiàn)在已經(jīng)有應用可以變通地實現(xiàn)多人游戲，如使用標記點，或為二號玩家編寫距離應用開始位置的代碼。技術上看，這些是可以運行的，但是你要一直為用戶解釋如何操作，用戶體驗可能一團糟。所以，并沒有什么“簡單運行”的魔法。
當然，如果任何人有不同的解決方案，我很想請教一下。不過，就我所知，多玩家實現(xiàn)穩(wěn)定性極強的重新定位現(xiàn)在還無法實現(xiàn)，也沒有發(fā)現(xiàn)公布的研究成果。這就像 VIO 的問題一樣，只有少部分人可能會解決。我只知道一個還未公布的系統(tǒng)能夠支持，2018 年初才會推出。
誰都未能想到，ARCore在ARKit發(fā)布后，擁有如此迅速的反應時間。相對于ARKit來說，ARCore其實有不少優(yōu)勢：
功能方面：有一些 ARKit 并未提到的功能優(yōu)勢
開發(fā)者經(jīng)驗：ARCore 在 Tango 和 Daydream 上積累幾年豐富的開發(fā)者經(jīng)驗，相對于 ARKit 僅僅幾個月來說，是更加成熟的。
OEM：有足夠的 OEM 廠商提供強大的支持
宣傳：一段比較走心的宣傳短片
我感覺 ARCore 的推出相當匆忙，例如沒有 ARCore 的 Logo。我在之前的文章中談過 OEM 廠商對于 Tango 手機的謹慎。ARCore 消除了攝像頭堆棧硬件商品化，以及 Tango 面臨的材料成本的問題?？雌饋?，Google 已經(jīng)考慮到一些戰(zhàn)略控制，但是講真，我感覺一切太快了，這些事情還沒真正地實施。
Google 堅持 ARCore 是谷歌移動服務（GMS）的一部分，如果 AR 真的成為“下一個平臺”，這是重新劃分生態(tài)系統(tǒng)勢力的一個機會。ARCore 不只是像 GUI 那種功能。所有的初創(chuàng)公司都要考慮 SLAM 的問題。而 AR 是否會脫離 GMS，這可不好說。
OEM 廠商尋找 ARCore 替代品的最大原因可能是，他們巨大的市場（如中國）不歡迎 GMS。
GMS 最大的阻力在于：無法進入中國市場，那里卻是 OEM 廠商們最大的市場。廠商們更喜歡一個可以在全球運行的 AR 軟件解決方案。
如果你喜歡Android，你有一個 Samsung S8 或 Pixel，那么別猶豫，直接去開發(fā)吧。如果你喜歡 iPhone，也不要擔心是否需要換成 ARCore。
開發(fā)者應當關注的是，打造一個人們關心的 AR 應用要面臨巨大的挑戰(zhàn)。與學習如何在 ARKit 或 ARCore 上創(chuàng)建內(nèi)容相比，創(chuàng)建什么樣的內(nèi)容要花費更大的努力。
ARKit / ARCore SDK目前還是1.0版，功能還非常基礎（VIO、平面檢測、基礎照明），將在未來幾年內(nèi)獲得更多的功能（3D場景理解、遮擋、多人聯(lián)網(wǎng)，內(nèi)容固定性等）。對開發(fā)商和消費者來說，這將是一個不斷的學習過程。所以現(xiàn)在只需要堅持向著自己認為對的路子走就好。
不要對使用哪個平臺想太多，多想想能創(chuàng)建什么樣的 AR 內(nèi)容
作為技術解決方案，它們的能力非常接近。ARKit 在集成和跟蹤方面具有一定的技術優(yōu)勢； ARCore 在建圖和重定位方面具有一些優(yōu)勢?？墒沁@兩個優(yōu)點大多是專業(yè)的計算機視覺工程師才能看到的。
想用這張圖解釋一個設計師的價值
蘋果有一個清晰的市場宣傳優(yōu)勢，擁有龐大的設備基礎，可以立即升級到包含 ARKit 的最新 iOS 系統(tǒng)。蘋果的用戶一般更愿意花錢，所以從中期來看，AR 應用應該可以在 ARKit 上更好地獲利。
Android 的優(yōu)勢在于規(guī)?；?Android 生態(tài)系統(tǒng)需要至少 12 個月才能將所有的部分整合在一起，并在大多數(shù)新設備中獲得硬件支持的 ARCore。（時間可能會更長，通常 OEM 廠商會在 10 月份決定 2018 年的產(chǎn)品。）
ARCore 由此前 Tango 研發(fā)的基礎，其中大部分已經(jīng)進行了用戶/市場測試?，F(xiàn)在基礎已經(jīng)比較到位，看看這些系統(tǒng)在未來12-24個月內(nèi)如何快速發(fā)展，這會很有趣。
我認為，制約 AR 應用市場普及速度的將會是開發(fā)者打造的內(nèi)容。技術已經(jīng)足夠去創(chuàng)建消費者產(chǎn)品了。
ARKit 和 ARCore 哪個更好？主要還是看開發(fā)者的個人偏好和目標。這兩個系統(tǒng)都有自己的優(yōu)點和缺點，但重要的是兩者都能夠為消費者提供足夠的消費體驗，開發(fā)者請腦洞大開，盡情享受這個過程吧！
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