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VR眼鏡開源專案 - OSVR之HDK2硬體資源初探

作者:陸向陽

OSVR眼鏡近來因開源而受到廣泛重視。

OSVR眼鏡近來因開源而受到廣泛重視。

虛擬實境(Virtual Reality, VR)眼鏡近年來很紅,特別是Facebook購併Oculus Rift、Sony推出PSVR,以及HTC與Steam合作推出VIVE後,就更加受到矚目。

不過,上述的虛擬實境眼鏡(或稱頭盔)都是業者獨家硬體設計,設計並不公開。相對的,新加坡雷蛇(Razer)公司也想從本有的PC電競市場擴展延伸到VR市場,但雷蛇自身力量有限,若自主推出VR硬體產品,也未必能廣泛支持與迴響。

因此雷蛇在2015年1月提出開放專案OSVR(Open Source VR),期望用開放的硬體、軟體,廣泛號召各方業者支持響應。

OSVR專案在Github上已有相當豐富的開源分享資源。

OSVR專案在Github上已有相當豐富的開源分享資源。

OSVR專案包含開放的硬體與開放的軟體,整個專案可以從https://github.com/OSVR進入,裡頭有許多是與軟體有關的開放原始碼專案,例如OSVR-Unity是與遊戲軟體開發有關的,OSVR-Android-Build是與Android開發有關的,OSVR-CPI則與控制介面有關。

但本文將重點放在開放硬體部份,即OSVR-HDK,HDK全名為硬體開發套件(Hardware Development Kit),其實就是OSVR眼鏡的硬體設計。

另要說明的是,OSVR雖然為開放原始碼專案,但並不像Arduino、Raspberry Pi等,訴求給電子愛好者或入門者使用;OSVR的軟體開發需要專業程式工具,並不像Arduino用很親和的簡易語法就能快速獲得成果,硬體方面也是如此。

1.x版與2.0版

若各位進一步瀏覽https://github.com/OSVR/OSVR-HDK,會發現OVSR HDK分成1.4版與2.0版,其實兩者差別不大,主要是2.0版將顯示器規格提升,從1,080 x 1,200提升成2,160 x 1,200。而1.0版是在2015年1月發表,之後更進一步瀏覽,發現再區分成3個資料夾,即電子(electronics)、機械(mechanicals)、其他(misc),事實上1.4版也是類似的區分法。

OSVR的硬體設計,即是先區分成機械與電子,機械方面還分成機構與鏡片等部份,屬於機械領域與光學領域,老實說筆者還不夠熟悉,需要更專業的人來指引。

不過,從資料夾名稱ProE、STEP來看,應該是以PTC參數科技公司的專業機構設計軟體Pro/ENGINEER來設計OSVR眼鏡硬體的機殼機身(ProE資料夾),或用國際標準CAD檔案格式(.stp)檔(STEP資料夾),可用多種專業機構設計軟體開啟,如AutoCAD、SolidWorks。

OSVR 2.0電子設計

電子設計方面,又概分成2個資料夾:board與schematics。board指的是實體電路佈局圖,用來製做印刷電路板(PCB)時需要觀看,而schematics則是邏輯性的等效電路圖,在研究電路系統設計時需要觀看,前者攸關製造,後者攸關設計。

在board資料夾中主要有2種檔案,一是.dsn檔,另一是.brd檔,前者可用Cadence公司的OrCAD軟體開啟觀看,後者可用CadSoft公司的Eagle軟體開啟觀看,而在schematics資料夾內就只有放置PDF檔(.pdf),用PDF閱讀器軟體即可觀看。

另外有個Excel檔(.xlsx),是把打造一個OSVR眼鏡所需要用到的電子料件統籌整理,概算有274個零件項。若細算至每個零件,可能會超過1,000個零件,即細算到每個電阻、電容。至於供應整個OSVR零件的廠商則約有52家。

02_HMD board

HMD 電路板資料夾

OSVR的原理與構成

現在回到board資料夾,可以發現4個子資料夾,分別是Belt box、IR boards、Main board以及USB IO board,這似乎意味著OSVR硬體是由4片電路板所構成;但筆者發現這反而造成誤導,筆者後來看了iFixit的拆解,發現OSVR HDK2應是由7片電路板所構成。

不過,一下子就進入電路板,大家可能會摸不著頭緒。我們先從終端使用者層面切入,其實OSVR HDK2分成3個部份:VR眼鏡、腰帶盒(Belt Box,OSVR社群有時簡稱BB)以及紅外線攝影機。

原理上,VR眼鏡內有加速度感測器,頭部搖晃後,資訊會先傳遞到腰帶盒,腰帶盒再傳遞到PC上,同時若有相關操控動作,也可以USB介面連接到腰帶盒,再由腰帶盒一併回傳資料到PC。

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OSVR HDK2產品圖示

但是,單純加速度感測器尚不足以精確捕捉動作,所以外部會放置1個紅外線攝影機(IR Camera),而VR眼鏡殼上會配置紅外線LED。紅外線LED發出不可見的紅外光後,攝影機捕捉接收,而從更精準掌握方位與角度,這在最初的OSVR中沒有,到2015年6月的1.2版才加入此設計。

事實上,任天堂Wii的設計也類似,遊戲控制的把手內已經有加速度感測器,但依然不足,所以才有外部紅外線LED條棒的設計,並在手把內設置紅外線影像感測器,使動作掌握更精確。

攝影機另一端也是接往PC,如此,在PC上進行運算後,PC再把影像透過HDMI介面、聲音透過一般類比音源孔,往前傳遞到腰帶盒,腰帶盒再傳到眼鏡內。

因此,嚴格來說OSVR HDK2有3個硬體,一是眼鏡,二是腰帶盒,三是紅外線攝影機。而眼鏡內其實由5片電路板所構成,腰帶盒1片,攝影機1片。

在眼鏡內的5片電路板,分別是HMD board、Front cover、USB board、IR board、U board,腰帶盒內則是BB board,紅外線攝影機內則是IR back module。若透過Excel檔進一步觀察,會發現HMD board使用最多零件項,共有133個;腰帶盒次之,為83個,更次為IR board的35個,其餘的電路板都不到10個零件。

零件數目比較

OSVR HDK2零件數量與晶片數量之比較

274個零件項中,有35項屬於晶片,其中最主要的HMD board就佔了16項,BB board為13項,IR board為5項,Front cover為1項,由此更顯示HMD board眼鏡與BB board腰帶盒是硬體技術含量所在。至於晶片商方面約有19家,其中也有若干台灣廠商,如華邦、致新等。

結語

老實說,OSVR HDK2還有很多值得探討的內容,但本篇必須先打住。而這個探索除了滿足好奇心外,有興趣的人,也可以開發OSVR用的各種操控器,且只要把操控器透過USB介面接上腰帶盒,再傳遞到PC上,就有機會開發出新的VR操控法唷!

最後,有趣的是,OSVR除了由雷蛇發起,較大的支持者是英特爾(Intel),但在2016年11月遊戲平台業者Steam也表態支持OSVR,這使得VIVE的氣勢有點下滑,從而提升了OSVR的氣勢。至於之後會如何發展?且讓我們拭目以待。

 

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陸向陽

陸向陽

從電子科系畢業後,即以媒體人的角色繼續這段與「電子科技」的不解之緣。歷任電子技術專書作者、電子媒體記者、分析師等角色,並持續寫作不殆。近來投入Arduino、Raspberry Pi等開放硬體的研究與教程介紹。
陸向陽

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