虚拟现实之立体显示技术

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1、虚拟现实之立体显示技术2007-5-15虚拟现实技术什么是虚拟现实 虚拟现实(Virtual Reality，简称VR)又译为临境、灵境等。它是由美国VPL Research Inc.公司的J.Lanier在1989年造的一个词，通常是指用头盔显示器和传感手套等一系列新型交互设备构造出的一种计算机软硬件环境，人们通过这些设施以自然的技能(如头的转动、身体的运动等）向计算机送入各种命令，并得到计算机对用户的视觉、听觉及触觉等多种感官的反馈。随着人们动作的变化，这些感官反馈也随之改变。2007-5-15虚拟现实系统的特性 虚拟现实系统就是要利用各种先进的硬件技术及软件工具，设计出合理的硬件、软件及

2、交互手段。使参与者能交互式地观察和操纵系统生成的虚拟世界。从概念上讲，任何一个虚拟现实系统都可用三个“I”来描述其特性，这就是“沉浸(Immersion)”、“交互（Interaction）”、“想象（Imagination）”。2007-5-15沉浸（Immersion）虚拟现实系统中用户感知的环境是三维立体的；信息是多通道的，不仅能够获得视觉，还可感受听觉、触觉等多种反馈信息，使得用户在虚拟环境中具有逼真的沉浸感。交互（Interaction）虚拟现实环境抛弃了鼠标的束缚，用户可以采用更为自然的三维操作或手势、语音等多通道信息来表达自己的意图。想象（Imagination）在虚拟现实环境中

3、，用户处于多通道的三维空间中，从而可以充分发挥人的灵感和想象力，使设计的成功性和用户驾驭对象的能力得到空前的提高。2007-5-15虚拟现实系统的基本组成2007-5-15虚拟现实技术的应用 目前国内许多高校都在研究虚拟现实技术，并拥有自己的虚拟现实实验室，其中以北京航天航空大学为代表，并有武汉大学、浙江大学、山东科技大学、西南交通大学等。目前关于虚拟现实技术的应用主要分布在军事和民用两方面，其中，军事上多集中于头盔显示器的研究，如波音公司生产的JHMCS系统；而在民用上虚拟现实技术多应用于工业生产中的机械制造和设计，以及日常娱乐设备。2007-5-15 北航虚拟现实（Virtual Real

4、ity:VR）新技术教育部重点实验室建立于2000年，是我国虚拟现实应用基础研究、应用系统关键技术研究和高层创新人才培养的重要基地。实验室围绕我国经济建设、社会发展、科技进步和国家安全的重大需求，系统研究虚拟现实的有关理论和方法、重点突破前沿关键技术、自主研制虚拟现实开发工具和平台、开发虚拟现实示范应用系统，汇聚和培养高层次创新人才，努力建设国内一流、国际知名的虚拟现实技术研究机构。研究室现有教授8人，副教授8人，讲师6名，在读博士生和硕士生130余人。形成了以青年学术带头人为骨干的科研队伍，主要研究方向以青年学术带头人与学术骨干为主，知识结构和年龄结构合理、各层次人员配备齐全，学术思想活跃、

5、团结协作的研究队伍。学术带头人赵沁平教授，博士生导师，国务院学位委员会委员，中国计算机学会虚拟现实与可视化专业委员会主任委员，国家863计划重大项目“分布式虚拟环境”总体负责人。2007-5-15 实验室承担了973计划、国家863计划、国家自然科学基金重点项目、国防科技预研计划、装备型号、CNGI和科技奥运等重大国家科研任务。5年纵向课题到款额超过3600万元，具有自主开发运行大型虚拟现实开发运行平台的能力，已经推出分布交互仿真开发与运行平台BHHLA/RTI 和实时三维图形平台BH_GRAPH；获得国家科技进步二等奖1项，省部及科技进步一等奖2项，其它省部级奖励3项，发表学术论文225篇，

6、获得授权发明专利6项。十一五期间，实验室确立了虚拟现实中的建模理论和方法、增强现实与人机交互机制、分布式虚拟现实方法与技术、虚拟现实的集成环境与工具四个方面的研究方向。进一步增强实现虚拟现实领域国家重大科技目标 的能力，加强师资队伍建设，特别是引进国外高水平学科带头人，健全规章制度，提高开关水平，积极为国家的信息化和信息产业做出新的更大的贡献。2007-5-15实验室部分研究项目课题名称编号负责人起止时间经费/万元类别多兵种武器平台级分布式虚拟战术综合演练场2001AA115130赵沁平2001-2003 520/520 863计划多兵种武器平台级分布式虚拟战术综合演练场 2004AA1151

7、30梁晓辉2004-2005 680/680863计划分布式虚拟环境技术2002CB312100 吴威2002-2007150/85 863计划虚拟奥运博物馆关键技术的研究 60533070F020501赵沁平 2005-2008180/108 国家自然科学基金重点2008年北京奥运会开（闭）幕式创意仿真支撑平台及逼真演示环境开发Z0005191041211郝爱民 2005-2007 250/150科技奥运专项基于IPV6的高性能视频传输和共享虚拟现实CNGI-04-15-8A 周忠2005-2006 400/200 国家发改委教育部考试中心网络系统的研究和实施夏春和 2001-2005 27

8、0.8/270.8教育部2007-5-15 波音公司日前获得一份6880万美元不确定交付/不确定数量的严格固定价格合同，合同订购全速产品4（FRP 4）联合头盔显示系统（JHMCS）。截至目前，全部资金已交付。工作将于2009年12月完成。位于俄亥俄州Wright-Patterson空军基地的空军材料指挥司令部签署该合同（F33657-01-D-0026/交付订单0058）。该系统将用于美国空军F-15和F-16，MACH Brooks，美国海军F/A-18平台，并对外售于波兰（F/16s），比利时（F-16s），巴基斯坦（F-16s），希腊（F-16s），皇家澳大利亚空军（F/A-18s），

9、瑞士（F/A-18s）和加拿大（F/A-18s）。在过去的6年中，波音公司已按合约生产了超过2000个JHMCS系统。波音公司是JHMCS的主要承包商和集成商，JHMCS由美国加利福尼亚州San Jose的Rockwell Collins/Elbit联合投资公司景象系统国际,LLC公司生产的。2007-5-15虚拟现实的立体显示设备HMD（Helmet Mounted Display）头盔式显示器BOOM（Binocular Omni-Orientational Monitor）双目全方位显视器立体投影显示3D Stereo Eyes 3D立体眼镜 2007-5-15HMD（头盔显示器）头盔显

10、示器(HMD)是虚拟现实系统中普遍采用的一种立体显示设备，它通常安装在头部，并用机械的方法固定，头与头盔之间不能有相对运动，在头盔显示器上配有空间位置跟踪设备，能实时检测出头部的位置，虚拟现实系统能在头盔显示器的屏幕上显示出反映当前位置的场景图像。它通常由两个LCD或CRT显示器分别向两个眼睛提供图像，这两个图像由计算机分别驱动，两个图像存在着微小的差别。类似于“双眼视差”，通过大脑将两个图像融合以获得深度感知，得到一个立体的图像。2007-5-15 双眼立体光学模型双眼立体光学模型 左图中，在左右两个显示屏上的像素分别为A1和A2,它们在屏幕上的位置之差,就是立体视差。这两个像素点在虚像显示

11、屏上的对应象互分别为B1和B2。从每个眼睛到虚像显示屏上像素B1和B2的视线在三维空间中相交于C点，C点就是用户看到的像素在空间中的位置。1A1A1A2007-5-15HMD产品实物举例IGlassesHMD800Visette Pro/Visette Pro 452007-5-15IGlasses是一种便携、高品质、高分辨率的计算机显示器，对于大多数的人群都比较合适，内建高保真立体声耳机。所有的iglasses PC都是即插即用的产品，适合所有的PC机，笔记本电脑甚至目前流行的PDA，现场感强、图象清晰、饱和多彩。为计算机显示提供了很好的单通道解决方案。Iglasses PC可以用在科研、仿

12、真、娱乐等领域。特性:分辨率：800 x 600 RES 图象尺寸：72英寸瞳孔调节范围：17mmH x 6mmV 显示：710“,100%Overlap,TBR VGA/SVGA/XVGA 输入，800 x 600 RES音频：立体声 通过调节可以适合所有观察者控制参数：电源，音量，颜色，色彩，对比度，亮度，2D/3D模式可选 HMD电缆配置：Audio 1/8“电源：9V AC，电池可选2007-5-15HMD800,the 5DT Head Mounted Display(HMD)offers the user affordable quality,high resolution(SVG

13、A),a crisp image and superior sound quality packaged in a sleek,comfortable and extremely light headmount design.The HMD provides for user configurable immersion levels.Other features are adjustable top/back ratchets,a mounting base for head trackers and a flip-up mode for reality checks.SVGA,PAL an

14、d NTSC input signals are accepted.Affordable qualityAdjustable topback rachetsMono or stereo modelsCable organizerMounting base for head trackersCrisp SVGA imageExtreme comfort User configurable immersivityLightweight 2007-5-15The forerunners of the Visette Pro have been tested in the most demanding

15、 of environments.Operating in LBE centres for up to 12 hours a day,365 days a year,every possible problem has been experienced and corrected by global support operation.The result is(probably)the most reliable headset in the world.A product that Cybermind is now able to offer to application develope

16、rs as the answer to their requirements for professional.DisplayTechnology Dual poly-silicon TFT active matrix LCDsVideo Format VGAResolution 640(h)x 480(v),307,200 pixels Pixel arrangement Diagonal mosaicPixel pitch 0.042 x 0.042Contrast ratio 200:12007-5-15头盔显示器工作方式2007-5-15目前市场上头盔显示器显示表面的分类CRT（阴极射

17、线管）类显示表面LCD（背光液晶显示器）类显示表面VRD（虚拟现实显示器）类显示表面等离子管类显示器硅VLSI类显示器2007-5-15VRD显示表面工作原理示意图2007-5-15头盔显示器的优缺点 头盔式显示器可以将参与者与外界完全隔离或部分隔离。因而已成为沉浸式虚拟现实系统与增强式虚拟现实系统不可缺少的视觉输出设备。但由于头盔显示器只是种单用户沉浸的显示器，并不适合于多用户协同工作方式。而且其设备过重，分辨率较低，刷新频率慢，跟踪精度低，离屏幕过近，这些都会使用户感到眼睛疲劳和恶心、不舒适。2007-5-15BOOM（双目全方位显视器）由于HMD存在以上缺点，于是出现了可移动的显示系统。

18、如右图所示，它的显示器由吊杆支撑，而且在支撑臂上的每个节点处都有空间位置跟踪器，因此BOOM能提供高分辨率、高质量的影象，而对用户无重量上的负担。2007-5-15BOOM系统的主要缺点 由于使用机械臂，影响用户运动，在工作空间中心支撑架造成了“死区”。因此BOOM的工作区要去除中心大约0.5平米的空间范围，而且它还是一种单用户的虚拟环境且不能解决屏幕离眼睛过近给用户带来的不舒适感。2007-5-15立体投影显示CAVE（洞穴式立体显示装置）响应工作台显示装置墙式立体显示装置a.单投影机主动式立体显示系统b.单投影机被动式立体显示系统c.双投影机被动式立体显示系统 2007-5-15CAVE基

19、本结构示意图2007-5-15响应工作台显示装置2007-5-15 单投影机主动式立体显示系统 单投影机被动式立体显示系统2007-5-153D立体眼镜3D眼镜的基本原理 根据人体视觉的相关知识，我们知道由于人眼一左一右，有大约68cm的距离，因此左右眼各自处在不同的位置，所得的画面有一点细微的差异。正是这种视差，使人的大脑能将两眼得到的细微差别图像进行融合，从而在大脑中产生有空间感的立体物体，在一般的二维图片中，保存了的三维信息，通过图像的灰度变化来反映，这种方法只能产生部分深度信息的恢复。2007-5-15 而我们所指立体图是通过让左右双眼接收不同的图像，从而真正地恢复三维的信息，立体图的

20、产生基本过程是对同一场景分别产生两个相应于左右双眼的不同图像，让它们之间具有一定的视差，从而保存了深度立体信息。2007-5-15 3D眼镜的左右两片镜片是各由一片LCD构成的，由LCD来控制两眼可以看到的画面，在电脑屏幕上交错出现左眼与右眼应该看到的画面，当左眼的画面出现时，左眼的液晶处于可透光的状态，而右眼的液晶则是遮住的，于是只有左眼可以看到画面。而到右眼的画面出现时，眼镜就变成只有右眼可以看到画面的状态，由于两眼看到的画面不同，自然就可以产生出立体的效果来。2007-5-15 在3D眼镜工作的时候，显示器是以120Hz交错式的扫描频率工作，左眼和右眼各得60Hz，因为交错的速度很快，所

21、以如果不戴上眼镜的话会同时看到两眼的画面，就好像是两个眼睛看东西时没有对好焦距所看到的影象，显的模糊不清晰。2007-5-153D眼镜的产品实例 WST 3D-1、WST 3D-2 （无线、有线）无线、有线）Nu vision（无线、有线）无线、有线）Crystal eyes （无线、有线）无线、有线）2007-5-15 WST 3D-1与WST 3D-2基于页交换模式(Page flip)的液晶立体眼镜，WST 3D 1型和2型均有有线和无线两种配置。一个发射器+2个无线液晶立体眼镜/2个有线液晶立体眼镜 可以在PC或图形工作站上观看立体图像，宽大的外形设计可适应任何戴眼镜的观看者使用。液晶

22、片的开关频率为120Hz以上。通过内置的红外接收器接收控制信号，89米内均可以接收到信号立体信号，使用2粒CR2032锂电池为电路提供电源，正常工作可连续使用150小时电源开关采用轻触型，具有自动关机的功能。我们还可以生产用于SGI立体图像观看的专用驱动器；可以定制大功率发射器，用这种发射器，10米以外的观察者也可以观看到栩栩如生的立体效果。2007-5-15 Nu Vision Nu Vision LC眼镜在具备立体显示功能(3PIN Mini IN插口)的显卡上很容易实现立体显示效果，它的舒适和方便是众所周知的，连续使用几个几个小时而眼睛不会有任何疼痛感。它的框架设计可以让已经配戴有矫正视

23、力眼镜的用户方便地使用它。立体图像很清晰并且没有闪动的边缘，显示刷新可以达到120Hz以上。该眼镜被设计成最小化的反射效果，电池容电量可超过600小时。对于那些没有立体显示的计算机（使用普通的图形卡），60GX-NSR是使你的计算机变成立体显示工作站的唯一工具。无论如何，你都可以从MacNaughton的工业领先的立体显示技术中得到优异的仿真效果2007-5-15 Crystal EyesCrystal Eyes是一种轻便、无线的立体眼镜，适合于工程和科研应用。该产品几乎可在所有的UNIX工作站上实现虚拟现实立体显示，也可在Windows NT平台上实现立体显示，是目前国际上最好的专业型液晶立

24、体眼镜，大型虚拟现实系统、中高档的工作站等均采用该产品。需要红外发射器支持。Stereo3D是用计算机技术实现深度感的立体。立体显示描述了我们人类是如何利用双眼每只眼睛看到微小的视差来感知物理环境的深度感的。Stereo3D能够帮助工程师和科学家更好地理解三维信息。许多专业软件都支持Crystal Eyes，如机械CAD、产品可视化、仿真、分子建模、地理信息系统/测绘和医学成象等。彩色图像真实、高分辨率、无鬼影。Crystal Eyes NT系统(含Crystal Eyes立体眼镜和E-2发射器)2007-5-15参考文献张茂君 虚拟现实系统 2001 科学出版社胡小强 虚拟现实技术 2005.7 北京邮电大学出版社加舍曼 虚拟现实系统接口、应用与设计 2004.11 电子工业出版社 韦有双 虚拟现实与系统仿真 2004.1 国防工业出版社刘宝庆 3D立体眼镜原理 1999.8高福雄 3D立体眼镜 2001.6.5 电子科技立体眼镜,更真实的3D感觉 CHIP2007-5-152007-5-15