虛擬現(xiàn)實(shí)之立體顯示技術(shù)

虛擬現(xiàn)實(shí)之立體顯示技術(shù)2007-5-15虛擬現(xiàn)實(shí)之立體顯示技術(shù)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)什么是虛擬現(xiàn)實(shí)虛擬現(xiàn)實(shí)(VirtualReality，簡(jiǎn)稱(chēng)VR)．又譯為臨境、靈境等。它是由美國(guó)VPLResearchInc.公司的J.Lanier在1989年造的一個(gè)詞，通常是指用頭盔顯示器和傳感手套等一系列新型交互設(shè)備構(gòu)造出的一種計(jì)算機(jī)軟硬件環(huán)境，人們通過(guò)這些設(shè)施以自然的技能(如頭的轉(zhuǎn)動(dòng)、身體的運(yùn)動(dòng)等）向計(jì)算機(jī)送入各種命令，并得到計(jì)算機(jī)對(duì)用戶(hù)的視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)及觸覺(jué)等多種感官的反饋。隨著人們動(dòng)作的變化，這些感官反饋也隨之改變。2007-5-15虛擬現(xiàn)實(shí)之立體顯示技術(shù)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的特性虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)就是要利用各種先進(jìn)的硬件技術(shù)及軟件工具，設(shè)計(jì)出合理的硬件、軟件及交互手段。使參與者能交互式地觀察和操縱系統(tǒng)生成的虛擬世界。從概念上講，任何一個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)都可用三個(gè)“I”來(lái)描述其特性，這就是“沉浸(Immersion)”、“交互（Interaction）”、

“想象（Imagination）”。2007-5-15虛擬現(xiàn)實(shí)之立體顯示技術(shù)沉浸（Immersion）

虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中用戶(hù)感知的環(huán)境是三維立體的；信息是多通道的，不僅能夠獲得視覺(jué)，還可感受聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)等多種反饋信息，使得用戶(hù)在虛擬環(huán)境中具有逼真的沉浸感。交互（Interaction）

虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境拋棄了鼠標(biāo)的束縛，用戶(hù)可以采用更為自然的三維操作或手勢(shì)、語(yǔ)音等多通道信息來(lái)表達(dá)自己的意圖。想象（Imagination）

在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中，用戶(hù)處于多通道的三維空間中，從而可以充分發(fā)揮人的靈感和想象力，使設(shè)計(jì)的成功性和用戶(hù)駕馭對(duì)象的能力得到空前的提高。

2007-5-15虛擬現(xiàn)實(shí)之立體顯示技術(shù)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的基本組成2007-5-15虛擬現(xiàn)實(shí)之立體顯示技術(shù)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用目前國(guó)內(nèi)許多高校都在研究虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，并擁有自己的虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室，其中以北京航天航空大學(xué)為代表，并有武漢大學(xué)、浙江大學(xué)、山東科技大學(xué)、西南交通大學(xué)等。目前關(guān)于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用主要分布在軍事和民用兩方面，其中，軍事上多集中于頭盔顯示器的研究，如波音公司生產(chǎn)的JHMCS系統(tǒng)；而在民用上虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)多應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中的機(jī)械制造和設(shè)計(jì)，以及日常娛樂(lè)設(shè)備。2007-5-15虛擬現(xiàn)實(shí)之立體顯示技術(shù)北航虛擬現(xiàn)實(shí)（VirtualReality:VR）新技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室建立于2000年，是我國(guó)虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用基礎(chǔ)研究、應(yīng)用系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究和高層創(chuàng)新人才培養(yǎng)的重要基地。實(shí)驗(yàn)室圍繞我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)、社會(huì)發(fā)展、科技進(jìn)步和國(guó)家安全的重大需求，系統(tǒng)研究虛擬現(xiàn)實(shí)的有關(guān)理論和方法、重點(diǎn)突破前沿關(guān)鍵技術(shù)、自主研制虛擬現(xiàn)實(shí)開(kāi)發(fā)工具和平臺(tái)、開(kāi)發(fā)虛擬現(xiàn)實(shí)示范應(yīng)用系統(tǒng)，匯聚和培養(yǎng)高層次創(chuàng)新人才，努力建設(shè)國(guó)內(nèi)一流、國(guó)際知名的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)研究機(jī)構(gòu)。

研究室現(xiàn)有教授8人，副教授8人，講師6名，在讀博士生和碩士生130余人。形成了以青年學(xué)術(shù)帶頭人為骨干的科研隊(duì)伍，主要研究方向以青年學(xué)術(shù)帶頭人與學(xué)術(shù)骨干為主，知識(shí)結(jié)構(gòu)和年齡結(jié)構(gòu)合理、各層次人員配備齊全，學(xué)術(shù)思想活躍、團(tuán)結(jié)協(xié)作的研究隊(duì)伍。學(xué)術(shù)帶頭人趙沁平教授，博士生導(dǎo)師，國(guó)務(wù)院學(xué)位委員會(huì)委員，中國(guó)計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)虛擬現(xiàn)實(shí)與可視化專(zhuān)業(yè)委員會(huì)主任委員，國(guó)家863計(jì)劃重大項(xiàng)目“分布式虛擬環(huán)境”總體負(fù)責(zé)人。

2007-5-15虛擬現(xiàn)實(shí)之立體顯示技術(shù)實(shí)驗(yàn)室承擔(dān)了973計(jì)劃、國(guó)家863計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目、國(guó)防科技預(yù)研計(jì)劃、裝備型號(hào)、CNGI和科技奧運(yùn)等重大國(guó)家科研任務(wù)。5年縱向課題到款額超過(guò)3600萬(wàn)元，具有自主開(kāi)發(fā)運(yùn)行大型虛擬現(xiàn)實(shí)開(kāi)發(fā)運(yùn)行平臺(tái)的能力，已經(jīng)推出分布交互仿真開(kāi)發(fā)與運(yùn)行平臺(tái)BHHLA/RTI

和實(shí)時(shí)三維圖形平臺(tái)BH_GRAPH；獲得國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)1項(xiàng)，省部及科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)2項(xiàng)，其它省部級(jí)獎(jiǎng)勵(lì)3項(xiàng)，發(fā)表學(xué)術(shù)論文225篇，獲得授權(quán)發(fā)明專(zhuān)利6項(xiàng)。十一五期間，實(shí)驗(yàn)室確立了虛擬現(xiàn)實(shí)中的建模理論和方法、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)與人機(jī)交互機(jī)制、分布式虛擬現(xiàn)實(shí)方法與技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)的集成環(huán)境與工具四個(gè)方面的研究方向。進(jìn)一步增強(qiáng)實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域國(guó)家重大科技目標(biāo)

的能力，加強(qiáng)師資隊(duì)伍建設(shè)，特別是引進(jìn)國(guó)外高水平學(xué)科帶頭人，健全規(guī)章制度，提高開(kāi)關(guān)水平，積極為國(guó)家的信息化和信息產(chǎn)業(yè)做出新的更大的貢獻(xiàn)。2007-5-15虛擬現(xiàn)實(shí)之立體顯示技術(shù)實(shí)驗(yàn)室部分研究項(xiàng)目課題名稱(chēng)編號(hào)負(fù)責(zé)人起止時(shí)間經(jīng)費(fèi)/萬(wàn)元類(lèi)別多兵種武器平臺(tái)級(jí)分布式虛擬戰(zhàn)術(shù)綜合演練場(chǎng)2001AA115130趙沁平2001-2003

520/520

863計(jì)劃多兵種武器平臺(tái)級(jí)分布式虛擬戰(zhàn)術(shù)綜合演練場(chǎng)

2004AA115130梁曉輝2004-2005

680/680863計(jì)劃分布式虛擬環(huán)境技術(shù)2002CB312100

吳威2002-2007150/85

863計(jì)劃虛擬奧運(yùn)博物館關(guān)鍵技術(shù)的研究

60533070F020501趙沁平

2005-2008180/108

國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)2008年北京奧運(yùn)會(huì)開(kāi)（閉）幕式創(chuàng)意仿真支撐平臺(tái)及逼真演示環(huán)境開(kāi)發(fā)Z0005191041211郝愛(ài)民

2005-2007

250/150科技奧運(yùn)專(zhuān)項(xiàng)基于IPV6的高性能視頻傳輸和共享虛擬現(xiàn)實(shí)CNGI-04-15-8A

周忠2005-2006

400/200

國(guó)家發(fā)改委教育部考試中心網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的研究和實(shí)施夏春和

2001-2005

270.8/270.8教育部其他成果可以參見(jiàn)北航的網(wǎng)站/site2007-5-15虛擬現(xiàn)實(shí)之立體顯示技術(shù)波音公司日前獲得一份6880萬(wàn)美元不確定交付/不確定數(shù)量的嚴(yán)格固定價(jià)格合同，合同訂購(gòu)全速產(chǎn)品4（FRP4）聯(lián)合頭盔顯示系統(tǒng)（JHMCS）。截至目前，全部資金已交付。工作將于2009年12月完成。位于俄亥俄州Wright-Patterson空軍基地的空軍材料指揮司令部簽署該合同（F33657-01-D-0026/交付訂單0058）。該系統(tǒng)將用于美國(guó)空軍F-15和F-16，MACHBrooks，美國(guó)海軍F/A-18平臺(tái)，并對(duì)外售于波蘭（F/16s），比利時(shí)（F-16s），巴基斯坦（F-16s），希臘（F-16s），皇家澳大利亞空軍（F/A-18s），瑞士（F/A-18s）和加拿大（F/A-18s）。

在過(guò)去的6年中，波音公司已按合約生產(chǎn)了超過(guò)2000個(gè)JHMCS系統(tǒng)。波音公司是JHMCS的主要承包商和集成商，JHMCS由美國(guó)加利福尼亞州SanJose的RockwellCollins/Elbit聯(lián)合投資公司景象系統(tǒng)國(guó)際,LLC公司生產(chǎn)的。2007-5-15虛擬現(xiàn)實(shí)之立體顯示技術(shù)虛擬現(xiàn)實(shí)的立體顯示設(shè)備HMD（HelmetMountedDisplay）頭盔式顯示器BOOM（BinocularOmni-OrientationalMonitor）雙目全方位顯視器立體投影顯示3DStereoEyes3D立體眼鏡

2007-5-15虛擬現(xiàn)實(shí)之立體顯示技術(shù)HMD（頭盔顯示器）

頭盔顯示器(HMD)是虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中普遍采用的一種立體顯示設(shè)備，它通常安裝在頭部，并用機(jī)械的方法固定，頭與頭盔之間不能有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，在頭盔顯示器上配有空間位置跟蹤設(shè)備，能實(shí)時(shí)檢測(cè)出頭部的位置，虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)能在頭盔顯示器的屏幕上顯示出反映當(dāng)前位置的場(chǎng)景圖像。它通常由兩個(gè)LCD或CRT顯示器分別向兩個(gè)眼睛提供圖像，這兩個(gè)圖像由計(jì)算機(jī)分別驅(qū)動(dòng)，兩個(gè)圖像存在著微小的差別。類(lèi)似于“雙眼視差”，通過(guò)大腦將兩個(gè)圖像融合以獲得深度感知，得到一個(gè)立體的圖像。2007-5-15虛擬現(xiàn)實(shí)之立體顯示技術(shù)雙眼立體光學(xué)模型

左圖中，在左右兩個(gè)顯示屏上的像素分別為A1和A2,它們?cè)谄聊簧系奈恢弥?就是立體視差。這兩個(gè)像素點(diǎn)在虛像顯示屏上的對(duì)應(yīng)象互分別為B1和B2。從每個(gè)眼睛到虛像顯示屏上像素B1和B2的視線(xiàn)在三維空間中相交于C點(diǎn)，C點(diǎn)就是用戶(hù)看到的像素在空間中的位置。2007-5-15虛擬現(xiàn)實(shí)之立體顯示技術(shù)HMD產(chǎn)品實(shí)物舉例IGlassesHMD800Visette

Pro/Visette

Pro452007-5-15虛擬現(xiàn)實(shí)之立體顯示技術(shù)IGlasses是一種便攜、高品質(zhì)、高分辨率的計(jì)算機(jī)顯示器，對(duì)于大多數(shù)的人群都比較合適，內(nèi)建高保真立體聲耳機(jī)。所有的iglassesPC都是即插即用的產(chǎn)品，適合所有的PC機(jī)，筆記本電腦甚至目前流行的PDA，現(xiàn)場(chǎng)感強(qiáng)、圖象清晰、飽和多彩。為計(jì)算機(jī)顯示提供了很好的單通道解決方案。IglassesPC可以用在科研、仿真、娛樂(lè)等領(lǐng)域。

特性:

分辨率：800x600RES

圖象尺寸：72英寸

瞳孔調(diào)節(jié)范圍：17mmHx6mmV顯示：7‘10“,100%Overlap,TBRVGA/SVGA/XVGA輸入，800x600RES

音頻：立體聲通過(guò)調(diào)節(jié)可以適合所有觀察者

控制參數(shù)：電源，音量，顏色，色彩，對(duì)比度，亮度，2D/3D模式可選

HMD電纜配置：Audio1/8“電源：9VAC，電池可選2007-5-15虛擬現(xiàn)實(shí)之立體顯示技術(shù)HMD800,the5DTHeadMountedDisplay(HMD)offerstheuseraffordablequality,highresolution(SVGA),acrispimageandsuperiorsoundqualitypackagedinasleek,comfortableandextremelylightheadmountdesign.TheHMDprovidesforuserconfigurableimmersionlevels.Otherfeaturesareadjustabletop/backratchets,amountingbaseforheadtrackersandaflip-upmodeforrealitychecks.SVGA,PALandNTSCinputsignalsareaccepted.

Affordablequality

Adjustabletop

backrachets

Monoorstereomodels

Cableorganizer

Mountingbaseforheadtrackers

CrispSVGAimage

Extremecomfort

Userconfigurableimmersivity

Lightweight

2007-5-15虛擬現(xiàn)實(shí)之立體顯示技術(shù)TheforerunnersoftheVisette?Prohavebeentestedinthemostdemandingofenvironments.OperatinginLBEcentresforupto12hoursaday,365daysayear,everypossibleproblemhasbeenexperiencedandcorrectedbyglobalsupportoperation.Theresultis(probably)themostreliableheadsetintheworld.AproductthatCybermindisnowabletooffertoapplicationdevelopersastheanswertotheirrequirementsforprofessional.

Display

TechnologyDualpoly-siliconTFTactivematrixLCD's

VideoFormatVGA

Resolution640(h)x480(v),307,200pixels

PixelarrangementDiagonalmosaic

Pixelpitch0.042x0.042

Contrastratio200:1

2007-5-15虛擬現(xiàn)實(shí)之立體顯示技術(shù)頭盔顯示器工作方式2007-5-15虛擬現(xiàn)實(shí)之立體顯示技術(shù)目前市場(chǎng)上頭盔顯示器顯示表面的分類(lèi)CRT（陰極射線(xiàn)管）類(lèi)顯示表面LCD（背光液晶顯示器）類(lèi)顯示表面VRD（虛擬現(xiàn)實(shí)顯示器）類(lèi)顯示表面等離子管類(lèi)顯示器硅VLSI類(lèi)顯示器2007-5-15虛擬現(xiàn)實(shí)之立體顯示技術(shù)VRD顯示表面工作原理示意圖2007-5-15虛擬現(xiàn)實(shí)之立體顯示技術(shù)頭盔顯示器的優(yōu)缺點(diǎn)

頭盔式顯示器可以將參與者與外界完全隔離或部分隔離。因而已成為沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)與增強(qiáng)式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)不可缺少的視覺(jué)輸出設(shè)備。但由于頭盔顯示器只是種單用戶(hù)沉浸的顯示器，并不適合于多用戶(hù)協(xié)同工作方式。而且其設(shè)備過(guò)重，分辨率較低，刷新頻率慢，跟蹤精度低，離屏幕過(guò)近，這些都會(huì)使用戶(hù)感到眼睛疲勞和惡心、不舒適。2007-5-15虛擬現(xiàn)實(shí)之立體顯示技術(shù)BOOM（雙目全方位顯視器）由于HMD存在以上缺點(diǎn)，于是出現(xiàn)了可移動(dòng)的顯示系統(tǒng)。如右圖所示，它的顯示器由吊桿支撐，而且在支撐臂上的每個(gè)節(jié)點(diǎn)處都有空間位置跟蹤器，因此BOOM能提供高分辨率、高質(zhì)量的影象，而對(duì)用戶(hù)無(wú)重量上的負(fù)擔(dān)。2007-5-15虛擬現(xiàn)實(shí)之立體顯示技術(shù)BOOM系統(tǒng)的主要缺點(diǎn)

由于使用機(jī)械臂，影響用戶(hù)運(yùn)動(dòng)，在工作空間中心支撐架造成了“死區(qū)”。因此BOOM的工作區(qū)要去除中心大約0.5平米的空間范圍，而且它還是一種單用戶(hù)的虛擬環(huán)境且不能解決屏幕離眼睛過(guò)近給用戶(hù)帶來(lái)的不舒適感。2007-5-15虛擬現(xiàn)實(shí)之立體顯示技術(shù)立體投影顯示CAVE（洞穴式立體顯示裝置）響應(yīng)工作臺(tái)顯示裝置墻式立體顯示裝置單投影機(jī)主動(dòng)式立體顯示系統(tǒng)單投影機(jī)被動(dòng)式立體顯示系統(tǒng)雙投影機(jī)被動(dòng)式立體顯示系統(tǒng)

2007-5-15虛擬現(xiàn)實(shí)之立體顯示技術(shù)CAVE基本結(jié)構(gòu)示意圖2007-5-15虛擬現(xiàn)實(shí)之立體顯示技術(shù)響應(yīng)工作臺(tái)顯示裝置2007-5-15虛擬現(xiàn)實(shí)之立體顯示技術(shù)單投影機(jī)主動(dòng)式立體顯示系統(tǒng)單投影機(jī)被動(dòng)式立體顯示系統(tǒng)2007-5-15虛擬現(xiàn)實(shí)之立體顯示技術(shù)3D立體眼鏡3D眼鏡的基本原理根據(jù)人體視覺(jué)的相關(guān)知識(shí)，我們知道由于人眼一左一右，有大約6~8cm的距離，因此左右眼各自處在不同的位置，所得的畫(huà)面有一點(diǎn)細(xì)微的差異。正是這種視差，使人的大腦能將兩眼得到的細(xì)微差別圖像進(jìn)行融合，從而在大腦中產(chǎn)生有空間感的立體物體，在一般的二維圖片中，保存了的三維信息，通過(guò)圖像的灰度變化來(lái)反映，這種方法只能產(chǎn)生部分深度信息的恢復(fù)。2007-5-15虛擬現(xiàn)實(shí)之立體顯示技術(shù)

而我們所指立體圖是通過(guò)讓左右雙眼接收不同的圖像，從而真正地恢復(fù)三維的信息，立體圖的產(chǎn)生基本過(guò)程是對(duì)同一場(chǎng)景分別產(chǎn)生兩個(gè)相應(yīng)于左右雙眼的不同圖像，讓它們之間具有一定的視差，從而保存了深度立體信息。2007-5-15虛擬現(xiàn)實(shí)之立體顯示技術(shù)

3D眼鏡的左右兩片鏡片是各由一片LCD構(gòu)成的，由LCD來(lái)控制兩眼可以看到的畫(huà)面，在電腦屏幕上交錯(cuò)出現(xiàn)左眼與右眼應(yīng)該看到的畫(huà)面，當(dāng)左眼的畫(huà)面出現(xiàn)時(shí)，左眼的液晶處于可透光的狀態(tài)，而右眼的液晶則是遮住的，于是只有左眼可以看到畫(huà)面。而到右眼的畫(huà)面出現(xiàn)時(shí)，眼鏡就變成只有右眼可以看到畫(huà)面的狀態(tài)，由于兩眼看到的畫(huà)面不同，自然就可以產(chǎn)生出立體的效果來(lái)。2007-5-15虛擬現(xiàn)實(shí)之立體顯示技術(shù)

在3D眼鏡工作的時(shí)候，顯示器是以120Hz交錯(cuò)式的掃描頻率工作，左眼和右眼各得60Hz，因?yàn)榻诲e(cuò)的速度很快，所以如果不戴上眼鏡的話(huà)會(huì)同時(shí)看到兩眼的畫(huà)面，就好像是兩個(gè)眼睛看東西時(shí)沒(méi)有對(duì)好焦距所看到的影象，顯的模糊不清晰。2007-5-15虛擬現(xiàn)實(shí)之立體顯示技術(shù)3D眼鏡的產(chǎn)品實(shí)例

WST3D-1、WST3D-2（無(wú)線(xiàn)、有線(xiàn)）

Nuvision（無(wú)線(xiàn)、有線(xiàn)）

Crystaleyes（無(wú)線(xiàn)、有線(xiàn)）2007-5-15虛擬現(xiàn)實(shí)之立體顯示技術(shù)

WST3D-1與WST3D-2基于頁(yè)交換模式(Pageflip)的液晶立體眼鏡，WST3D1型和2型均有有線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)兩種配置。

一個(gè)發(fā)射器+2個(gè)無(wú)線(xiàn)液晶立體眼鏡/2個(gè)有線(xiàn)液晶立體眼鏡

可以在PC或圖形工作站上觀看立體圖像，寬大的外形設(shè)計(jì)可適應(yīng)任何戴眼鏡的觀看者使用。

液晶片的開(kāi)關(guān)頻率為120Hz以上。

通過(guò)內(nèi)置的紅外接收器接收控制信號(hào)，8－9米內(nèi)均可以接收到信號(hào)立體信號(hào)，

使用2粒CR2032鋰電池為電路提供電源，正常工作可連續(xù)使用150小時(shí)

電源開(kāi)關(guān)采用輕觸型，具有自動(dòng)關(guān)機(jī)的功能。

我們還可以生產(chǎn)用于SGI立體圖像觀看的專(zhuān)用驅(qū)動(dòng)器；可以定制大功率發(fā)射器，用這種發(fā)射器，10米以外的觀察者也可以觀看到栩栩如生的立體效果。

2007-5-15虛擬現(xiàn)實(shí)之立體顯示技術(shù)

NuVisionNuVisionLC眼鏡在具備立體顯示功能(3PINMiniIN插口)的顯卡上很容易實(shí)現(xiàn)立體顯示效果，它的舒適和方便是眾所周知的，連續(xù)使用幾個(gè)幾個(gè)小時(shí)而眼睛不會(huì)有任何疼痛感。它的框架設(shè)計(jì)可以讓已