虚拟现实显示设备及技术

虚拟现实显示设备及技术主讲人：

时间：2013.4.24视觉显示设备与技术触觉与力觉显示设备内容—视觉感知的几个基本概念—立体视觉—视觉显示设备—常见的力/触觉显示设备“沉浸感”是虚拟现实系统最重要的基木特征。当用户与虚拟环境交互作用时，可以获得与真实世界相同或相似的感知，并产生“身临其境”的感受。所以虚拟现实系统对人的感知系统的作用，直接影响系统的真实感。

为了实现虚拟显示的沉浸特性，必须具备人体的感官特性，包括视觉、听觉、触觉、味觉、嗅觉等。常有的显示设备包括：视觉显示设备、听觉显示设备、力觉和触觉显示设备等。据统计，人类对客观世界的感知信息75%-80%来至视觉，所以视觉通道是VR系统中最重要的感知接口。所以，视觉显示是本次讲解的主要内容。

视觉显示设备与技术视觉感知的几个基本概念视域：一个物体能否被观察者看到，取决于该物体的图象是否落在观察者的视网膜上和落在视网膜上的什么位置。能够被眼睛看到的区域称为视域。

在实际中，全景显示产生水平±100°，垂直±30°的视域即可有很强的沉浸感。视角：视觉感知中关于可视目标大小的测量，可视目标在视网膜上的投影大小能够决定视觉感知的质量。一般认为理想的目标提示大小为:在正常光照条件下视角不应该小于15°，在较低光照条件下视角不应该小于21°。这是视景生成和头盔显示过程中的重要参考系数。立体视觉视觉生成外界景物发射或反射光线刺激视网膜感光细胞令视觉神经产生知觉立体视觉生成原理两眼空间位置的不同，是产生立体视觉的主要原因。空间某个物体在两眼的视图中位置不同就产生了立体视差。人眼利用这种视差，判断物体的远近，产生深度感,形成立体视觉，由此获得环境的三维信息。人的视觉系统可以通过四种线索得到深度知觉：侧视网膜图象差：也称双目视差，在双目光轴平行时，由于几何位置的差别，两目看同一环境，却得到不同的图像，形成主要的深度感。运动视差：当观察者相对环境运动时，产生的深度感。如果头部运动，就可能发现物体之间的遮挡关系。运动视差是深度感知中的最有力的线索。事实上，许多动物和昆虫主要是靠运动视差识别目标，例如:兔子和蜜蜂.图象大小差异:对己知物体，图像尺寸的变化是透视深度感。人的直觉是，物体越远，看起来越小。如果物体A与B同样大，但A的图象比B的小.同样可认为A比B离观察者更远。纹理梯度:指视野中的物体在网膜上的投影大小和投影密度发生有层次的变化。例如，当你看沙滩上的石头。根据视网膜上纹理梯度的变化，把小而密的事物看成是比较远的，大而疏的物体看成是比较近的虚拟现实视觉的立体显示，仅仅实现双目视差。虚拟现实视觉的立体显示，还没有实现人类其他的深度感。为了实现立体显示，应该为双目提供不同的图像，有双目视差的图像。为此，对同一虚拟环境，由两个虚拟观察点分别透视投影，得到有双目视差的两个图像。立体显示就是给双目提供有双目视差的两个图像.视觉显示设备头盔显示器（HMD）：头盔显示器是3DVR图形显示与观察设备，可单独与主机相连以接受来自主机的3DVR图形图像信号，借助空间跟踪定位器可进行虚拟现实输出效果观察，同时观察者可做空间上的自由移动，如；自由行走、旋转等，沉浸感极强，优于显示器的虚拟现实观察效果，逊于虚拟三维投影显示，在投影式虚拟现实系统中，头盔显示器作为系统功能和设备的一种补充和辅助。佳能公公司最最新混混合虚虚拟现现实系系统通通过一一个头头戴式式眼镜镜带给给人虚虚拟场场景和和实景景混合合的体体验，，并开开发出出一种种专用用的头头戴式式显示示器和和专用用的位位置校校准软软件，，软件件通过过高精精度和和高速速图像像处理理来获获得合合成图图像，，合成成的图图像大大小与与现实实中的的大小小无异异。而而头戴戴式显显示器器则采采用一一种被被称为为自由由曲线线棱镜镜的镜镜片，，确保保使用用者能能够获获得宽宽广的的视野野和清清晰的的图像像。佳能新新式头头盔显显示器器双目全全方位位显示示器（BOOM）是一种种偶联联头部部的立立体显显示设设备，类似使使用望望远镜镜，它它把两两个独独立的的显示示器捆捆绑在在一起起，由由两个个相互互垂直直的机机械臂臂支撑撑，这这不仅仅让用用户可可以在在半径径2m的球面面空间间内用用手自自由操操纵显显示器器的位位置，，还能能降低显示器器的重重量加加以巧巧妙的的平衡衡而是是指始始终保保持水水平，，不受受平台台运动动的影影响。。在支支撑臂臂上的的每个个节点点处都都有位位置跟跟踪器器，因因此BOOM和HMD一样有有实时时的观观测和和交互互能力力。BOOM全方位位显示示器3D眼镜显显示系系统该系统统设备备包括括：立立体图图像显显示器器和3D眼镜。。立体体图像像显示示器以以两倍倍于正正常扫扫描的的速度度刷新新屏幕幕，计计算机机给显显示器器交替替发送送两幅幅有轻轻微偏偏差的的图像像。位位于CRT（阴极极射线线管））显示示器顶顶部的的红外外发射射器与与信号号同步步，以以无线线方式式控制制活动动眼镜镜。红红外控控制器器指导导立体体眼镜镜的液液晶光光栅交交替地地遮挡挡眼睛睛视野野。大大脑记记录快快速交交替的的左右右眼图图像序序列，，并通通过立立体视视觉将将其融融合在在一起起，从从而产产生深深度感感。世界杯杯3D观看红外立立体眼眼镜显显示利用红红外信信号传传送同同步信信号，，用于于控制制液晶晶眼镜镜的开开关。。眼镜镜上备备有轻轻便的的锂电电池，，眼镜镜在无无线状状态下下工作作：：红外立立体眼眼镜显显示系系统超声波波立体体眼镜镜显示示除了红红外立立体眼眼镜显显示中中的设设备外外，眼眼镜上上还有有头部部跟踪踪的超超声接接受器器。超超声接接受信信号要要经过过导线线传给给头部部跟踪踪系统统，眼眼镜在在有线线状态态下工工作：：超声波波立体体眼镜镜显示示系统统洞穴式式立体体显示示系统统（CAVE系统））使用投投影系系统，，投射射多个个投影影面，，形成成房间间式的的空间间结构构，使使得围围绕观观察者者具有有多个个图像像画面面显示示的虚虚拟现现实系系统，，增强强了沉沉浸感感。CAVE空间结结构示示意图图CAVE系统是是一种种基于于多通通道视视景同同步技技术和和立体体显示示技术术的房房间式式投影影可视视协同同环境境，该该系统统可提提供一一个房房间大大小的的4面、5面或者者6面的立立方体体投影影显示示空间间，供供多人人参与与:所有参参与者者均完完全沉沉浸在在一个个被立立体投投影画画面包包围的的高级级虚拟拟仿真真环境境中，，借助助音响响技术术和相相应虚虚拟现现实交交互设设备获获得一一种身身临其其境约约高分分辨率率三维维立体体视听听影像像和6自由由度度交交互互感感受受。。由由于于投投影影面面几几乎乎能能够够覆覆盖盖用用户户的的所所有有视视野野，，因因此此CAVE系统统能能提提供供给给使使用用者者一一种种前前所所未未有有的的带带有有震震撼撼性性的的身身临临其其境境的的沉沉浸浸感感受受。。CAVE系统统的的优优点点：：提供供高高质质量量的的立立体体显显示示图图像像，，即即色色彩彩丰丰富富、、无无闪闪烁烁、、大大屏屏幕幕立立体体显显示示、、多多人人参参与与和和协协同同工工作作。。所所以以它它为为人人类类带带来来了了一一种种全全新新的的创创新新思思考考方方式式，，扩扩展展了了人人类类的的思思维维。。通通过过CAVE系统统，，人人们们可可以以直直接接看看到到自自己己的的创创意意和和研研究究对对象象。。CAVE系统统的的缺缺点点：：是价价格格昂昂贵贵，，体体积积大大，，并并且且参参与与的的人人数数有有限限，，如如果果人人数数达达到到12人，，CAVE的显显示示设设备备就就显显得得太太小小了了。。目目前前CAVE系统统并并没没有有标标准准化化，，兼兼容容性性较较差差，，因因而而限限制制了了其其普普及及。。响应工作作台立体体显示系系统计算机通通过多传传感器交交互通道道向用户户提供视视觉、听听觉、触触觉等多多模态信信息，具具有非沉沉浸式、、支持多多用户协协同工作作佩戴立立体眼镜镜，坐在在显示器器周围的的多个用用户可以以同时在在立体显显示屏中中看到三三维对象象浮在工工作台上上面，虚虚拟景象象具有较较强立体体感，较较适合辅辅助教学学、产品品演示。。V-Desk6工作示意意图裸眼立体体显示系系统其显示技技术结合合双眼的的视觉差差和图片片三维的的原理，，自动生生成两幅幅图片，，一幅给给左眼看看，另一一幅给右右眼看，，使人的的双眼产产生视觉觉差异。。双眼观观看液晶晶的角度度不同，，不用戴戴上立体体眼镜就就可以看看到立体体的图像像。立体液晶晶显示器器墙式立体体显示系系统类似于放放映电影影形式的的背投式式显示设设备，屏屏幕大，，容纳的的人数多多，分为为单通道道立体投投影系统统和多通通道立体体投影系系统。适适用于教教学和成成果演示示。单通道立立体投影影系统：：以一台台图形工工作站为为实时驱驱动平台台，两台台叠加的的立体专专业LCD投影仪作作为投影影主体。。在显示示屏上显显示一幅幅高分辨辨率的立立体投影影影像。。优点：是是一种低低成本、、操作简简便、占占用空间间较小、、具有极极好性能能价格比比的小型型虚拟三三维投影影显示系系统，其其集成的的显示系系统使安安装、操操作使用用更加容容易和方方便，被被广泛应应用于高高等院校校和科研研院所的的虚拟现现实实验验室中。。多通道立立体投影影系统：：用巨幅幅平面投投影结构构来增强强沉浸感感，配备备了完善善的多通通道声响响及多维维感知性性交互系系统，充充分满足足虚拟显显示技术术的视、、听、触触等多感感知应用用需求，，是理想想的设计计、协同同和展示示平台。。它可根根据场地地定空间间的大小小灵活地地配置两两个、三三个甚至至是若千千个投影影通道，，无缝地地拼接成成一幅巨巨大的投投影幅面面、极高高分辨率率的二维维或三维维立体图图像，形形成一个个更大的的虚拟现现实仿真真系统环环境。如如环幕投投影系统统：三通道环幕投影示例例多通道折幕示示例折幕也是被业业界公认的体体验式环境，，根据环境及及实际需求，，可考虑不同同类型的折幕幕方式，以产产生不同的沉沉浸感。适合合小型会议室室和临时展览览五折幕220度，10-30人360度环幕投影显示：由数字内容、、硬件（投影影系统、播放放系统）和系系统集成（多多组投影同步步控制系统、、无缝拼接系系统和曲面处处理系统）组组成。具有极极强的沉浸感感。360度环幕投影显示球幕无缝拼接接系统半球，15-20人完全用商用投投影机和普通通计算机搭建建的投影环境境，没有接缝缝，形成整体体效果。球幕无缝拼接接显示全息投影显示示也称虚拟成像像技术，无需配戴眼镜镜，利用干涉和衍衍射原理记录录并再现物体体真实的三维维图像的记录录和再现的技技术。在美国麻省一位叫ChadDyne的29岁理工研究生生发明了一种种空气投影和和交互技术，，它可以在气气流形成的墙墙上投影出具具有交互功能能的图像。此此技术来源海海市蜃楼的原原理，将图像像投射在水蒸蒸气上，由于于分子震动不不均衡，可以以形成层次和和立体感很强强的图像。南加利福尼亚亚大学创新科科技研究院的的研究人员目目前宣布他们们成功研制一一种360度全息显示屏屏，这种技术术是将图像投投影在一种高高速旋转的镜镜子上从而实实现三维图像像，这些技术术很多国家都都在研制，毫毫不夸张的说说这项技术它它包含了未来来，谁最先使使用这项技术术，谁就最先先走入未来的的先进技术行行列。台湾利用湖面面水幕展现3D姓名360度全息显示日本公司ScienceandTechnology发明了一种可可以用激光束束来投射实体体的3D影像，这种技技术是利用氮氮气和氧气在在空气中散开开时，混合成成的气体变成成灼热的浆状状物质，并在在空气中形成成一个短暂的的3D图像。这种方