虚拟现实之立体显示技术

虚拟现实之立体显示技术2007-5-15虚拟现实之立体显示技术虚拟现实技术什么是虚拟现实虚拟现实(VirtualReality，简称VR)．又译为临境、灵境等。它是由美国VPLResearchInc.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虚拟现实之立体显示技术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虚拟现实之立体显示技术沉浸（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，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虚拟现实之立体显示技术虚拟现实系统的基本组成2007-5-15虚拟现实之立体显示技术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虚拟现实之立体显示技术北航虚拟现实（VirtualReality: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、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虚拟现实之立体显示技术实验室承担了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，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虚拟现实之立体显示技术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

2004AA115130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

270.8/270.8教育部其他成果可以参见北航的网站/site2007-5-15虚拟现实之立体显示技术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（FRP4）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，MACHBrooks，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），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SanJose的RockwellCollins/Elbit联合投资公司景象系统国际,LLC公司生产的。2007-5-15虚拟现实之立体显示技术虚拟现实的立体显示设备HMD（HelmetMountedDisplay）头盔式显示器BOOM（BinocularOmni-OrientationalMonitor）双目全方位显视器立体投影显示3DStereoEyes3D立体眼镜

2007-5-15虚拟现实之立体显示技术HMD（头盔显示器）

头盔显示器(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虚拟现实之立体显示技术双眼立体光学模型

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。2007-5-15虚拟现实之立体显示技术HMD产品实物举例IGlassesHMD800Visette

Pro/Visette

Pro452007-5-15虚拟现实之立体显示技术IGlasses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iglassesPC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。IglassesPC可以用在科研、仿真、娱乐等领域。

特性:

分辨率：800x600RES

图象尺寸：72英寸

瞳孔调节范围：17mmHx6mmV显示：7‘10“,100%Overlap,TBRVGA/SVGA/XVGA输入，800x600RES

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：Audio1/8“电源：9VAC，电池可选2007-5-15虚拟现实之立体显示技术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虚拟现实之立体显示技术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虚拟现实之立体显示技术头盔显示器工作方式2007-5-15虚拟现实之立体显示技术目前市场上头盔显示器显示表面的分类CRT（阴极射线管）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2007-5-15虚拟现实之立体显示技术VRD显示表面工作原理示意图2007-5-15虚拟现实之立体显示技术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。2007-5-15虚拟现实之立体显示技术BOOM（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。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。2007-5-15虚拟现实之立体显示技术BOOM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虚拟现实之立体显示技术立体投影显示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双投影机被动式立体显示系统

2007-5-15虚拟现实之立体显示技术CAVE基本结构示意图2007-5-15虚拟现实之立体显示技术响应工作台显示装置2007-5-15虚拟现实之立体显示技术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2007-5-15虚拟现实之立体显示技术3D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6~8cm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虚拟现实之立体显示技术

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虚拟现实之立体显示技术

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虚拟现实之立体显示技术

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。2007-5-15虚拟现实之立体显示技术3D眼镜的产品实例

WST3D-1、WST3D-2（无线、有线）

Nuvision（无线、有线）

Crystaleyes（无线、有线）2007-5-15虚拟现实之立体显示技术

WST3D-1与WST3D-2基于页交换模式(Pageflip)的液晶立体眼镜，WST3D1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，8－9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虚拟现实之立体显示技术

NuVisionNuVisionLC眼镜在具备立体显示功能(3PINMiniIN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