虚拟现实技术概论 第2版 课件 第2章 虚拟现实技术

VR技术基本原理

及主要技术基本原理头戴显示器的成像原理主要技术

视觉显示设备与技术计算机图形技术动作捕捉技术人机交互技术5头戴显示器6头戴显示器（HeadMountDisplay，HMD）是一种可穿戴式显示装置，一般戴在头上或作为头盔的一部分，通过小型液晶显示屏显示图像，经过光学系统校正后投射到用户眼中。正立放大虚像液晶显示屏凸透镜头戴显示器7为了使用户获得3D的视觉体验，即深度知觉（Depthperception），HMD需要在左右眼显示不同的图像，常用的方法包括使用双路视频输出，或者将视频按奇偶帧进行时分复用等。89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。身临其境---

如何实现感官特性，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。

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。OculusRift19HTCVive20PlayStationVR21SamsungGearVR22GoogleCardboard23各产品性能对比产品名称分辨率刷新频率视野范围发售时间价格OculusRift2160x120090Hz110°2016.3$599HTCVive2160x120090Hz110°2016.4$799PlayStationVR1920x1080120Hz100°2016.10$399GearVR2560x144060Hz96°2015.11$99GoogleCardboard---2014.6Free24双目全方位显示器（BOOM）

是一种偶联头部的立体显示设备，类似使用望远镜，它把两个独立的显示器捆绑在一起，由两个相互垂直的机械臂支撑，这不仅让用户可以在半径2m的球面空间内用手自由操纵显示器的位置，还能降低显示器的重量加以巧妙的平衡而是指始终保持水平，不受平台运动的影响。在支撑臂上的每个节点处都有位置跟踪器，因此BOOM和HMD一样有实时的观测和交互能力。BOOM全方位显示器3D眼镜显示系统该系统设备包括：立体图像显示器和3D眼镜。立体图像显示器以两倍于正常扫描的速度刷新屏幕，计算机给显示器交替发送两幅有轻微偏差的图像。位于CRT（阴极射线管）显示器顶部的红外发射器与信号同步，以无线方式控制活动眼镜。红外控制器指导立体眼镜的液晶光栅交替地遮挡眼睛视野。大脑记录快速交替的左右眼图像序列，并通过立体视觉将其融合在一起，从而产生深度感。世界杯3D观看红外立体眼镜显示利用红外信号传送同步信号，用于控制液晶眼镜的开关。眼镜上备有轻便的锂电池，眼镜在无线状态下工作：红外立体眼镜显示系统超声波立体眼镜显示除了红外立体眼镜显示中的设备外，眼镜上还有头部跟踪的超声接受器。超声接受信号要经过导线传给头部跟踪系统，眼镜在有线状态下工作：超声波立体眼镜显示系统洞穴式立体显示系统（CAVE系统）使用投影系统，投射多个投影面，形成房间式的空间结构，使得围绕观察者具有多个图像画面显示的虚拟现实系统，增强了沉浸感。CAVE空间结构示意图CAVE系统是一种基于多通道视景同步技术和立体显示技术的房间式投影可视协同环境，该系统可提供一个房间大小的4面、5面或者6面的立方体投影显示空间，供多人参与:所有参与者均完全沉浸在一个被立体投影画面包围的高级虚拟仿真环境中，借助音响技术和相应虚拟现实交互设备获得一种身临其境约高分辨率三维立体视听影像和6自由度交互感受。CAVE系统的优点：提供高质量的立体显示图像，即色彩丰富、无闪烁、大屏幕立体显示、多人参与和协同工作。

CAVE系统的缺点：价格昂贵，体积大，并且参与的人数有限，如果人数达到12人，CAVE的显示设备就显得太小了。目前CAVE系统并没有标准化，兼容性较差，因而限制了其普及。响应工作台立体显示系统计算机通过多传感器交互通道向用户提供视觉、听觉、触觉等多模态信息，具有非沉浸式、支持多用户协同工作佩戴立体眼镜，坐在显示器周围的多个用户可以同时在立体显示屏中看到三维对象浮在工作台上面，虚拟景象具有较强立体感，较适合辅助教学、产品演示。V-Desk6工作示意图裸眼立体显示系统显示技术结合双眼的视觉差和图片三维的原理，自动生成两幅图片，一幅给左眼看，另一幅给右眼看，使人的双眼产生视觉差异。双眼观看液晶的角度不同，不用戴上立体眼镜就可以看到立体的图像。立体液晶显示器墙式立体显示系统类似于放映电影形式的背投式显示设备，屏幕大，容纳的人数多，分为单通道立体投影系统和多通道立体投影系统。适用于教学和成果演示。单通道立体投影系统：以一台图形工作站为实时驱动平台，两台叠加的立体专业LCD投影仪作为投影主体。在显示屏上显示一幅高分辨率的立体投影影像。优点：是一种低成本、操作简便、占用空间较小、具有极好性能价格比的小型虚拟三维投影显示系统，其集成的显示系统使安装、操作使用更加容易和方便，被广泛应用于高等院校和科研院所的虚拟现实实验室中。多通道立体投影系统：用巨幅平面投影结构来增强沉浸感，配备了完善的多通道声响及多维感知性交互系统，充分满足虚拟显示技术的视、听、触等多感知应用需求，是理想的设计、协同和展示平台。它可根据场地定空间的大小灵活地配置两个、三个甚至是若千个投影通道，无缝地拼接成一幅巨大的投影幅面、极高分辨率的二维或三维立体图像，形成一个更大的虚拟现实仿真系统环境。如环幕投影系统：三通道环幕投影示例多通道折幕示例折幕也是被业界公认的体验式环境，根据环境及实际需求，可考虑不同类型的折幕方式，以产生不同的沉浸感。适合小型会议室和临时展览五折幕220度，10-30人360度环幕投影显示：由数字内容、硬件（投影系统、播放系统）和系统集成（多组投影同步控制系统、无缝拼接系统和曲面处理系统）组成。具有极强的沉浸感。360度环幕投影显示球幕无缝拼接系统半球，15-20人完全用商用投影机和普通计算机搭建的投影环境，没有接缝，形成整体效果。球幕无缝拼接显示全息投影显示也称虚拟成像技术，无需配戴眼镜，利用干涉和衍射原理记录并再现物体真实的三维图像的记录和再现的技术。在美国麻省一位叫ChadDyne的29岁理工研究生发明了一种空气投影和交互技术，它可以在气流形成的墙上投影出具有交互功能的图像。此技术来源海市蜃楼的原理，将图像投射在水蒸气上，由于分子震动不均衡，可以形成层次和立体感很强的图像。南加利福尼亚大学创新科技研究院的研究人员目前宣布他们成功研制一种360度全息显示屏，这种技术是将图像投影在一种高速旋转的镜子上从而实现三维图像。台湾利用湖面水幕展现3D姓名360度全息显示第六届中国—东盟博览会在南宁国际会展中心圆满落幕。TimeLink的360度全息影像技术成为东盟博览会的一大亮点。2010年3月9号晚间世嘉公司举办了一场名为“初音未来日的感谢祭”“初音之日”的初音未来所谓的全息投影演唱会。投影机直接背投在全息投影膜，是全息，但不是最理想化的全息投影。此外，网上也盛传着各种类似的3D全息作品。国际会展全息展示3D魔兽全息显示目录catalogue#1全息投影#2幻影成像#4高清投影膜#3互动投影1、全息投影通过3D全息影像技术，在舞台上展现花果山多彩壮观的奇景，有“美猴王”的招牌动作大耍金箍棒，更有高科技的3D全新影像技术重磅加身，使得“美猴王”现场腾云驾雾，而花果山、天宫等壮丽美景也得以再现舞台，画面震撼。@2016年辽宁春晚六小龄童3D美猴王

1、全息投影2015年春晚李宇春演唱《蜀绣》2014年公告牌音乐奖的颁奖仪式，就曾用这种技术“复活”了过世的天王迈克尔·杰克逊2010年初音未来演唱会（日本）1、全息投影（Front-projectedholographicdisplay）全息投影技术，也称虚拟成像技术。是利用光的干涉和衍射原理记录并再现物体真实三维图像的技术。全息投影技术不仅可以产生立体的空中幻像，还可以使幻像与表演者产生互动，一起完成表演，产生令人震撼的演出效果。主要适用于产品展览、汽车服装发布会、舞台节目、互动演出、酒吧娱乐等。1、全息投影真正的全息投影技术严格意义上来讲，3D的美猴王确实惊艳四座，但这不是真正的全息投影技术！立体动态全息还停留在实验室初级阶段，主要通过空间光调制器实现。一块相位型SLM售价十万人民币以上，要搭建一个稍微能看得过去的系统，没有百万美元是做不到的。@光调制器目录catalogue#1全息投影#4高清投影膜#3全息展柜#2幻影成像2、幻影成像幻影成像幻影舞台全息影柜将幻影成像系统配合专业的灯光设计，把播放的视讯呈现于立体空间之中，而配合音响系统及控制系统，即可以实现大型的梦幻演出，绘声绘色，虚幻莫测，非常直观的给人留下深深地印象。2.1幻影舞台幻影舞台原理示意图舞台幻影成像技术以宽银幕的环境、场景模型和灯光的变换为背景，使用投影机播放特殊的3D全息视频，经由透明全息半透膜的光学反射，将活动人像叠加进场景之中，构成了动静结合的影视画面。再加以声光电控制系统的渲染，构成气势磅礴的全息幻影舞台。2.1幻影舞台舞台在布置反射膜时候的施工图舞台幻影成像所使用的反射膜是特殊的专用膜，在膜的表面通过真空磁控溅射镀膜工艺镀制纳米级的感光涂层，使膜在保持较高的透过率95%以上的同时也具有高的反射率（镜面外观）。膜层主要成分是SOB感光材料，具有成像细腻，高清晰度成像功能，能使影像产生极大立体纵深感。智慧交互平台系统2.2全息影柜全息影柜原理示意图全息影柜是能够把影像悬浮于空中的立体成像技术，是由全息材料制成的反射面，将虚拟影像做成悬浮于空中，360度均能观看。根据功能需要，可做成180度、270度和360度的全息影柜，最大的可做成3m多宽。五大亮点四大优势将展示的产品配合成像逼真的立体特效重叠于一个空间中呈现，做成以假乱真的效果，带给人们视觉上强烈的冲击。主要应用于购物中心的高端精致商店展示、或者作为装潢设计风格的体现、房地产行业应用展示、甚至发布会中作为布置的亮点运用。@目录catalogue#1全息投影#4高清投影膜#3互动投影#2幻影成像3、互动投影互动投影采取动作捕捉的技术，适合各种设备，例如LED大屏幕，等离子、数字视频墙等，将参与者的动作转换成数据与虚拟影像互动。互动投影应用领域；商城、专卖店、大卖场等消费场所；酒吧、迪厅、KTV等娱乐场所；展览会、展品推介会、大型庆典等活动现场；博物馆、科技馆、图书馆等展馆。交互传感吸引人流：新奇的互动效果必然会吸引和引导人流的参观，同时好的设计和艺术效果为博物馆增加互动气氛。导引方向：可以用作功能式，比如智能的博物馆指引、查询，比起以往传统的指示牌查询屏得更加人性化。互动投影优点：非接触式的交流：更加人性化，同时减少了因人流接触而产生细菌传染。经济效益：新媒体艺术可以做成实时互动广告的形式，让游客与宣传内容互动，增加了博物馆的知名度，加深了游客对博物馆的印象，博物馆得到宣传的同时