虛擬現(xiàn)實技術(shù)2在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中，硬件設(shè)備主要由3個部分組成：輸入設(shè)備、輸出設(shè)備、虛擬世界生成設(shè)備。下面介紹輸出設(shè)備的一些知識。3人置身于虛擬世界中，要體會到沉浸的感覺，必須讓虛擬世界能模擬人在現(xiàn)實世界中的多種感受，如視覺、聽覺、觸覺、力覺、痛感、味覺、嗅覺等。基于目前的技術(shù)水平，成熟和相對成熟的感知信息的產(chǎn)生和檢測技術(shù)僅有視覺、聽覺和觸覺（力覺）3種。感知設(shè)備的作用是將虛擬世界中各種感知信號轉(zhuǎn)變?yōu)槿怂芙邮艿亩嗤ǖ来碳ば盘?，現(xiàn)在主要應(yīng)用的有基于視覺、聽覺和力覺感知的設(shè)備，基于味覺、嗅覺等的設(shè)備有待開發(fā)研究。4視覺感知設(shè)備視覺感知設(shè)備主要是向用戶提供立體寬視野的場景顯示，并且這種場景的變化會實時改變。此類設(shè)備主要有：頭盔式顯示器、洞穴式立體顯示裝置、響應(yīng)工作臺顯示裝置、墻式投影顯示裝置等。此類設(shè)備相對來說較成熟。聽覺感知設(shè)備聽覺感知設(shè)備的主要功能是提供虛擬世界中的三維真實感聲音的輸入及播放。一般由耳機(jī)和專用聲音卡組成。通常用專用聲音卡將單通道或普通立體聲源信號處理成具有雙耳效應(yīng)的三維虛擬立體聲音。5觸覺（力覺）感知設(shè)備本質(zhì)上，觸覺和力覺是兩種不同的感知。力覺感知設(shè)備主要是要求能反饋力的大小和方向，而觸覺感知所包含的內(nèi)容更豐富一些，例如手與物體相接觸，應(yīng)包含一般的接觸感，進(jìn)一步應(yīng)包含感知物體的質(zhì)感（布料、海綿、橡膠、木材、金屬、石頭等）、紋理感（平滑、粗糙程度等）以及溫度感等。在實際虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中，目前能實現(xiàn)的僅僅是模擬一般的接觸感。在相應(yīng)設(shè)備中，基于力覺感知的力反饋裝置相對較成熟一些。視覺感知設(shè)備7人從外界獲得的信息，有80％以上來自視覺，視覺感知設(shè)備是最為常用的，也是這幾類感知設(shè)備中最為成熟的。實現(xiàn)視覺顯示有很多種方法，下面介紹幾種典型的應(yīng)用產(chǎn)品。83D顯示技術(shù)解析3D游戲：盡管我們玩的確實是3D游戲，但這個3D是針對電腦內(nèi)部顯卡渲染過程而言，玩家看到的圖像是電腦內(nèi)部三維物體“投影”到顯示器上的一幀幀二維畫面，最終看到的圖像其實是2D的，顯示效果與電視/電影沒有本質(zhì)區(qū)別。9為了讓電腦游戲告別生硬的2D顯示效果，NVIDIA于2009年伊始在CES大展上推出了GeForce3DVision技術(shù)，其組件包括：無線眼鏡、高功率紅外發(fā)射器、120Hz高刷新率顯示器、配套驅(qū)動、軟件、游戲優(yōu)化等一整套完整的解決方案。為廣大游戲玩家獻(xiàn)上真正具有立體感、距離感的游戲，給人產(chǎn)生一種躍然紙上、栩栩如生般的立體3D游戲。10世界因雙眼而立體人長著兩只眼睛。人雙眼大約相隔6.5厘米，觀察物體(如一排重疊的保齡球瓶)時，兩只眼睛從不同的位置和角度注視著物體，左眼看到左側(cè)，右眼看到右側(cè)。這排球瓶同時在視網(wǎng)膜上成像，左右兩面的印象合起來人就得到對它的立體感覺了。引起這種立體感覺的效應(yīng)叫做“視覺位移”。用兩只眼睛同時觀察一個物體時物體上每一點對兩只眼睛都有一個張角。物體離雙眼越近，其上每一點對雙眼的張角越大，視差位移也越大。11正是這種視差位移，使我們能區(qū)別物體的遠(yuǎn)近，并獲得有深度的立體感。對于遠(yuǎn)離我們的物體，兩眼的視線幾乎是平行的，視差位移接近于零，所以我們很難判斷這個物體的距離，更不會對它產(chǎn)生立體感覺了，夜望星空會感覺到天上所有的星星似乎都在同一球面上，分不清遠(yuǎn)近，這就是視差位移為零造成的結(jié)果。當(dāng)然，若只有一只眼，也就無所謂視差位移了，其結(jié)果也是無法產(chǎn)生立體感。例如，閉上一只眼睛去做穿針引線的細(xì)活，往往看上去好像線已經(jīng)穿過針孔了，其實是從邊上過去的，并沒有穿進(jìn)去。而現(xiàn)在我們所看到的圖片、電影、玩的游戲都是平面景物，雖然圖像效果非常逼真，但由于雙眼看到的圖像完全相同，自然就沒有立體感可言。12立體電影拍攝：模擬雙眼既然通過雙眼觀察世界才能獲得立體感，那么想要獲得立體的圖像也需要兩臺照相機(jī)或攝像機(jī)，由此就誕生了“虛擬立體顯示”技術(shù)，最早引入該技術(shù)的是立體電影。立體電影從拍攝開始，就模擬人眼觀察景物的方法，用兩臺并列安置的攝影機(jī)，同步拍攝出兩條略帶水平視差的電影畫面，這樣影片所包含的信息就與人的雙眼親臨拍攝現(xiàn)場所看到的畫面毫無二致了。立體電影/視頻的拍攝其實很簡單，并排放置兩個鏡頭同步拍攝就行了，雖然其中還涉及視頻幀合成方面的內(nèi)容，但理解起來并不困難。不過，要把立體圖像顯示給人眼看，必須做到左眼只看左攝像頭的圖像、右眼只看右攝像頭的圖像。13立體電影雙鏡頭同步拍攝景物立體攝像頭按照人眼間距并排放置兩個攝像頭14立體電影放映：偏振分光技術(shù)電影院放映采用的是偏振法，通過兩個放映機(jī)，把兩個攝影機(jī)拍下的兩組膠片同步放映，使這略有差別的兩幅圖像重疊在銀幕上。這時如果用眼睛直接觀看，看到的畫面是重影模糊不清的，要看到立體電影，就要在每架電影機(jī)前裝一塊偏振片。從兩架放映機(jī)射出的光，通過偏振片后，就成了偏振光。左右兩架放映機(jī)前的偏振片的偏振化方向互相垂直，因而產(chǎn)生的兩束偏振光的偏振方向也互相垂直。這兩束偏振光投射到銀幕上再反射到觀眾處，偏振光方向不改變。當(dāng)觀眾帶上偏振眼鏡后，左右兩片偏振鏡的偏振軸互相垂直并與放映鏡頭前的偏振軸一致，所以每只眼睛只看到相應(yīng)的偏振光圖象，即左眼只能看到左機(jī)映出的畫面，右眼只能看到右機(jī)映出的畫面，這樣就會像直接觀看那樣產(chǎn)生立體感覺。15看立體電影需要帶上偏振眼鏡偏振鏡分光原理示意圖16偏振光技術(shù)簡介光就是由互相垂直的電場和磁場形成的一種電磁波，自然光是很多電磁波的混合物，它在各個方向的振動是均勻的。當(dāng)它以特定的角度(布儒斯特角)經(jīng)過非金屬表面后反射形成的眩光是偏振光。偏離了這個角度，就會有部分非偏振光混雜在偏振光里。部分偏振光是有程度的，偏離的角度越大，偏振光的成分越少，最終成為非偏振光。有了偏振光，有時會給我們照相帶來不利。玻璃表面的反射光，使我們拍攝不到玻璃櫥窗里面的東西，水面的反射光使我們拍攝不到水中的魚……但利用偏振光的這種特性正好滿足立體電影的需求：讓左右眼看到完全不同的畫面。通過給兩個投影機(jī)加裝偏振片，讓投影機(jī)投射出互相垂直的完全偏振光波，然后觀眾通過特定的偏振眼鏡，就能讓左右眼看到各自不同的畫面而互不干涉。當(dāng)然，實際放映立體電影是用一個鏡頭，兩套圖象交替地印在同一電影膠片上，還需要一套復(fù)雜的裝置，這里不做深究。1718利用偏振原理實現(xiàn)立體電影的效果是最好的，但要在家庭影院或者個人電腦上實現(xiàn)的難度很大，除非你使用2臺加裝了偏振光鏡頭的投影儀和2張不同角度拍攝的DVD和專業(yè)的播放設(shè)備和同步器，這樣復(fù)雜的裝備還有高昂的成本是大眾無法接收的。因此誕生了比較廉價的實現(xiàn)方案－光譜分光技術(shù)，俗稱為紅綠濾光或紅藍(lán)濾光。19紅藍(lán)/紅綠濾光技術(shù)使用濾光技術(shù)制作的立體電影，在拍攝時給左右攝影機(jī)鏡頭前分別加裝藍(lán)/紅濾光鏡，只允許藍(lán)/紅光通過，阻止大部分紅/藍(lán)光。當(dāng)然現(xiàn)在的影片拍攝并不一定要用濾光鏡，通過后期處理也能剔除一些色彩(如Photoshop的濾鏡)。當(dāng)觀看電影時需要帶一個紅藍(lán)濾光眼鏡，此時左放映機(jī)的畫面通過紅色鏡片(左眼)，拍攝時剔除掉的紅色像素自動還原，從而產(chǎn)生真實色彩的畫面，當(dāng)它通過藍(lán)色鏡片(右眼)時大部分被過濾掉，只留下非?；璋档漠嬅?，這就很容易被人腦忽略掉；反之亦然，右放映機(jī)拍攝到的畫面通過藍(lán)色鏡片(右眼)，拍攝時剔除掉的藍(lán)色像素自動還原，產(chǎn)生另一角度的真實色彩畫面，當(dāng)它通過紅色鏡片(左眼)時大部分被過濾掉，只留下昏暗畫面，人眼傳遞給大腦后被自動過濾。20紅藍(lán)3D眼鏡紅藍(lán)濾光立體現(xiàn)實原理21左右眼把看到的圖像傳遞給大腦后，大腦會自動接收比較真實的畫面，而放棄昏暗模糊不清的畫面，從而根據(jù)色差位移產(chǎn)生立體感和距離感。色彩形成的過程22使用濾光原理制作的電影完全可以兼容所有的顯示設(shè)備，我們只需要一副成本幾元錢的紅綠眼鏡就夠了。事實上早期的或者低端的立體電影院就使用了這種方案，雖然效果比較差?！兜匦臍v險記》3D版直接看的效果是重影、偏色23立體攝像頭使用的也是紅藍(lán)濾光技術(shù)24現(xiàn)在已經(jīng)有很多大片提供了紅綠或者紅藍(lán)濾光的3D版下載，很多人看了之后覺得頭暈?zāi)垦！⒀劬ζ凇⑦吘壣什徽！⒅赜暗戎T多問題，最大的原因就是濾光眼鏡和影片不配套所致，另外距離屏幕太近也不容易產(chǎn)生立體感，這需要大家自行研究調(diào)整。偏振分光技術(shù)效果最好、但實現(xiàn)難度太大，紅藍(lán)濾光技術(shù)成本最低、但效果不如人意。下面介紹一種歷史悠久、但卻沒能得到普及的技術(shù)－時分法遮光技術(shù)，又稱液晶分時技術(shù)。25液晶分時技術(shù)根據(jù)字面意思很容易理解其工作原理，它的主要技術(shù)在眼鏡上。眼鏡片是可以分別控制開閉的兩扇小窗戶，在同一臺放映機(jī)上交替播放左右眼畫面時，通過液晶眼鏡的同步開閉功能。在放映左畫面時，左眼鏡打開右眼鏡關(guān)閉，左眼看到左畫面，右眼看不到畫面。同樣翻轉(zhuǎn)過來時，右眼看右畫面，左眼看不到畫面，就這樣讓左右眼分別看到左右各自的畫面，從而產(chǎn)生立體效果。26眼鏡鏡片為黑白液晶屏，有透明和不透明兩種狀態(tài)27雖然眼鏡鏡片的切換很關(guān)鍵，但原始顯示設(shè)備更關(guān)鍵，假如顯示器的刷新率是60Hz，那么通過遮光眼鏡后左右眼看到的畫面實際刷新率只有30Hz，這樣的刷新率下長時間很容易產(chǎn)生視覺疲勞，所以“時分法遮光技術(shù)”要求顯示器刷新率至少為100Hz，最好是120Hz以上。28CRT時代，高端顯示器很容易達(dá)到120Hz，因此10年前就出現(xiàn)過一些3D眼鏡，游戲玩家得以體驗立體顯示效果。但85Hz以下的刷新率對于CRT顯示器來說是非常閃的，60Hz完全不夠看。CRT顯象管時時刻刻都處在閃爍狀態(tài)，因此CRT與遮光眼鏡的時鐘同步要求非常精確，否則就會產(chǎn)生視覺混亂。29CRT時代的3D眼鏡只是玩物30到了LCD時代，由于刷新率很難突破60Hz，因此“時分法遮光技術(shù)”毫無用武之地，也漸漸的被大家所遺忘。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，如今120Hz液晶、等離子面板都已出現(xiàn)，塵封已久的“液晶分時技術(shù)”也得以重現(xiàn)天日，呈現(xiàn)出逼真的立體顯示畫面。120Hz顯示器成為新的時尚話題31NVIDIA在CES2009上正式宣布推出業(yè)界第一套高清3D立體視覺方案，專為GeForce顯卡打造的“GeForce3DVision”。核心配件是一副采用液晶分時技術(shù)的3D眼鏡，附帶大功率USB紅外接收器，用來和3D眼鏡同步遮光頻率，當(dāng)然還需要一臺刷新率達(dá)120Hz顯示器的支持，可以是液晶顯示器、等離子電視或者投影儀。32GeForce3DVision33其中無線3D眼鏡的視距最大約6米，內(nèi)置電池供電，可以連續(xù)工作40小時以上，眼鏡空閑十分鐘后會自動關(guān)閉以節(jié)約電池電力，電池可通過miniUSB口充電，簡單方便。紅外發(fā)射器通過USB接口與電腦鏈接，紅外接收半徑大約6米。3435除了硬件部分之外，真正核心部分在于驅(qū)動支持和游戲優(yōu)化方面，據(jù)NVIDIA稱，GeForce3DVision無需修改游戲設(shè)置，只要搭配GeForce8/9/200系列顯卡和最新版Forceware顯卡驅(qū)動及立體驅(qū)動程序，可以自動給350多款PC游戲帶來立體效果，諸如《Crysis》、《英雄連》、《虛幻競技場3》、《失落星球》、《鬼泣4》等大作可立竿見影帶來立體效果?？傊?，液晶分時技術(shù)原理簡單，但實現(xiàn)起來需要眼鏡、紅外接收器、顯示器、驅(qū)動程序、顯卡和游戲的全方位配合，任何一個環(huán)節(jié)出問題，都會導(dǎo)致立體成像系統(tǒng)紊亂。36NVIDIAGeForce3DVision套裝實物紅外接收器背面旋鈕用來調(diào)節(jié)景深(奇偶幀視差位移)配件豐富齊全核心組件是眼鏡和接收器37GeForce3DVision只能用于NVIDIA自家的GeForce顯卡，還需要一臺刷新率達(dá)到120Hz顯示器的支持，除此之外沒有別的需求。對于顯卡的要求也不高，9800GT以上級別就能在22寸顯示器上展示出很好的效果了，當(dāng)然玩Crysis這類游戲還是需要更強(qiáng)顯卡的支持。38其它問題討論不管哪種立體顯示技術(shù)，都要給人的雙眼輸出完全不同的兩幀圖像（具有一定視差），立體照片需要兩部相機(jī)拍攝，立體電影需要兩部攝影機(jī)，立體視頻需要雙攝像頭，立體游戲也需要雙倍刷新率(120Hz)顯示器的支持。問題：是否需要雙顯卡或雙倍性能顯卡的支持？不需要！因為3D游戲在電腦內(nèi)部是按照真實的三維模型建立并渲染的，只是最終進(jìn)行像素輸出時從某一個特定的角度投影出來。要對它立體顯示，內(nèi)部渲染模式完全不用改動，只要在像素輸出時，按照一定的角度偏移量輸出兩幀畫面即可，因此顯卡的渲染壓力并沒有增加多少，最終游戲性能有一定的下降，但并不嚴(yán)重。39同一幀畫面，通過不同的角度輸出兩幀40普通游戲只輸出一幀就夠了，立體顯示需要輸出兩幀，而兩幀之間的偏移量可以通過驅(qū)動或者紅外接收器控制，可以按需增大或者縮短游戲場景與人眼之間的距離，具體多大顯示效果最佳，需要玩家自己不斷摸索確定。GeForce3DVision建立在成熟、穩(wěn)定的驅(qū)動基礎(chǔ)之上，通過對最新游戲大作全力優(yōu)化支持，使得視差位移立體顯示畫面更接近于真實。41120Hz顯示器的概念圖，雖然很夸張，但帶上立體眼鏡后的效果確實震撼42帶上3D眼鏡之后，屏幕內(nèi)的所有3D景物都不在顯示器表面，而是凹進(jìn)去或者凸出來的，只有游戲控制欄一些窗口或按鈕“漂浮”在顯示器上。當(dāng)然所有的這些東西都只可意會不可言傳，照片拍出來是重影的，只有帶上3D眼鏡才會有立體感！43《半條命2》《使命召喚4》44在NVIDIA之前，已經(jīng)有部分顯卡廠商或者顯示器廠商推出過類似的立體顯示技術(shù)，但大多兼容性不好、性能損失嚴(yán)重、支持游戲數(shù)量有限、或者更新不夠及時，當(dāng)然最主要的是受到了CRT刷新率、閃爍、屏幕尺寸的限制，導(dǎo)致立體效果一般、長時間使用頭暈?zāi)垦！?5某雙層面板的3D液晶顯示器，需要顯卡雙頭輸入不同幀圖像，配置要求很高46臺式立體顯示系統(tǒng)最常見的立體顯示系統(tǒng)由立體顯示器(stereomonitor)和立體眼鏡組成，如圖2-21所示這種臺式立體顯示系統(tǒng)有兩種工作方式，即標(biāo)準(zhǔn)(非立體)方式和立體方式。當(dāng)工作在標(biāo)準(zhǔn)方式時，無立體效果，與一般的顯示器相同。工作在立體方式時，采用分時顯示技術(shù)，顯示器屏幕上以一定頻率交替顯示生成的左、右眼視圖，用戶如不佩戴立體眼鏡，則看到的圖像有重影。所以用戶需佩戴立體眼鏡，使左右眼只能看到屏幕上對應(yīng)的左眼視圖和右眼視圖，最終在人眼視覺系統(tǒng)中形成立體圖像。為了使圖像顯示穩(wěn)定，即所顯示圖像不出現(xiàn)閃爍現(xiàn)象，要求顯示刷新頻率為120Hz，即左右眼所得到的視圖刷新頻率最低保持60Hz。4748Nuvision60GX立體眼鏡CrystalEyes立體眼鏡49使用戶獲得立體視覺的關(guān)鍵是讓左右眼分別只能看到對應(yīng)的左右視圖，因此用戶必須佩戴立體眼鏡來實現(xiàn)上述目標(biāo)。目前主要有兩類立體眼鏡：有源眼鏡和無源眼鏡。有源眼鏡又稱主動(active)立體眼鏡，無源立體眼鏡又稱被動(passive)立體眼鏡。50有源立體眼鏡分為有線與無線兩種。有線的是通過一根電纜線與主機(jī)相連接，而無線立體眼鏡的鏡框上裝有電池及液晶調(diào)制器控制的鏡片，立體顯示器有紅外線發(fā)射器，根據(jù)顯示器顯示左右眼視圖的頻率發(fā)射紅外線控制信號。有源立體眼鏡的液晶調(diào)制器接收到紅外線控制信號后，調(diào)節(jié)左右鏡片上液晶的通斷狀態(tài)，即控制左右鏡片的透明或不透明狀態(tài)。當(dāng)顯示器顯示左眼視圖時，發(fā)射紅外線控制信號至有源立體眼鏡，使有源立體眼鏡的右眼鏡片處于不透明狀態(tài)，左眼鏡片處于透明狀態(tài)。如此輪流切換鏡片的通斷，使左右眼睛分別只能看到顯示器上顯示的左右視圖。有源系統(tǒng)的圖像質(zhì)量好，但有源立體眼鏡價格昂貴，且紅外線控制信號易被阻擋而使觀察者工作的范圍有限，有線式立體眼鏡還要受聯(lián)機(jī)電纜的長度的限制，因此有源系統(tǒng)只適用小區(qū)域、少量觀眾的場合。51目前使用較多的是無源立體眼鏡，它是根據(jù)光的偏振原理設(shè)計的，左右鏡片是兩片正交的偏振濾光片，分別只能容許一個方向的偏振光通過。顯示器顯示屏前安裝一塊與顯示屏同樣尺寸的液晶立體調(diào)制器，顯示器顯示的左右眼視圖經(jīng)液晶立體調(diào)制器后形成左偏振光和右偏振光，然后分別透過無源立體眼鏡的左右鏡片，實現(xiàn)左右眼睛分別只能看到顯示器上顯示的左右視圖的目的。由于無源立體眼鏡價格低廉，且無需接收紅外控制信號，因此適用于觀眾較多的場合。實際上，對無源系統(tǒng)而言，觀眾數(shù)目主要由顯示器屏幕尺寸決定的，但由于顯示器的尺寸都不大，因此臺式立體顯示系統(tǒng)不能容納更多的觀眾。臺式立體顯示裝置是一種低成本、單用戶、非沉浸式的立體顯示裝置，它不適合多用戶協(xié)同工作方式。52頭盔顯示器頭盔顯示器(HMD，Head-MountedDisplay)是虛擬現(xiàn)實系統(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運動，在頭盔顯示器上配有空間位置跟蹤設(shè)備，能實時檢測出頭部的位置，虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)能在頭盔顯示器的屏幕上顯示出反映當(dāng)前位置的場景圖像。它通常由兩個LCD或CRT顯示器分別向兩個眼睛提供圖像，這兩個圖像由計算機(jī)分別驅(qū)動，兩個圖像存在著微小的差別，類似于“雙眼視差”。通過大腦將兩個圖像融合以獲得深度感知，得到一個立體的圖像。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)實系統(tǒng)與增強(qiáng)式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)不可缺少的視覺輸出設(shè)備。5354圖2-22是HMD的光學(xué)模型的示意圖，在左右兩個顯示屏上的像素分別為A1和A2。它們在屏幕上的位置之差，就是立體視差。這兩個像素點在虛像顯示屏上的對應(yīng)象互分別為B1和B2。從每個眼睛到虛像顯示屏上像素B1和B2的視線在三維空間中相交于C點。C點就是用戶看到的像素在空間中的位置。5556在頭盔式顯示器中，有立體顯示和平面顯示兩種工作方式如圖2-23所示。圖2-23(a)為立體顯示的VR系統(tǒng)，為兩眼分別計算具有視差的不同的圖像。圖2-23(b)為平面顯示的VR系統(tǒng)，為兩眼提供相同的圖像。5758HMD產(chǎn)品的外形、大小、結(jié)構(gòu)、顯示方式、性能、用途等有較大的差異，但原理是基本相同的。HMD系統(tǒng)中主要由顯示器(顯示表面)和光學(xué)透鏡組成，其中顯示器有：陰極射線管(CRT)、背光液晶顯示器(LCD)、發(fā)光三極管(LED)、VRD、等離子管、硅VLSI顯示器等多種。在現(xiàn)階段主要應(yīng)用的是CRT和LCD這兩種，其中CRT顯示器有較高的分辨率，LCD顯示器有較好的亮度，而VRD、硅VLSI顯示器等是今后新型HMD的一個發(fā)展方向。59CRT類顯示表面CRT稱陰極射線管(顯像管)，是多年來在電視機(jī)和計算機(jī)顯示器上廣泛應(yīng)用的成熟技術(shù)。CRT技術(shù)能給頭盔顯示器提供足夠小、高分辨率、高亮度的單色顯示。但這些CRT較重，并在CRT中存在有高電壓。開發(fā)小型高分辨率、高亮度、彩色CRT是相對困難的。采用一些組合的技術(shù)可產(chǎn)生高質(zhì)量彩色圖像，并減少重量和價格。使用加在單色CRT的機(jī)械電子彩色濾光技術(shù)，CRT以3倍正常速率掃描，并依次加上紅、綠、藍(lán)3種顏色的濾光器，把高質(zhì)量彩色的基于CRT的HMD引入市場。60LCD類顯示表面LCD技術(shù)能以較低電壓產(chǎn)生彩色圖像，但只具有很低的圖像清晰度。在頭盔顯示器中，也要求形成高質(zhì)量圖像。市場出售的頭盔式顯示器幾乎全部依靠TV質(zhì)量的液晶顯示。在虛擬現(xiàn)實的遙操作領(lǐng)域，一般不要求大區(qū)域顯示，只要求緊湊的輕便的高分辨率顯示。因此，LCD顯示器分辨率有待提高。61VRD類顯示表面VRD(VirtualRealityDisplay)是美國華盛頓大學(xué)HumanInterfaceTechnologyLab(HIT)在1991年發(fā)明的。目標(biāo)是產(chǎn)生全彩色、寬視場、高分辨率、高亮度、低價格的虛擬現(xiàn)實立體顯示。MicrovisionInc.擁有該技術(shù)產(chǎn)品化的專利權(quán)。有很多潛在的應(yīng)用，從軍事航天應(yīng)用到醫(yī)學(xué)應(yīng)用等。VRD直接把調(diào)制的光線投射在人眼的視網(wǎng)膜上，產(chǎn)生光柵化的圖像，如圖2-24所示。觀看者感到這個圖像是在前方2英尺遠(yuǎn)處的14英寸顯示器上出現(xiàn)的。而事實上，圖像是在眼的視網(wǎng)膜上。圖像質(zhì)量很高，有立體感、全彩色、寬視場、無閃爍。6263VRD的主要特點如下：體積很小，重量很輕；具有大于120度的大視場；可以適應(yīng)人類視覺的高分辨率；具有高分辨率的全彩色；可以適用于室外的高亮度；具有很低的功率消耗；有深度感的真正的立體顯示；具有看穿式的顯示方式(類似于看穿式的頭盔顯示，在看到激光掃描的虛擬圖形的同時，也看到真實場景)。6465在增強(qiáng)現(xiàn)實型虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中，采用的是看穿式的頭盔顯示，在每個眼睛的前方有一個與視線成45度的半透明鏡子。這個鏡子一方面反射在頭部側(cè)方的LCD(或CRT)顯示器上的虛擬圖形，另一方面透射在頭部前方的真實場景。因此，在看到計算機(jī)生成的虛擬圖形的同時，也看到真實場景。對有些增強(qiáng)現(xiàn)實的顯示，使用半透明顯示表面，合成圖像覆蓋在由環(huán)境中物體得到的圖像。另一些增強(qiáng)現(xiàn)實系統(tǒng)中，合成圖像與由視頻設(shè)備得到的圖像相組合。頭盔式立體顯示器是一種單用戶沉浸的顯示器，其主要用途是飛行模擬與電子游戲等，不適合于多用戶協(xié)同工作的方式，設(shè)備過重(15~20kg)、分辨率較低、刷新頻率慢、跟蹤精度低、離屏幕過近容易使眼睛疲勞等。66吊桿式顯示器由于頭盔式顯示系統(tǒng)存在以上的一些缺點，1991年，UniversityofIllinois的Defanti和Sandin提出了一種改進(jìn)的沉浸式虛擬顯示環(huán)境(BOOM，BinocularOmni-OrientationMonitor)，這是一種可移動的顯示系統(tǒng)，如圖2-26所示。它的顯示器由吊桿支撐，由兩個互相垂直的機(jī)械臂支撐，外型像望遠(yuǎn)鏡。它具有六自由度，這不僅讓用戶可以用兩手握住顯示器在半徑約2m的球面空間內(nèi)自由移動，還能將顯示器的重量加在巧妙的平衡架上而使之始終保持平衡，不受平臺的運動影響。在支撐臂上的每個節(jié)點處都有空間位置跟蹤器，因此BOOM能提供高分辨率、高質(zhì)量的影像，而且對用戶無重量方面的負(fù)擔(dān)。6768與頭盔顯示器相比，BOOM采用了高分辨率的CRT顯示器，因而其分辨率高于HMD，且圖像柔和。BOOM的位置及方向跟蹤是通過計算機(jī)械臂節(jié)點角度的變化來實現(xiàn)的，因而其系統(tǒng)延遲小，且不受磁場和超聲波背景噪音的影響。它的沉浸感稍差些，但使用這種設(shè)備可以自由地進(jìn)出虛擬環(huán)境，用戶只要把頭從觀測點移開，就能完成虛擬世界與現(xiàn)實世界的轉(zhuǎn)換，因而具有方便靈活的應(yīng)用特點。主要缺點是由于機(jī)械臂影響用戶的運動，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平方米的空間范圍，而且它還是一種單用戶的虛擬環(huán)境且不能解決屏幕離眼睛過近對用戶所造成的不適感。69洞穴式立體顯示裝置洞穴式立體顯示裝置(CAVE，ComputerAutomaticVirtualEnvironment)系統(tǒng)是一套基于高端計算機(jī)的多面式的房間式立體投影系統(tǒng)解決方案。CAVE主要由專業(yè)虛擬現(xiàn)實工作站、多通道立體投影系統(tǒng)、虛擬現(xiàn)實多通道立體投影軟件系統(tǒng)、房間式立體成像系統(tǒng)四部分組成。CAVE是把高分辨率的立體投影技術(shù)和三維計算機(jī)圖形技術(shù)、音響技術(shù)、傳感器技術(shù)等綜合在一起，產(chǎn)生一個供多人使用的完全沉浸的虛擬環(huán)境。這種小房子的形狀通常是一個立方體，像洞穴一樣，因而稱為洞穴式立體顯示裝置。在CAVE環(huán)境中通?？扇菁{4～5人，常見的CAVE有四面CAVE、五面CAVE、六面CAVE。其中五面CAVE的立體顯示裝置的顯示屏幕由立方體的5個面組成，立方體的另一個面用于作為人員的出入通道和通氣口。而四面的CAVE是4個投影面組成，由左、中、右三面及地板構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)如圖2-27所示。70711992Dr.Cruz-Neira在SIGGRAPH會議上演示72第一個多面的顯示環(huán)境CAVE是1991年伊利諾伊(Illinois)大學(xué)開發(fā)的，其相關(guān)論文在圖形學(xué)會議SIGGRAPH92上發(fā)表。由多臺計算機(jī)產(chǎn)生的圖像，被鏡面反射到投影屏幕，視點在環(huán)境中的移動，受一個主要用戶的控制。該用戶身上有位置跟蹤設(shè)備(如磁跟蹤器)，監(jiān)測他注視的地方。該用戶還用操縱桿控制視點的移動。為了觀看立體顯示，所有用戶都要佩帶立體眼鏡。一個缺點是，除了主要用戶外，每個人都好像乘車一樣，會出現(xiàn)仿真眩暈。因為房間不可能做得很大，一般投影機(jī)的光學(xué)系統(tǒng)通過鏡面反射。每個投影面用單獨的投影材料，在三面墻交界的兩個墻角處，從房頂?shù)降孛胬桓?／4英寸的纜線。纜線的遮擋會破壞在墻角處的立體效果。CAVE由PyramidSystemsInc.銷售，與伊利諾伊大學(xué)合作，有較好的技術(shù)支持。73C2是由愛荷華(Iowa)州立大學(xué)制造的一個CAVE系統(tǒng)，通過與愛荷華工程部的合作，試圖改進(jìn)CAVE的不足。主要改進(jìn)包括：地板投影從用戶后方移動到用戶前方。這就把用戶在地板上的陰影移到用戶后方，不會影響顯示。在墻角處，用架子把兩邊的墻面夾在一起，防止有陰影投在屏幕上。采用Unistrut結(jié)構(gòu)，提供更好的立體聲效果。CABIN(ComputerAidedBoothforImageNavigation)是東京大學(xué)制造的五面顯示的系統(tǒng)。它有強(qiáng)化玻璃的地板，還有三面墻和天花板的顯示，得到工業(yè)界支持。74NAVE(NAVEAutomaticVirtualEnvironment)是由GeorgiaTechVirtualEnvironmentsGroup制造的，適于用在大學(xué)的實驗室。它用視覺和其他物理感覺增強(qiáng)全局的沉浸感。兩個人坐在一個椅子上，采用力反饋手柄控制運動。聲音系統(tǒng)很好，還可以通過地板發(fā)出震動，同時用旋轉(zhuǎn)和閃爍的光線加強(qiáng)氣氛。C6是由愛荷華(Iowa)州立大學(xué)制造，是三維全沉浸的合成環(huán)境。它的房間中，四面墻、地面和天花板都是投影屏幕，顯示背投的立體圖像。一面墻可動，允許用戶進(jìn)出房間。75VirtualEnvironmentEnclosure的改進(jìn)包括：減小空間要求，增加投影面，增加立體聲音，增加物理反饋，降低價格。浙江大學(xué)于1999年6月建成我國第一個4面CAVE系統(tǒng)，系統(tǒng)如圖2-28所示，在這種環(huán)境中，多個用戶戴上主動式或被動式眼鏡，他們視線所涉及的范圍均為背投式顯示屏上顯示的計算機(jī)生成的立體圖像，沉浸感較強(qiáng)。7677通常在CAVE系統(tǒng)中還配有三維立體聲系統(tǒng)，使用戶能達(dá)到身臨其境的感覺。用戶戴著有線或無線式立體眼鏡，可以感覺處在一個虛擬世界之中，非常類似于立體的環(huán)幕電影，只不過這并非是電影。整個系統(tǒng)可以實時地與用戶發(fā)生交互并作出響應(yīng)。系統(tǒng)不僅能產(chǎn)生立體的全景圖像，而且還有頭部跟蹤功能，能夠準(zhǔn)確測定頭部位置，并知道用戶正在朝哪個方向觀看。系統(tǒng)可以追隨用戶的視線實時描繪出虛擬的場景，這樣，用戶就不必像在普通的計算機(jī)上的3D圖形應(yīng)用軟件中（如三維游戲）那樣，去按鍵盤來轉(zhuǎn)換視角了。用戶可以非常自然地運動，通過轉(zhuǎn)動頭部來轉(zhuǎn)換視角，使CAVE的虛擬現(xiàn)實程度比那些僅僅擁有立體圖像的系統(tǒng)更加優(yōu)越。另外，CAVE系統(tǒng)可供多人參與到高分辨率三維立體視聽的高級虛擬仿真環(huán)境，允許多個用戶沉浸于虛擬世界之中，因此是一個較為理想的虛擬現(xiàn)實顯示系統(tǒng)。78CAVE系統(tǒng)可用于各種模擬與仿真、游戲等，但主要應(yīng)用是科研方面的可視化應(yīng)用。CAVE為科學(xué)家?guī)砹艘豁梻ゴ蠖镄碌乃伎挤绞剑瑪U(kuò)展了人類的思維。它可以向從事計算的科學(xué)家和工程師提供高質(zhì)量的立體顯示裝置，色彩豐富、無閃爍、大屏幕的立體顯示裝置使科學(xué)家和工程師身臨其境所建成的虛擬環(huán)境之中，并可允許多人進(jìn)行交互式工作?，F(xiàn)在的虛擬現(xiàn)實技術(shù)及CAVE顯示裝置為科學(xué)計算可視化提供了高性能的模擬手段，進(jìn)一步吸引科研人員采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)來進(jìn)行科學(xué)研究。例如，一個科學(xué)家利用超級計算機(jī)生成了海量的數(shù)據(jù)，如果他想解釋這些數(shù)據(jù)的意義，最好的方法就是在CAVE系統(tǒng)通過可視化的方式看到這些數(shù)據(jù)，并通過圖形的方式去交互地瀏覽這些數(shù)據(jù)。79CAVE在建立虛擬原型以及輔助建筑設(shè)計方面有很多的應(yīng)用。要設(shè)計一輛汽車，可以在CAVE上建造一個虛擬模型并隨意觀看?？梢試@著它，從各個角度審視它，甚至可以走進(jìn)汽車的內(nèi)部，坐到駕駛員的位置上去觀察。對于建筑設(shè)計師，與其建造一個小比例的建筑模型，不如利用CAVE在虛擬建筑內(nèi)走一走，身臨其境地感受到一些建筑物的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，并與之發(fā)生互動，分析設(shè)計的合理性。然而CAVE存在的問題是價格昂貴、需要較大的空間與更多的硬件，目前也沒有產(chǎn)品化與標(biāo)準(zhǔn)化，對使用的計算機(jī)系統(tǒng)圖形處理能力也有極高的要求，因而限制了它的普及，到2004年底，全球共有40多套CAVE系統(tǒng)。80響應(yīng)工作臺顯示裝置1993年德國國家信息技術(shù)研究中心GMD(2000年后改為弗朗霍夫?qū)W會下的研究所)發(fā)明了響應(yīng)工作臺立體顯示裝置（RWB，ResponsiveWorkBench），如圖2-29所示。這是一種非沉浸式，支持多用戶協(xié)同工作的立體顯示裝置。在非沉浸式環(huán)境中，計算機(jī)作為一種智能服務(wù)器，通過多傳感器交互通道向用戶提供視覺、聽覺、觸覺等多通道信息。通常，將計算機(jī)以及與它相連接的多種傳感器與反應(yīng)裝置稱為響應(yīng)環(huán)境，響應(yīng)工作臺立體顯示裝置就是這種響應(yīng)環(huán)境的一個重要組成部分。81響應(yīng)工作臺立體顯示裝置是一個臺式裝置，桌面兼作顯示屏，尺寸約為1.8m×1.2m，RWB由投影顯示器、一個大的反射鏡和一個既做桌面又做顯示屏的特殊玻璃組成，響應(yīng)臺前部為顯示屏，顯示屏下面安裝一個大的反射鏡，響應(yīng)臺后部桌面下安裝一臺投影顯示器，將立體投影到反射鏡面上，再由反射鏡將圖像反射到顯示屏上。顯示在屏上的既可以是虛擬對象，也可以是各種控制工具（控制菜單），系統(tǒng)可以調(diào)節(jié)立體投影的參數(shù)，使得虛擬對象成像在桌面之上，用戶佩戴眼鏡觀察時具有較強(qiáng)的立體感。由于RWB具有較大的顯示屏，因此允許多用戶共同參與。8283由于所顯示的立體視圖只能受控于一個觀察者的視點位置和視線方向，而其他觀察者可以通過各自的立體眼鏡來觀察虛擬對象，因而十分適合于輔助教學(xué)，即讓教師、學(xué)生共同參與，由一位老師操縱虛擬對象進(jìn)行示范教學(xué)，其他學(xué)生觀察整個過程。如果有多臺RWB則同時可對同一虛擬對象進(jìn)行操縱，并進(jìn)行通信，支持實現(xiàn)真正的分布式協(xié)同工作。84根據(jù)應(yīng)用對象不同，RWB可以連接不同的輸入偷出裝置，實現(xiàn)人與虛擬世界的自然交互，最常見的設(shè)備是使用數(shù)據(jù)手套，配合位置跟蹤裝置，可以實現(xiàn)碰撞檢測，并可以用手與虛擬對象進(jìn)行自然地交互。1998年GMD科學(xué)家又進(jìn)一步改進(jìn)了RWB的設(shè)計，研制成功了雙面響應(yīng)工作臺顯示裝置，增加了一個垂直的顯示屏，使桌面的立體圖像的成像高度有較大提高，進(jìn)一步改善了立體效果和顯示質(zhì)量。85墻式立體顯示裝置前面的設(shè)備都只能供單個或幾個用戶使用，要使更多的用戶共享立體圖像效果，可以采用大屏幕投影顯示設(shè)備。屏幕投影立體顯示裝置可采用單投影顯示器或雙投影顯示器，立體顯示的形式有主動式與被動式，投影方式有正投與背投。在實際應(yīng)用中，以下三種方式較為常見：單臺投影機(jī)主動式立體投影系統(tǒng)單臺投影機(jī)被動式立體投影系統(tǒng)雙臺投影機(jī)被動式立體投影系統(tǒng)86單臺投影機(jī)主動式立體投影系統(tǒng)一般采用快速熒光粉CRT投影器，對應(yīng)左眼和右眼的兩路視頻信號輪流交替在屏幕上顯示。它們的頻率為標(biāo)準(zhǔn)刷新率（通常為60幀/秒）的二倍。必須佩戴具有液晶光閥的立體眼鏡才能看到立體圖像，否則看到的圖像就是模糊重影效果。立體眼鏡的液晶光閥的開關(guān)由同步信號來控制，同步信號可以通過紅外信號傳送，與顯示的圖像同步。于是，當(dāng)顯示左眼的圖像時，立體眼鏡的左眼光閥打開，立體眼鏡的右眼光閥關(guān)閉。立體眼鏡就可以在無線或有線狀態(tài)工作，如圖2-30所示。8788單臺投影機(jī)被動式立體投影系統(tǒng)投影機(jī)輪流在屏幕上顯示分別對應(yīng)左眼和右眼的兩路視頻信號，頻率為標(biāo)準(zhǔn)刷新率的二倍。偏振屏幕分別對兩眼的圖像施加不同的偏振（這個偏振是由屏幕產(chǎn)生的）。觀看者佩戴具有不同偏振的眼鏡。89雙臺投影機(jī)被動式立體投影系統(tǒng)兩臺投影機(jī)可采用陰極射線管(CRT)投影顯示器或液晶投影顯示器(LCD)，分別在屏幕上顯示對應(yīng)左眼和右眼的兩路視頻信號。頻率為標(biāo)準(zhǔn)刷新率。兩臺投影機(jī)鏡頭前，分別安裝不同的偏振片，施加不同的偏振(有的投影機(jī)內(nèi)部可以施加不同的偏振)。目前這類系統(tǒng)應(yīng)用較多，主要是其價格相對便宜，成本較低，如圖2-31所示。9091在實際應(yīng)用中，有時為節(jié)省成本，用一臺圖形工作站，配一個立體轉(zhuǎn)換器(立體處理器)，將單路視頻信號轉(zhuǎn)換成雙路有“視差”的立體視頻，也可實現(xiàn)上述系統(tǒng)相同的要求，如圖2-32所示。9293在這個系統(tǒng)中，使用了EON-CYVIZ3D開發(fā)的xpo系列“3D立體處理器”，使得在采用普通LCD或DLP投影機(jī)、通用PC工作站和標(biāo)準(zhǔn)的軟件環(huán)境下，實現(xiàn)了高質(zhì)量的3D立體再現(xiàn)。它以比傳統(tǒng)手段更低成本的方式，實現(xiàn)了高質(zhì)量的三維立體再現(xiàn)。它采用信號源與投影機(jī)獨立工作的形式，因此，適用于任何計算機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)立體數(shù)字輸出和任何品牌的任何型號的投影機(jī)。而且，對傳統(tǒng)的主動式立體成像系統(tǒng)CRT系列也同樣適用，并可應(yīng)用于顯示屏尺寸多達(dá)500寸的吊頂式或投影矩陣組成的前投和背投系統(tǒng)中，外形如圖2-33所示。9495實例：WSR801單通道立體投影系統(tǒng)WSR801是一套基于小型虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)平臺的入門級立體投影系統(tǒng)。包含一臺圖形工作站、一臺WSR801AP轉(zhuǎn)換器和兩臺疊加的LCD或者DLP投影機(jī)。兩臺投影機(jī)投射的畫面由于是疊加在一個投影區(qū)域的，習(xí)慣上稱之為單通道立體顯示投影系統(tǒng)?？勺鳛榱Ⅲw投影或普通投影使用，為用戶提供約26度視角的半沉浸式立體演示顯示和人機(jī)交互環(huán)境。使用了被動式立體顯示原理，參與者需要佩帶偏光立體眼鏡，投影機(jī)投射的光路需要做偏光處理。與桌面立體顯示系統(tǒng)相比，具有畫面大，觀看人數(shù)多，使用成本低的特點。與多通道立體投影系統(tǒng)相比，具備低成本、操作簡便、維護(hù)方便、可移動性好的特色，目前這套系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于高校和科研單位。96一個大屏幕投影顯示器一般最大投影面積為6m*5m，但工作在最大投影面積時亮度會有所下降，影響顯示效果。對于有些場合需要更大顯示面積的，可以多臺投影顯示器組合起來構(gòu)成顯示面積更大的墻式立體顯示裝置，此類大屏幕顯示系統(tǒng)又可稱為墻式全景立體顯示裝置，如圖2-34所示。979899同時采用多個投影屏幕產(chǎn)生大的視角(通常水平視場角150度，垂直視場角40度)、較高的亮度(2000ANSI流明以上，有的甚至可達(dá)10000ANSI流明)和分辨率(1280×1024)，可供幾十人沉浸其中，用戶頭戴特殊的眼鏡(液晶立體眼鏡)即可感受到彌漫在周圍的虛擬立體場景，仿佛置身于真實的客觀世界，具有較強(qiáng)的沉浸感。但多通道投影顯示也是技術(shù)難度大、組成復(fù)雜的顯示方式之一。墻式全景立體顯示裝置分為平面式和曲面式兩種，其顯示屏的面積等于幾個投影系統(tǒng)的總和。將幾個顯示屏組合在一起必須解決以下關(guān)鍵技術(shù)：非線形幾何校正、邊緣融合、熱點補(bǔ)償、伽瑪校正、色平衡。100如圖2-35所示為曲面式投影的示意圖。在多個顯示屏拼接時會在拼接處有一個像素寬的空缺或有一個像素寬的重疊，人眼會感到一條黑色或發(fā)亮的狹縫。通常的做法是在拼接處保留一段重疊區(qū)。現(xiàn)在有很多的投影器可以使重疊區(qū)達(dá)到亮度的軟融合，更容易實現(xiàn)無縫，或接近無縫拼接，有的系統(tǒng)中采用專用的硬件來進(jìn)行處理，如采用邊緣融合機(jī)。除此外還存在非線形幾何校正、邊緣融合、熱點補(bǔ)償、伽瑪校正、色平衡等問題。101102國內(nèi)普遍采用的是基于CompactU數(shù)字幾何變形邊緣融合處理器等3D立體處理器的解決方案，CompactU是具有數(shù)字非線性幾何校正、數(shù)字多邊緣融合、數(shù)字熱點補(bǔ)償、數(shù)字色平衡、數(shù)字伽瑪校正等功能的計算機(jī)，它很容易地安裝在圖像生成設(shè)備與投影器之間。多個投影器通過CompactU，可以很容易得到一個無縫、連續(xù)亮度、色度均勻的圖像組。通過友好人機(jī)界面的控制軟件，可對投影效果進(jìn)行調(diào)整和校準(zhǔn)，支持各種圖形工作站及投影器。在這種實現(xiàn)方式中，采用專門的一臺計算機(jī)實現(xiàn)非線性幾何校正、多邊緣融合等功能，既不增加圖形計算機(jī)的負(fù)擔(dān)，又不受投影機(jī)的限制，具有較大的靈活性。103示例：深圳歡樂谷巨大曲面投影邊緣融合解決方案深圳歡樂谷，秉持著"建不完的歡樂谷，玩不完的歡樂谷"的經(jīng)營理念，開業(yè)以來不斷升級換代，為了讓游客"?？闯Ｐ?、常玩常新"，斥資2億元打造亞洲首創(chuàng)魔幻主題全新項目“魔幻城堡”。魔幻城堡建設(shè)之初，深圳歡樂谷進(jìn)行了大量的調(diào)研工作，力求將環(huán)境藝術(shù)的美發(fā)揮到極至，決定打造一個巨大的面積約為800平方米半球穹頂幕投影畫面，將故事主題和文化氛圍營造得淋漓盡致。104天花最高處離地面19米，天花直徑29米，球面天花，球形面高度7.25米，面積約為800平方米，場地為圓筒形，如下圖所示：105畫面要填充整個天花穹頂，根據(jù)現(xiàn)場條件，用四臺投影機(jī)來滿投整個天花穹頂，每臺投影機(jī)投射天花的1/4。根據(jù)計算，需要采用廣角鏡頭才能達(dá)到圖像盡量充滿天花空間的要求，因此采用廠家提供的1.24:1鏡頭(標(biāo)稱為HD1.1:1)，然而HD1.1:1鏡頭的最長聚焦距離為13.1米，投影機(jī)到屏幕的安裝距離超過了13.1米，為了能夠在天花上聚焦，決定采用疊加定制鏡頭的方式將焦距延長到25-28米。106CAD設(shè)計圖紙單臺投影機(jī)的投射畫面(青色部分用數(shù)字處理消隱)最終形成的投影畫面107投影畫面亮度設(shè)計亮度參數(shù)一直是視頻系統(tǒng)設(shè)計的一個重要參數(shù)，然而很多人只知道投影機(jī)的亮度參數(shù)，其實真正影響視覺效果的是畫面的亮度也稱屏前亮度，影響屏前亮度的因素除了投影機(jī)的亮度參數(shù)外還有投射畫面的大小以及屏幕的增益。計算系統(tǒng)的屏前的亮度：投影機(jī)的總亮度為20000×4＝80000ANSI流明(平均亮度)，考慮到邊緣融合和數(shù)字校正的亮度損失(約為15%)，按照68000ANSI流明計算，投射畫面面積約為800平方米，天花材料的反射增益值調(diào)整到1.2，經(jīng)過亮度計算軟件計算，可以達(dá)到約10英尺朗伯的圖像亮度，接近電影院12英尺朗伯的要求，由于采用與數(shù)字電影放映機(jī)相同類型的氙燈光源和3片DLP技術(shù)，所以放映畫面的亮度和色彩可以和影院接近。108投影畫面對比度設(shè)計要想有良好的視覺效果，必須控制好畫面的對比度，與亮度參數(shù)一樣，真正要注意的是屏前的對比度。投影系統(tǒng)可以分為正投和背投兩大類型，此系統(tǒng)屬于正投系統(tǒng)，正投系統(tǒng)的屏前的對比度主要決定于投影機(jī)的對比度參數(shù)和環(huán)境光的照度。在實際操作中，當(dāng)確定了投影機(jī)的型號后，可以改變的就是環(huán)境光的照度影響了，所以在設(shè)計視頻系統(tǒng)的時候建議場地內(nèi)的照明要求盡可能將所有的光源向地面照射，并且遮擋所有的自然光，有自然光的入口采用折回設(shè)計。將天花上的環(huán)境光照度控制在25LUX或以下，此時根據(jù)計算，屏前的對比度在4.4:1至6.7:1之間，通常投影顯示系統(tǒng)如果能達(dá)到5:1左右就可以達(dá)到正常的顯示效果了。109傳輸系統(tǒng)此顯示系統(tǒng)采用SVGA＋(1400×1050)信號，而歡樂谷的現(xiàn)場信號線纜鋪設(shè)長度超過50米，這個傳輸距離決定了信號傳輸不能采用一般的同軸電纜傳輸，適合如此長距離傳輸?shù)某Ｓ镁€纜有兩種：雙絞線CAT5、光纖。110從傳輸距離上看，CAT5和光纖在傳輸距離上都可以達(dá)到要求，但是從信號傳輸穩(wěn)定性來看，光纖比CAT5更加穩(wěn)定，主要因為CAT5線的RJ45水晶頭與RJ45模塊接口連接僅僅是靠RJ45口上自帶的那個小卡銷，在使用中易脫落。另外雙絞線傳輸?shù)氖遣罘帜M信號，長距離傳輸會造成高頻信號的丟失，從而丟失高清畫面的細(xì)節(jié)部分。而且RJ45水晶頭不能承受較大的電流，從而影響系統(tǒng)穩(wěn)定性。綜合考慮，光纖傳輸是此系統(tǒng)最佳選擇。111顯示系統(tǒng)設(shè)備及連接圖顯示系統(tǒng)設(shè)備高清信號處理器VGA矩陣切換器1臺(Creator)邊緣融合器4臺(SiliconOptix公司的ImageAnyplace)光纖傳輸系統(tǒng)(Creator)投影機(jī)4臺(科視RoadsterS+20K)112關(guān)鍵技術(shù)－曲面變形大畫面顯示大都使用硬屏拼接，這種顯示方式不需要曲面變形。即使在一些展示場所需要弧形展示，也只是屬于小量的曲面變形。歡樂谷的穹頂幕是一個直徑29米的半球面屏幕，穹頂幕要被四臺投影機(jī)滿畫面投射，每臺投影機(jī)投影1/4半球面。即，本來一個平面矩形的投影畫面要變形為1/4球形曲面的投影畫面，變形量很大。如下圖所示。113114因此兩個投影單元之間的畫面拼接處理技術(shù)——邊緣融合技術(shù)越來越重要。目前高端的工程投影機(jī)大都具備邊緣融合功能，但是投影機(jī)自身的邊緣融合功能只能實現(xiàn)平面的邊緣融合，無法實現(xiàn)曲面的邊緣融合。美國SiliconOptix公司的ImageAnyplace可以完美地實現(xiàn)曲面變形、融合。115曲面變形調(diào)試116示例：3D純硬件邊緣融合解決方案對于3D立體投影的臨場體驗而言，畫面的幅度和亮度都是非常重要的影響因素，為了獲得震撼的超寬沉浸3D效果和用相對經(jīng)濟(jì)的投影設(shè)備獲得足夠的亮度，立體投影結(jié)合多通道無縫邊緣融合成為高端立體投影系統(tǒng)的不二選擇。但是過去這種立體投影加多通道無縫邊緣融合的解決方案一直存在價格高昂，使用困難的問題，同時對于基于120Hz的主動式立體多通道投影更是沒有完善的解決方案。大視電子的MP102-DVI雙通道投影純硬件邊緣融合機(jī)可以通過兩臺共用的方式輕松實現(xiàn)雙通道硬邊緣融合被動式立體投影。大視電子不僅解決了被動式投影的多通道融合問題，而且研發(fā)出業(yè)內(nèi)首個支持真正主動式120Hz的雙通道立體投影邊緣融合解決方案。117對于3D應(yīng)用而言主要分為主動式和被動式兩種實現(xiàn)方式，被動式立體投影發(fā)展較早，早期的借助雙眼分色的紅藍(lán)紅綠被動投影，到后來的線偏振和圓偏振3D立體投影技術(shù)都可以被認(rèn)為是被動式3D解決方案。被動投影的優(yōu)勢是對用戶眼鏡要求低，沒有同步要求，但是大多數(shù)被動投影需要借助更多臺的投影機(jī)（一般為投影通道數(shù)的兩倍，也有部分技術(shù)可以減少，但是其它代價高昂），更多通道的融合機(jī)，同時對幕布系統(tǒng)的要求很高，使得整個系統(tǒng)的代價比較高昂，比較適合于眾多觀眾的場合。118主動式投影系統(tǒng)近年來發(fā)展迅速，主要得益于Nvidia的3Dvision和TI的DLP-link技術(shù)的推廣使得主動投影技術(shù)逐漸成為現(xiàn)代投影機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)配置，大大降低了立體投影的門檻。無論是3Dvision還是DLP-link技術(shù)的核心都是采用120Hz刷新率的高帶寬圖像，由于對硬件處理能力提出了高出一倍的要求，使得在結(jié)合多通道邊緣融合時的困難加大，基于傳統(tǒng)架構(gòu)的硬件融合機(jī)都無法在不損失效果的條件下完成，而基于軟件處理的軟件融合方案更是成為不可能完成的任務(wù)。119大視電子的MP102-DVI雙投影融合機(jī)基于全硬件實時處理架構(gòu)，內(nèi)部帶寬極大，可以對兩路1024x768@120Hz分辨率的信號進(jìn)行實時全硬件融合處理，因此無論是用戶運行3D游戲、立體高清晰電影、立體數(shù)字地圖等都可以在整個超寬投影屏幕上完美呈現(xiàn)，且不占用任何計算機(jī)處理資源。要搭建一個超寬幕的主動式立體投影系統(tǒng)，只需要一臺MP102-DVI120Hz版本加上兩臺任何支持Nvidia的3Dvision或TI的DLP-link的投影機(jī)，該投影系統(tǒng)結(jié)合Nvidia的3Dvision不僅可以支持3D電影，圖像等傳統(tǒng)應(yīng)用，還可以完美的支持3D游戲，實現(xiàn)沉浸式的虛擬仿真，同時由于系統(tǒng)的靈活性，在不使用3D功能時，還可以無縫切換到非立體模式，具有極大的應(yīng)用靈活性。120聽覺感知設(shè)備122聽覺信息是人類僅次于視覺信息的第二傳感通道，它是多通道感知虛擬環(huán)境中的一個重要組成部分。它一方面接受用戶與虛擬環(huán)境的語音輸入，另一方面也生成虛擬世界中的立體三維聲音。聲音處理可以使用內(nèi)部與外部的聲音發(fā)生設(shè)備，其系統(tǒng)主要由立體聲音發(fā)生器與播放設(shè)備組成。一般采用聲卡用來為實時多聲源環(huán)境提供三維虛擬聲音信號傳送功能，這些信號經(jīng)過預(yù)處理后，用戶通過普通耳機(jī)就可能確定聲音的空間位置。123虛擬環(huán)境的聽覺顯示系統(tǒng)應(yīng)該具有以下特點：高度的逼真性；能以預(yù)訂方式改變波形，作為聽者各種屬性和輸出的函數(shù)(包括頭部位置變化)；消除所有不是虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)產(chǎn)生的聲源(如真實環(huán)境背景聲音)；在增強(qiáng)現(xiàn)實系統(tǒng)中，允許有現(xiàn)實世界的聲音。為了滿足這些要求，聽覺顯示系統(tǒng)應(yīng)該包括發(fā)聲設(shè)備。目前主要是耳機(jī)與喇叭這兩種發(fā)聲設(shè)備。為了仿真不同類型的聲源，要求能合成各類特定聲源的聲音信號。124用耳機(jī)最容易達(dá)到虛擬現(xiàn)實的要求。當(dāng)使用喇叭時，其位置遠(yuǎn)離頭部，每個耳朵聽到每個喇叭的聲音，但控制起來比較困難。雖然商業(yè)化的高逼真電影往往聲稱喇叭有很好的形成聲象能力，但用戶限制在房中單一收聽位置，只得到固定方位聲象(不補(bǔ)償頭部轉(zhuǎn)動)，而且房間的聲學(xué)特性不容易處理。此外，由于耳朵完全打開，不可能排除環(huán)境中附加的聲音。雖然與耳機(jī)有關(guān)的接觸感可能限制聽覺臨場感的效果，但是由于用戶有時需要在虛擬和真實環(huán)境之間來回轉(zhuǎn)換，這樣與耳機(jī)接觸可能更方便。有時可以利用喇叭能發(fā)生很大的低頻爆破聲的特點，將喇叭用于振動身體部分。125耳機(jī)不同的耳機(jī)有不同的電聲特性、尺寸重量以及安裝在耳上的方式。一類耳機(jī)是護(hù)耳式耳機(jī)，它是相對體積較大、較重，并用護(hù)耳墊罩在耳朵上。另一類耳機(jī)是插入耳機(jī)(或稱耳塞)，聲音通過它送到耳中某一點。插入耳機(jī)體積很小，并封閉在可壓縮的插塞中(或適于用戶的耳膜)。耳機(jī)的發(fā)聲部分也可以遠(yuǎn)離耳朵，其輸出的聲音經(jīng)過塑料管連接(一般2mm內(nèi)徑)，它的終端在類似的插塞中。耳機(jī)有較高聲音帶寬(60Hz～15kHz)，有適當(dāng)?shù)木€性和輸出級別(高達(dá)約110dB聲壓級別)。126在虛擬現(xiàn)實領(lǐng)域涉及聽覺顯示的多數(shù)研究開發(fā)集中在由耳機(jī)提供聲音。但采用耳機(jī)也有一些缺點：它要求把設(shè)備安在用戶頭上，從而增加負(fù)擔(dān)。耳機(jī)提供的發(fā)聲功率很小，只刺激聽者耳膜。即使耳機(jī)能產(chǎn)生足夠的能量震聾用戶，但通過耳機(jī)的刺激不足以給用戶提供聲音能量去影響耳朵以外的身體部位。雖然對虛擬現(xiàn)實領(lǐng)域的多數(shù)應(yīng)用，聽覺系統(tǒng)對正常聽覺通道的刺激(外耳、耳膜、中耳、耳蝸等)是精確的，但是我們不僅希望在環(huán)境中提供真實的聲音仿真(如爆破或高速飛機(jī)低空飛過)，而且其他身體部位的聲音仿真也是重要的(如振動用戶肚子)。127喇叭喇叭與耳機(jī)相比具有聲音大、可使多人感受等特點，同時像耳機(jī)一樣，在動態(tài)范圍、頻率響應(yīng)和失真等特征上適用于所有虛擬現(xiàn)實應(yīng)用。價格也是合適的（雖然比耳機(jī)更貴），特別是要求在很大的音量上產(chǎn)生很高強(qiáng)度聲音時（如在大劇場中的強(qiáng)聲音樂）。在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中，喇叭系統(tǒng)的主要問題是達(dá)到要求的聲音空間定位（包括聲源的感知定位和聲音的空間感知特性）時，難以控制兩個耳膜收到的信號，以及兩個信號之差。在調(diào)節(jié)給定系統(tǒng)，對給定的聽者頭部位置提供適當(dāng)?shù)母兄獣r，如果用戶頭部離開這個點，這種感知就很快衰減。至今還沒有喇叭系統(tǒng)包含頭部跟蹤信息，并用這些信息隨著用戶頭部位置變化適當(dāng)調(diào)節(jié)喇叭的輸入。128這個問題在用耳機(jī)時不存在。在耳機(jī)中，給定的耳膜收到的信號僅取決于該耳的耳機(jī)發(fā)出的信號。與耳機(jī)情況不同，在用喇叭時，給定耳膜收到的信號受到房間中所有喇叭發(fā)出的所有信號的影響，也取決于聲音在房間中由喇叭到耳膜傳送中經(jīng)受的變換。在虛擬現(xiàn)實領(lǐng)域中，使用非耳機(jī)顯示的一個著名系統(tǒng)是伊里諾斯大學(xué)開發(fā)的CAVE，該系統(tǒng)使用4個相同的喇叭，安在天花板的四角上，而且其幅度變化（衰減）可以仿真不同的方向和距離效果。觸覺（力覺）反饋設(shè)備130在虛擬世界中，人會與虛擬世界中的物體進(jìn)行接觸，去感知世界，并進(jìn)行各種交互。接觸按照提供給用戶的信息可以分成兩類：觸覺反饋和力反饋。人們一方面是利用觸覺和力覺信息去感知虛擬世界中物體的位置和方位；另一方面是利用觸覺和力覺操縱和移動物體來完成某種任務(wù)。觸覺與力覺系統(tǒng)允許用戶接觸、感覺、操作、創(chuàng)造以及改變虛擬環(huán)境中的三維虛擬物體。觸覺不僅可以感覺和操作，而且是人類許多活動的必要組成部分。在虛擬環(huán)境中，缺乏觸覺識別就失去了給用戶的主要信息源。沒有觸覺和力覺，就不可能與環(huán)境進(jìn)行復(fù)雜和精確的交互。131在觸覺和力覺這兩種感覺中，觸覺的內(nèi)容相對較豐富。觸覺反饋給用戶提供的信息有：物體表面幾何形狀、表面紋理、滑動等。力反饋給用戶提供的信息有：總的接觸力、表面柔順、物體重量等。目前的技術(shù)水平只能做到讓觸覺反饋裝置提供最基本的“觸到了”的感覺，無法提供材質(zhì)、紋理、溫度等感覺。132虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)對觸覺反饋和力覺反饋的要求有：實時性要求：觸覺反饋和力反饋需要實時計算接觸力、表面形狀、平滑性和滑動等，這樣才有真實感。有較好的安全性：由于虛擬的反饋力量是在用戶的手或其他部位上施加真實的力。因此要求有足夠的力度讓用戶感覺到，但這種力不應(yīng)該大到傷害用戶。同時，一旦計算機(jī)出現(xiàn)故障，也不會出現(xiàn)傷害用戶的情況。具有輕便和舒適的特點：在這類設(shè)備中，如果執(zhí)行機(jī)械太大且太重，則用戶很容易疲勞，所以設(shè)備應(yīng)該有便于安裝與攜帶的特點。133134觸覺反饋裝置觸覺反饋在物體辨識與操作中起重要作用，同時它也檢測物體的接觸，所以在任何力反饋系統(tǒng)中都是需要的。人體具有20種不同類型的神經(jīng)末梢，給大腦發(fā)送信息。多數(shù)感知器是熱、冷、疼、壓、接觸等感知器，觸覺反饋裝置就應(yīng)該給這些感知器提供高頻震動、形狀或壓力分布、溫度分布等信息。135目前，觸覺反饋裝置主要局限于手指觸覺反饋裝置。按觸覺反饋的原理，手指觸覺反饋裝置可分為五類：基于視覺式、電刺激式、神經(jīng)肌肉刺激式、充氣式和振動式。基于視覺的觸覺反饋就是用眼睛來判別兩個物體之間是否接觸，這是目前虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中普遍采用的辦法。通過碰撞檢測計算，在虛擬世界中顯示兩個物體相互接觸的情景。電刺激式是指通過向皮膚反饋寬度和頻率可變的電脈沖用來刺激皮膚，達(dá)到觸覺反饋的目的。神經(jīng)肌肉刺激式是通過生成相應(yīng)刺激信號，直接刺激用戶相應(yīng)感覺器官的外壁，這兩種裝置有一定危險性，不安全。較安全的方法是充氣壓力式和振動觸感式的反饋器。136充氣式觸覺反饋裝置在充氣式觸覺反饋裝置中，手套中有一些微小的氣泡，這些氣泡按需要采用壓縮泵來充氣和排氣。充氣時，微型壓縮泵迅速加壓，使氣泡膨脹而壓迫刺激皮膚達(dá)到觸覺反饋的目的。圖2-36是一種充氣式觸覺反饋裝置（TeletactII手套）的原理圖。Teletact手套由兩層組成，兩層手套中間排列著29個小氣泡和1個大氣泡。大氣泡在手掌部位，使手掌部位亦能產(chǎn)生接觸感。每一氣泡都各有一個進(jìn)氣和出氣管道，所有氣泡的進(jìn)/出氣管部匯總在一起，與控制器中的微型壓縮泵相連接。在手的敏感部件（如食指指尖部位）配置了4個氣泡，中指指尖有3個，大拇指指尖有2個。在這3個靈敏手指部位配置多個氣泡的目的是為了仿真手指在虛擬物體表面上滑動的觸感，只要逐個驅(qū)動指尖上的氣泡就會給人一種接觸感。137138振動式觸覺反饋裝置輕型形狀記憶合金的振動觸覺反饋裝置探針陣列式的振動觸覺反饋設(shè)備139輕型形狀記憶合金的振動觸覺反饋裝置采用輕型的形狀記憶合金（SMM，ShapeMemoryMetal）作為傳感器制成。形狀記憶合金是一種特殊的元件，當(dāng)馬氏體的棒彎曲后，再加熱，成為奧氏體。冷卻后，又恢復(fù)為馬氏體，并恢復(fù)原始形狀。每個接觸元件都是一個細(xì)的拉長的懸臂梁，它的一端向上彎成90度，另一端固定在底座上。一條很細(xì)的SMM線，如Ti-Ni（鈦一鎳）合金，連到懸臂梁的彎曲端。在電流通過SMM線時，它就因焦耳效應(yīng)發(fā)熱。這個合金將收縮，向上彎曲懸臂梁角度θ。在懸臂梁彎曲端上的塑料帽將通過矩陣的頂蓋伸出，與指尖接觸。反之，當(dāng)電流切斷時，SMM線冷卻，懸臂梁把針收回驅(qū)動器陣列內(nèi)。140141其基本原理是把記憶合金做成一定的形狀與手指放在一起，當(dāng)記憶合金絲通電、加熱時，它產(chǎn)生收縮，從而向上拉動觸頭，使觸頭頂出表面，接觸手指皮膚而產(chǎn)生觸覺感知。當(dāng)電流中斷時，記憶金屬絲冷卻下來，觸頭恢復(fù)原狀。在軟件的控制下，PC輸出線循環(huán)地按空間和時間序列轉(zhuǎn)換驅(qū)動器的通斷。時間通/斷序列在指尖上造成振動感。空間通/斷序列激勵不同的微針，傳達(dá)接觸表面的形狀。當(dāng)一個虛擬手指在與虛擬物體邊緣接觸平移時，相鄰行（或列）順序被激勵（行1、行2等），與虛擬手指運動同步。與充氣式觸覺反饋裝置相比，記憶合金反應(yīng)較快，通常適合在不連續(xù)、快速的反饋場合。142探針陣列式的振動觸覺反饋設(shè)備一種接觸反饋技術(shù)是使用振動觸覺（聲音線圈），由于其結(jié)構(gòu)，聲音線圈的振動盤不能仿真單個指尖上的不同的接觸點。提供這種空間信息的一種技術(shù)是使用微針陣列，這些設(shè)備還太重，尚不能用于虛擬現(xiàn)實的接觸反饋。聲音線圈的振動觸覺反饋設(shè)備，尺寸和重量較大。圖2-38為一種探針陣列式觸覺反饋裝置。143144力覺反饋裝置所謂力反饋是運用先進(jìn)的技術(shù)手段將虛擬物體的空間運動轉(zhuǎn)變成周邊物理設(shè)備的機(jī)械運動，使用戶能夠體驗到真實的力度感和方向感，從而提供一個嶄新的人機(jī)交互界面。力反饋技術(shù)最早被應(yīng)用于尖端醫(yī)學(xué)和軍事領(lǐng)域，在實際應(yīng)用中常見有以下幾種設(shè)備。145力反饋鼠標(biāo)反饋鼠標(biāo)FEELitMouse是給用戶提供力反饋信息的鼠標(biāo)設(shè)備。用戶像使用普通鼠標(biāo)一樣，移動光標(biāo)。它和普通鼠標(biāo)的不同點是，當(dāng)仿真碰撞時，它會給人手施加反饋力。例如，當(dāng)用戶移動光標(biāo)進(jìn)入一個圖形障礙物時，這個鼠標(biāo)就對人手產(chǎn)生反作用力，阻止這種虛擬的穿透。因為鼠標(biāo)阻止光標(biāo)穿透，用戶就感到這個障礙物像一個真的硬物體，產(chǎn)生與硬物體接觸的幻覺。如果采用更先進(jìn)的算法，F(xiàn)EELitMouse就不僅能仿真硬的表面，也能仿真彈簧、液體、紋理和振動。力覺的產(chǎn)生是通過電子機(jī)械機(jī)構(gòu)，它施加力在鼠標(biāo)的手柄上。146力反饋鼠標(biāo)是最簡單的力反饋設(shè)備。但是它只有兩個自由度，功能有限，這限制了它的應(yīng)用。圖2-39所示為一個力反饋鼠標(biāo)。具有更強(qiáng)功能的力反饋設(shè)備是力反饋手柄和力反饋手臂。147148力反饋手柄MIT早期對力反饋