虛擬現(xiàn)實之立體顯示技術(shù)2007-5-15*第一頁，共三十八頁。虛擬現(xiàn)實技術(shù)什么是虛擬現(xiàn)實虛擬現(xiàn)實(VirtualReality，簡稱VR)．又譯為臨境、靈境等。它是由美國VPLResearchInc.公司的J.Lanier在1989年造的一個詞，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)造出的一種計算機軟硬件環(huán)境，人們通過這些設(shè)施以自然的技能(如頭的轉(zhuǎn)動、身體的運動等）向計算機送入各種命令，并得到計算機對用戶的視覺、聽覺及觸覺等多種感官的反饋。隨著人們動作的變化，這些感官反饋也隨之改變。2007-5-15*第二頁，共三十八頁。虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的特性虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)就是要利用各種先進的硬件技術(shù)及軟件工具，設(shè)計出合理的硬件、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，任何一個虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)都可用三個“I”來描述其特性，這就是“沉浸(Immersion)”、“交互（Interaction）”、

“想象（Imagination）”。2007-5-15*第三頁，共三十八頁。沉浸（Immersion）

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

虛擬現(xiàn)實環(huán)境拋棄了鼠標(biāo)的束縛，用戶可以采用更為自然的三維操作或手勢、語音等多通道信息來表達自己的意圖。想象（Imagination）

在虛擬現(xiàn)實環(huán)境中，用戶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)計的成功性和用戶駕馭對象的能力得到空前的提高。

2007-5-15*第四頁，共三十八頁。虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的基本組成2007-5-15*第五頁，共三十八頁。虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用目前國內(nèi)許多高校都在研究虛擬現(xiàn)實技術(shù)，并擁有自己的虛擬現(xiàn)實實驗室，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)實技術(shù)多應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中的機械制造和設(shè)計，以及日常娛樂設(shè)備。2007-5-15*第六頁，共三十八頁。北航虛擬現(xiàn)實（VirtualReality:VR）新技術(shù)教育部重點實驗室建立于2000年，是我國虛擬現(xiàn)實應(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。實驗室圍繞我國經(jīng)濟建設(shè)、社會發(fā)展、科技進步和國家安全的重大需求，系統(tǒng)研究虛擬現(xiàn)實的有關(guān)理論和方法、重點突破前沿關(guān)鍵技術(shù)、自主研制虛擬現(xiàn)實開發(fā)工具和平臺、開發(fā)虛擬現(xiàn)實示范應(yīng)用系統(tǒng)，匯聚和培養(yǎng)高層次創(chuàng)新人才，努力建設(shè)國內(nèi)一流、國際知名的虛擬現(xiàn)實技術(shù)研究機構(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、團結(jié)協(xié)作的研究隊伍。學(xué)術(shù)帶頭人趙沁平教授，博士生導(dǎo)師，國務(wù)院學(xué)位委員會委員，中國計算機學(xué)會虛擬現(xiàn)實與可視化專業(yè)委員會主任委員，國家863計劃重大項目“分布式虛擬環(huán)境”總體負(fù)責(zé)人。

2007-5-15*第七頁，共三十八頁。實驗室承擔(dān)了973計劃、國家863計劃、國家自然科學(xué)基金重點項目、國防科技預(yù)研計劃、裝備型號、CNGI和科技奧運等重大國家科研任務(wù)。5年縱向課題到款額超過3600萬元，具有自主開發(fā)運行大型虛擬現(xiàn)實開發(fā)運行平臺的能力，已經(jīng)推出分布交互仿真開發(fā)與運行平臺BHHLA/RTI

和實時三維圖形平臺BH_GRAPH；獲得國家科技進步二等獎1項，省部及科技進步一等獎2項，其它省部級獎勵3項，發(fā)表學(xué)術(shù)論文225篇，獲得授權(quán)發(fā)明專利6項。十一五期間，實驗室確立了虛擬現(xiàn)實中的建模理論和方法、增強現(xiàn)實與人機交互機制、分布式虛擬現(xiàn)實方法與技術(shù)、虛擬現(xiàn)實的集成環(huán)境與工具四個方面的研究方向。進一步增強實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實領(lǐng)域國家重大科技目標(biāo)

的能力，加強師資隊伍建設(shè)，特別是引進國外高水平學(xué)科帶頭人，健全規(guī)章制度，提高開關(guān)水平，積極為國家的信息化和信息產(chǎn)業(yè)做出新的更大的貢獻。2007-5-15*第八頁，共三十八頁。實驗室部分研究項目課題名稱編號負(fù)責(zé)人起止時間經(jīng)費/萬元類別多兵種武器平臺級分布式虛擬戰(zhàn)術(shù)綜合演練場2001AA115130趙沁平2001-2003

520/520

863計劃多兵種武器平臺級分布式虛擬戰(zhàn)術(shù)綜合演練場

2004AA115130梁曉輝2004-2005

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

吳威2002-2007150/85

863計劃虛擬奧運博物館關(guān)鍵技術(shù)的研究

60533070F020501趙沁平

2005-2008180/108

國家自然科學(xué)基金重點2008年北京奧運會開（閉）幕式創(chuàng)意仿真支撐平臺及逼真演示環(huán)境開發(fā)Z0005191041211郝愛民

2005-2007

250/150科技奧運專項基于IPV6的高性能視頻傳輸和共享虛擬現(xiàn)實CNGI-04-15-8A

周忠2005-2006

400/200

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

2001-2005

270.8/270.8教育部2007-5-15*第九頁，共三十八頁。波音公司日前獲得一份6880萬美元不確定交付/不確定數(shù)量的嚴(yán)格固定價格合同，合同訂購全速產(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)將用于美國空軍F-15和F-16，MACHBrooks，美國海軍F/A-18平臺，并對外售于波蘭（F/16s），比利時（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）。

在過去的6年中，波音公司已按合約生產(chǎn)了超過2000個JHMCS系統(tǒng)。波音公司是JHMCS的主要承包商和集成商，JHMCS由美國加利福尼亞州SanJose的RockwellCollins/Elbit聯(lián)合投資公司景象系統(tǒng)國際,LLC公司生產(chǎn)的。2007-5-15*第十頁，共三十八頁。虛擬現(xiàn)實的立體顯示設(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*第十一頁，共三十八頁。HMD（頭盔顯示器）

頭盔顯示器(HMD)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。2007-5-15*第十二頁，共三十八頁。雙眼立體光學(xué)模型

左圖中，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。2007-5-15*第十三頁，共三十八頁。HMD產(chǎn)品實物舉例IGlassesHMD800Visette

Pro/Visette

Pro452007-5-15*第十四頁，共三十八頁。IGlasses是一種便攜、高品質(zhì)、高分辨率的計算機顯示器，對于大多數(shù)的人群都比較合適，內(nèi)建高保真立體聲耳機。所有的iglassesPC都是即插即用的產(chǎn)品，適合所有的PC機，筆記本電腦甚至目前流行的PDA，現(xiàn)場感強、圖象清晰、飽和多彩。為計算機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*第十五頁，共三十八頁。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*第十六頁，共三十八頁。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*第十七頁，共三十八頁。頭盔顯示器工作方式2007-5-15*第十八頁，共三十八頁。目前市場上頭盔顯示器顯示表面的分類CRT（陰極射線管）類顯示表面LCD（背光液晶顯示器）類顯示表面VRD（虛擬現(xiàn)實顯示器）類顯示表面等離子管類顯示器硅VLSI類顯示器2007-5-15*第十九頁，共三十八頁。VRD顯示表面工作原理示意圖2007-5-15*第二十頁，共三十八頁。頭盔顯示器的優(yōu)缺點

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)與增強式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)不可缺少的視覺輸出設(shè)備。但由于頭盔顯示器只是種單用戶沉浸的顯示器，并不適合于多用戶協(xié)同工作方式。而且其設(shè)備過重，分辨率較低，刷新頻率慢，跟蹤精度低，離屏幕過近，這些都會使用戶感到眼睛疲勞和惡心、不舒適。2007-5-15*第二十一頁，共三十八頁。BOOM（雙目全方位顯視器）由于HMD存在以上缺點，于是出現(xiàn)了可移動的顯示系統(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)量的影象，而對用戶無重量上的負(fù)擔(dān)。2007-5-15*第二十二頁，共三十八頁。BOOM系統(tǒng)的主要缺點

由于使用機械臂，影響用戶運動，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給用戶帶來的不舒適感。2007-5-15*第二十三頁，共三十八頁。立體投影顯示CAVE（洞穴式立體顯示裝置）響應(yīng)工作臺顯示裝置墻式立體顯示裝置單投影機主動式立體顯示系統(tǒng)單投影機被動式立體顯示系統(tǒng)雙投影機被動式立體顯示系統(tǒng)

2007-5-15*第二十四頁，共三十八頁。CAVE基本結(jié)構(gòu)示意圖2007-5-15*第二十五頁，共三十八頁。響應(yīng)工作臺顯示裝置2007-5-15*第二十六頁，共三十八頁。單投影機主動式立體顯示系統(tǒng)單投影機被動式立體顯示系統(tǒng)2007-5-15*第二十七頁，共三十八頁。3D立體眼鏡3D眼鏡的基本原理根據(jù)人體視覺的相關(guān)知識，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，所得的畫面有一點細(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，通過圖像的灰度變化來反映，這種方法只能產(chǎn)生部分深度信息的恢復(fù)。2007-5-15*第二十八頁，共三十八頁。

而我們所指立體圖是通過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)生基本過程是對同一場景分別產(chǎn)生兩個相應(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*第二十九頁，共三十八頁。

3D眼鏡的左右兩片鏡片是各由一片LCD構(gòu)成的，由LCD來控制兩眼可以看到的畫面，在電腦屏幕上交錯出現(xiàn)左眼與右眼應(yīng)該看到的畫面，當(dāng)左眼的畫面出現(xiàn)時，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面。而到右眼的畫面出現(xiàn)時，眼鏡就變成只有右眼可以看到畫面的狀態(tài)，由于兩眼看到的畫面不同，自然就可以產(chǎn)生出立體的效果來。2007-5-15*第三十頁，共三十八頁。

在3D眼鏡工作的時候，顯示器是以120Hz交錯式的掃描頻率工作，左眼和右眼各得60Hz，因為交錯的速度很快，所以如果不戴上眼鏡的話會同時看到兩眼的畫面，就好像是兩個眼睛看東西時沒有對好焦距所看到的影象，顯的模糊不清晰。2007-5-15*第三十一頁，共三十八頁。3D眼鏡的產(chǎn)品實例

WST3D-1、WST3D-2（無線、有線）

Nuvision（無線、有線）

Crystaleyes（無線、有線）2007-5-15*第三十二頁，共三十八頁。

WST3D-1與WST3D-2基于頁交換模式(Pageflip)的液晶立體眼鏡，WST3D1型和2型均有有線和無線兩種配置。

一個發(fā)射器+2個無線液晶立體眼鏡/2個有線液晶立體眼鏡

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

液晶片的開關(guān)頻率為120Hz以上。

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

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

電源開關(guān)采用輕觸型，具有自動關(guān)機的功能。

我們還可以生產(chǎn)用于SGI立體圖像觀看的專用驅(qū)動器；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*第三十三頁，共三十八頁。

NuVisionNuVisionLC眼鏡在具備立體顯示功能(3PINMiniIN插口)的顯卡上很容易實現(xiàn)立體顯示效果，它的舒適和方便是眾所周知的，連續(xù)使用幾個幾個小時而眼睛不會有任何疼痛感。它的框架設(shè)計可以讓已經(jīng)配戴有矯正視力眼鏡的用戶方便地使用它。

立體圖像很清晰并且沒有閃動的邊緣，顯示刷新可以達到120Hz以上。該眼鏡被設(shè)計成最小化的反射效果，電池容電量可超過600小時。

對于那些沒有立體顯示的計算機（使用普通的圖形卡），60GX-NSR是使你的計算機變成立體顯示工作站的唯一工具。無論如何，你都可以從MacNaughton的工業(yè)領(lǐng)先的立體顯示技術(shù)中得到優(yōu)異的仿真效果2007-5-15*第三十四頁，共三十八頁。

CrystalEyes?CrystalEyes?是一種輕便、無線的立體眼鏡，適合于工程和科研應(yīng)用。該產(chǎn)品幾乎可在所有的UNIX