新技術的結晶：頭盔顯示器.doc

新技術的結晶：頭盔顯示器發(fā)布: 2007-7-28 12:55 | 作者: 東南大學電子學研究所 張曉兵 | 來源: | 查看: 3次 頭盔顯示器 (Helmet-Mounted Displays,HMD)由1968年哈佛大學的Ivan Sutherland首先提出,并設計出應用CRT的名為達摩克里斯之劍的頭盔顯示器。經過30年的發(fā)展,頭盔顯示器取得了巨大的進步和廣泛的應用。特別是在微型液晶顯示器、虛擬現實（VR）、袖珍計算機、可視移動電話以及現代數字化部隊的裝備中的逐漸普及,使得頭盔顯示器在這些領域中占據了重要的地位。頭盔顯示器應用 無論是要求在現實世界的視場上同時看到需要的數據,還是要體驗視覺圖像變化時全身心投入的臨場感,模擬訓練、3D游戲、遠程醫(yī)療和手術,或者是利用紅外、顯微鏡、電子顯微鏡來擴展人眼的視覺能力,HMD 都得到了應用。比如軍事上在車輛、飛機駕駛員以及單兵作戰(zhàn)時的命令傳達、戰(zhàn)場觀察、地形查看、夜視系統顯示、車輛和飛機的炮瞄系統等需要信息顯示的,都可以采用HMD。在CAD/CAM 操作上,HMD使操作者可以遠程查看數據,比如局部數據清單、工程圖紙、產品規(guī)格等。波音公司在采用VR技術進行波音777飛機設計時,HMD就得到了應用。頭盔顯示器組成 HMD一般由以下幾部分組成：圖像信息顯示源、圖像成像的光學系統、定位傳感系統、電路控制及連接系統、頭盔及配重裝置。 圖像顯示信息源是指圖像信息顯示器件,一般采用微型高分辨率CRT或LCD、EL、VFD、LED、FED、PDP等平板顯示器件。由于CRT具有高分辨率、高亮度、快的響應速度和低成本,目前在軍事上較為常用,但一般為0.61英寸高亮度、高分辨率單色投影顯示。為了實現彩色CRT顯示,可采用光閥技術進行調制或用光纖傳導的方法。CRT的不足之處是功耗較大,體積大、重量重,需要高壓,在頭盔顯示中,重量是影響視野和眼睛運動的重要因素之一,同時由于頭盔顯示大多應用于單獨供電的環(huán)境,因此,這些因素限制了CRT在頭盔顯示中的應用。 近年來平板顯示器件的發(fā)展,特別是高分辨率視頻顯示用平板顯示器件的長足進步,對減輕頭盔的重量和功耗、降低工作電壓方面起到了促進作用。目前已有采用 1024768 的高分辨率微型LCD制作的頭盔顯示出售,價格在1.5萬美元左右。采用LCD的HMD的不足之處是亮度較低、響應速度較慢,對有快速響應要求的場合目前還不適用。EL和VFD顯示在驅動、彩色等方面尚有需要完善之處,在HMD中的應用還有待發(fā)展。 在頭盔顯示器件中,觀察者是通過眼前的目鏡看清圖像的,因此在HMD中,光學系統的設計是十分重要的,它影響著圖像顯示的質量。HMD可以根據需要,設計成全投入式或半投入式。全投入式將顯示器件的圖像經放大、畸變等像差的校正以及中繼等光學系統在觀察者眼前呈放大的虛像;半投入式是將經過校正放大的虛像投射到觀察者眼前的半反半透的光學玻璃上,這樣顯示的圖像就疊加在透過玻璃的外界環(huán)境圖像之上,觀察者可以同時得到顯示的信息和外部環(huán)境的信息。圖1為投入和半投入式頭盔顯示器光學系統的示意圖。圖2為 Kaiser公司的雙目投入和半投入式頭盔顯示器,將頭盔改為頭帶,減輕了重量。 光學系統的設計不僅關系到成像質量的好壞,還影響到頭盔顯示的體積和重量,以及觀察者在長時間觀看時是否疲勞,因此光學系統和視覺感受是HMD研究的重要部分。國外HMD公司一般采用商用的光學設計軟件進行光學系統的優(yōu)化設計,如目前較好的有ORA 的CODE V和Light Tools,是常用的可視化光學系統優(yōu)化、光軌跡計算軟件。但是,它們的價格也比較昂貴,如CODE V 在6萬美元左右,一般用于航天航空系統中的光學設計。根據應用的層次的不同,也有一些價格相對較低的軟件,如 ZEMAX,價格在4千美元左右。 光學系統的設計還應考慮觀察者的視力、瞳孔間距等因素,設計成可調整結構。頭盔的定位傳感系統是與光學系統同等重要的一部分。它包括頭部的定位和眼球的定位。 眼球的定位主要應用在瞄準系統上,一般采用紅外圖像的識別處理跟蹤來獲得眼球的運動信息。頭部定位采用的方法比較多,如超聲波、磁、紅外、發(fā)光二極管等的定位系統,頭部的定位提供位置和指向六個自由度的信息。對定位傳感系統的要求是靈敏度高、延遲小。靈敏度低易受外界環(huán)境影響,延遲時間長除在給出不正確的位置信息外,還將引起觀察者的頭昏、惡心。目前適用于頭盔顯示器的磁定位傳感器已經有售,Polhemus Inc. 的Istrak、3Space跟蹤器和FASTRAK是交流磁定位傳感器,它的設計概念是快速和短延遲,通過數字信號處理和A/D轉換階段的并行實現了這一設想,其延遲時間僅為4ms,而無任何形式的濾波;Ascension 公司的Bird, Flock of Bird和擴展范圍發(fā)射器（ERT）是直流磁定位傳感器,其中Flock of Bird為多個單元,可在相同的環(huán)境下共同工作以擴展操作范圍的直流磁定位傳感器。直流磁定位系統與交流磁定位系統相比,一個優(yōu)點是在使用中受外界導磁金屬在交變磁場中產生的渦流的影響較小,更適用于存在金屬的環(huán)境中。據報道,Bird有一個24ms的延遲。 電路控制系統一般與頭盔顯示器分開放置以減輕頭盔重量,其連接系統在機載時的設計要考慮在緊急情況下能夠迅速使頭盔和飛機上的控制系統脫離,保證飛行員的安全。 頭盔是顯示器的固定部件,在機載或車載應用時可直接把駕駛員頭盔進行改進制作,在其他應用中可采用吊帶將顯示器固定在頭部。由于顯示器的重量在頭的前部,使頭部的重心發(fā)生了變化,容易發(fā)生疲勞,因此應在頭后部加配重保持重心不變。但頭盔的重量應盡可能輕,特別是在機載情況下,頭盔的重量在飛行員脫離飛機的彈射時將產生很大的沖力,容易使頸椎骨折。頭盔顯示器的基本參數 HMD的基本標參數主要包括：顯示模式、顯示視野(FOV)、視野雙目重疊、顯示分辨率、眼到虛擬圖象的距離、眼到目鏡距離、物面距離、目標域半徑（最大）、視軸間夾角、瞳孔間距（IPD）、焦距、出射光瞳（exit pupil）、圖象象差、視覺扭曲校正、重量、視頻輸出等。頭盔顯示器的價格和市場 影響HMD價格的主要因素是圖像信息顯示源和光學系統,高分辨率、高亮度、高對比度和掃描頻率的圖像顯示器,其價格是普通顯示器的價格的數十倍、上百倍。光學系統根據成像質量、成像形式和視野的大小,價格也有很大的不同。例如：Kaiser公司的ProView系列的幾種頭盔顯示器的性能價格如表一所示。從表一可以看出,高分辨率、透過式的頭盔顯示器的價格較高,這主要由其圖像信息源和光學系統所決定。一些特殊用途的更高分辨率的頭盔顯示器價格就更高,而一些普通的消費者應用的頭盔顯示器的價格只要幾百美元就可以了,但顯示的圖象質量就不很令人滿意。表1幾種頭盔顯示器的性能價格比較 ProView30 ProView24ST/50ST XL 40STm/XL50STm ProView 60 顯示源 LCD 兩全彩色（640x3x480） 兩全彩色（640x3x480） 兩單色（1024x768） 兩全彩色（640x3x480） 分辨率 2.25”/彩色象素 3.4”/彩色象素 2.2”/象素 4.5”/彩色象素 亮度 6ft-lamberts 6ft-lamberts 20ft-lamberts 25ft-lamberts 對比度 20：1 20：1 25：1 25：1 光學系統 視野 18(V)x24(H) 27（V）x36(H)/30(V)x50(H) 28（V）x37(H)/28(V)x49(H) 27（V）x36(H) 透過率 非透過式 24% 24% 非透過式 光路 塑料透鏡 兩路反射 兩路反射 塑料透鏡 眼到目鏡距離 50mm 30mm 30mm 25mm 出射光瞳 非光瞳形式 非光瞳形式 非光瞳形式 非光瞳形式 雙目重疊 100% 100%/25% 100%/25