虛擬現(xiàn)實(shí)顯示設(shè)備及技術(shù)ppt課件

1、虛擬現(xiàn)實(shí)顯示設(shè)備及技術(shù),主 講 人,時(shí)間：2019.4.24,視覺顯示設(shè)備與技術(shù),觸覺與力覺顯示設(shè)備,內(nèi)容,視覺感知的幾個(gè)基本概念,立體視覺,視覺顯示設(shè)備,常見的力/觸覺顯示設(shè)備,沉浸感”是虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)最重要的基木特征。當(dāng)用戶與虛擬環(huán)境交互作用時(shí)，可以獲得與真實(shí)世界相同或相似的感知，并產(chǎn)生“身臨其境”的感受。所以虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)對(duì)人的感知系統(tǒng)的作用，直接影響系統(tǒng)的真實(shí)感。 為了實(shí)現(xiàn)虛擬顯示的沉浸特性，必須具備人體的感官特性，包括視覺、聽覺、觸覺、味覺、嗅覺等。常有的顯示設(shè)備包括：視覺顯示設(shè)備、聽覺顯示設(shè)備、力覺和觸覺顯示設(shè)備等。 據(jù)統(tǒng)計(jì)，人類對(duì)客觀世界的感知信息75%-80%來至視覺，所以視覺通道

2、是VR系統(tǒng)中最重要的感知接口。所以，視覺顯示是本次講解的主要內(nèi)容,視覺顯示設(shè)備與技術(shù),視覺感知的幾個(gè)基本概念 視域：一個(gè)物體能否被觀察者看到，取決于該物體的圖象是否落在觀察者的視網(wǎng)膜上和落在視網(wǎng)膜上的什么位置。能夠被眼睛看到的區(qū)域稱為視域。 在實(shí)際中，全景顯示產(chǎn)生水平100，垂直30的視域即可有很強(qiáng)的沉浸感,視角：視覺感知中關(guān)于可視目標(biāo)大小的測量，可視目標(biāo)在視網(wǎng)膜上的投影大小能夠決定視覺感知的質(zhì)量。一般認(rèn)為理想的目標(biāo)提示大小為:在正常光照條件下視角不應(yīng)該小于15，在較低光照條件下視角不應(yīng)該小于21。這是視景生成和頭盔顯示過程中的重要參考系數(shù),立體視覺 視覺生成 外界景物發(fā)射或反射光線刺激視網(wǎng)膜

3、感光細(xì)胞令視覺神經(jīng)產(chǎn)生知覺,立體視覺生成原理 兩眼空間位置的不同，是產(chǎn)生立體視覺的主要原因?？臻g某個(gè)物體在兩眼的視圖中位置不同就產(chǎn)生了立體視差。人眼利用這種視差，判斷物體的遠(yuǎn)近，產(chǎn)生深度感,形成立體視覺，由此獲得環(huán)境的三維信息,人的視覺系統(tǒng)可以通過四種線索得到深度知覺： 側(cè)視網(wǎng)膜圖象差：也稱雙目視差，在雙目光軸平行時(shí)，由于幾何位置的差別，兩目看同一環(huán)境，卻得到不同的圖像，形成主要的深度感。 運(yùn)動(dòng)視差：當(dāng)觀察者相對(duì)環(huán)境運(yùn)動(dòng)時(shí)，產(chǎn)生的深度感。如果頭部運(yùn)動(dòng)，就可能發(fā)現(xiàn)物體之間的遮擋關(guān)系。運(yùn)動(dòng)視差是深度感知中的最有力的線索。事實(shí)上，許多動(dòng)物和昆蟲主要是靠運(yùn)動(dòng)視差識(shí)別目標(biāo)，例如:兔子和蜜蜂. 圖象大小差

4、異:對(duì)己知物體，圖像尺寸的變化是透視深度感。人的直覺是，物體越遠(yuǎn)，看起來越小。如果物體A與B同樣大，但A的圖象比B的小.同樣可認(rèn)為A比B離觀察者更遠(yuǎn)。 紋理梯度:指視野中的物體在網(wǎng)膜上的投影大小和投影密度發(fā)生有層次的變化。例如，當(dāng)你看沙灘上的石頭。根據(jù)視網(wǎng)膜上紋理梯度的變化，把小而密的事物看成是比較遠(yuǎn)的，大而疏的物體看成是比較近的,虛擬現(xiàn)實(shí)視覺的立體顯示，僅僅實(shí)現(xiàn)雙目視差。虛擬現(xiàn)實(shí)視覺的立體顯示，還沒有實(shí)現(xiàn)人類其他的深度感。為了實(shí)現(xiàn)立體顯示，應(yīng)該為雙目提供不同的圖像，有雙目視差的圖像。為此，對(duì)同一虛擬環(huán)境，由兩個(gè)虛擬觀察點(diǎn)分別透視投影，得到有雙目視差的兩個(gè)圖像。立體顯示就是給雙目提供有雙目視差

5、的兩個(gè)圖像,視覺顯示設(shè)備 頭盔顯示器（HMD）： 頭盔顯示器是3DVR圖形顯示與觀察設(shè)備，可單獨(dú)與主機(jī)相連以接受來自主機(jī)的3DVR圖形圖像信號(hào)，借助空間跟蹤定位器可進(jìn)行虛擬現(xiàn)實(shí)輸出效果觀察，同時(shí)觀察者可做空間上的自由移動(dòng)，如；自由行走、旋轉(zhuǎn)等，沉浸感極強(qiáng)，優(yōu)于顯示器的虛擬現(xiàn)實(shí)觀察效果，遜于虛擬三維投影顯示，在投影式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中，頭盔顯示器作為系統(tǒng)功能和設(shè)備的一種補(bǔ)充和輔助,佳能公司最新混合虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)通過一個(gè)頭戴式眼鏡帶給人虛擬場景和實(shí)景混合的體驗(yàn)，并開發(fā)出一種專用的頭戴式顯示器和專用的位置校準(zhǔn)軟件，軟件通過高精度和高速圖像處理來獲得合成圖像，合成的圖像大小與現(xiàn)實(shí)中的大小無異。而頭戴式顯示器

6、則采用一種被稱為自由曲線棱鏡的鏡片，確保使用者能夠獲得寬廣的視野和清晰的圖像,佳能新式頭盔顯示器,雙目全方位顯示器（BOOM） 是一種偶聯(lián)頭部的立體顯示設(shè)備，類似使用望遠(yuǎn)鏡，它把兩個(gè)獨(dú)立的顯示器捆綁在一起，由兩個(gè)相互垂直的機(jī)械臂支撐，這不僅讓用戶可以在半徑2m的球面空間內(nèi)用手自由操縱顯示器的位置，還能降低顯示器的重量加以巧妙的平衡而是指始終保持水平，不受平臺(tái)運(yùn)動(dòng)的影響。在支撐臂上的每個(gè)節(jié)點(diǎn)處都有位置跟蹤器，因此BOOM和HMD一樣有實(shí)時(shí)的觀測和交互能力,BOOM全方位顯示器,3D眼鏡顯示系統(tǒng) 該系統(tǒng)設(shè)備包括：立體圖像顯示器和3D眼鏡。立體圖像顯示器以兩倍于正常掃描的速度刷新屏幕，計(jì)算機(jī)給顯示器

7、交替發(fā)送兩幅有輕微偏差的圖像。位于CRT（陰極射線管）顯示器頂部的紅外發(fā)射器與信號(hào)同步，以無線方式控制活動(dòng)眼鏡。紅外控制器指導(dǎo)立體眼鏡的液晶光柵交替地遮擋眼睛視野。大腦記錄快速交替的左右眼圖像序列，并通過立體視覺將其融合在一起，從而產(chǎn)生深度感,世界杯3D觀看,紅外立體眼鏡顯示 利用紅外信號(hào)傳送同步信號(hào)，用于控制液晶眼鏡的 開關(guān)。眼鏡上備有輕便的鋰電池，眼鏡在無線狀態(tài)下工作,紅外立體眼鏡顯示系統(tǒng),超聲波立體眼鏡顯示 除了紅外立體眼鏡顯示中的設(shè)備外，眼鏡上還有頭部跟蹤的超聲接受器。超聲接受信號(hào)要經(jīng)過導(dǎo)線傳給頭部跟蹤系統(tǒng)，眼鏡在有線狀態(tài)下工作,超聲波立體眼鏡顯示系統(tǒng),洞穴式立體顯示系統(tǒng)（CAVE系統(tǒng)

8、） 使用投影系統(tǒng)，投射多個(gè)投影面，形成房間式的空間結(jié)構(gòu)，使得圍繞觀察者具有多個(gè)圖像畫面顯示的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，增強(qiáng)了沉浸感,CAVE空間結(jié)構(gòu)示意圖,CAVE系統(tǒng)是一種基于多通道視景同步技術(shù)和立體顯示技術(shù)的房間式投影可視協(xié)同環(huán)境，該系統(tǒng)可提供一個(gè)房間大小的4面、5面或者6面的立方體投影顯示空間，供多人參與:所有參與者均完全沉浸在一個(gè)被立體投影畫面包圍的高級(jí)虛擬仿真環(huán)境中，借助音響技術(shù)和相應(yīng)虛擬現(xiàn)實(shí)交互設(shè)備獲得一種身臨其境約高分辨率三維立體視聽影像和6自由度交互感受。由于投影面幾乎能夠覆蓋用戶的所有視野，因此CAVE系統(tǒng)能提供給使用者一種前所未有的帶有震撼性的身臨其境的沉浸感受,CAVE系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)：

9、提供高質(zhì)量的立體顯示圖像，即色彩豐富、無閃爍、大屏幕立體顯示、多人參與和協(xié)同工作。所以它為人類帶來了一種全新的創(chuàng)新思考方式，擴(kuò)展了人類的思維。通過CAVE系統(tǒng)，人們可以直接看到自己的創(chuàng)意和研究對(duì)象。 CAVE系統(tǒng)的缺點(diǎn)： 是價(jià)格昂貴，體積大，并且參與的人數(shù)有限，如果人數(shù)達(dá)到12人，CAVE的顯示設(shè)備就顯得太小了。目前CAVE系統(tǒng)并沒有標(biāo)準(zhǔn)化，兼容性較差，因而限制了其普及,響應(yīng)工作臺(tái)立體顯示系統(tǒng) 計(jì)算機(jī)通過多傳感器交互通道向用戶提供視覺、聽覺、觸覺等多模態(tài)信息，具有非沉浸式、支持多用戶協(xié)同工作佩戴立體眼鏡，坐在顯示器周圍的多個(gè)用戶可以同時(shí)在立體顯示屏中看到三維對(duì)象浮在工作臺(tái)上面，虛擬景象具有較強(qiáng)

10、立體感，較適合輔助教學(xué)、產(chǎn)品演示,V-Desk 6工作示意圖,裸眼立體顯示系統(tǒng) 其顯示技術(shù)結(jié)合雙眼的視覺差和圖片三維的原理，自動(dòng)生成兩幅圖片，一幅給左眼看，另一幅給右眼看，使人的雙眼產(chǎn)生視覺差異。雙眼觀看液晶的角度不同，不用戴上立體眼鏡就可以看到立體的圖像,立體液晶顯示器,墻式立體顯示系統(tǒng) 類似于放映電影形式的背投式顯示設(shè)備，屏幕大，容納的人數(shù)多，分為單通道立體投影系統(tǒng)和多通道立體投影系統(tǒng)。適用于教學(xué)和成果演示。 單通道立體投影系統(tǒng)：以一臺(tái)圖形工作站為實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)平臺(tái)，兩臺(tái)疊加的立體專業(yè)LCD投影儀作為投影主體。在顯示屏上顯示一幅高分辨率的立體投影影像。 優(yōu)點(diǎn)：是一種低成本、操作簡便、占用空間較小

11、、具有極好性能價(jià)格比的小型虛擬三維投影顯示系統(tǒng)，其集成的顯示系統(tǒng)使安裝、操作使用更加容易和方便，被廣泛應(yīng)用于高等院校和科研院所的虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室中,多通道立體投影系統(tǒng)：用巨幅平面投影結(jié)構(gòu)來增強(qiáng)沉浸感，配備了完善的多通道聲響及多維感知性交互系統(tǒng)，充分滿足虛擬顯示技術(shù)的視、聽、觸等多感知應(yīng)用需求，是理想的設(shè)計(jì)、協(xié)同和展示平臺(tái)。它可根據(jù)場地定空間的大小靈活地配置兩個(gè)、三個(gè)甚至是若千個(gè)投影通道，無縫地拼接成一幅巨大的投影幅面、極高分辨率的二維或三維立體圖像，形成一個(gè)更大的虛擬現(xiàn)實(shí)仿真系統(tǒng)環(huán)境。如環(huán)幕投影系統(tǒng),三通道環(huán)幕投影示例,多通道折幕示例 折幕也是被業(yè)界公認(rèn)的體驗(yàn)式環(huán)境，根據(jù)環(huán)境及實(shí)際需求，可考慮不

12、同類型的折幕方式，以產(chǎn)生不同的沉浸感。適合小型會(huì)議室和臨時(shí)展覽,五折幕,220度，10-30人,360 度環(huán)幕投影顯示：由數(shù)字內(nèi)容、硬件（投影系統(tǒng)、播放系統(tǒng)）和系統(tǒng)集成（多組投影同步控制系統(tǒng)、無縫拼接系統(tǒng)和曲面處理系統(tǒng)）組成。具有極強(qiáng)的沉浸感,360 度環(huán)幕投影顯示,球幕無縫拼接系統(tǒng),半球，15-20人,完全用商用投影機(jī)和普通計(jì)算機(jī)搭建的投影環(huán)境，沒有接縫，形成整體效果,球幕無縫拼接顯示,全息投影顯示 也稱虛擬成像技術(shù)，無需配戴眼鏡，利用干涉和衍射原理記錄并再現(xiàn)物體真實(shí)的三維圖像的記錄和再現(xiàn)的技術(shù)。 在美國麻省一位叫Chad Dyne的29歲理工研究生發(fā)明了一種空氣投影和交互技術(shù)，它可以在氣流

13、形成的墻上投影出具有交互功能的圖像。此技術(shù)來源海市蜃樓的原理，將圖像投射在水蒸氣上，由于分子震動(dòng)不均衡，可以形成層次和立體感很強(qiáng)的圖像。 南加利福尼亞大學(xué)創(chuàng)新科技研究院的研究人員目前宣布他們成功研制一種360度全息顯示屏，這種技術(shù)是將圖像投影在一種高速旋轉(zhuǎn)的鏡子上從而實(shí)現(xiàn)三維圖像，這些技術(shù)很多國家都在研制，毫不夸張的說這項(xiàng)技術(shù)它包含了未來，誰最先使用這項(xiàng)技術(shù)，誰就最先走入未來的先進(jìn)技術(shù)行列,臺(tái)灣利用湖面水幕展現(xiàn)3D姓名,360度全息顯示,日本公司Science and Technology發(fā)明了一種可以用激光束來投射實(shí)體的3D影像，這種技術(shù)是利用氮?dú)夂脱鯕庠诳諝庵猩㈤_時(shí)，混合成的氣體變成灼熱的漿狀物質(zhì)，并在空氣中形成一個(gè)短暫的3D圖像。這種方法主要是不斷在空氣中進(jìn)行小型爆破來實(shí)現(xiàn)的,360度 成像系統(tǒng)柜體頂端四面透明，真正的空間成像，色彩鮮艷，對(duì)比度，清晰度高；有空間感，透視感。 形成空中幻象中間可結(jié)合實(shí)物，實(shí)現(xiàn)影像與實(shí)物的結(jié)合?？梢愿鶕?jù)要求做成四面窗口，每面最大2-4米。 可做成全息幻影舞臺(tái)，產(chǎn)品立體360度的演示；真人和虛幻人同臺(tái)表演；科技館的夢幻舞臺(tái)等各類互動(dòng)展示。也可配加觸摸屏實(shí)現(xiàn)與觀眾的互動(dòng) ?，F(xiàn)場參觀者可通過各種手勢動(dòng)作，操縱3D產(chǎn)品模型的旋轉(zhuǎn)、部件分解。即形象又深入地了解展示的產(chǎn)品性能,第六屆中國東盟博覽會(huì)在南寧國際會(huì)展中心圓滿落幕。Tim