虛擬現實顯示設備及技術ppt課件

1、虛擬現實顯示設備及技術,主 講 人,時間：2019.4.24,視覺顯示設備與技術,觸覺與力覺顯示設備,內容,視覺感知的幾個基本概念,立體視覺,視覺顯示設備,常見的力/觸覺顯示設備,沉浸感”是虛擬現實系統(tǒng)最重要的基木特征。當用戶與虛擬環(huán)境交互作用時，可以獲得與真實世界相同或相似的感知，并產生“身臨其境”的感受。所以虛擬現實系統(tǒng)對人的感知系統(tǒng)的作用，直接影響系統(tǒng)的真實感。 為了實現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。常有的顯示設備包括：視覺顯示設備、聽覺顯示設備、力覺和觸覺顯示設備等。 據統(tǒng)計，人類對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容,視覺顯示設備與技術,視覺感知的幾個基本概念 視域：一個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膜上和落在視網膜上的什么位置。能夠被眼睛看到的區(qū)域稱為視域。 在實際中，全景顯示產生水平100，垂直30的視域即可有很強的沉浸感,視角：視覺感知中關于可視目標大小的測量，可視目標在視網膜上的投影大小能夠決定視覺感知的質量。一般認為理想的目標提示大小為:在正常光照條件下視角不應該小于15，在較低光照條件下視角不應該小于21。這是視景生成和頭盔顯示過程中的重要參考系數,立體視覺 視覺生成 外界景物發(fā)射或反射光線刺激視網膜

3、感光細胞令視覺神經產生知覺,立體視覺生成原理 兩眼空間位置的不同，是產生立體視覺的主要原因。空間某個物體在兩眼的視圖中位置不同就產生了立體視差。人眼利用這種視差，判斷物體的遠近，產生深度感,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： 側視網膜圖象差：也稱雙目視差，在雙目光軸平行時，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。 運動視差：當觀察者相對環(huán)境運動時，產生的深度感。如果頭部運動，就可能發(fā)現物體之間的遮擋關系。運動視差是深度感知中的最有力的線索。事實上，許多動物和昆蟲主要是靠運動視差識別目標，例如:兔子和蜜蜂. 圖象大小差

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

5、的兩個圖像,視覺顯示設備 頭盔顯示器（HMD）： 頭盔顯示器是3DVR圖形顯示與觀察設備，可單獨與主機相連以接受來自主機的3DVR圖形圖像信號，借助空間跟蹤定位器可進行虛擬現實輸出效果觀察，同時觀察者可做空間上的自由移動，如；自由行走、旋轉等，沉浸感極強，優(yōu)于顯示器的虛擬現實觀察效果，遜于虛擬三維投影顯示，在投影式虛擬現實系統(tǒng)中，頭盔顯示器作為系統(tǒng)功能和設備的一種補充和輔助,佳能公司最新混合虛擬現實系統(tǒng)通過一個頭戴式眼鏡帶給人虛擬場景和實景混合的體驗，并開發(fā)出一種專用的頭戴式顯示器和專用的位置校準軟件，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實中的大小無異。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） 是一種偶聯頭部的立體顯示設備，類似使用望遠鏡，它把兩個獨立的顯示器捆綁在一起，由兩個相互垂直的機械臂支撐，這不僅讓用戶可以在半徑2m的球面空間內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，不受平臺運動的影響。在支撐臂上的每個節(jié)點處都有位置跟蹤器，因此BOOM和HMD一樣有實時的觀測和交互能力,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，計算機給顯示器

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)射器與信號同步，以無線方式控制活動眼鏡。紅外控制器指導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，從而產生深度感,世界杯3D觀看,紅外立體眼鏡顯示 利用紅外信號傳送同步信號，用于控制液晶眼鏡的 開關。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備外，眼鏡上還有頭部跟蹤的超聲接受器。超聲接受信號要經過導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)，投射多個投影面，形成房間式的空間結構，使得圍繞觀察者具有多個圖像畫面顯示的虛擬現實系統(tǒng)，增強了沉浸感,CAVE空間結構示意圖,CAVE系統(tǒng)是一種基于多通道視景同步技術和立體顯示技術的房間式投影可視協(xié)同環(huán)境，該系統(tǒng)可提供一個房間大小的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被立體投影畫面包圍的高級虛擬仿真環(huán)境中，借助音響技術和相應虛擬現實交互設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：

9、提供高質量的立體顯示圖像，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)意和研究對象。 CAVE系統(tǒng)的缺點： 是價格昂貴，體積大，并且參與的人數有限，如果人數達到12人，CAVE的顯示設備就顯得太小了。目前CAVE系統(tǒng)并沒有標準化，兼容性較差，因而限制了其普及,響應工作臺立體顯示系統(tǒng) 計算機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用戶可以同時在立體顯示屏中看到三維對象浮在工作臺上面，虛擬景象具有較強

10、立體感，較適合輔助教學、產品演示,V-Desk 6工作示意圖,裸眼立體顯示系統(tǒng) 其顯示技術結合雙眼的視覺差和圖片三維的原理，自動生成兩幅圖片，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備，屏幕大，容納的人數多，分為單通道立體投影系統(tǒng)和多通道立體投影系統(tǒng)。適用于教學和成果演示。 單通道立體投影系統(tǒng)：以一臺圖形工作站為實時驅動平臺，兩臺疊加的立體專業(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：是一種低成本、操作簡便、占用空間較小

11、、具有極好性能價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，被廣泛應用于高等院校和科研院所的虛擬現實實驗室中,多通道立體投影系統(tǒng)：用巨幅平面投影結構來增強沉浸感，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的視、聽、觸等多感知應用需求，是理想的設計、協(xié)同和展示平臺。它可根據場地定空間的大小靈活地配置兩個、三個甚至是若千個投影通道，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，形成一個更大的虛擬現實仿真系統(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)界公認的體驗式環(huán)境，根據環(huán)境及實際需求，可考慮不

12、同類型的折幕方式，以產生不同的沉浸感。適合小型會議室和臨時展覽,五折幕,220度，10-30人,360 度環(huán)幕投影顯示：由數字內容、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,完全用商用投影機和普通計算機搭建的投影環(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，無需配戴眼鏡，利用干涉和衍射原理記錄并再現物體真實的三維圖像的記錄和再現的技術。 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，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，由于分子震動不均衡，可以形成層次和立體感很強的圖像。 南加利福尼亞大學創(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，這種技術是將圖像投影在一種高速旋轉的鏡子上從而實現三維圖像，這些技術很多國家都在研制，毫不夸張的說這項技術它包含了未來，誰最先使用這項技術，誰就最先走入未來的先進技術行列,臺灣利用湖面水幕展現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體的3D影像，這種技術是利用氮氣和氧氣在空氣中散開時，混合成的氣體變成灼熱的漿狀物質，并在空氣中形成一個短暫的3D圖像。這種方法主要是不斷在空氣中進行小型爆破來實現的,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，對比度，清晰度高；有空間感，透視感。 形成空中幻象中間可結合實物，實現影像與實物的結合?？梢愿鶕笞龀伤拿娲翱?，每面最大2-4米。 可做成全息幻影舞臺，產品立體360度的演示；真人和虛幻人同臺表演；科技館的夢幻舞臺等各類互動展示。也可配加觸摸屏實現與觀眾的互動 。現場參觀者可通過各種手勢動作，操縱3D產品模型的旋轉、部件分解。即形象又深入地了解展示的產品性能,第六屆中國東盟博覽會在南寧國際會展中心圓滿落幕。Tim