虛擬現(xiàn)實(shí)與VRML－教程（第一部分）

◆第一章虛擬現(xiàn)實(shí)概述

課前索引

〖課前思考〗

1．什麼是虛擬現(xiàn)實(shí)？

2．虛擬現(xiàn)實(shí)與人有什麼關(guān)系？

〖學(xué)習(xí)目標(biāo)〗

1．了解VR的概念和特點(diǎn)。

2．了解VR有關(guān)的人的因素。

〖學(xué)習(xí)指南〗

1．注意不同類型概念的比照。

2．注意VR設(shè)計(jì)中考慮的人的因素。

〖難重點(diǎn)〗

1．注意理解幾個(gè)概念。

2．注意理解幾個(gè)特點(diǎn)。

3．注意理解VR設(shè)計(jì)中考慮的視覺問題。

〖章節(jié)小節(jié)〗

1．VR等幾個(gè)概念的定義。

2．VR的特點(diǎn)。

3．VR主要的應(yīng)用領(lǐng)域。

4．VR主要的技術(shù)。

5．VR設(shè)計(jì)中考慮的視覺問題。

6．VR設(shè)計(jì)中考慮的聽覺問題。

〖知識點(diǎn)〗

第一節(jié)虛擬現(xiàn)實(shí)的根本概念

1．1．1虛擬現(xiàn)實(shí)1989年，美國VPLResearch公司創(chuàng)始人JaronLanier提出了"VirtualReality"〔虛擬現(xiàn)實(shí)〕的概念。在這里，"Reality"的含義是現(xiàn)實(shí)的世界，或現(xiàn)實(shí)的環(huán)境。所以，"VirtualReality"〔虛擬現(xiàn)實(shí)〕的另一個(gè)名稱是"VirtualEnvironment"〔虛擬環(huán)境〕。"Virtual"說明，這個(gè)世界或環(huán)境是虛擬的，不是真實(shí)的。這個(gè)世界或環(huán)境是人工構(gòu)造的，是存在于計(jì)算機(jī)內(nèi)部的。用戶應(yīng)該能夠"進(jìn)入"這個(gè)虛擬的環(huán)境中。所謂"進(jìn)入"這個(gè)虛擬的環(huán)境中，是指用戶以自然的方式與這個(gè)環(huán)境交互〔包括感知環(huán)境并干預(yù)環(huán)境〕，從而產(chǎn)生置身于相應(yīng)的真實(shí)環(huán)境中的虛幻感，身臨其境的感覺。"VirtualReality"〔虛擬現(xiàn)實(shí)〕或"VirtualEnvironment"〔虛擬環(huán)境〕是人工構(gòu)造的，存在于計(jì)算機(jī)內(nèi)部的環(huán)境。用戶應(yīng)該能夠以自然的方式與這個(gè)環(huán)境交互〔包括感知環(huán)境并干預(yù)環(huán)境〕，從而產(chǎn)生置身于相應(yīng)的真實(shí)環(huán)境中的虛幻感，沉浸感，身臨其境的感覺。虛擬環(huán)境(VirtualEnvironment，VE)系統(tǒng)或虛擬現(xiàn)實(shí)(VirtualReality，VR)系統(tǒng)包括人類操作者、人機(jī)接口和計(jì)算機(jī)。虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)應(yīng)用最多的專用設(shè)備是頭盔式立體顯示器和數(shù)據(jù)手套。于是，有人以使用這些專用設(shè)備為虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的標(biāo)志。這種觀點(diǎn)是不準(zhǔn)確的。上述的虛擬現(xiàn)實(shí)的概念，是在計(jì)算機(jī)應(yīng)用和人機(jī)交互方面開創(chuàng)的全新的學(xué)科領(lǐng)域。這個(gè)新領(lǐng)域的開展，還有很多困難，有很多技術(shù)難點(diǎn)有待解決。當(dāng)前，這一領(lǐng)域還只是走出了第一步。頭盔式立體顯示器和數(shù)據(jù)手套等設(shè)備，只是當(dāng)前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的一局部虛擬顯示設(shè)備。它們還很不完善。例如，頭盔的視場，分辨率，造成眩暈等問題還有待解決。聽覺接口和力覺接口等設(shè)備還在研究，應(yīng)用還不多。味覺，嗅覺，運(yùn)動覺等技術(shù)，還缺乏研究。

虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中的虛擬環(huán)境，可能有以下幾種情況。第一種情況是模仿真實(shí)世界中的環(huán)境。例如，建筑物，武器系統(tǒng)，或戰(zhàn)場環(huán)境。這種真實(shí)環(huán)境，可能是已經(jīng)存在的，也可能是已經(jīng)設(shè)計(jì)好但還沒有建成的。為了逼真地模仿真實(shí)世界中的環(huán)境，要求逼真地建立幾何模型和物理模型。環(huán)境的動態(tài)應(yīng)符合物理規(guī)律。這一類虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的功能，實(shí)際是系統(tǒng)仿真。第二種情況是人類主觀構(gòu)造的環(huán)境。例如，用于影視制作或電子游戲的三維動畫。環(huán)境是虛構(gòu)的，幾何模型和物理模型就可以完全虛構(gòu)。這時(shí)，系統(tǒng)的動畫技術(shù)常用插值方法。第三種情況是模仿真實(shí)世界中的人類不可見的環(huán)境。例如，分子的結(jié)構(gòu)，空氣中速度、溫度、壓力的分布等。這種真實(shí)環(huán)境，是客觀存在的，但是人類的視覺和聽覺不能感覺到。對于分子結(jié)構(gòu)這類微觀環(huán)境，進(jìn)行放大尺度的模仿，使人能看到。對于空氣中速度這類不可見的物理量，可以用流線顯示速度〔流線方向表示速度方向，流線密度表示速度大小〕。這一類虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的功能，實(shí)際是科學(xué)可視化。由此可見，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以用于系統(tǒng)仿真、科學(xué)可視化、三維動畫等領(lǐng)域。和虛擬現(xiàn)實(shí)有關(guān)的幾個(gè)概念是遙操作，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)，以及合成現(xiàn)實(shí)。這些概念之間的區(qū)別在于與用戶交互的環(huán)境不同。對于遙操作系統(tǒng)，與用戶交互的環(huán)境實(shí)際是在遠(yuǎn)地的一個(gè)真實(shí)的環(huán)境。用戶通過類似虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的人機(jī)接口，與遠(yuǎn)處的真實(shí)環(huán)境交互。也就是看到真實(shí)環(huán)境的場景，聽到真實(shí)環(huán)境的聲音，感到與環(huán)境中物體的接觸。遙操作系統(tǒng)實(shí)際上是高級的遙控系統(tǒng)，是采用了先進(jìn)的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的遙控系統(tǒng)。虛擬環(huán)境(VirtualEnvironment，VE)系統(tǒng)或虛擬現(xiàn)實(shí)(VirtualReality，VR)系統(tǒng)包括人類操作者、人機(jī)接口和計(jì)算機(jī)。遙操作(Teleoperator)系統(tǒng)包括人類操作者、人機(jī)接口和遙機(jī)器人。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(AugmentedReality)系統(tǒng)中，那么組合了虛擬環(huán)境和真實(shí)環(huán)境。合成環(huán)境(SyntheticEnvironment，SE)系統(tǒng)，是遙操作系統(tǒng)，虛擬環(huán)境系統(tǒng)，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)等的總稱。對于虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，與用戶交互的環(huán)境實(shí)際是人工構(gòu)造的，存在于計(jì)算機(jī)內(nèi)部的環(huán)境。這種虛擬的環(huán)境，可能是不同的環(huán)境。一種情況是真實(shí)環(huán)境的仿真。例如，仿真真實(shí)建筑物的虛擬建筑物。這種真實(shí)建筑物可能是已經(jīng)建成的，也可能是已經(jīng)設(shè)計(jì)好但尚未建成的。一種情況是完全虛擬的人造環(huán)境。例如在虛擬風(fēng)洞中，借助可視化技術(shù)構(gòu)造的虛擬風(fēng)洞環(huán)境。又如在三維動畫中，人工構(gòu)造的虛擬環(huán)境。1．1．2虛擬現(xiàn)實(shí)的特點(diǎn)基于虛擬現(xiàn)實(shí)的根本概念，可以得到虛擬現(xiàn)實(shí)的以下三個(gè)特點(diǎn)。1．計(jì)算機(jī)提供"環(huán)境",不是"數(shù)據(jù),信息"。這改變了人機(jī)接口的內(nèi)容。2．操作者由視覺,聽覺,力覺感知環(huán)境,由自然的動作操作環(huán)境,不是由屏幕,鍵盤,鼠標(biāo)和計(jì)算機(jī)交互。這改變了人機(jī)接口的形式。3．逼真的感知和自然的動作，使人產(chǎn)生身臨其境的感覺。這改變了人機(jī)接口的效果。第一個(gè)特點(diǎn)表達(dá)了計(jì)算機(jī)應(yīng)用的新方向。計(jì)算機(jī)的名稱表達(dá)了，它的最早應(yīng)用是計(jì)算。當(dāng)時(shí)，計(jì)算機(jī)和用戶交互的是計(jì)算有關(guān)的數(shù)值。此后，計(jì)算機(jī)擴(kuò)大到處理數(shù)值，字符串，文本等各類數(shù)據(jù)。以后，計(jì)算機(jī)更擴(kuò)大到處理圖像，圖形，聲音，語言等多種媒體的信息。虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)那么以環(huán)境為計(jì)算機(jī)處理的對象和人機(jī)交互的內(nèi)容。這開拓了計(jì)算機(jī)應(yīng)用的新思路。第二個(gè)特點(diǎn)表達(dá)了計(jì)算機(jī)人機(jī)接口的新方向。至今為止的計(jì)算機(jī)人機(jī)接口都是面向機(jī)器的。終端，鍵盤，鼠標(biāo)，打印機(jī)等接口設(shè)備，都是適應(yīng)計(jì)算機(jī)的專用設(shè)備。這些設(shè)備很好地完成了各類數(shù)據(jù)和多媒體信息的交互。虛擬現(xiàn)實(shí)中的人機(jī)接口，那么是面向用戶的。虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中，用戶以自然的方式與虛擬環(huán)境交互。所謂自然的方式，是指用戶通過視覺，聽覺，觸覺等感覺虛擬環(huán)境，使用戶產(chǎn)生在真實(shí)環(huán)境中的幻覺。同時(shí)，用戶通過在真實(shí)環(huán)境中的行為，去干預(yù)虛擬環(huán)境。于是，虛擬現(xiàn)實(shí)的人機(jī)接口設(shè)備，完全不同于現(xiàn)有計(jì)算機(jī)的人機(jī)接口設(shè)備。這也是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)中最有特色的內(nèi)容。第三個(gè)特點(diǎn)表達(dá)了計(jì)算機(jī)人機(jī)接口的新要求。用戶通過人機(jī)接口與虛擬環(huán)境交互的結(jié)果，是使用戶產(chǎn)生身臨其境的虛幻感，沉浸感。有的文章中認(rèn)為，虛擬現(xiàn)實(shí)的概念中有三個(gè)I：〔1〕Immersion(沉浸)，是指逼真的，身臨其境的感覺。

〔2〕Interaction(交互)，是指用戶感知與操作環(huán)境。

〔3〕Imagination(想象)，是指創(chuàng)造性。1．1．3虛擬現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用領(lǐng)域虛擬現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用范圍非常廣泛，本課的第五章將做詳細(xì)介紹。1．娛樂

2．國防

3．設(shè)計(jì)、制造和銷售

4．醫(yī)療和健康

5．危險(xiǎn)操作

6．訓(xùn)練

7．教育

8．信息可視化

9．遠(yuǎn)程交往與遠(yuǎn)程游歷1．1．4虛擬現(xiàn)實(shí)的技術(shù)1．VR的人機(jī)接口

2．VR的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)

3．VR的建模和仿真

1．VR的人機(jī)接口VR的人機(jī)接口有兩個(gè)作用：其一是給人類操作者提供環(huán)境信息〔視覺、聽覺和觸覺〕，其二是感覺人類操作者的動作和響應(yīng)〔位置跟蹤和映射〕。前者包括：視覺通道、聽覺通道、觸覺通道、運(yùn)動接口和其他接口。后者包括：位置跟蹤和映射，語音識別等?！?〕位置跟蹤和映射位置跟蹤和映射用于測量人體各部位的位置和姿態(tài)，分析判斷人面部的表情。它的目的是了解人的身體行為。這是為了實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互所必需的系統(tǒng)功能。VR系統(tǒng)由此了解人的行為，然后做出適當(dāng)?shù)捻憫?yīng)，實(shí)現(xiàn)交互。常用的技術(shù)包括：機(jī)械鏈接、磁傳感器、聲傳感器、光傳感器和慣性傳感器。根本目標(biāo)是精確完成位置和姿態(tài)的測量。三個(gè)主要的要求：大范圍的線性響應(yīng)，高帶寬〔1kHz〕，以及允許頭和身體的運(yùn)動。

〔2〕視覺通道視覺通道給人的視覺系統(tǒng)提供圖形顯示。為了提供身臨其境的逼真感覺，視覺通道應(yīng)該滿足一些要求。顯示的像素應(yīng)該足夠小，使人不至感覺到像素的不連續(xù)。顯示的頻率應(yīng)該足夠高，使人不至感覺到畫面的不連續(xù)。給兩眼提供具有雙目視差的圖形，形成立體視覺。應(yīng)該具有足夠大的視場，理想情況是顯示畫面充滿整個(gè)視場。視覺通道的顯示外表分為：基于CRT和基于LCD。視覺通道的光學(xué)系統(tǒng)分為：頭盔顯示(HMD)和非頭盔顯示(OHD)?！?〕聽覺通道聽覺通道給人的聽覺系統(tǒng)提供聲音顯示。為了提供身臨其境的逼真感覺，聽覺通道應(yīng)該滿足一些要求，使人感覺置身于立體的聲場之中，能識別聲音的類型和強(qiáng)度，能判定聲源的位置。聽覺通道的關(guān)鍵技術(shù)包括：合成由接口提供的虛擬聲音信號，聲音在虛擬空間定位問題，以及發(fā)聲設(shè)備?！?〕觸覺通道觸覺通道給人體外表提供觸覺和力覺。當(dāng)人體在虛擬空間中運(yùn)動時(shí)，如果接觸到虛擬物體，虛擬顯示系統(tǒng)應(yīng)該給人提供這種觸覺和力覺。觸覺通道涉及操作以及感覺，包括觸覺反響和力覺反響。觸覺通道的結(jié)構(gòu)分為：安在身體上和安在地面的設(shè)備?！?〕運(yùn)動接口人體在環(huán)境中的運(yùn)動包括：身體的被動運(yùn)動(被動移動，如在車上的運(yùn)動)，身體主動運(yùn)動〔漫游，如散步〕。人在運(yùn)動中，人體內(nèi)部的運(yùn)動感覺器官可以感知運(yùn)動信息。感知運(yùn)動信息的器官包含：前庭系統(tǒng)，運(yùn)動系統(tǒng)，視覺聽覺系統(tǒng)，本體感受，動覺和觸覺。運(yùn)動接口應(yīng)該給這些器官提供運(yùn)動信息。

〔6〕其它類型接口其它類型接口包括：嗅覺、味覺通道，以及感覺熱、風(fēng)及濕度的接口。還包括語音通訊〔語音識別與合成〕以及直接心理感覺和控制。這些接口還缺乏研究，以下將不介紹。2．VR的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)現(xiàn)有的虛擬顯示系統(tǒng)主要考慮視覺通道。聽覺通道和觸覺通道還處于研究階段。所以，VR的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)主要考慮視覺通道的要求。〔1〕硬件視覺通道對計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的要求，首先是要求維持足夠的圖形幀速率。于是要求在指定的時(shí)間內(nèi)〔約為0.1秒〕計(jì)算出兩眼的兩幅圖像。同時(shí)要求提供足夠好質(zhì)量的圖像，這一般表達(dá)在圖像中顯示的多邊形或三角形的樹木。因此，往往需要專用硬件。圖形硬件應(yīng)提供快速幾何變換、截取、消隱、多邊形填充和外表紋理?！?〕軟件VR系統(tǒng)中的軟件主要包括以下幾種。交互軟件利用人機(jī)控制設(shè)備的輸出去修改VE。視覺漫游軟件控制用戶在VE中運(yùn)動時(shí)看到的場景。建模軟件定義虛擬物體形狀、外觀和屬性的模型。操作系統(tǒng)支持VE的實(shí)時(shí)多模態(tài)要求?！?〕網(wǎng)絡(luò)分布式交互仿真已經(jīng)成為現(xiàn)代仿真技術(shù)，特別是軍事仿真的潮流。通訊網(wǎng)絡(luò)可以把VE轉(zhuǎn)換成共享的分布式計(jì)算環(huán)境。3．VR的建模和仿真〔1〕建模建模包括：幾何建模和物理建模。一般的VR工具軟件都具有幾何建模功能。利用現(xiàn)有的CAD建模工具也是常用的方法。市場上已有商業(yè)模型庫出售。對實(shí)際物體的建模，那么采用激光掃描等專用設(shè)備。物理建模是基于物理方程的建模。一般考慮剛體建模，鏈接物體的建模，以及非剛體的建模。智能體的建模不是基于物理方程，而是基于人為的物體智能。人工建模技術(shù)在圖形學(xué)和CAD領(lǐng)域，已有成熟的成果。自動建模采用激光掃描建立幾何模型，也已經(jīng)有相關(guān)產(chǎn)品。自動建立物理模型的研究還不多?！?〕仿真仿真包括：圖形繪制和三維動畫。圖形繪制是把三維環(huán)境，相對于虛擬攝像機(jī)〔虛擬視點(diǎn)〕投影，形成圖像的過程。為了提供連續(xù)運(yùn)動的錯(cuò)覺，幀速率必須大于每秒8到10幀。為了保持瞬間交互控制的錯(cuò)覺，響應(yīng)時(shí)間的延遲必須小于0.1秒。為了繪制人眼可分辨的所有細(xì)節(jié)，這要求有8千萬個(gè)多邊形。這是對于圖形繪制的要求。然而，用今天的硬件，每個(gè)畫面8千萬多邊形的系統(tǒng)對真正的實(shí)時(shí)交互是太慢了，于是存在真實(shí)圖像與實(shí)時(shí)交互間的折衷。某些應(yīng)用〔如建筑和藝術(shù)〕可能要求照片一樣真實(shí)的繪制。制造和醫(yī)療應(yīng)用要求更高層次的實(shí)時(shí)交互。三維動畫可以用兩種途徑實(shí)現(xiàn)?；谖锢砟Ｐ偷臄?shù)值計(jì)算是一種方法。軍事和工業(yè)等應(yīng)用，往往要求這種滿足物理規(guī)律的仿真技術(shù)。數(shù)學(xué)插值那么是另一種實(shí)現(xiàn)動畫的方法。這種技術(shù)在三維動畫電影中獲得了巨大的成功。以下圖表示，虛擬現(xiàn)實(shí)開發(fā)系統(tǒng)的方塊圖。用戶通過輸入輸出設(shè)備與輸入輸出軟件交互。輸入軟件通過形狀編輯器完成幾何建模，通過聲音編輯器完成虛擬聲音系統(tǒng)建模。然后，在世界編輯器完成虛擬環(huán)境的建模。其中的虛擬剪切器，用于模型的剪切。建立的模型，保存在虛擬世界中。整個(gè)工作在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中完成。User用戶

InputDevices輸入設(shè)備

OutputDevices輸出設(shè)備

InputSoftware輸入軟件

OutputSoftware輸出軟件

ShapeEditor形狀編輯器

SoundEditor聲音編輯器

VirtualClipArt虛擬剪切器

WorldEditor世界編輯器

VirtualWorld虛擬世界

ComputerSystem計(jì)算機(jī)系統(tǒng)小節(jié)：虛擬現(xiàn)實(shí)或虛擬環(huán)境是人工構(gòu)造的，存在于計(jì)算機(jī)內(nèi)部的環(huán)境。用戶應(yīng)該能夠以自然的方式與這個(gè)環(huán)境交互〔包括感知環(huán)境并干預(yù)環(huán)境〕，從而產(chǎn)生置身于相應(yīng)的真實(shí)環(huán)境中的虛幻感，沉浸感，身臨其境的感覺。虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)包括人類操作者、人機(jī)接口和計(jì)算機(jī)。虛擬現(xiàn)實(shí)有以下三個(gè)特點(diǎn)：1．計(jì)算機(jī)提供"環(huán)境",不是"數(shù)據(jù),信息"。

2．操作者由視覺,聽覺,力覺感知環(huán)境,由自然的動作操作環(huán)境。

3．逼真的感知和自然的動作，使人產(chǎn)生身臨其境的感覺。

第二節(jié)虛擬現(xiàn)實(shí)有關(guān)的人的因素計(jì)算機(jī)，接口和用戶是VR系統(tǒng)中的三個(gè)組成局部。接口設(shè)計(jì)必須考慮人的因素，人的因素與VR系統(tǒng)性能直接相關(guān)。下面介紹與VR系統(tǒng)直接相關(guān)的人的因素問題。1．2．1人眼1．視覺生理結(jié)構(gòu)

2．立體視覺

3．屈光度

4．瞳孔

5．分辨力

6．明暗適應(yīng)

7．周圍視覺和中央視覺

8．視覺暫留

9．視場現(xiàn)有的VR系統(tǒng)中，已經(jīng)考慮的因素包括：立體視覺，分辨力，視覺暫留，以及視場。其他因素還沒有充分考慮到。1．視覺生理結(jié)構(gòu)大腦皮層〔CerebralCortex〕是大腦半球的最外層，它負(fù)責(zé)各種形式的感覺。視網(wǎng)膜〔Retina〕是在每只眼背部的神經(jīng)細(xì)胞的多層膜，它把光轉(zhuǎn)成電信號，并通過視神經(jīng)和管道傳給大腦。以下圖表示，視網(wǎng)膜的解剖圖。圖中顯示了層，管道和神經(jīng)。光感受器〔Photoreceptor〕是每只眼睛視網(wǎng)膜中1.25億個(gè)神經(jīng)細(xì)胞中的一局部，它在受到特定波長的光的刺激時(shí)，會發(fā)出電信號。視網(wǎng)膜是眼的光敏層，幾百微米厚，有10層。光線通過其中8層，被另外兩層的視桿細(xì)胞和視錐細(xì)胞的光接收器〔Photoreceptor〕吸收。每只眼的視網(wǎng)膜上有1.25億個(gè)神經(jīng)細(xì)胞。脊椎動物有兩種光感受器，：視桿細(xì)胞〔rods〕負(fù)責(zé)低分辨率的、單色的、夜間的視覺。視錐細(xì)胞〔cones〕負(fù)責(zé)高分辨率的、彩色的、白天的視覺。它花費(fèi)25ms把光轉(zhuǎn)成電信號，再送給大腦。以下圖表示，視網(wǎng)膜內(nèi)光感受器的解剖圖。圖中桿狀細(xì)胞和錐狀細(xì)胞在上部，通向大腦的視神經(jīng)纖維在下部。以下圖表示，視覺系統(tǒng)的生理結(jié)構(gòu)圖。圖中鉛筆的反射光線通過眼睛晶狀體的透鏡。于是，鉛筆的倒置圖像直接投影在視網(wǎng)膜上。視網(wǎng)膜的桿狀細(xì)胞和錐狀細(xì)胞負(fù)責(zé)通過視神經(jīng)把信號傳給大腦。2．立體視覺視覺的另一個(gè)重要因素是立體視覺能力。提供應(yīng)人類視覺的圖像，必須使人感覺是立體的。這樣，觀看者的視覺系統(tǒng)就可以計(jì)算出被看物體的遠(yuǎn)近。對同一個(gè)場景，兩眼得到稍有差異的視圖。左視區(qū)的信息，送到兩眼視網(wǎng)膜的右側(cè)。在視交叉處，左眼的一半神經(jīng)纖維交叉到大腦的右半球，左眼的另一半神經(jīng)纖維不交叉，直接到大腦的左半球。這樣，兩眼得到的左視區(qū)的所有信息，都送到右半球。

以下圖表示，人類立體視覺的原理圖。HMD〔頭虧顯示器〕提供兩個(gè)顯示，不但應(yīng)保持雙目視差，而且應(yīng)該重疊。實(shí)際上,由于兩眼有6.5cm的瞳距，所以兩者視場總有些差異,有不重疊的區(qū)域。對中央凹區(qū)域，深度感在150m時(shí)減弱。對周圍視覺，深度感在100m減弱。而在這個(gè)距離上，雙目視差不是最有用的，運(yùn)動視差和透視可能更有用。3．屈光度與眼的光學(xué)局部有關(guān)的一個(gè)度量是"屈光度"〔dioptre〕。有1個(gè)屈光度的鏡頭，可以聚焦平行光線在1米距離。人眼的聚焦能力約60屈光度，這說明聚焦平行光在17mm距離，這就是眼球尺寸，是晶狀體和視網(wǎng)膜的距離。年青人可以連續(xù)改變14個(gè)屈光度，這稱為調(diào)節(jié)或聚焦。這保證對遠(yuǎn)近物體都能看到清晰的圖像。年長后調(diào)節(jié)能力減弱，50歲時(shí)調(diào)節(jié)能力2個(gè)屈光度，70歲時(shí)調(diào)節(jié)能力0個(gè)屈光度。在注視運(yùn)動物體時(shí)，自動調(diào)節(jié)屈光度。調(diào)節(jié)作用保證某個(gè)距離的物體清晰，而其它距離物體模糊。這起了濾波器的作用，使人集中關(guān)注視場中局部區(qū)域。在HMD中沒有調(diào)節(jié)，2個(gè)圖像都是聚焦在2到3米距離。4．瞳孔瞳孔是晶狀體前的孔，直徑可變化，由1.5mm到8mm。面積之比1:30。瞳孔作用有三個(gè)：(a)放大時(shí)可增加眼的敏感；(b)縮小時(shí)可增加近視覺的視距；(c)縮小時(shí)可限制入射光在光學(xué)效果最好的中心區(qū)。5．分辨力分辨力是人眼區(qū)分兩個(gè)點(diǎn)的能力，限于10m距離上約1.5-2mm。例如在2m的距離觀看寬度400mm的電視。人眼區(qū)分兩個(gè)點(diǎn)的能力，在2m距離上約0.4mm。那么寬度400mm上應(yīng)該由1000個(gè)0.4mm大小的像素。計(jì)算機(jī)監(jiān)視器和高清晰度電視機(jī)，都到達(dá)了這樣的分辨率。6．明暗適應(yīng)眼對亮度的感覺可以自動調(diào)節(jié)，這是通過改變在視桿和視錐細(xì)菌中光敏化合物的濃度。例如從亮處進(jìn)入暗室時(shí)的現(xiàn)象，稱為暗適應(yīng)，花費(fèi)約40分。亮適應(yīng)是從暗室進(jìn)入陽光下時(shí)的現(xiàn)象，這種適應(yīng)的強(qiáng)度變化在25000倍。視桿細(xì)胞適應(yīng)時(shí)間約1小時(shí)，視錐細(xì)胞適應(yīng)時(shí)間約幾分鐘。7．周圍視覺和中央視覺視網(wǎng)膜不僅是被動的光敏外表。通過視桿和視錐細(xì)胞與神經(jīng)細(xì)胞的連接，它還有一定的圖像處理。中央凹是視網(wǎng)膜中央局部，在光軸與視網(wǎng)膜焦點(diǎn)附近，直徑約1mm，有高密度視錐細(xì)胞。中央凹區(qū)域的視覺稱為中央視覺。中央視覺是高分辨率局部，有彩色的、白天的視覺。視網(wǎng)膜周圍區(qū)域包含視桿和視錐細(xì)胞。視網(wǎng)膜周圍區(qū)域的視覺稱為中央視覺。這些神經(jīng)細(xì)胞對光強(qiáng)的變化敏感，它幫助我們注意運(yùn)動物體。周圍視覺雖然分辨率低，是單色的、夜間的視覺，但敏感運(yùn)動物體。8．視覺暫留視覺暫留是視網(wǎng)膜的電化學(xué)現(xiàn)象造成視覺的反響時(shí)間。當(dāng)觀看很短的光脈沖時(shí)，視桿細(xì)胞得到約0.25s的峰，視錐細(xì)胞快4倍，得到約0.04s的峰。這種現(xiàn)象造成視覺暫留。這是電影、電視、VR顯示的根底。臨界熔合頻率〔CriticalFusionFrequency,CFF〕效果會產(chǎn)生把離散圖像序列組合成連續(xù)視覺的能力，CFF最低20Hz，并取決于圖像尺寸和亮度。英國電視幀頻25Hz，美國電視幀頻30Hz。電影幀頻24Hz。眼對閃爍的敏感正比于亮度，所以假設(shè)白天的圖像更新率為60Hz，那么夜間只要30Hz。9．視場雙目的視場約為水平±1000，垂直±600，而水平的雙目重疊視場1200。實(shí)際的全景顯示可能產(chǎn)生水平±1000，垂直±300視場，這已經(jīng)有強(qiáng)的沉浸感。1．2．2人耳1．聲音

2．聲音感覺

3．頻率范圍

4．聲強(qiáng)

5．聲音方向

6．聲音舞臺

7．頭部有關(guān)的傳遞函數(shù)現(xiàn)有的VR系統(tǒng)中，已經(jīng)考慮的因素包括：聲音方向，聲音舞臺，以及頭部有關(guān)的傳遞函數(shù)。其他因素還沒有充分考慮到。1．聲音音速在空氣中，0℃時(shí)331m/s，20℃時(shí)344m/s。在海水中，1℃時(shí)音速1453m耳聽到的頻率范圍約20Hz到20kHz。隨年歲增加，頻率范圍縮小，特別是高頻段?？紤]音速344m/s。20Hz的波長17.2m,1kHz的波長34.4cm,10kHz的波長3.44cm。人耳的尺寸約7cm，這是5kHz的波長。這說明耳會影響這種頻率聲音的收集。人的身體也會與聲波交互，這也會影響聲音的質(zhì)量。這類似音樂廳中的音響效果。2．聲音感覺耳分為外耳、中耳、內(nèi)耳。外耳把聲音引導(dǎo)進(jìn)內(nèi)耳，它也作為濾波器而改變聲音。把手放在耳前面，就會感到聲音變化。聲音最終沖擊耳膜，使之振動。耳膜振動再傳到耳蝸，并且振動加大20倍。3．頻率范圍耳蝸有3個(gè)螺旋管，被2個(gè)膜片分開，Reissner膜和耳底膜。振動會刺激耳底膜上的2萬到3萬個(gè)硬毛，并產(chǎn)生電信號傳給大腦。耳底膜有識別頻率的機(jī)制。高頻振動刺激膜的開始局部，中頻振動刺激膜的中間局部，低頻振動刺激膜的遠(yuǎn)端局部。4．聲強(qiáng)聲強(qiáng)影響到耳底膜的振幅，直接轉(zhuǎn)成毛細(xì)胞的刺激。5．聲音方向一般認(rèn)為，人腦識別聲源位置，是利用兩耳收到的聲音的時(shí)間差和聲音幅度差。當(dāng)人面對聲源時(shí)，兩耳的聲強(qiáng)和路徑相等。當(dāng)人向左轉(zhuǎn)以后，右耳聲音比左耳強(qiáng)，且更早聽到。假設(shè)兩耳路徑之差為20cm，那么時(shí)間差0.6ms。6．聲音舞臺如果用一對麥克風(fēng)記錄立體聲音，就可以重現(xiàn)聲音舞臺，它有寬度和深度。7．頭部有關(guān)的傳遞函數(shù)在聽耳機(jī)時(shí)，每個(gè)耳只聽一個(gè)發(fā)聲器的聲音。當(dāng)然一個(gè)耳中的聲音，也會經(jīng)頭部傳給另一耳。在聽揚(yáng)聲器時(shí)，每個(gè)耳都分別聽到兩個(gè)揚(yáng)聲器的聲音。1974年P(guān)lenge認(rèn)為，進(jìn)入耳的聲音的形式，會產(chǎn)生外部的聲音舞臺的感覺。對于耳機(jī)〔特別是插入式耳塞〕，感覺的聲音舞臺是內(nèi)部的。如果驅(qū)動耳機(jī)的左右通道可以由電子設(shè)備構(gòu)成聲音，那么人會感覺聲音有外部的真實(shí)性。為此要求知道聲音的形狀，或由聲源到耳內(nèi)部的傳遞函數(shù)。這個(gè)由聲源到耳內(nèi)部的傳遞函數(shù)稱為"頭部有關(guān)的傳遞函數(shù)"(Head-relatedtransferfunctions,HRTF)，它反映頭和耳對傳聲的影響，不同的人有不同的HRTF。HRTF的測量方法如下。對空間每個(gè)位置的聲源，安放在耳中接近耳膜的小麥克風(fēng)測量收到的信號。信號經(jīng)過處理，補(bǔ)償非線性頻率響應(yīng)。由此得到HRTF。1．2．3身體感覺這涉及到感覺外表粗糙、振動、運(yùn)動、位置、壓力、疼痛和溫度。按身體不同部位，可分四類。(a)深部感覺。

(b)內(nèi)臟感覺。

(c)本體感覺。

(d)外感受感覺?，F(xiàn)有的VR系統(tǒng)中，已經(jīng)考慮了觸覺和力覺顯示。但是有關(guān)的技術(shù)細(xì)節(jié)還沒有充分考慮到。(a)深部感覺：它提供關(guān)節(jié)、骨、腱、肌肉和其它組織的信息，涉及壓力、疼痛和振動。(b)內(nèi)臟感覺：它提供胸腹腔中的內(nèi)臟的狀況，主要是疼痛。(c)本體感覺：它提供身體的位置，平衡和肌肉感覺。也涉及與其它物體的接觸，如站在地上、躺在床上。本體感覺接受器位于關(guān)節(jié)、肌肉和深部組織。(d)外感受感覺：它是身體外表的接觸感覺。平衡是在飛行仿真和運(yùn)動眩暈中的問題。眩暈的原因很多，但往往來自視覺和前庭器官信息的沖突。例如在固定座艙的飛行仿真中，視覺接收人體運(yùn)動感覺，前庭器官不感覺人體運(yùn)動。又如在乘車旅行中，前庭器官感覺人體與車同時(shí)的運(yùn)動，視覺沒有或較少接收人體運(yùn)動感覺。以下圖表示，人體皮膚的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。VR的觸覺接口直接刺激皮膚，產(chǎn)生接觸感。人體具有約20種不同的神經(jīng)末梢，它們?nèi)o大腦發(fā)送信息。但是，最普通的感知器是熱感知器，冷感知器，疼痛感知器，以及壓力〔或接觸〕感知器。VR的觸覺接口可以提供高頻震動，小范圍的形狀或壓力分布，以及熱特性，由此來刺激這些感知器。圖中，綠色的ColdReceptor是冷感知器，黃色的HeatReceptor是熱感知器，紅色的PainReceptor是疼痛感知器，紫色的PressureReceptor是壓力感知器。此外，Dermis是真皮，Epidermis是表皮，Hair是毛發(fā)。

在VR中，某些人的因素明顯被考慮，如HMD中考慮瞳距。另外一些人的因素未明顯考慮，如運(yùn)動眩暈。DefenceResearchAgency研究了沉浸感顯示的副作用。有些人認(rèn)為用HMD看不同遠(yuǎn)處物體時(shí)，不能用會聚和調(diào)節(jié)，使人不適應(yīng)。有人認(rèn)為HMD與內(nèi)瞳距不匹配也使眼疲勞。有人認(rèn)為眼不是會聚，而是在發(fā)散。有些用戶很敏感運(yùn)動刺激，如汽車、船、飛機(jī)、火車等。有人實(shí)驗(yàn)研究了VR引起運(yùn)動眩暈問題。在150個(gè)實(shí)驗(yàn)者中，有8人產(chǎn)生強(qiáng)烈眩暈。其它實(shí)驗(yàn)者經(jīng)歷了20分鐘沉浸環(huán)境。5分后有22%的人眩暈，10分后有32%人眩暈，15分后有40%人眩暈，20分后有45%人眩暈。在沉浸經(jīng)歷以后5分鐘，還有36%的人眩暈，10分鐘后還有27%的人眩暈。在VR中，具有圖像生成的延遲，視覺和前庭器官信息的時(shí)間不同步也造成感覺〔視覺與本體感覺〕的沖突。快速處理和予測算法有可能緩解這種不同步。第二章虛擬現(xiàn)實(shí)的接口設(shè)備課前索引〖課前思考〗

1．位姿傳感器的作用，不同的技術(shù)及其比照。

2．視覺顯示主要的要求，不同的技術(shù)及其比照。

3．聽覺顯示的發(fā)聲設(shè)備和聲學(xué)建模的特點(diǎn)。

4．力覺和觸覺顯示的技術(shù)要求及實(shí)現(xiàn)方法。

〖學(xué)習(xí)目標(biāo)〗

1．了解不同類型位姿傳感器的原理，優(yōu)缺點(diǎn)及主要產(chǎn)品。

2．了解不同類型視覺顯示技術(shù)的原理，優(yōu)缺點(diǎn)及主要產(chǎn)品。

3．了解聽覺顯示的發(fā)聲設(shè)備和聲學(xué)建模。

4．了解力覺和觸覺顯示的要求，技術(shù)及主要產(chǎn)品。

〖學(xué)習(xí)指南〗

1．注意不同類型位姿傳感器的原理與其優(yōu)缺點(diǎn)的聯(lián)系。

2．注意不同類型視覺顯示技術(shù)的原理與其優(yōu)缺點(diǎn)的聯(lián)系。

3．注意不同的發(fā)聲設(shè)備和聲學(xué)建模的難點(diǎn)。

4．注意力覺和觸覺顯示的特殊性。

〖難重點(diǎn)〗

1．注意位姿傳感器的主要要求。

2．注意不同類型位姿傳感器的原理，優(yōu)缺點(diǎn)的比照。

3．注意運(yùn)動接口的作用，與位姿傳感器的關(guān)系。

4．注意人類立體視覺的原理。

5．CRT，LCD，VRD等顯示技術(shù)原理的比照。

6．立體顯示不同方法的原理比照。

7．兩種發(fā)聲設(shè)備的比照。

8．空間聲學(xué)建模的技術(shù)難點(diǎn)。

9．力覺和觸覺顯示的特殊要求及實(shí)現(xiàn)技術(shù)。

〖章節(jié)小節(jié)〗

1．位姿傳感器的作用和要求。

2．不同類型位姿傳感器的原理，優(yōu)缺點(diǎn)及主要產(chǎn)品。

3．運(yùn)動接口的作用。

4．對視覺顯示的要求。

5．CRT，LCD，VRD等顯示技術(shù)的原理及其優(yōu)缺點(diǎn)。

6．頭盔式，立體眼鏡式，自動立體顯示的原理及其優(yōu)缺點(diǎn)。

7．BOOM系統(tǒng)和多面顯示系統(tǒng)的特點(diǎn)。

8．耳機(jī)和喇叭，兩類發(fā)聲設(shè)備的特點(diǎn)。

9．空間聲學(xué)建模的主要技術(shù)方法。

10．力覺和觸覺顯示的區(qū)別，要求，及技術(shù)。

11．力覺和觸覺顯示的主要產(chǎn)品。

〖知識點(diǎn)〗第一節(jié)位姿傳感器1、位姿傳感器要求：機(jī)器人、生物學(xué)、建筑、CAD、教育等應(yīng)用領(lǐng)域，都要求知道運(yùn)動物體實(shí)時(shí)的位置和方向。虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)那么要求知道人體各局部實(shí)時(shí)的位置和方向?！?〕3-D空間中的運(yùn)動的剛體具有三個(gè)平移〔沿著X、Y和Z軸〕和三個(gè)轉(zhuǎn)動〔偏航、俯仰和滾動〕?！?〕在物體以高速運(yùn)動時(shí)，應(yīng)該足夠快地測出這六個(gè)數(shù)值。〔3〕3-D測量不應(yīng)阻礙物體運(yùn)動。非接觸式測量〔低頻磁場、超聲、雷達(dá)、紅外攝像和LED等〕已經(jīng)代替機(jī)械臂等接觸式測量。〔4〕3-D傳感器都具有一些共同的參數(shù)。例如，采樣率是每秒測量次數(shù)。執(zhí)行時(shí)間是在行為和結(jié)果之間的時(shí)間延遲。傳感器的精度，即實(shí)際位置與所測出位置的差。分辨率是傳感器檢測的"粒度"，即檢測的最小的位置變化。位姿跟蹤常用的性能參數(shù)有：精度，分辨率，采樣率，執(zhí)行時(shí)間，范圍，工作空間，價(jià)格，障礙，方便，對模糊的敏感，容易校準(zhǔn)，同時(shí)測量的數(shù)目，方向相對位置跟蹤?！?〕人體并非剛體。上述六個(gè)數(shù)值只能描述人體整體的運(yùn)動，人體各局部之間的相對運(yùn)動也應(yīng)該測量?！?〕位姿跟蹤和映射是VE系統(tǒng)的根本要求。常用的要求包括：〔a〕視覺顯示對頭和眼的跟蹤；

〔b〕觸覺接口對手和臂的跟蹤；

〔c〕視覺顯示對身體的跟蹤；

〔d〕面部表情識別、虛擬衣服和醫(yī)用遙控機(jī)器人的映射；

〔e〕建立數(shù)字化幾何模型的環(huán)境映射?！?〕一種工作方式〔"流動"方式〕中，傳感器數(shù)據(jù)連續(xù)送給主計(jì)算機(jī)。這最適于快速運(yùn)動的物體。但是這加重了通信線路的負(fù)擔(dān)。如果要求以30個(gè)畫面/秒的速率重復(fù)計(jì)算，那么每33毫秒要畫出一個(gè)畫面。9600波特率的串行口要花費(fèi)12毫秒傳送6個(gè)數(shù)的一組數(shù)據(jù)〔每個(gè)數(shù)有16bit〕。因此，僅僅通信就要花費(fèi)33毫秒的36%。另一種工作方式〔"請求"方式〕中，當(dāng)主計(jì)算機(jī)請求時(shí)，才傳送一組的6個(gè)數(shù)。其它時(shí)間不讀傳感器數(shù)據(jù)，于是總體畫面更新時(shí)間中的通信時(shí)間局部就下降了?！?〕用于位姿跟蹤和映射的根本傳感系統(tǒng)有：機(jī)械鏈接，磁傳感器，光傳感器，聲傳感器和慣性傳感器。2、各種位姿跟蹤器的比擬如下:第二節(jié)視覺顯示1、視覺顯示概述理想的視覺顯示與日常經(jīng)歷中的場景比照，在質(zhì)量、修改率和范圍方面應(yīng)該是無法區(qū)分的。但是當(dāng)前的技術(shù)還不支持這種高真實(shí)度的視覺顯示，而且也不清楚是否多數(shù)應(yīng)用要求這種高真實(shí)度。對任何給定的應(yīng)用，必須認(rèn)真評價(jià)各種顯示特性的重要性，這包括視覺特性〔視場、分辨率、亮度、比照和彩色〕，人類工程學(xué)，平安，可靠和價(jià)格。視覺顯示的根本要求是提供立體視覺。以下圖表示，立體視覺的根本原理。圖中表示兩眼光軸平行的情況，相當(dāng)于兩眼注視遠(yuǎn)處。內(nèi)瞳距〔IPD〕是兩眼瞳孔之間的距離。兩眼空間位置的不同，是產(chǎn)生立體視覺的原因。F是距離人眼較近的物體B上的一個(gè)固定點(diǎn)。右面的兩眼的視圖說明，F(xiàn)點(diǎn)在視圖中的位置不同。這種不同就是立體視差。人眼也可以利用這種視差，判斷物體的遠(yuǎn)近，產(chǎn)生深度感。這就是人類的立體視覺，由此獲得環(huán)境的三維信息。人眼的另一種工作方式是注視近處的固定點(diǎn)F。這時(shí)兩眼的光軸都通過點(diǎn)F。兩個(gè)光軸的交角就是圖中的會聚角。因?yàn)閮裳鄣墓廨S都通過點(diǎn)F，所以F點(diǎn)在兩個(gè)視圖中都在中心點(diǎn)。這時(shí)，與F相比距離人眼更遠(yuǎn)或更近的其他點(diǎn)，會存在視差。人眼也可以利用這種視差，判斷物體的遠(yuǎn)近，產(chǎn)生深度感。完全的視覺接口包括四個(gè)根本局部。(1)視覺顯示外表和輔助光學(xué)系統(tǒng)，它把詳細(xì)的時(shí)變的光模式投影在用戶視網(wǎng)膜上。

(2)產(chǎn)生光學(xué)信號的系統(tǒng)〔來自真實(shí)場景的攝像機(jī)，存貯圖像的錄像機(jī)，生成圖形的計(jì)算機(jī)，或三者的組合〕。

(3)感覺頭或眼球位置運(yùn)動的系統(tǒng)〔這是上一節(jié)介紹的位姿跟蹤問題〕。

(4)使視覺顯示外表相對于人眼定位的系統(tǒng)。這一節(jié)只介紹(1)。首先介紹顯示外表，然后介紹光學(xué)系統(tǒng)，最后介紹有關(guān)產(chǎn)品。對虛擬現(xiàn)實(shí)〔VR〕，最常用的技術(shù)成熟的顯示外表類型是陰極射線管〔CRT〕和背光液晶顯示〔LCD〕。VR應(yīng)用有兩類主要的視覺顯示光學(xué)系統(tǒng)：頭盔顯示和非頭盔顯示。下面分別介紹不同的顯示外表和不同的光學(xué)系統(tǒng)。最后介紹現(xiàn)有的產(chǎn)品。2、視覺顯示的顯示外表對虛擬現(xiàn)實(shí)〔VR〕，最常用的技術(shù)成熟的顯示類型是陰極射線管〔CRT〕和背光液晶顯示〔LCD〕。雖然這些技術(shù)對近期的虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用是很有用的，但幾個(gè)缺點(diǎn)卻阻礙其長期的開展。〔1〕CRT類顯示〔2〕LCD類顯示CRT技術(shù)是多年來在電視機(jī)和計(jì)算機(jī)監(jiān)視器上廣泛應(yīng)用的成熟技術(shù)。CRT技術(shù)能給頭盔顯示器提供小的高分辨率高亮度的單色顯示。但這些CRT較重，并把高電壓放在人頭部上的設(shè)備中。此外，開發(fā)小型高分辨率高亮度彩色CRT是困難的。在頭盔顯示中，要求笨重的光學(xué)設(shè)備形成高質(zhì)量圖像。組合的技術(shù)途徑可產(chǎn)生高質(zhì)量彩色圖像，并減少重量和價(jià)格。近期的途徑是把高質(zhì)量彩色的基于CRT的HMD〔頭盔顯示器〕引入市場，它使用了加于單色CRT的機(jī)械電子彩色濾光技術(shù)。這種途徑中，CRT以三倍正常速率掃描，并依次加上紅、綠、蘭三色的濾光器。LCD技術(shù)以低電壓產(chǎn)生彩色圖像，但只具有很低的圖像元密度。在頭盔顯示中，也要求笨重的光學(xué)設(shè)備形成高質(zhì)量圖像。市場出售的頭盔式顯示器幾乎全部依靠TV〔電視機(jī)〕質(zhì)量的液晶顯示。在VR和遙操作領(lǐng)域，不要求大區(qū)域顯示。只要求緊湊的輕便的高分辨率顯示。LCD顯示器有待提高其分辨率?！?〕VRD類顯示與基于CRT或LCD的顯示器不同的工作是在華盛頓大學(xué)人類接口接術(shù)〔HIT〕實(shí)驗(yàn)室。HIT實(shí)驗(yàn)室正研究基于激光微掃描技術(shù)的顯示VRD，它用微型固體激光器掃描視網(wǎng)膜上的彩色圖像。它的優(yōu)點(diǎn)是不使用笨重的光學(xué)設(shè)備，可能開發(fā)高分辨率、輕便、低價(jià)格顯示系統(tǒng)。但激光微掃描顯示還面對大量技術(shù)障礙。VRD〔VirtualRealityDisplay〕是美國華盛頓大學(xué)HumanInterfaceTechnologyLab〔HIT〕在1991年創(chuàng)造的。目標(biāo)是產(chǎn)生全彩色，寬視場，高分辨率，高亮度，低價(jià)格的虛擬現(xiàn)實(shí)立體顯示。MicrovisionInc.具有該技術(shù)產(chǎn)品化的專有權(quán)。該技術(shù)有很多潛在的應(yīng)用，由軍事航天應(yīng)用的HMD，到醫(yī)學(xué)應(yīng)用。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。觀看者的幻覺是，感到這個(gè)圖像是在前方2英尺遠(yuǎn)處的14英寸監(jiān)視器上。實(shí)際上，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。VRD的主要特點(diǎn)如下：①很小很輕的眼鏡，

②大于120度的大視場，

③適應(yīng)人類視覺的高分辨率，

④有更高彩色分辨率的全彩色，

⑤適用于室外的高亮度，

⑥很低的功率消耗，

⑦有深度感的真正的立體顯示，

⑧具有看穿的顯示方式?！策@類似于看穿的頭盔顯示。在看到激光掃描的虛擬圖形的同時(shí)，也看到真實(shí)場景。〕以下圖表示，VRD的工作原理。源圖像是要求顯示的圖像。調(diào)制的光源是紅綠藍(lán)三基色的光源。水平和垂直掃描器根據(jù)源圖像對于光源進(jìn)行掃描。經(jīng)過光學(xué)鏡頭，在人的視網(wǎng)膜上成像。在普通的屏幕顯示中，受控的光線或光發(fā)射元素組成高密集的陣列，這個(gè)陣列投影到各個(gè)象素。但在VRD的顯示中，不存在其他屏幕，象素流直接投影到視網(wǎng)膜。VRD中不具備象素持續(xù)性質(zhì)，只有視網(wǎng)膜上光接受器的光收集特性。因此，在VRD提供的光線和人腦產(chǎn)生的圖像質(zhì)量之間的關(guān)系，就是很重要的了。源圖像直接進(jìn)入驅(qū)動電子設(shè)備中，去調(diào)制紅綠蘭三色的光線。每個(gè)象素通過水平和垂直掃描器，在視網(wǎng)膜上產(chǎn)生光柵化的圖像。視網(wǎng)膜沒有持續(xù)性質(zhì)，因此沒有閃爍。產(chǎn)生的圖像很亮，有很高的分辨率，有很寬的視場。每個(gè)象素投影在視網(wǎng)膜上的時(shí)間很少，30-40ns。此外，該設(shè)備只消耗很少能量。以下圖表示，VRD的顯示設(shè)備。VRD的主要指標(biāo)如下：①分辨率只取決于光源的衍射和像差，②亮度可達(dá)很高和很低，所以比照度就很大，③傳統(tǒng)的顯示器不會發(fā)出很強(qiáng)的光，所以很難在很亮的環(huán)境下看到，VRD的顯示可以在很亮的環(huán)境下看到，④CRT只能反射可見彩色光中的一局部，VRD發(fā)射高飽和的純彩色光，其彩色逼真度極高，⑤CRT未把電能有效地轉(zhuǎn)成光能，VRD把所有產(chǎn)生的光線投在視網(wǎng)膜，所以允許很強(qiáng)的亮度和很小的能耗，⑥VRD很容易改良性能，⑦VRD提供通用的方法，適用于各類應(yīng)用，有潛力降低價(jià)格，⑧VRD包括很簡單的子系統(tǒng)，將以低價(jià)格進(jìn)行大批量生產(chǎn)。IVRD是HITLab為美國海軍飛行員研制的交互的VRD。TheOfficeofNavalResearch正在研制IVRD。飛行員用這種設(shè)備，能更好地在強(qiáng)光下觀看，有立體視覺，通過手指指向顯示與設(shè)備交互。設(shè)備很輕，耗能很少。IVRD課題的目標(biāo)是：①高亮度彩色圖像覆蓋在飛行員的真實(shí)視場中，

②測量在真實(shí)視場中增強(qiáng)圖像的位置，

③測量注視方向，以及在增強(qiáng)圖像中眼和手的位置，

④在增強(qiáng)圖像的視場中360度范圍顯示傳感器數(shù)據(jù)，

⑤允許觀看者要求顯示更多信息。2．2．2視覺顯示的顯示外表3．VRD類顯示VRD的應(yīng)用包括用于軍事，頭盔，移動，以及醫(yī)學(xué)上。①HMD上的應(yīng)用。2．2．2視覺顯示的顯示外表3．VRD類顯示VRD的應(yīng)用包括用于軍事，頭盔，移動，以及醫(yī)學(xué)上。①HMD上的應(yīng)用。Swanson指出："直升機(jī)飛行員需要獲取信息，以便做出關(guān)系生死的決策。如果信息是以圖形或直覺的方式提供的，就能減少飛行員的負(fù)擔(dān)，增加在惡劣環(huán)境下的可視能力。HMD在白天和夜間都提供全彩色的圖形信息，但缺乏有效的數(shù)據(jù)接口的聯(lián)系。"VRD技術(shù)的產(chǎn)品Microvision給軍隊(duì)提供了單色雙目HMD系統(tǒng)，視場水平52度，垂直30度，顯示行數(shù)960，水平象素1716，重量2磅〔包括兩個(gè)顯示器，頭盔結(jié)構(gòu)，及光學(xué)系統(tǒng)〕，圖像以"看穿的方式"投影，飛行員同時(shí)看到背景場景。②交互的VRD。三維交互顯示的VRD技術(shù)，可以集成在眼鏡或頭盔上，產(chǎn)生立體效果。以下圖表示，VRD的顯示設(shè)備用于頭盔顯示器。以下圖表示，VRD的顯示設(shè)備用于看穿的頭盔顯示器。以下圖表示，VRD的頭盔顯示器用于軍事的示意圖。Binocularvirtualretinaldisplay雙目視網(wǎng)膜虛擬顯示Headposition/orientationtracker頭部位姿跟蹤器Auralaudiodisplay聽覺顯示Speechinput語音輸入Hand/fingerposition/orientationtracker手指位姿跟蹤器Handdesignation手的指示Spacestabilizedvirtualimage空間穩(wěn)定的虛擬圖像③手持的二維顯示VRD技術(shù)將集成進(jìn)手提，允許用戶看商業(yè)網(wǎng)，因特網(wǎng)，e-mail，web頁面，，文件等，如同看臺式監(jiān)視器。以下圖表示，VRD的顯示器用于移動。④醫(yī)學(xué)應(yīng)用。據(jù)估計(jì)，美國2%的人有弱視。弱視的人不是全盲，但不能拿到駕駛執(zhí)照，而且難以閱讀和看電視。原因可能是視網(wǎng)膜的傷害〔中心或周圍視力的衰減〕，或光路的傷害〔角膜傷害或晶狀體傷害〕。VRD使得弱視的人能看到圖像。1998年，Microvision與Wallace-KetteringNeuroscienceInstitute簽訂了合同，在神經(jīng)外科的平安帽的研究上合作。沒有視網(wǎng)膜傷害的病人能通過他的視場看到運(yùn)動的粒子，具有視網(wǎng)膜傷害的病人實(shí)際上能反常地看到他自己的盲區(qū)。要求病人跟蹤視覺擾動的邊緣，于是就產(chǎn)生它自己視網(wǎng)膜的數(shù)字圖像，這實(shí)際上定位了受傷的組織。這個(gè)圖像與基底攝像機(jī)拍攝的照片比擬，基底攝像機(jī)獲取器官內(nèi)外表的圖像?；赩RD的工作站，在過去一年掃描了58個(gè)各種視網(wǎng)膜疾病的病人。VRD的未來，將更加緊湊。正在開發(fā)邊緣發(fā)射，超亮度發(fā)射二極管，以及微型二極管激光器。這將允許直接的光調(diào)制。加上專用集成電路技術(shù)，可能產(chǎn)生手持的VRD設(shè)備。以下圖表示，未來的VRD的頭盔顯示器。4．VLSI類顯示MITAI實(shí)驗(yàn)室用硅VLSI芯片技術(shù)實(shí)現(xiàn)這種顯示特征。比擬液晶顯示可到達(dá)的分辨率和基于硅技術(shù)的圖像傳感器商品的密度，就可以看到密度和性能的潛力。LCD最大分辨率約640×400，象素間距約330m，產(chǎn)生200mm×130mm的顯示。硅傳感器制造的分辨率為4000×4000象素，點(diǎn)距11m。更小的象素尺寸是可能印制的，但光密度要求用較大的象素區(qū)。當(dāng)前技術(shù)下適宜的方案是2000×2000圖像顯示，象素間距8m，產(chǎn)生16mm×16mm的顯示。5．全息顯示計(jì)算機(jī)生成的立體圖是三維場景的一系列二維視場的光學(xué)記錄。最后的全息圖投影每個(gè)二維圖像在觀看區(qū)域中，于是可以看到有水平視差的立體視場?？梢援a(chǎn)生全色高分辨率圖像，以及大的寬視場全息圖。然而，這是非實(shí)時(shí)圖像技術(shù)，它要求離線記錄。為產(chǎn)生全息圖要求大量信息，因?yàn)楸仨毊a(chǎn)生每個(gè)視場〔一般100到300個(gè)視場〕。計(jì)算生成的繞射模式,這種方法是復(fù)雜的，計(jì)算量大的。直到最近，計(jì)算機(jī)生成的全息圖還只是用于繪圖或打印技術(shù)記錄，用作為離線過程。但是一個(gè)新方法允許全息圖像實(shí)時(shí)顯示，由快速幀緩沖存儲器顯示。全息圖信號可以實(shí)時(shí)掃描并發(fā)送，這個(gè)系統(tǒng)是MIT創(chuàng)造的全息錄像2．2．3視覺顯示的光學(xué)系統(tǒng)VR應(yīng)用有兩類主要的視覺顯示光學(xué)系統(tǒng)：頭盔顯示和非頭盔顯示。它們顯示的圖像直接聯(lián)系到用戶頭部運(yùn)動〔用傳感器測量頭部位姿〕，或間接聯(lián)系頭部運(yùn)動〔用手柄等控制設(shè)備或語音輸入〕。1．頭盔式立體顯示頭盔顯示通過安裝顯示硬件在頭盔上或在頭帶上。頭盔顯示的一個(gè)顯著優(yōu)點(diǎn)是顯示定位伺服機(jī)械由人的軀干和頸部提供。這允許不附加硬件就產(chǎn)生完全環(huán)繞的觀看空間，并消除某些非頭盔顯示中顯示外表定位系統(tǒng)引入的延遲。在許多HMD中，所有圖像是合成的，由計(jì)算機(jī)產(chǎn)生。頭盔顯示的缺點(diǎn)是重量和慣性約束〔阻礙了用戶自由運(yùn)動〕，由此引起的疲勞，以及隨著增加頭部慣性而增加運(yùn)動眩暈征狀。頭盔顯示應(yīng)有好的空間分辨率、視場、彩色，并應(yīng)輕便、舒適、代價(jià)效益好。頭盔顯示產(chǎn)生無縫的全環(huán)繞的觀看體積。頭盔顯示一般難以制造。高性能HMD價(jià)格高，在性能上還有技術(shù)難點(diǎn)。(1)高分辨率、小型、輕便、低價(jià)的顯示還有待實(shí)現(xiàn)。(2)重量和慣性約束影響到發(fā)生運(yùn)動眩暈，正確判定方向，以及長期適應(yīng)性。(3)由于尺寸、性能和價(jià)格約束，多數(shù)HMD使用定位/聚焦補(bǔ)償，就給用戶提供了沖突的視覺深度信息。(4)HMD的正常工作聯(lián)系到頭部跟蹤系統(tǒng)性能〔修改率和延遲〕。以下圖表示，在頭盔中LEEP光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。兩個(gè)液晶顯示屏幕分別在兩眼前方很近的地方。光學(xué)鏡頭使屏幕上的圖像，成像在眼睛前方明視距離處，以便人眼正常觀看。光學(xué)鏡頭還會放大圖像，以便增大視場。LEEP光學(xué)鏡頭就是一種這樣的光學(xué)鏡頭。2．立體眼鏡式立體顯示非頭盔式但要求觀看設(shè)備的立體顯示中，場順序眼鏡〔液晶光閥眼鏡〕用于雙目分時(shí)觀看左右圖像，偏振眼鏡用于雙目分別觀看不同偏振的左右圖像。前者是非頭盔的立體顯示中常用的方式，又稱為立體眼鏡方法。后者那么在立體電影院中提供立體顯示。非頭盔立體眼鏡方式顯示采用立體屏幕與投影顯示。高分辨率彩色立體屏幕和投影顯示系統(tǒng)價(jià)格較低，因此往往用于計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和娛樂業(yè)。這些系統(tǒng)只要求一對輕便的主動或被動眼鏡產(chǎn)生高質(zhì)量的立體顯示，因此給用戶施加最小的慣性約束，并是舒適的。在舒適的觀看范圍的限制下，屏幕和投影顯示的靜態(tài)視場和空間分辨率取決于用戶到顯示平面的距離。用大的顯示平面，不要求光學(xué)設(shè)備，就可以實(shí)現(xiàn)較大的視場〔＞100°水平視場〕。屏幕和投影顯示一般比HMD更大更重。這種空間和重量限制是其缺點(diǎn)。此外，必須用伺服控制或多個(gè)靜態(tài)顯示外表增加觀看空間，提供全環(huán)繞視覺環(huán)境。增加觀看空間的另一個(gè)途徑是使用與頭盔顯示中同樣的頭部位姿傳感器。非頭盔立體眼鏡方式顯示中，顯示設(shè)備〔屏幕和投影〕不戴在頭上，較廉價(jià)，并可提供高分辨率彩色圖像。這減少了加于頭部的重量和慣性約束，減少了對定位/聚焦補(bǔ)償系統(tǒng)的體積重量約束。以下圖表示，立體投影顯示的第一種方式，主動式系統(tǒng)。分別對應(yīng)左眼和右眼的兩路視頻信號，輪流在屏幕上顯示。它們的頻率為標(biāo)準(zhǔn)更新率的二倍。觀看者佩戴具有液晶光閥的立體眼鏡。液晶光閥的開關(guān)，與顯示的圖像同步。于是，在顯示左眼的圖像時(shí)，左眼的光閥翻開，右眼的光閥關(guān)閉。同步信號可以通過紅外信號傳送，眼睛就可以在無線狀態(tài)工作。要求顯示器具有兩倍的顯示頻率。比利時(shí)BARCO公司的投影器可以提供這種功能。以下圖表示，立體投影顯示的第二種方式，有單臺CRT投影機(jī)的被動式系統(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。它們的頻率為標(biāo)準(zhǔn)更新率的二倍。Z-屏幕分別對兩眼的圖像，施加不同的偏振。觀看者佩戴具有不同偏振的眼鏡。比利時(shí)BARCO公司的投影器可以提供這種功能。以下圖表示，立體投影顯示的第三種方式，有兩臺CRT投影機(jī)的被動式系統(tǒng)。兩臺投影機(jī)分別在屏幕上顯示對應(yīng)左眼和右眼的兩路視頻信號。它們的頻率為標(biāo)準(zhǔn)更新率。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。觀看者佩戴具有不同偏振的眼鏡。比利時(shí)BARCO公司的投影器可以提供這種功能。以下圖表示，立體投影顯示的第四種方式，有兩臺LCD投影機(jī)的被動式系統(tǒng)。兩臺投影機(jī)分別在屏幕上顯示對應(yīng)左眼和右眼的兩路視頻信號。它們的頻率為標(biāo)準(zhǔn)更新率。兩臺投影機(jī)內(nèi)部可以施加不同的偏振。觀看者佩戴具有不同偏振的眼鏡。比利時(shí)BARCO公司的投影器可以提供這種功能。非頭盔立體眼鏡方式顯示還不完善。如果不提供環(huán)繞的觀看體積，就要求頭部跟蹤。計(jì)算機(jī)生成的圖像必須被用戶跟蹤，顯示外表必須伺服控制。最后，顯示系統(tǒng)的體積重量大于頭盔顯示2．2．3視覺顯示的光學(xué)系統(tǒng)3．自動立體顯示自動立體顯示不要求輔助的觀看設(shè)備〔如場順序或偏振眼鏡〕，不給用戶附加慣性約束。觀看區(qū)域或觀看體積的大小可能有所不同，自動立體顯示也可由多人觀看?！瞐〕透鏡顯示一個(gè)透鏡面是圓柱透鏡的陣列，它用于產(chǎn)生自動立體三維圖像，這是通過把兩個(gè)不同的二維圖像導(dǎo)向各自的觀看子區(qū)域。在透鏡面前方不同的角度上，在子區(qū)域內(nèi)形成圖像。當(dāng)觀察者的頭在正確的位置時(shí)，每只眼就在不同的觀看區(qū)，看到不同的圖像，得到雙目視差。透鏡成圖像對于大的視場要求高分辨率。對CRT技術(shù)，象素尺寸限制了最高分辨率，因而限制了視線數(shù)目。帶寬要求也可能很大，因?yàn)橐箫@示兩個(gè)視場。此外，兩個(gè)視場必須實(shí)時(shí)顯示，而且圖像被切片并放在透鏡后面的垂直條中?？娠@示的視場的數(shù)目受到圓柱透鏡聚焦能力不完善性的限制。透鏡畸變和光的繞射減少了透鏡方向性，于是由反面屏幕聚焦的圖像，不是以平行射線出現(xiàn)，而是以某種角度散布。這種散布限制了能彼此區(qū)分的子區(qū)域數(shù)目。透鏡面顯示的另一個(gè)關(guān)鍵問題是背部屏幕圖像必須對準(zhǔn)縫口或透鏡，否那么子區(qū)域圖像將不會導(dǎo)向適宜的子區(qū)域。以下圖表示，柱面透鏡構(gòu)成左右眼兩個(gè)觀看區(qū)域。〔b〕視差檔板顯示視差檔板是放在顯示前方的垂直平板，它對每只眼都阻檔了屏幕的一局部。視差檔板的作用類似透鏡面。差異在于它是用檔板檔住局部顯示，而不是用透鏡導(dǎo)引屏幕圖像。屏幕顯示兩個(gè)圖像，每個(gè)分成垂直條。屏幕上顯示的條交替為左右眼圖像。每只眼只看到它的條。視差檔板顯示一般不使用，因?yàn)橛袔讉€(gè)缺點(diǎn)。首先，顯示的圖像太暗，因?yàn)闄n板檔住每只眼大局部光。而且，對小的縫寬度，由縫隙的光擴(kuò)散可能是問題，這是因?yàn)楣饩€散射。此外，CRT圖像必須劃分成條。以下圖中，上面一圖表示棱柱透鏡對兩幅圖的導(dǎo)向作用。原理類似于柱面透鏡。下面一圖表示視差擋板對兩幅圖的局部遮擋。〔c〕切片堆積顯示切片堆積顯示也稱為多平面顯示。它由多層二維圖像〔切片〕構(gòu)成三維體積。正如發(fā)光二極管〔LED〕的旋轉(zhuǎn)線可以產(chǎn)生平面圖像感，LED的旋轉(zhuǎn)平面可以產(chǎn)生體圖像。類似的體積可以用CRT顯示或運(yùn)動鏡面掃描。運(yùn)動鏡面必須以高頻運(yùn)動很大距離，所以也可以用變焦距鏡面。一般用30Hz聲音信號振動反射膜片。在鏡面振動時(shí)，聚焦長度改變，反射的監(jiān)示器在截?cái)嗟慕鹱炙陀^看體積中形成圖像。鏡面連續(xù)改變其放大率，使隨時(shí)間掃描的圖像連續(xù)改變其深度。這個(gè)途徑的變型正由TI公司開發(fā)。在這個(gè)技術(shù)中，17m見方微機(jī)械鏡面，由硅梁支持在對角上。兩個(gè)未支持的角涂上金屬，用作靜電驅(qū)動器電極，它使鏡面拉到一邊或另一邊。驅(qū)動速率約10微秒，角偏轉(zhuǎn)約10°，允許微鏡面偏轉(zhuǎn)入射光形成高分辨率顯示。一個(gè)版本包含約700×500象素，使用由彩色濾光輪得到的幀序列彩色，以及每個(gè)象素強(qiáng)度的6位脈寬控制。切片堆積方法描繪一個(gè)照亮的體積，使物體是透明的，而被遮檔的物體不能消隱。對空間數(shù)據(jù)集和固體建模問題這可能是理想的。但它不適于有消隱外表的照片和真實(shí)圖像。增加頭部跟蹤就允許消隱外表在繪制步驟對一個(gè)觀看者近似地去掉。然而，不是所有外表都可以正確繪制，因?yàn)閮裳劭赡苡刹煌恢糜^看。以下圖表示，數(shù)字式微鏡面〔DMD〕的顯示方式?！瞐〕為微鏡面的結(jié)構(gòu)，〔b〕為TI公司開發(fā)的基于DMD的顯示器。2．2．4視覺顯示的產(chǎn)品1．頭盔顯示至今的HMD商品主要包括低分辨率大視場基于LCD系統(tǒng)。歷史上，廣泛應(yīng)用的HMD商品是VirtualResearchFlightHelmet，VPLEyePhone和LEEPSystemsCyberFaceⅡ。所有三者都提供100°到110°水平視場，用LCD屏幕，有效的空間分辨率約300×200象素，用標(biāo)準(zhǔn)的NTSC外觀(寬高比)。所有設(shè)備都在1萬美元以下。VPLResearch推出了較高分辨率HMD〔稱為HRX〕，以后又因可維修性差而放棄了。英國的WIndustries推出粗的HMD〔稱為Visette〕，特性類似于VRFlightHelmet。VRFlightHelmet和VPLEyephone都已不再銷售，只有很少的CyberFace還在使用。VirtualResearch沒有繼續(xù)它成功的FlightHelmet，它推出了一種輕便的HMD，使用小型單色CRT以及彩色輪，它稱為EYEGEN3。這個(gè)28盎司系統(tǒng)取兩個(gè)NTSC輸入，分辨率250(水平)×493(垂直)。其視場在100%雙目重疊時(shí)為32°，在50%雙目重疊時(shí)為48°。它有很好的亮度與比照，價(jià)格低于8000美元。在較高檔的商品范圍〔約15萬美元〕，KaiserElectro-Optics推出了ColorSimEye。這是軍用研究的結(jié)果，它在40°對角視場上提供1280(水平)×1024(垂直)的隔行掃描線。正在開發(fā)60°-80°視場的產(chǎn)品。也有單色產(chǎn)品。CRT安裝在頭部側(cè)面低處，減少頭部轉(zhuǎn)動時(shí)的慣性約束。簡單的光學(xué)設(shè)備把圖像送進(jìn)操作者眼睛。它提供44%穿透能力。外表穩(wěn)定的鐵電液晶光閘用于順序顯示三基色，其更新率60Hz(180Hz掃描率)，其重量3.5磅。頭盔顯示器性能和價(jià)格HMD模型分辨率視場重量(kg)價(jià)格Eyephone2

(VPL)LCD

360×24090°水平

60°垂直2.4$11,000FlightHelmet

(VirtualResearch)LCD

360×240100°水平2$6,000CyberfaceII

(LEEPSystems)

LCD

479×234140°水平1$8,000Tier1

(VRontier)LCD

479×234112°水平1.5$3,800HMSI1000

(RPI-A.T.G)LCD

479×23465°水平

46°垂直0.22$5,000HMD-131

(VRInc.)CRT-單色

1280×1024

〔30Hz〕50°

對角線1.5$70,000Datavision9c

(n-Vision)(30Hz)CRT-彩色

1280×96050°

對角線1.5$75,000Boom2c

(FakespaceInc.)1280×1024

(60Hz)140°水平

90°垂直機(jī)械臂

支撐$88,800Cyberscope(SimsalabimSys.)VGA47°水平

35°垂直監(jiān)視器

支撐$200幾種基于LCD的頭盔產(chǎn)品；<基于CRT的頭盔產(chǎn)品。以下圖表示，幾種基于LCD的頭盔產(chǎn)品?！瞐〕為FlightHelmet，〔b〕為CybefaceII，〔c〕為Tier1，〔d〕為HMSI1000。UltrasonicHeadTracker超聲頭部跟蹤器

FittingAdjustment佩帶調(diào)節(jié)器

LCDDisplay液晶顯示器

ChestCounterweight胸部配重

Stereo/MonoSwitch立體/平面開關(guān)

Detachableview可拆卸的顯示器

Light-WeightViewer輕便顯示器以下圖表示，基于CRT的頭盔產(chǎn)品。〔a〕為HMD131，〔b〕為Datavision9c。Optics光學(xué)鏡頭

Mirror鏡子

CRTCRT2．2．4視覺顯示的產(chǎn)品1．頭盔顯示美國VIRTUALI-O公司的頭盔顯示器產(chǎn)品，重量240g。美國01Products公司的頭盔顯示器產(chǎn)品，PT-01。顯示象素為800×225〔180000〕。以下圖表示，美國VIRTUALI-O公司的頭盔顯示器產(chǎn)品，I-glasses。重量240g。以下圖表示，美國01Products公司的頭盔顯示器產(chǎn)品，PT-01。顯示象素為800×225〔180000〕。日本島津制作所的頭盔顯示器產(chǎn)品，1000HRpv。顯示象素為800×600。重量740g。日本AEC公司的頭盔顯示器產(chǎn)品，VirtualResearchFS5。水平顯示象素為800。重量1.07kg。美國VirtualResearchSystems,Inc.公司的頭盔顯示器產(chǎn)品，V8。顯示象素為640×480。重量1.038kg。圖表示，日本島津制作所的頭盔顯示器產(chǎn)品，1000HRpv。顯示象素為800×600。重量740g。以下圖表示，日本AEC公司的頭盔顯示器產(chǎn)品，VirtualResearchFS5。水平顯示象素為800。重量1.07kg。以下圖表示，美國VirtualResearchSystems,Inc.公司的頭盔顯示器產(chǎn)品，V8。顯示象素為640×480。重量1.038kg。日本SONY公司的頭盔顯示器產(chǎn)品，LDI-100。顯示象素為832×642。重量120g?？梢蕴峁┛创┑娘@示。美國VirtualResearch公司的頭盔顯示器產(chǎn)品，EYEGEN3。顯示象素為493×250。重量690g。以下圖表示，日本SONY公司的頭盔顯示器產(chǎn)品，LDI-100。顯示象素為832×642。重量120g?？梢蕴峁┛创┑娘@示。近年為各種軍事研究應(yīng)用開發(fā)了先進(jìn)的高性能HMD。這些系統(tǒng)雖然功能強(qiáng)，但價(jià)格往往超過50萬美元。最初為軍用開發(fā)的高檔HMD技術(shù)已轉(zhuǎn)向商業(yè)，新的市場已形成了低檔的設(shè)計(jì)。輕便，中等分辨率〔約1000水平線〕，彩色，看穿的HMD在20萬美元以下。較低分辨率系統(tǒng)〔NTSC水平〕在1萬美元以下。中等分辨率非頭盔場順序投影系統(tǒng)在2萬美元以下。等效的BOOM類系統(tǒng)在10萬美元以下。商業(yè)壓力會促進(jìn)資助。當(dāng)前的商業(yè)和技術(shù)趨勢使VR的顯示還有幾個(gè)缺點(diǎn)。當(dāng)前最好的系統(tǒng)的分辨率相當(dāng)于高清晰度TV。高分辨率的寬視場的眼分辨率限制的顯示系統(tǒng)，有待進(jìn)一步研究。為提供180°(水平)，120°(垂直)的視場〔人的視場〕，要求顯示設(shè)備提供約4800(水平)×3800(垂直)線的分辨率。應(yīng)該強(qiáng)調(diào)開發(fā)小型高分辨率CRT或固態(tài)顯示。2．2．4視覺顯示的產(chǎn)品2．非頭盔的顯示經(jīng)典的基于CRT的屏幕和投影顯示有足夠的掃描速率和帶寬，可以用場順序技術(shù)產(chǎn)生高分辨率〔1000水平線〕立體顯示。這種形式的高分辨率彩色高帶寬顯示，對屏幕型式約2000美元，對大屏幕投影方式約為13000美元。這種立體顯示利用時(shí)間順序方法提供左右眼交替的立體顯示對。在計(jì)算機(jī)圖形市場上，場順序設(shè)備最早的提供者是StereographicsCorporation。它制造了一系列LCD光閘眼鏡，它用紅外技術(shù)作場同步。這些眼鏡和紅外發(fā)射器可以加到適當(dāng)?shù)挠?jì)算機(jī)和投影系統(tǒng)，在2000美元以下。3DTV提供低價(jià)格，有線同步的，場順序系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)價(jià)格比可比的頭盔顯示低一個(gè)數(shù)量級。這種立體眼鏡的顯示系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和低檔的VR系統(tǒng)。它以較低的本錢實(shí)現(xiàn)了立體顯示。以下圖表示，使用主動立體眼鏡的立體顯示系統(tǒng)。〔a〕為標(biāo)準(zhǔn)的布局。其中利用紅外信號傳送同步信號，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?！瞓〕為用于VR的布局。除了標(biāo)準(zhǔn)布局中的上述設(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。3．混合的立體顯示系統(tǒng)Fake空間實(shí)驗(yàn)室開發(fā)了一類顯示，稱為BOOM。它的顯示器安裝在六自由度支持結(jié)構(gòu)上。用戶以兩手抓住顯示器，轉(zhuǎn)動顯示器改變觀看方向，好似它是望遠(yuǎn)鏡。用按鈕控制，在VR中向前向后運(yùn)動。這種粗的地面安裝設(shè)備有幾種布局。低檔系統(tǒng)用兩臺CRT顯示提供640(水平)×480(垂直)單色分辨率。BOOM的高檔三色版本提供1280(水平)×1024(垂直)隔行分辨率，使用彩色濾光技術(shù)。BOOM觀看者在六自由度支持結(jié)構(gòu)上有集成的跟蹤傳感器。這個(gè)跟蹤系統(tǒng)，在改變觀看方向后5ms以內(nèi)，很快把方向位置信息送給計(jì)算機(jī)。以下圖表示，BOOM系統(tǒng)的工作原理。圖中可見，由機(jī)械臂支持的顯示器?；旌系钠聊伙@示系統(tǒng)，使用小的顯示外表，通過顯示支持結(jié)構(gòu)支持顯示系統(tǒng)。顯示系統(tǒng)通過伺服控制或人操縱跟隨用戶頭部運(yùn)動。這些系統(tǒng)去掉了頭盔顯示的慣性約束，并允許用小型高分辨率彩色屏幕顯示設(shè)備。此外，通過顯示支持結(jié)構(gòu)的儀表得到頭部位姿信息，于是不增加復(fù)雜性就可以得到大的有效的觀看空間。在伺服控制的方案中，由電子機(jī)械控制機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的延遲和失真必須解決，還要注意與人頭部相連的電源設(shè)備的平安問題。人操縱的設(shè)備沒有平安問題，但是必須由一兩只手移動視覺設(shè)備，于是這一兩只手就不能用于人機(jī)交互的任務(wù)。4．多面的顯示系統(tǒng)〔VirtualEnvironmentEnclosure〕多外表顯示系統(tǒng)〔VirtualEnvironmentEnclosure〕至少具有三個(gè)顯示外表。顯示外表可以是墻面，天花板，和地面。它們彼此相連構(gòu)成房間。最早的布局是立方體的三個(gè)顯示墻面和一個(gè)顯示地面。典型的尺寸是，每邊長度10英尺，允許多人同時(shí)在這個(gè)虛擬環(huán)境中。多面顯示系統(tǒng)中，同時(shí)在三面，四面，五面或六面墻面上顯示圖像。顯示圖像可以充滿整個(gè)視場，增加沉浸感。第一個(gè)VirtualEnvironmentEnclosure是1991年伊利諾伊〔Illinois〕大學(xué)開發(fā)的CAVE〔CAVEAutomaticVirtualEnvironment〕，它在圖形學(xué)會議SIGGRAPH92上發(fā)表。由多臺計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的圖像，被鏡面反射到投影屏幕。視點(diǎn)在環(huán)境中的移動，受一個(gè)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〕，測量他注視的地方。該用戶還用操縱桿控制視點(diǎn)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(gè)缺點(diǎn)是，除了主要用戶外，每個(gè)人都好似乘車一樣，會出現(xiàn)仿真眩暈。CAVE的房間尺寸是30'×20'×13'。投影機(jī)的光學(xué)系統(tǒng)被鏡面折疊。每個(gè)投影面用單獨(dú)的投影材料，在三面墻交界的兩個(gè)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PyramidSystems,Inc.銷售。與伊利諾伊大學(xué)合作，保持很強(qiáng)的技術(shù)支持。C2是由愛荷華〔Iowa〕州立大學(xué)制造的。通過與愛荷華工程部的合作，他們試圖改良CAVE的缺乏。主要改良包括：移動地板投影由用戶前方到用戶前方。這就把用戶在地板上的陰影移到用戶前方，不至影響顯示。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。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。NAVE〔NAVEAutomaticVirtualEnvironment〕是由GeorgiaTechVirtualEnvironmentsGroup制造的。課題本錢$60k，適于用在大學(xué)的實(shí)驗(yàn)室。它用視覺和其他物理感覺增強(qiáng)全局的沉浸感。兩個(gè)人坐在一個(gè)椅子上，采用力反響手柄控制運(yùn)動。聲音系統(tǒng)很好。還通過地板發(fā)出震動。用旋轉(zhuǎn)和閃爍的光線加強(qiáng)氣氛。C6正在由愛荷華〔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，顯示背投立體圖像。一面墻可動，允許用戶進(jìn)出房間。VirtualEnvironmentEnclosure的改良包括：減小空間要求，增加投影面，增加立體聲音，增加物理反響，以及降低價(jià)格。以下圖表示，CAVE1系統(tǒng)的工作原理。該系統(tǒng)中，前方，左方，右方，上方的四面墻，都是投影屏幕。圖中可以看到，對四個(gè)屏幕的四臺投影機(jī)和四個(gè)反光鏡。CRT、LCD、VRD等顯示技術(shù)的比照方下。

分辨率產(chǎn)品價(jià)格重量電壓功耗環(huán)境CRT高很成熟低重高壓大不很亮LCD低成熟低輕低壓小不很亮VRD很高沒有高

很亮頭盔式、立體眼鏡式、自動立體顯示的比照方下。

視場重量約束價(jià)格產(chǎn)品分辨率頭盔大大大高成熟較高立體眼鏡小小小低成熟高自動立體顯示大無無

無高BOOM的顯示器安裝在六自由度支持結(jié)構(gòu)上。

多面顯示系統(tǒng)中，同時(shí)在三面，四面，五面或六面墻面上顯示圖像。顯示圖像可以充滿整個(gè)視場，增加沉浸感第三節(jié)聽覺顯示1、聽覺顯示概述虛擬環(huán)境的聽覺接口應(yīng)能給兩耳提供一對聲波。(1)它應(yīng)有高逼真性，

(2)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)(包括頭部位姿變化)，

(3)排除所有不是VR系統(tǒng)產(chǎn)生的聲源(如真實(shí)環(huán)境背景聲音)。對增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)可以放松上述條件(3)，它的意圖是組合合成聲音與真實(shí)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。下面將介紹兩種發(fā)聲設(shè)備。為了使用戶產(chǎn)生置身于某種聲場的臨場感，要求解決聲音空間定位和建模問題。下面也將說明。為了仿真不同類型的聲源，要求合成各類特定聲源的聲音信號。語音信號的合成，在其他課程中介紹。下面只介紹非語音信號的合成。2、聲音顯示設(shè)備一般講，用耳機(jī)最容易到達(dá)虛擬現(xiàn)實(shí)的要求。在使用喇叭，并遠(yuǎn)離頭部時(shí)，每個(gè)耳朵聽到每個(gè)喇叭的聲音，控制問題很困難。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，由于耳朵完全翻開,不可能排除環(huán)境中附加的聲音。最后，雖然與耳機(jī)有關(guān)的接觸感可能限制聽覺臨場感的程度，但是由于用戶需要在虛擬和真實(shí)環(huán)境之間來回轉(zhuǎn)移，這種與耳機(jī)接觸可能是有用的。在任何情況，由于視覺接口會存在這些問題。在需要喇叭的情況下，可能發(fā)生高能低頻聲爆破。這種情況，喇叭可能用于振動局部身體，而不僅是耳膜?！?〕耳機(jī)耳機(jī)有不同的電聲特性，尺寸重量，以及安在耳上的方式。一類耳機(jī)是護(hù)耳式耳機(jī)，它是大的重的，并用護(hù)耳墊連在耳朵上。另一類耳機(jī)是插入耳機(jī)(或耳塞)，聲音通過它送到耳中某一點(diǎn)。插入耳機(jī)可能很小，并封閉在可壓縮的插塞中(或適于用戶的耳模)，它放入耳道中。耳機(jī)的發(fā)聲局部也可能遠(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。所有耳機(jī)可以送交寬帶寬的聲音(高達(dá)15kHz)，有適當(dāng)?shù)木€性和輸出級別(高達(dá)約110dB聲壓級別)。為了精確控制耳膜的聲壓，需要知道由耳機(jī)驅(qū)動電壓到耳膜聲壓的傳輸功能?？梢允褂媒咏さ奶结橕溈孙L(fēng)聲級測量儀得到信息。這些測量是復(fù)雜的，特別是在幾kHz的頻率。一般，這個(gè)傳輸功能更復(fù)雜，而且當(dāng)耳膜與耳機(jī)之間的封閉空間的大小增加時(shí)，也是不同的。封閉耳朵的護(hù)耳式耳機(jī)具有比插入耳機(jī)更多的共振?？梢灶A(yù)計(jì)在一個(gè)指定的人身上重復(fù)安放耳機(jī)，會有很大的可變性。但是在高頻下聽力閥值的測量指出，即使在大的超級耳機(jī)中，測量-重測量可變性測試得到的差異是小的(在14kHz為幾個(gè)dB)。這樣，就不必要對給定的聽者重復(fù)測量這個(gè)傳輸功能。對某些應(yīng)用，各人之間的差異可能是不重要的，在一個(gè)人的耳朵上的校準(zhǔn)就足夠了。插入耳機(jī)(或耳塞)，依靠與聲音傳送區(qū)有高的接觸區(qū)域比，可以提供外部聲音較好的衰減(在4kHz以上約35dB，在250Hz以下降到約25dB)。護(hù)耳式耳機(jī)可以到達(dá)類似的高頻衰減，但只有較少的低頻衰減。最近開發(fā)的主動消噪音護(hù)耳式耳機(jī)提供高達(dá)15dB附加低頻衰減，因而使其整個(gè)衰減特性類似于插入耳機(jī)。組合插入耳機(jī)和主動消噪音護(hù)耳式聽力保護(hù)器可以到達(dá)最大的衰減。即使包括保護(hù)器，價(jià)格也不超過1000美元。除了在娛樂應(yīng)用上的工作外,在VR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。但這有兩個(gè)缺點(diǎn)。(1)它要求把設(shè)備安在用戶頭上，從而增加負(fù)擔(dān)。

(2)它只刺激聽者耳膜?？紤]到(1)，對許多現(xiàn)有的頭部跟蹤技術(shù)，頭部跟蹤設(shè)備與耳機(jī)都必須安在頭上。如果視覺顯示也是頭部安裝的，那么與增加耳機(jī)有關(guān)的人類工程問題就是次要的。即使不要求聽覺顯示，視覺顯示也要求頭部跟蹤器，增加耳機(jī)到頭盔顯示后所附加的負(fù)擔(dān)是較小的?？紤]到(2)，即使耳機(jī)能產(chǎn)生足夠的能量震聾用戶，但通過耳機(jī)的刺激缺乏以給用戶提供聲音能量，影響耳朵以外的身體部位。雖然對VR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，但是如果希望在環(huán)境中提供真實(shí)的高能聲音事件的仿真(如爆破或高速飛機(jī)低空飛過)，那么其它身體部位的聲音仿真也是重要的(如振動用戶肚子)。

2聲音顯示設(shè)備2．喇叭設(shè)計(jì)非耳機(jī)聲音顯示(如喇叭)多年來是音響工業(yè)的焦點(diǎn)。現(xiàn)有的許多喇叭系統(tǒng)，象耳機(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VR應(yīng)用。它們的價(jià)格也是適宜的〔雖然比耳機(jī)更貴〕，特別是要求