基于立體投影技術(shù)的虛擬現(xiàn)實(shí)顯示系統(tǒng)

周芬芳

(中州大學(xué) 信息管理中心，鄭州 450044)

基于立體投影技術(shù)的虛擬現(xiàn)實(shí)顯示系統(tǒng)

周芬芳

(中州大學(xué) 信息管理中心，鄭州 450044)

虛擬現(xiàn)實(shí)顯示系統(tǒng)是虛擬現(xiàn)實(shí)中的關(guān)鍵組成部分。介紹虛擬現(xiàn)實(shí)顯示系統(tǒng)三維立體顯示技術(shù)中的立體投影技術(shù)，分析虛擬現(xiàn)實(shí)顯示系統(tǒng)的常用形式——多通道環(huán)幕(立體)投影系統(tǒng)的主要構(gòu)成，探討虛擬現(xiàn)實(shí)顯示系統(tǒng)在教學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)中的應(yīng)用。

虛擬現(xiàn)實(shí)顯示系統(tǒng);被動(dòng)立體技術(shù);虛擬實(shí)驗(yàn)室;旅游教學(xué)

虛擬現(xiàn)實(shí)(Virtual Reality，簡稱VR)是近年來出現(xiàn)的高新技術(shù)，較之傳統(tǒng)的模擬技術(shù)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)具有沉浸感(Immersion)、交互性(Interactivity)和構(gòu)想性(Imagination)三個(gè)主要特征。[1]虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)實(shí)現(xiàn)沉浸交互的方式之一就是三維(3 dimensional)立體顯示技術(shù)。3D立體顯示可以全面展現(xiàn)出圖像的位置、層次和縱深，使觀察者更直觀地了解圖像的現(xiàn)實(shí)分布狀況，從而更全面了解圖像或立體投影。本文將詳細(xì)介紹虛擬現(xiàn)實(shí)顯示系統(tǒng)的三維立體顯示技術(shù)中的的立體投影技術(shù)，分析多通道環(huán)幕(立體)投影系統(tǒng)的主要構(gòu)成，展示虛擬現(xiàn)實(shí)顯示系統(tǒng)在教學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)中的應(yīng)用。

1.虛擬現(xiàn)實(shí)顯示系統(tǒng)概述

一個(gè)完整的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)包括虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用開發(fā)平臺(tái)、虛擬現(xiàn)實(shí)顯示系統(tǒng)、虛擬現(xiàn)實(shí)交互系統(tǒng)和虛擬現(xiàn)實(shí)集成控制系統(tǒng)。虛擬現(xiàn)實(shí)顯示系統(tǒng)部分在任何一個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中都不可缺少的而且至關(guān)重要的主要部分。

在能帶來現(xiàn)場沉浸感的多種虛擬現(xiàn)實(shí)顯示系統(tǒng)常有設(shè)備中，虛擬三維投影顯示系統(tǒng)以其高度臨場感和高度參與性超越了頭盔顯示器、大屏幕監(jiān)視器、立體顯示器，最終使參與者真正實(shí)現(xiàn)與虛擬空間的信息交流與現(xiàn)實(shí)構(gòu)想，成為目前國際上普遍采用的虛擬現(xiàn)實(shí)和視景仿真實(shí)現(xiàn)手段和方式，應(yīng)用最為廣泛。虛擬三維投影顯示系統(tǒng)也是一種最典型、最實(shí)用、最高級別的投入型虛擬現(xiàn)實(shí)顯示系統(tǒng)，比較常用的是以立體投影技術(shù)為基礎(chǔ)的多通道環(huán)幕(立體)投影系統(tǒng)。

2.立體投影技術(shù)

2.1原理

人類的左右眼分別從不同位置和角度觀看同一物體時(shí)在雙眼視網(wǎng)膜結(jié)像會(huì)出現(xiàn)的微小水平像位差，即水平視差。3D立體顯示的基本原理就是要以人工方式來重現(xiàn)視差，即將具有水平視差的左眼圖像和右眼圖像分別輸送給觀察者的左眼和右眼，使得觀察者能夠感知到立體深度，形成立體感。[2]

在這個(gè)基礎(chǔ)之下發(fā)展出各式各樣的 3D 立體顯示技術(shù)，實(shí)現(xiàn)立體成像目前最流行技術(shù)并相對成熟的是佩戴眼鏡的立體顯示，主要有兩種顯示技術(shù): 被動(dòng)式和主動(dòng)式眼鏡。所謂主動(dòng)和被動(dòng)是指立體眼鏡而言。被動(dòng)式立體眼鏡只是被動(dòng)地接受圖像，本身沒有任何動(dòng)作。而主動(dòng)式立體眼睛則主動(dòng)地交替開關(guān)左右眼鏡片接受圖像。[3]

2.2主動(dòng)立體技術(shù)

主動(dòng)式立體成像系統(tǒng)由投影機(jī)、主動(dòng)眼鏡、眼鏡同步器、普通高增益銀幕、支持主動(dòng)立體放映的服務(wù)器構(gòu)成。計(jì)算機(jī)通過投影機(jī)快速交替地將左右眼的圖像投射到屏幕上，并通過紅外發(fā)射器發(fā)射同步信號(hào)。觀眾佩戴利用兩個(gè)可屏蔽光線(關(guān)閉圖像通過)的高速反應(yīng)液晶面板做成的主動(dòng)式立體眼鏡，此眼鏡內(nèi)集成無線接收器和電源。無線接收器接收電腦同步器發(fā)射的同步信號(hào)，用來控制眼鏡左右眼的開與關(guān)，使人左、右眼看到的影像和此時(shí)投影機(jī)分別對應(yīng)左、右眼的兩路輪流顯示在屏幕上的視頻信號(hào)內(nèi)容相同，眼鏡不斷的切換左右眼從而得到立體效果。

主動(dòng)立體顯示時(shí)，圖像的刷新率只能達(dá)到計(jì)算機(jī)平時(shí)圖像刷新率的一半，帶來的問題之一就是立體眼鏡的頻繁開關(guān)閃爍帶來眼睛的不適。同時(shí)，圖像立體亮度過低也是主動(dòng)立體技術(shù)的一個(gè)缺陷，進(jìn)入眼睛的圖像的實(shí)際亮度僅為標(biāo)稱投影機(jī)說明書標(biāo)稱值的16%左右。眼鏡成本高、對投影機(jī)和計(jì)算機(jī)性能要求高也是它的缺點(diǎn)。

2.3被動(dòng)立體技術(shù)

20世紀(jì)末，出現(xiàn)了被動(dòng)立體顯示技術(shù)，它解決了主動(dòng)立體顯示技術(shù)的某些缺陷。最新統(tǒng)計(jì)表明，國際上新顯示系統(tǒng)裝機(jī)量被動(dòng)立體比例已占壓倒性多數(shù)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了主動(dòng)立體。

被動(dòng)式立體成像系統(tǒng)由投影機(jī)、支持主動(dòng)立體放映的服務(wù)器、高增益金屬銀幕和普通偏振眼鏡組成。計(jì)算機(jī)端信號(hào)特性沒有任何變化，先將圖像輸出到信號(hào)分轉(zhuǎn)設(shè)備，再連接到兩臺(tái)有立體顯示功能的投影機(jī)，將左右眼圖像分別同時(shí)投射到屏幕上。投影機(jī)鏡頭前安裝偏振光片，使投射的光線變成偏振光，觀眾配帶偏振光片眼鏡，左眼/右眼的偏振片與投射左眼/右眼圖像的投影機(jī)的偏振光片的偏振方向是相同的，這樣左眼圖像只能透過左眼鏡片，而右眼圖像也只能透過右眼鏡片，從而能看到立體的圖像。

使用偏振立體眼鏡觀看被動(dòng)立體圖像時(shí)，投影圖像的頻率為標(biāo)準(zhǔn)更新率，就不會(huì)產(chǎn)生頻繁開關(guān)的閃爍現(xiàn)象。該技術(shù)可視角度廣，光線利用率高，例如BARCO的DLP或CRT采用外部偏振方法，光線利用率最高為38%。但對屏幕表面材料質(zhì)量要求高(偏振幕)，同時(shí)對兩臺(tái)投影機(jī)的安裝位置要求較高，否則會(huì)發(fā)生重影現(xiàn)象。

被動(dòng)立體顯示一般每個(gè)通道都需要用到2臺(tái)投影機(jī)，存在多通道帶來的重疊區(qū)亮帶問題。目前常用的邊緣融合問題解決方案是光學(xué)融合方法(Optical blending)和電子融合方法(electrical blending)相結(jié)合進(jìn)行邊緣處理。

3.多通道環(huán)幕(立體)投影系統(tǒng)

多通道環(huán)幕投影系統(tǒng)主要包括：高清主動(dòng)立體投影儀、圖像邊緣融合及非線性失真校正處理機(jī)、環(huán)形金屬硬幕等3部分。原理圖如圖1所示。

圖1 多通道投影系統(tǒng)原理圖

3.1投影機(jī)的選擇

用于視景仿真系統(tǒng)的投影機(jī)不同于其他用于教育、娛樂等方面的商用投影機(jī)，對其分辨率、亮度、對比度、亮度一致性、圖像還原度等技術(shù)指標(biāo)有更嚴(yán)格的要求。為了表現(xiàn)圖像細(xì)節(jié)，投影儀的真實(shí)分辨率至少應(yīng)為1280×1024。投影機(jī)的亮度必須要高，如果亮度不夠，會(huì)大大降低觀眾的沉浸感。無縫拼接處理的效果非常依賴于圖像需對比度和亮度一致性，高檔投影儀的亮度一致性可達(dá)到90%以上。對視景仿真應(yīng)用，如果仿真場景出現(xiàn)圖像失真(包括色彩失真及幾何失真)，多臺(tái)投影儀之間的顏色不匹配或物體稍微有點(diǎn)變形，觀眾馬上能夠感覺得到，失去了“仿真”的意義。

3.2.多通道邊緣融合及非線性失真校準(zhǔn)

多通道投影系統(tǒng)有以下三種拼接效果：硬邊、簡單重疊和邊沿融合。

簡單拼接時(shí)兩臺(tái)投影儀的邊沿?zé)o重疊部分，整幅畫面中間存在一道白色(或黑色)接縫。簡單重疊指的是兩臺(tái)投影儀的畫面有部分重疊，在顯示效果上表現(xiàn)為重疊部分為一亮條。邊沿融合在簡單重疊的基礎(chǔ)上作了淡進(jìn)淡出處理，左投影儀的右邊重疊部分的亮度線性衰減，右投影儀的左邊重疊部分的亮度線性增加，最終在顯示效果上表現(xiàn)為整幅畫面亮度完全一致。

邊沿融合技術(shù)有硬、軟之分，其中依賴系統(tǒng)軟件技術(shù)實(shí)現(xiàn)的多通道軟融合技術(shù)，通過對計(jì)算機(jī)輸出系統(tǒng)的圖像信息進(jìn)行設(shè)置、調(diào)整來實(shí)現(xiàn)邊緣融合、幾何校正、顏色匹配，因此在環(huán)幕投影上會(huì)呈現(xiàn)多通道的無延時(shí)同步顯示。它保留了更多的圖像細(xì)致特征，所有圖像處理都在計(jì)算機(jī)內(nèi)部完成，因此既可以實(shí)現(xiàn)立體顯示，又可良好的運(yùn)行于非立體壞境，支持立體與非立體之間的實(shí)時(shí)切換，同時(shí)還降低了硬件的成本。

3.3 屏幕

在仿真應(yīng)用環(huán)境中，環(huán)形較平面幕有更大的視角優(yōu)勢，會(huì)使用戶產(chǎn)生強(qiáng)烈的沉浸感，常備用戶采用。根據(jù)其材質(zhì)，屏幕分為軟幕和硬幕兩種。軟幕的平直度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如硬幕，特別是用在柱幕上時(shí)，屏幕的中間部位會(huì)向前突出，使圖像發(fā)生變形。而硬幕則不會(huì)出現(xiàn)這種情況，而且硬幕的壽命高于軟幕。同時(shí)針對被動(dòng)屏幕所必需的偏振光要求，要使用專門針對被動(dòng)立體設(shè)計(jì)的環(huán)形幕。

4.虛擬顯示系統(tǒng)在教育中的應(yīng)用

隨著虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)的成熟，人們開始認(rèn)識(shí)到虛擬實(shí)驗(yàn)室在教育領(lǐng)域的應(yīng)用價(jià)值。近年來,國內(nèi)許多高校都根據(jù)自身科研和教學(xué)的需求建立了一些基于虛擬顯示系統(tǒng)的虛擬實(shí)驗(yàn)室，其中以導(dǎo)游專業(yè)仿真實(shí)訓(xùn)室(旅游模擬實(shí)訓(xùn)系統(tǒng))和數(shù)字化校園博物館為典型代表。我國旅游教育領(lǐng)域高校旅游專業(yè)虛擬仿真教學(xué)模式中，以應(yīng)用三通道環(huán)幕立體投影技術(shù)進(jìn)行教學(xué)為最多。例如武漢華中師范大學(xué)三通道環(huán)幕立體投影旅游教學(xué)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)、沈陽師范大學(xué)旅游和酒店三通道環(huán)幕立體投影實(shí)訓(xùn)教學(xué)系統(tǒng)、浙江旅游職業(yè)學(xué)院虛擬現(xiàn)實(shí)旅游教學(xué)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)、北京聯(lián)合大學(xué)文理學(xué)院“三維立體掃描及環(huán)幕投影系統(tǒng)集成——徐悲鴻紀(jì)念館虛擬仿真”等。[4]

導(dǎo)游專業(yè)仿真實(shí)驗(yàn)室又被稱之為旅游教學(xué)-導(dǎo)游培訓(xùn)系統(tǒng)，應(yīng)用于旅游教學(xué)培訓(xùn)考試，豐富教學(xué)手段，成為旅游實(shí)訓(xùn)的發(fā)展趨勢。利用虛擬現(xiàn)實(shí)培訓(xùn)平臺(tái)，將用戶需要的旅游景點(diǎn)虛擬數(shù)據(jù)全部集成到播放平臺(tái)，通過計(jì)算機(jī)對旅游景點(diǎn)的建筑、風(fēng)光、環(huán)境進(jìn)行三維仿真模擬，建立高度沉浸性的仿真場景，讓學(xué)生在逼真的景點(diǎn)中受教。導(dǎo)游人員、旅游管理人員不用花費(fèi)大量時(shí)間、精力，就可以通過旅游實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)平臺(tái)隨意瀏覽旅游景點(diǎn)，通過文字、圖片、影片介紹，學(xué)習(xí)景區(qū)、景點(diǎn)、景觀的歷史、文化知識(shí)，為日后社會(huì)實(shí)踐做好準(zhǔn)備。還可以結(jié)合教學(xué)需求特點(diǎn)，設(shè)定固定線路教學(xué)功能、自主游歷教學(xué)功能、考試評估功能、課件功能、錄制回放等功能，建設(shè)導(dǎo)游實(shí)訓(xùn)、旅游模擬、旅游規(guī)劃、信息查詢，景區(qū)導(dǎo)航，景區(qū)切換等功能模塊，服務(wù)于互動(dòng)體驗(yàn)式旅游教學(xué)，適應(yīng)旅游專職院校的導(dǎo)游培養(yǎng)工作。

應(yīng)用導(dǎo)游專業(yè)仿真實(shí)訓(xùn)室進(jìn)行教學(xué)，具有傳統(tǒng)教學(xué)無可比擬的優(yōu)勢。一方面，學(xué)校不用組織學(xué)生到景區(qū)實(shí)習(xí)，保證了學(xué)生人身安全，降低了學(xué)生管理風(fēng)險(xiǎn)，也大幅降低實(shí)地教學(xué)的成本支出；另一方面，還因其是高仿真、高沉浸、體驗(yàn)式的教學(xué)，大幅提高了教學(xué)效率，增強(qiáng)教學(xué)效果，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生綜合素質(zhì)。

[1]汪成為，高文，王行仁.靈境(虛擬現(xiàn)實(shí))技術(shù)的理論、實(shí)現(xiàn)及應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，1996.

[2]李艷，蘇萍,馬建設(shè).立體投影質(zhì)量的評價(jià)方法及系統(tǒng)[J].液晶與顯示,2012(1).

[3]劉小江.探究立體顯示系統(tǒng)在虛擬現(xiàn)實(shí)中的運(yùn)用[J].計(jì)算機(jī)仿真，2011(9):313-317.

[4]馮安峰，王燕華.三通道環(huán)幕立體投影技術(shù)在旅游教育中的應(yīng)用研究[J].科技廣場，2009(7):149-151.

VirtualRealityDisplaySystemBasedontheStereoscopicProjectionTechnology

ZHOU Fen-fang

(Information Management Center of Zhongzhou University，Zhengzhou 450044，China)

Virtual reality display system is a key component in the virtual reality. This paper introduces the stereoscopic projection technology of 3-dimensional display technology in virtual reality display system, analyzes the main components of multi-channel surround screen (3-dimensional) projection system which is a common form of virtual reality display system and discusses the application of virtual reality display system in virtual training in teaching.

virtual reality display system; passive stereo technology; virtual laboratories; tourism teaching

2012-06-07

周芬芳(1978—)，女，河南鄭州人，碩士，中州大學(xué)信息管理中心講師，主要研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)應(yīng)用、教育信息化與教育技術(shù)對教學(xué)的支持。

TP391.9

A

1008-3715(2012)04-0114-03

(責(zé)任編輯呂志遠(yuǎn))