第3章虚拟现实的系统的输出设备92

第三章第三章虚拟现实的系统的输出设备虚拟现实的系统的输出设备张张毅毅图形显示设备图形显示设备••一种计算机接口设备，把合成出的图像展一种计算机接口设备，把合成出的图像展现给与虚拟世界进行交互的用户。现给与虚拟世界进行交互的用户。••描述特征描述特征––立体立体//非立体非立体––图像分辨率图像分辨率––视场视场––LCD/CRTLCD/CRT人眼结构人眼结构••人眼有人眼有126000000126000000个个感光器感光器••眼球结构眼球结构––平均直径：平均直径：20mm20mm––虹膜：虹膜：2mm~8mm2mm~8mm控控制入光量制入光量––视网膜：成像区域视网膜：成像区域••视网膜的中心区域称视网膜的中心区域称为中央凹，它是高分为中央凹，它是高分辨率的色彩感知区辨率的色彩感知区域，周围是低分辨率域，周围是低分辨率的运动感知区域。的运动感知区域。人眼结构人眼结构••在仿真过程中，观察者焦点无意识地动态变化在仿真过程中，观察者焦点无意识地动态变化••目前无法实现眼球跟踪，探测焦点的变化。目前无法实现眼球跟踪，探测焦点的变化。••无法知道显示图像哪部分在中央凹成像，需要无法知道显示图像哪部分在中央凹成像，需要以高分辨率绘制整个场景，这对图形流水线处以高分辨率绘制整个场景，这对图形流水线处理是严重的浪费。理是严重的浪费。立体显示原理立体显示原理••视差：左眼右眼中的水平位移视差：左眼右眼中的水平位移••IPD=53IPD=53--73mm73mm立体显示原理立体显示原理••当对象离观察着较远时，视差较小，依靠线性透当对象离观察着较远时，视差较小，依靠线性透视，阴影，环境来感知深度视，阴影，环境来感知深度。。三维立体画三维立体画常见常见44种立体显示技术种立体显示技术••分色技术分色技术••分光技术分光技术••分时技术分时技术••光栅技术光栅技术分色技术分色技术••分色技术的基本原理是让某些颜色的光只分色技术的基本原理是让某些颜色的光只进入左眼，另一部分只进入右眼，并构造进入左眼，另一部分只进入右眼，并构造视差。视差。••显示器端和用户端二次过滤。显示器端和用户端二次过滤。分光技术分光技术••分光技术是用偏光滤镜或偏光片滤除特定分光技术是用偏光滤镜或偏光片滤除特定角度偏振光以外的所有光，让偏振光只进角度偏振光以外的所有光，让偏振光只进入左眼或右眼，并构造视差。入左眼或右眼，并构造视差。••显示器端和用户端二次过滤。显示器端和用户端二次过滤。分时技术分时技术••分时技术是将两套视差图像在不同的时间分时技术是将两套视差图像在不同的时间播放，显示器在第一次刷新时播放左眼图播放，显示器在第一次刷新时播放左眼图像，同时用专用的眼镜遮住观看者的右像，同时用专用的眼镜遮住观看者的右眼，下一次刷新时播放右眼图像，并遮住眼，下一次刷新时播放右眼图像，并遮住观看者的左眼。按照上述方法将两套视差观看者的左眼。按照上述方法将两套视差图像以极快的速度切换，在人眼视觉暂留图像以极快的速度切换，在人眼视觉暂留特性的作用下就合成了连续的图像。特性的作用下就合成了连续的图像。••显示器端和用户端二次过滤。显示器端和用户端二次过滤。光栅技术光栅技术••屏幕划分成一条条垂直方向上的栅条，栅条交错屏幕划分成一条条垂直方向上的栅条，栅条交错显示左眼和右眼的图像。显示左眼和右眼的图像。••在屏幕和观众之间设一层在屏幕和观众之间设一层““视差障碍视差障碍””，它也是由，它也是由垂直方向上的栅条组成的，使左眼看到的栅条右垂直方向上的栅条组成的，使左眼看到的栅条右眼看不到，右眼看到的左眼又看不到。眼看不到，右眼看到的左眼又看不到。••观看者的位置改变，视差障碍位置也随之改变。观看者的位置改变，视差障碍位置也随之改变。为了方便移动视差障碍，小型光栅显示器都是采为了方便移动视差障碍，小型光栅显示器都是采用液晶板来作为视差障碍的。用液晶板来作为视差障碍的。••检测观看者位置的方法主要有两种，一种是在观检测观看者位置的方法主要有两种，一种是在观看者头上戴一个定位设备，另一种是用两个摄像看者头上戴一个定位设备，另一种是用两个摄像头定位。头定位。光栅技术光栅技术立体显示技术比较立体显示技术比较••应用：由于液晶显示器的响应时间长，分应用：由于液晶显示器的响应时间长，分时技术还不能应用于液晶显示器。时技术还不能应用于液晶显示器。••舒适性：前三种技术使用时必须要配戴专舒适性：前三种技术使用时必须要配戴专用的眼镜，位置不限；光栅技术不需要配用的眼镜，位置不限；光栅技术不需要配戴眼镜，但配戴定位设备，位置也受限。戴眼镜，但配戴定位设备，位置也受限。••画面质量：分色技术损失色彩；分光技术画面质量：分色技术损失色彩；分光技术亮度损失严重；光栅技术水平分辨率降半。亮度损失严重；光栅技术水平分辨率降半。••视力保护：分光和光栅对视力无害；分色视力保护：分光和光栅对视力无害；分色技术颜色信息严重不平衡技术颜色信息严重不平衡，造成视神经疲，造成视神经疲劳；分时技术图像刷新率降半，影响视力。劳；分时技术图像刷新率降半，影响视力。立体显示技术比较立体显示技术比较••分色技术分色技术————东方影都立体版东方影都立体版••分时技术分时技术————豪杰立体影院豪杰立体影院••光栅技术光栅技术————光栅显示器光栅显示器••分光技术分光技术————专业偏振显示器和偏振眼镜专业偏振显示器和偏振眼镜图形显示设备图形显示设备••11个人显示设备（个人显示设备（HMDHMD、、FMDFMD））••22手持式显示设备（手持式显示设备（HSDHSD））••33地面支撑显示设备地面支撑显示设备••44桌面支撑显示设备桌面支撑显示设备••55投影显示设备（投影显示设备（CAVECAVE、、WALLWALL））••66体三维显示设备体三维显示设备11个人显示设备个人显示设备••头盔式立体显示器（头盔式立体显示器（HMDHMD））––头盔上装有位置跟踪器，可实头盔上装有位置跟踪器，可实时测出头部的位置和朝向，并时测出头部的位置和朝向，并输入计算机；输入计算机；––计算机根据这些数据生成反映计算机根据这些数据生成反映当前位置和朝向的场景图象并当前位置和朝向的场景图象并显示在头盔显示器的屏幕上；显示在头盔显示器的屏幕上；头盔显示器（头盔显示器（HMDHMD））••将图像投影到用户面前将图像投影到用户面前11--5m5m的位置，通过的位置，通过放置在放置在HMDHMD小图像面板和用户眼睛之间的小图像面板和用户眼睛之间的特殊光学镜片，实现图像放大，填充人眼特殊光学镜片，实现图像放大，填充人眼的视场角。的视场角。••场景放大的同时，像素间距也随之放大。场景放大的同时，像素间距也随之放大。••HMDHMD分辨率越低，分辨率越低，FOVFOV越高，则颗粒度越越高，则颗粒度越大大HMDHMD简化光学成像模型简化光学成像模型HMDHMD的显示技术的显示技术••普通消费级：使用普通消费级：使用LCDLCD显示器，主要为个显示器，主要为个人观看电视节目和视频游戏设计，接受人观看电视节目和视频游戏设计，接受NTSC/PALNTSC/PAL单视场视频输入。单视场视频输入。••专业级：使用专业级：使用CRTCRT显示器，分辨率更高。显示器，分辨率更高。接受接受RGBRGB视频输入。配备头部运动跟踪器。视频输入。配备头部运动跟踪器。ConsumerHMDProfessionalHMDHMDHMD产品产品••VPLEyePhoneVPLEyePhone：：1990s1990s第一个基于第一个基于LCDLCD的的HMDHMD，，360360××240240，，2.4kg2.4kg••OlympusEyeTrekOlympusEyeTrek：：100g100g，类似眼镜，，类似眼镜，faceface--mounteddisplaymounteddisplay————FMDFMD，，267267××225225••DaeyangcyDaeyangcy--visorvisor：：160g160g，，800800××600600••ProViewXL35ProViewXL35：专业级：专业级HMDHMD，，10241024××768768××33，，920g920g，，1950019500美元美元OlympusEyeTrek(FMD200)OlympusEyeTrek(FMD200)AMLCDdisplay,Resolution:267x225FOV:30x23degrees–Equivalentto62inat2mWeight:100gramsCanbewornoverglassesOlympusEyeTrekHeadMountedDisplayOptics–usesfree-formlenstocompensateforaberrations;-aneccentricopticalsystemtoreducesize(eliminate45degreemirror)OlympusEyeTrekFaceMountedDisplayOpticsDaeyang“cy-visor”FaceMountedDisplayLCOSdisplay,Resolution:800x600FOV:60x43degrees–Weight:160gramsCanbewornoverglassesLiquidCrystalonSilicondisplay(LCOS)Itisreflective–needsexternallightingDaeyang“cy-visor”FaceMountedDisplayProfessionalHMDsKeiserProViewAMLCDdisplay,Resolution:1024x768FOV:28x21degrees–Weight:992gramsProfessionalHMDsN-VisionDatavisorCRTdisplay,Resolution:1280x1024FOV:78x39degrees–Weight:1587grams800x600pixels40odiagonalviewOrganicLEDFramesequentialstereo600grams$4k5DTHeadMountedDisplay5DTHeadMountedDisplaySamsungSamsungEmaginEmaginz800OLEDHMDz800OLEDHMDWeight8ozPCconnection-USB,RGBinputSVGAresolution(800x600pixels)stereoTracking-360degreespan60degreespitch899USD(1Kg)SVGAinputresolution(2400x1729pixels)Fieldofview179ohorizontalby58overticalBinocularoverlap82o22手持式显示器手持式显示器••HSDHSD————HandSupportedDisplayHandSupportedDisplay••引入虚拟场景交互按钮引入虚拟场景交互按钮••1kg1kg，，12801280××10241024，，1990019900美元美元33地面支撑显示设备地面支撑显示设备••HMDHMD和和HSDHSD都依赖三维跟踪器测量头部位都依赖三维跟踪器测量头部位置，延迟大，容易引起置，延迟大，容易引起““仿真病仿真病””。。••地面支撑显示设备采取机械跟踪器（低延地面支撑显示设备采取机械跟踪器（低延迟）。用机械臂代替用户，可减轻用户承迟）。用机械臂