基于立體投影技術的虛擬現實顯示系統

周芬芳

(中州大學 信息管理中心，鄭州 450044)

基于立體投影技術的虛擬現實顯示系統

周芬芳

(中州大學 信息管理中心，鄭州 450044)

虛擬現實顯示系統是虛擬現實中的關鍵組成部分。介紹虛擬現實顯示系統三維立體顯示技術中的立體投影技術，分析虛擬現實顯示系統的常用形式——多通道環幕(立體)投影系統的主要構成，探討虛擬現實顯示系統在教學虛擬實驗實訓中的應用。

虛擬現實顯示系統;被動立體技術;虛擬實驗室;旅游教學

虛擬現實(Virtual Reality，簡稱VR)是近年來出現的高新技術，較之傳統的模擬技術，虛擬現實技術具有沉浸感(Immersion)、交互性(Interactivity)和構想性(Imagination)三個主要特征。[1]虛擬現實(VR)實現沉浸交互的方式之一就是三維(3 dimensional)立體顯示技術。3D立體顯示可以全面展現出圖像的位置、層次和縱深，使觀察者更直觀地了解圖像的現實分布狀況，從而更全面了解圖像或立體投影。本文將詳細介紹虛擬現實顯示系統的三維立體顯示技術中的的立體投影技術，分析多通道環幕(立體)投影系統的主要構成，展示虛擬現實顯示系統在教學虛擬實驗實訓中的應用。

1.虛擬現實顯示系統概述

一個完整的虛擬現實系統包括虛擬現實應用開發平臺、虛擬現實顯示系統、虛擬現實交互系統和虛擬現實集成控制系統。虛擬現實顯示系統部分在任何一個虛擬現實系統中都不可缺少的而且至關重要的主要部分。

在能帶來現場沉浸感的多種虛擬現實顯示系統常有設備中，虛擬三維投影顯示系統以其高度臨場感和高度參與性超越了頭盔顯示器、大屏幕監視器、立體顯示器，最終使參與者真正實現與虛擬空間的信息交流與現實構想，成為目前國際上普遍采用的虛擬現實和視景仿真實現手段和方式，應用最為廣泛。虛擬三維投影顯示系統也是一種最典型、最實用、最高級別的投入型虛擬現實顯示系統，比較常用的是以立體投影技術為基礎的多通道環幕(立體)投影系統。

2.立體投影技術

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在雙眼視網膜結像會出現的微小水平像位差，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]

在這個基礎之下發展出各式各樣的 3D 立體顯示技術，實現立體成像目前最流行技術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: 被動式和主動式眼鏡。所謂主動和被動是指立體眼鏡而言。被動式立體眼鏡只是被動地接受圖像，本身沒有任何動作。而主動式立體眼睛則主動地交替開關左右眼鏡片接受圖像。[3]

2.2主動立體技術

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

主動立體顯示時，圖像的刷新率只能達到計算機平時圖像刷新率的一半，帶來的問題之一就是立體眼鏡的頻繁開關閃爍帶來眼睛的不適。同時，圖像立體亮度過低也是主動立體技術的一個缺陷，進入眼睛的圖像的實際亮度僅為標稱投影機說明書標稱值的16%左右。眼鏡成本高、對投影機和計算機性能要求高也是它的缺點。

2.3被動立體技術

20世紀末，出現了被動立體顯示技術，它解決了主動立體顯示技術的某些缺陷。最新統計表明，國際上新顯示系統裝機量被動立體比例已占壓倒性多數，遠遠超過了主動立體。

被動式立體成像系統由投影機、支持主動立體放映的服務器、高增益金屬銀幕和普通偏振眼鏡組成。計算機端信號特性沒有任何變化，先將圖像輸出到信號分轉設備，再連接到兩臺有立體顯示功能的投影機，將左右眼圖像分別同時投射到屏幕上。投影機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立體圖像時，投影圖像的頻率為標準更新率，就不會產生頻繁開關的閃爍現象。該技術可視角度廣，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量要求高(偏振幕)，同時對兩臺投影機的安裝位置要求較高，否則會發生重影現象。

被動立體顯示一般每個通道都需要用到2臺投影機，存在多通道帶來的重疊區亮帶問題。目前常用的邊緣融合問題解決方案是光學融合方法(Optical blending)和電子融合方法(electrical blending)相結合進行邊緣處理。

3.多通道環幕(立體)投影系統

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

圖1 多通道投影系統原理圖

3.1投影機的選擇

用于視景仿真系統的投影機不同于其他用于教育、娛樂等方面的商用投影機，對其分辨率、亮度、對比度、亮度一致性、圖像還原度等技術指標有更嚴格的要求。為了表現圖像細節，投影儀的真實分辨率至少應為1280×1024。投影機的亮度必須要高，如果亮度不夠，會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到90%以上。對視景仿真應用，如果仿真場景出現圖像失真(包括色彩失真及幾何失真)，多臺投影儀之間的顏色不匹配或物體稍微有點變形，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

多通道投影系統有以下三種拼接效果：硬邊、簡單重疊和邊沿融合。

簡單拼接時兩臺投影儀的邊沿無重疊部分，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投影儀的畫面有部分重疊，在顯示效果上表現為重疊部分為一亮條。邊沿融合在簡單重疊的基礎上作了淡進淡出處理，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為整幅畫面亮度完全一致。

邊沿融合技術有硬、軟之分，其中依賴系統軟件技術實現的多通道軟融合技術，通過對計算機輸出系統的圖像信息進行設置、調整來實現邊緣融合、幾何校正、顏色匹配，因此在環幕投影上會呈現多通道的無延時同步顯示。它保留了更多的圖像細致特征，所有圖像處理都在計算機內部完成，因此既可以實現立體顯示，又可良好的運行于非立體壞境，支持立體與非立體之間的實時切換，同時還降低了硬件的成本。

3.3 屏幕

在仿真應用環境中，環形較平面幕有更大的視角優勢，會使用戶產生強烈的沉浸感，常備用戶采用。根據其材質，屏幕分為軟幕和硬幕兩種。軟幕的平直度遠遠不如硬幕，特別是用在柱幕上時，屏幕的中間部位會向前突出，使圖像發生變形。而硬幕則不會出現這種情況，而且硬幕的壽命高于軟幕。同時針對被動屏幕所必需的偏振光要求，要使用專門針對被動立體設計的環形幕。

4.虛擬顯示系統在教育中的應用

隨著虛擬實驗技術的成熟，人們開始認識到虛擬實驗室在教育領域的應用價值。近年來,國內許多高校都根據自身科研和教學的需求建立了一些基于虛擬顯示系統的虛擬實驗室，其中以導游專業仿真實訓室(旅游模擬實訓系統)和數字化校園博物館為典型代表。我國旅游教育領域高校旅游專業虛擬仿真教學模式中，以應用三通道環幕立體投影技術進行教學為最多。例如武漢華中師范大學三通道環幕立體投影旅游教學實訓系統、沈陽師范大學旅游和酒店三通道環幕立體投影實訓教學系統、浙江旅游職業學院虛擬現實旅游教學實訓系統、北京聯合大學文理學院“三維立體掃描及環幕投影系統集成——徐悲鴻紀念館虛擬仿真”等。[4]

導游專業仿真實驗室又被稱之為旅游教學-導游培訓系統，應用于旅游教學培訓考試，豐富教學手段，成為旅游實訓的發展趨勢。利用虛擬現實培訓平臺，將用戶需要的旅游景點虛擬數據全部集成到播放平臺，通過計算機對旅游景點的建筑、風光、環境進行三維仿真模擬，建立高度沉浸性的仿真場景，讓學生在逼真的景點中受教。導游人員、旅游管理人員不用花費大量時間、精力，就可以通過旅游實訓系統平臺隨意瀏覽旅游景點，通過文字、圖片、影片介紹，學習景區、景點、景觀的歷史、文化知識，為日后社會實踐做好準備。還可以結合教學需求特點，設定固定線路教學功能、自主游歷教學功能、考試評估功能、課件功能、錄制回放等功能，建設導游實訓、旅游模擬、旅游規劃、信息查詢，景區導航，景區切換等功能模塊，服務于互動體驗式旅游教學，適應旅游專職院校的導游培養工作。

應用導游專業仿真實訓室進行教學，具有傳統教學無可比擬的優勢。一方面，學校不用組織學生到景區實習，保證了學生人身安全，降低了學生管理風險，也大幅降低實地教學的成本支出；另一方面，還因其是高仿真、高沉浸、體驗式的教學，大幅提高了教學效率，增強教學效果，激發學生學習興趣，提高學生綜合素質。

[1]汪成為，高文，王行仁.靈境(虛擬現實)技術的理論、實現及應用[M].北京：清華大學出版社，1996.

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

[3]劉小江.探究立體顯示系統在虛擬現實中的運用[J].計算機仿真，2011(9):313-317.

[4]馮安峰，王燕華.三通道環幕立體投影技術在旅游教育中的應用研究[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，中州大學信息管理中心講師，主要研究方向為計算機應用、教育信息化與教育技術對教學的支持。

TP391.9

A

1008-3715(2012)04-0114-03

(責任編輯呂志遠)