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数据头盔(头盔显示器:HMD)发展进程简介
2012年2月22日    评论:    分享:

    来源:第三维度
    编辑\整理:海涛

    数据头盔(头盔显示器)是虚拟现实应用中的3DVR图形显示与观察设备,可单独与主机相连以接受来自主机的3DVR图形信号。使用方式为头戴式,辅以三个自由度的空间跟踪定位器可进行VR输出效果观察,同时观察者可做空间上的自由移动,如;自由行走、旋转等,沉浸感极强,在VR效果的观察设备中,头盔显示器的沉浸感优于显示器的虚拟现实观察效果,逊于虚拟三维投影显示和观察效果,在投影式虚拟现实系统中,头盔显示器作为系统功能和设备的一种补充和辅助。

  数据头盔(头盔显示器)(HMD,Head Mounted Display)的原理是将小型2维显示器所产生的影像藉由光学系统放大。具体而言,小型显示器所发射的光线经过凸状透镜使影像因折射产生类似远方效果。利用此效果将近处物体放大至远处观赏而达到所谓的全像视觉(Hologram)。液晶显示器(早期用小型阴极射线管,最近已有应用有机电致发光显示器件)的影像通过一个偏心自由曲面透镜,使影像变成类似大银幕画面。由于偏心自由曲面透镜为一倾斜状凹面透镜,因此在光学上它已不单是透镜功能,基本上已成为自由面棱镜。当产生的影像进入偏心自由曲面棱镜面,再全反射至观视者眼睛对向侧凹面镜面。侧凹面镜面涂有一层镜面涂层,反射同时光线再次被放大反射至偏心自由曲面棱镜面 ,并在该面补正光线倾斜,达到观视者眼睛。 

数据头盔(头盔显示器:HMD)发展进程简介

    技术原理

  数据头盔(头盔显示器)的光学技术设计和制造技术日趋完善,不仅作为个人应用显示器,它还是紧凑型大屏幕投影系统设计的基础,可将小型LCD显示器件的影像透过光学系统做成全像大屏幕。除了在现代先进军事电子技术中得到普遍应用成为单兵作战系统的必备装备外,还拓展到民用电子技术中,虚拟现实电子技术系统首先应用了头盔显示器。近期新一代家用仿真电子游戏机和步行者DVD影视系统的出现就是头盔显示器的普及推广应用的实例。

  光学分辨率(OSR)的HMD主要应用是将小型显示器的影像透过自由曲面棱镜变成大银幕般的视觉效果。众所知视觉影像的解析度与色彩度取决于显示器件的像素(pixel)与灰度(grey level),然而目前小型高像素、高灰度液晶显示器(LCD)的单价极端昂贵,因此,日本Olympus公司利用OSR元件使18万画素的LCD产生相当于72万画素,水平解析度500条以上的画质效果。OSR是由偏光控制元件(液晶cell)与复折射板所构成。藉由OSR元件将LCD的黑色矩阵上由像素所产生的光线移位。

    虽然理论上它是一种可使光学画质提高4倍之技术,但实际上单纯的使光线移位所产生的4像素技术却会造成影像模糊效应。因此OSR将对应各移位的影像信号从原始影像信号中取样,再显示于HMD的自由曲面棱镜,也就是说各移位的像素都能够正确显示在该当位置,实质像素提高4倍的同时又不会有影像模糊的问题。OSR元件置于LCD与自由曲面棱镜之间。OSR是由2片偏光控制元件与3片复折射板所构成。当电压ON/OFF施加于2片偏光控制元件时光线移位成4道。

    OSR的控制是将原影像信号配合移位像素的位置取样,之后以1/120秒的速度驱动LCD,再同步配合像素移位置显示影像利用OSR元件依次使各个像素的光线以4/120秒(=1/30秒:视频信号的结构单位)的速度为一周期。之后一边监控LCD的实时一边倍速驱动LCD,同时与LCD驱动状况连动控制OSR元件。虽然LCD移位光量(距离)取决于OSR元件的复折射板的厚度,但是由于LCD像素大小只有10μm,像素间的黑色矩阵大小为14μm,因此复折射板的厚度必须具备微米级的加工精度,配合高折射结晶材料才能完成厚度为2.9mm的OSR元件。

   随着虚拟现实电子显示系统的推广应用,可预期未来类似HMD可将小型LCD显示器件的影像透过光学系统作成全像大银幕的需求将日益增加。另外由于自由曲面棱镜的设计乃至加工量产技术将因此更趋完备。除光学技术之外,纳米级(nano)超精密机械加工技术亦将成为本世纪初的热门课题。

    发展进程

  早在1968年,美国ARPA信息处理技术办公室主任Ivan Sutherland建立了“达摩克里斯之剑”头盔显示器,它被认为是世界上第一个头盔显示器它能显现二维图像,没有浸沉感,用户只能看到的线框图叠加在真实环境之上。采用传统的轴对称光学系统,体积和重量都较大。1975年J.H.Clark利用Ivan Sutherland设计的头盔显示设备和Utah大学开发的机械Wand建立了一个曲面设计的交互环境。由于当时的相关技术还不成熟,并没有产生广泛的影响,但这已是3D交互技术的雏形。是进入虚拟技术(virtual reality,简称VR)应用的前奏。

    1982年Thomas Furness III 展示了带有6个自由度跟踪定位的头盔显示器(HMD),从而使用户完全脱离的周围环境。1984年,Michael McGreevy在NASA Ames创建了并不昂贵的三维立体HMD。1985年,Scott Fisher 在NASA继续三维立体HMD工程的发展,创建了由操作者位置、声音和手势控制,带有广角立体显示的头盔式显示系统。与之同时,VPL研究小组研制出了数据手套,能够用来测量每个手指关节的弯曲程度。1986年末,NASA的一个研究小组集成了一个VR 的3D环境,用户可以用手抓住某个虚拟物体并操纵它,可以用手势和系统进行初步交流。

    1994年加拿大Albert大学的M.Green教授重新在该方向上开展了研究,得到了各方面的高度重视。现在University of Wisconsion-Madison,Washington State University,Brigham Young University, SUNY at Buffalo, University of Clemenson均开始该方向的研究。   University of Wisconsion-Madison的初期研究表明,在VR环境下利用3D交互技术进行设计工作会提高设计效率10-30倍。VR的应用还使得高难度驾驶技术的培训效率大幅提高,成为必备手段。

    军用头盔显示器

  1968年,世界上第一个头盔显示器,即如上所述的美国ARPA信息处理技术办公室主任Ivan Sutherland开发的“达摩克里斯之剑”头盔显示器,就是军用头盔显示器。新世纪,未来“理想单兵作战武器平台系统”的发展格外引人注目。新理念、新原理、新结构、新功能、新工艺等交相辉映;夜视技术、激光技术、计算机技术、光学技术、新材料技术等广泛运用,使得传统士兵作战单元概念产生了质的飞跃,作为终端显示输出的头盔显示器的地位显得越发重要,它是不可缺少的重要部件之一。原先主要为战机和战车驾驶员配备,而未来,一个士兵就相当于一个作战平台,而一个单兵武器作战平台就是一个“士兵作战系统”。而今,世界一些发达国家都在紧锣密鼓地制定和组织实施“士兵作战系统”发展计划。

数据头盔(头盔显示器:HMD)发展进程简介

    于是,适应各自国情的单兵作战武器系统平台异军突起。现在的头盔系统已成为士兵的“外脑”。头盔壳作为一个系统平台,用以安装通信装置、听力增强装置、整体式夜视/夜间机动性传感器、高分辨率显示器等装备。士兵通过显示器可对战场进行扫描,在各种复杂条件下都能捕捉到目标图像,并允许士兵从头顶、掩体后方和建筑物周围进行"拐弯"射击,不需暴露自己便可准确攻击目标。目前,美、英、法等国家的综合头盔都有了很大突破,从而使单兵武器作战平台发挥出更大的威力。

    民用头盔显示器

  头盔显示器在虚拟技术应用系统中的地位十分重要,统计表明,普通人从外部世界获取信息的80%来自视觉,如何实时地生成大规模复杂虚拟环境的立体画面仍然是当前虚拟现实(virtual reality,简称VR)研究中亟待解决的问题。虚拟现实的三项指标:实时性(real time)、沉浸性(immersion)和交互性(interactivity)。所谓实时性是指虚拟现实系统能按用户当前的视点位置和视线方向,实时地改变呈现在用户眼前的虚拟环境画面,并在用户耳边和手上实时产生符合当前情景的听视和触觉/力觉响应。所谓沉浸性是指用户所感知的虚拟环境是三维的、立体的,其感知的信息是多通道的。所谓交互性是指用户可采取现实生活中习以为常的方式来操纵拟场景中的物体,并改变其方位、属性或当前的运动状态。

数据头盔(头盔显示器:HMD)发展进程简介

   现有的虚拟现实系统按硬件组成可分成三类:头盔式显示器是最早的VR显示器,它利用头盔将人的对外界的视觉、听觉封闭起来,引导用户产生一种身在虚拟环境中的感觉。目前的头盔式显示器的分辨率已达到1024×768,可为用户提供清晰的虚拟场景画面。按应用场合主要分为投资类和消费娱乐类两种。前者主要有汽车和飞机虚拟现实CAD设计系统,世界著名大厂商已经广泛采用,我国也在开发此系统。但用量有限,大量应用主要还是消费类娱乐视听产品。

    自SONY于2000年推出新一代家用游乐器宿主机PlayStation 2(PS2)后,PS2挟强大的运算功能和多方面的影音娱乐功能,立刻在市场上掀起旋风,连带许多周边设备产品开发商也跟进PS2的潮流。Olympus在CeBIT 2001展览中,即推出其Eye-Trek头盔显示器的PS2专用版本。Olympus的Eye-Trek PS2专用版FMD-20P,除颜色采用和PS2一样的黑底蓝字配色外,最大的差异在于加入PS2专用的USB连机设计,未来可以结合游戏软件的设计,增加可视图文交互和控制的功能。

标签:数据头盔头盔显示器HMD
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