基于立体投影技术的虚拟现实显示系统

周芬芳

(中州大学 信息管理中心，郑州 450044)

基于立体投影技术的虚拟现实显示系统

周芬芳

(中州大学 信息管理中心，郑州 450044)

虚拟现实显示系统是虚拟现实中的关键组成部分。介绍虚拟现实显示系统三维立体显示技术中的立体投影技术，分析虚拟现实显示系统的常用形式——多通道环幕(立体)投影系统的主要构成，探讨虚拟现实显示系统在教学虚拟实验实训中的应用。

虚拟现实显示系统;被动立体技术;虚拟实验室;旅游教学

虚拟现实(Virtual Reality，简称VR)是近年来出现的高新技术，较之传统的模拟技术，虚拟现实技术具有沉浸感(Immersion)、交互性(Interactivity)和构想性(Imagination)三个主要特征。[1]虚拟现实(VR)实现沉浸交互的方式之一就是三维(3 dimensional)立体显示技术。3D立体显示可以全面展现出图像的位置、层次和纵深，使观察者更直观地了解图像的现实分布状况，从而更全面了解图像或立体投影。本文将详细介绍虚拟现实显示系统的三维立体显示技术中的的立体投影技术，分析多通道环幕(立体)投影系统的主要构成，展示虚拟现实显示系统在教学虚拟实验实训中的应用。

1.虚拟现实显示系统概述

一个完整的虚拟现实系统包括虚拟现实应用开发平台、虚拟现实显示系统、虚拟现实交互系统和虚拟现实集成控制系统。虚拟现实显示系统部分在任何一个虚拟现实系统中都不可缺少的而且至关重要的主要部分。

在能带来现场沉浸感的多种虚拟现实显示系统常有设备中，虚拟三维投影显示系统以其高度临场感和高度参与性超越了头盔显示器、大屏幕监视器、立体显示器，最终使参与者真正实现与虚拟空间的信息交流与现实构想，成为目前国际上普遍采用的虚拟现实和视景仿真实现手段和方式，应用最为广泛。虚拟三维投影显示系统也是一种最典型、最实用、最高级别的投入型虚拟现实显示系统，比较常用的是以立体投影技术为基础的多通道环幕(立体)投影系统。

2.立体投影技术

2.1原理

人类的左右眼分别从不同位置和角度观看同一物体时在双眼视网膜结像会出现的微小水平像位差，即水平视差。3D立体显示的基本原理就是要以人工方式来重现视差，即将具有水平视差的左眼图像和右眼图像分别输送给观察者的左眼和右眼，使得观察者能够感知到立体深度，形成立体感。[2]

在这个基础之下发展出各式各样的 3D 立体显示技术，实现立体成像目前最流行技术并相对成熟的是佩戴眼镜的立体显示，主要有两种显示技术: 被动式和主动式眼镜。所谓主动和被动是指立体眼镜而言。被动式立体眼镜只是被动地接受图像，本身没有任何动作。而主动式立体眼睛则主动地交替开关左右眼镜片接受图像。[3]

2.2主动立体技术

主动式立体成像系统由投影机、主动眼镜、眼镜同步器、普通高增益银幕、支持主动立体放映的服务器构成。计算机通过投影机快速交替地将左右眼的图像投射到屏幕上，并通过红外发射器发射同步信号。观众佩戴利用两个可屏蔽光线(关闭图像通过)的高速反应液晶面板做成的主动式立体眼镜，此眼镜内集成无线接收器和电源。无线接收器接收电脑同步器发射的同步信号，用来控制眼镜左右眼的开与关，使人左、右眼看到的影像和此时投影机分别对应左、右眼的两路轮流显示在屏幕上的视频信号内容相同，眼镜不断的切换左右眼从而得到立体效果。

主动立体显示时，图像的刷新率只能达到计算机平时图像刷新率的一半，带来的问题之一就是立体眼镜的频繁开关闪烁带来眼睛的不适。同时，图像立体亮度过低也是主动立体技术的一个缺陷，进入眼睛的图像的实际亮度仅为标称投影机说明书标称值的16%左右。眼镜成本高、对投影机和计算机性能要求高也是它的缺点。

2.3被动立体技术

20世纪末，出现了被动立体显示技术，它解决了主动立体显示技术的某些缺陷。最新统计表明，国际上新显示系统装机量被动立体比例已占压倒性多数，远远超过了主动立体。

被动式立体成像系统由投影机、支持主动立体放映的服务器、高增益金属银幕和普通偏振眼镜组成。计算机端信号特性没有任何变化，先将图像输出到信号分转设备，再连接到两台有立体显示功能的投影机，将左右眼图像分别同时投射到屏幕上。投影机镜头前安装偏振光片，使投射的光线变成偏振光，观众配带偏振光片眼镜，左眼/右眼的偏振片与投射左眼/右眼图像的投影机的偏振光片的偏振方向是相同的，这样左眼图像只能透过左眼镜片，而右眼图像也只能透过右眼镜片，从而能看到立体的图像。

使用偏振立体眼镜观看被动立体图像时，投影图像的频率为标准更新率，就不会产生频繁开关的闪烁现象。该技术可视角度广，光线利用率高，例如BARCO的DLP或CRT采用外部偏振方法，光线利用率最高为38%。但对屏幕表面材料质量要求高(偏振幕)，同时对两台投影机的安装位置要求较高，否则会发生重影现象。

被动立体显示一般每个通道都需要用到2台投影机，存在多通道带来的重叠区亮带问题。目前常用的边缘融合问题解决方案是光学融合方法(Optical blending)和电子融合方法(electrical blending)相结合进行边缘处理。

3.多通道环幕(立体)投影系统

多通道环幕投影系统主要包括：高清主动立体投影仪、图像边缘融合及非线性失真校正处理机、环形金属硬幕等3部分。原理图如图1所示。

图1 多通道投影系统原理图

3.1投影机的选择

用于视景仿真系统的投影机不同于其他用于教育、娱乐等方面的商用投影机，对其分辨率、亮度、对比度、亮度一致性、图像还原度等技术指标有更严格的要求。为了表现图像细节，投影仪的真实分辨率至少应为1280×1024。投影机的亮度必须要高，如果亮度不够，会大大降低观众的沉浸感。无缝拼接处理的效果非常依赖于图像需对比度和亮度一致性，高档投影仪的亮度一致性可达到90%以上。对视景仿真应用，如果仿真场景出现图像失真(包括色彩失真及几何失真)，多台投影仪之间的颜色不匹配或物体稍微有点变形，观众马上能够感觉得到，失去了“仿真”的意义。

3.2.多通道边缘融合及非线性失真校准

多通道投影系统有以下三种拼接效果：硬边、简单重叠和边沿融合。

简单拼接时两台投影仪的边沿无重叠部分，整幅画面中间存在一道白色(或黑色)接缝。简单重叠指的是两台投影仪的画面有部分重叠，在显示效果上表现为重叠部分为一亮条。边沿融合在简单重叠的基础上作了淡进淡出处理，左投影仪的右边重叠部分的亮度线性衰减，右投影仪的左边重叠部分的亮度线性增加，最终在显示效果上表现为整幅画面亮度完全一致。

边沿融合技术有硬、软之分，其中依赖系统软件技术实现的多通道软融合技术，通过对计算机输出系统的图像信息进行设置、调整来实现边缘融合、几何校正、颜色匹配，因此在环幕投影上会呈现多通道的无延时同步显示。它保留了更多的图像细致特征，所有图像处理都在计算机内部完成，因此既可以实现立体显示，又可良好的运行于非立体坏境，支持立体与非立体之间的实时切换，同时还降低了硬件的成本。

3.3 屏幕

在仿真应用环境中，环形较平面幕有更大的视角优势，会使用户产生强烈的沉浸感，常备用户采用。根据其材质，屏幕分为软幕和硬幕两种。软幕的平直度远远不如硬幕，特别是用在柱幕上时，屏幕的中间部位会向前突出，使图像发生变形。而硬幕则不会出现这种情况，而且硬幕的寿命高于软幕。同时针对被动屏幕所必需的偏振光要求，要使用专门针对被动立体设计的环形幕。

4.虚拟显示系统在教育中的应用

随着虚拟实验技术的成熟，人们开始认识到虚拟实验室在教育领域的应用价值。近年来,国内许多高校都根据自身科研和教学的需求建立了一些基于虚拟显示系统的虚拟实验室，其中以导游专业仿真实训室(旅游模拟实训系统)和数字化校园博物馆为典型代表。我国旅游教育领域高校旅游专业虚拟仿真教学模式中，以应用三通道环幕立体投影技术进行教学为最多。例如武汉华中师范大学三通道环幕立体投影旅游教学实训系统、沈阳师范大学旅游和酒店三通道环幕立体投影实训教学系统、浙江旅游职业学院虚拟现实旅游教学实训系统、北京联合大学文理学院“三维立体扫描及环幕投影系统集成——徐悲鸿纪念馆虚拟仿真”等。[4]

导游专业仿真实验室又被称之为旅游教学-导游培训系统，应用于旅游教学培训考试，丰富教学手段，成为旅游实训的发展趋势。利用虚拟现实培训平台，将用户需要的旅游景点虚拟数据全部集成到播放平台，通过计算机对旅游景点的建筑、风光、环境进行三维仿真模拟，建立高度沉浸性的仿真场景，让学生在逼真的景点中受教。导游人员、旅游管理人员不用花费大量时间、精力，就可以通过旅游实训系统平台随意浏览旅游景点，通过文字、图片、影片介绍，学习景区、景点、景观的历史、文化知识，为日后社会实践做好准备。还可以结合教学需求特点，设定固定线路教学功能、自主游历教学功能、考试评估功能、课件功能、录制回放等功能，建设导游实训、旅游模拟、旅游规划、信息查询，景区导航，景区切换等功能模块，服务于互动体验式旅游教学，适应旅游专职院校的导游培养工作。

应用导游专业仿真实训室进行教学，具有传统教学无可比拟的优势。一方面，学校不用组织学生到景区实习，保证了学生人身安全，降低了学生管理风险，也大幅降低实地教学的成本支出；另一方面，还因其是高仿真、高沉浸、体验式的教学，大幅提高了教学效率，增强教学效果，激发学生学习兴趣，提高学生综合素质。

[1]汪成为，高文，王行仁.灵境(虚拟现实)技术的理论、实现及应用[M].北京：清华大学出版社，1996.

[2]李艳，苏萍,马建设.立体投影质量的评价方法及系统[J].液晶与显示,2012(1).

[3]刘小江.探究立体显示系统在虚拟现实中的运用[J].计算机仿真，2011(9):313-317.

[4]冯安峰，王燕华.三通道环幕立体投影技术在旅游教育中的应用研究[J].科技广场，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，河南郑州人，硕士，中州大学信息管理中心讲师，主要研究方向为计算机应用、教育信息化与教育技术对教学的支持。

TP391.9

A

1008-3715(2012)04-0114-03

(责任编辑吕志远)