CN102457732A - 基于单机图形工作站的单通道背投立体显示系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于单机图形工作站的单通道背投立体显示系统，它属于虚拟现实和系统仿真演示领域。它采用（红外）光学跟踪测量系统，改变了通过鼠标或键盘来实现视角转换的传统计算机图形技术，用户的视觉系统和运动感知系统之间可以联系起来，感觉更逼真。它包括单机图形工作站（1）、单通道输出图形卡（2）、单通道输出图形卡（3）、立体大屏幕（4）、上投影机（5）、下投影机（6）、上偏振片（7）、下偏振片（8）、一号红外摄像机（9）、二号红外摄像机（10）、左眼镜片（11）和右眼镜片（12）、头部跟踪系统（13）、无线交互手柄（14）、操控电脑（15），（1）的输出通过（2）和（3）分别连接（5）和（6），（5）和（6）分别连接（7）和（8），在（4）上形成立体图像，（13）和（14）接收（9）和（10）发出的红外定位信号，实现虚拟现实环境中的交互操作。

Description

基于单机图形工作站的单通道背投立体显示系统

 

技术领域

本发明涉及一种基于（红外）光学跟踪测量系统的背投立体显示系统，属于虚拟现实与系统仿真演示领域。

背景技术

目前，利用投影机技术实现的立体方式共有四种：红蓝立体技术、主动立体技术、被动立体技术和光谱立体技术。红蓝立体技术，主要是利用红色、蓝色光过滤，在一张平面的主要影响上，以浅蓝及浅红的色层构成，但两种色层并非重叠，而是叠在主要影响的前景及背景，形成图像分离的效果。主动立体技术，是利用液晶面板技术，将两个可屏蔽光线的液晶面板做成眼镜的形式，此眼镜内集成无线接收器和电池模块，无线接收器用来接收电脑同步器发射的同步信号以控制眼镜左右眼的开与关，人看到的影像是眼镜左、右眼开起时的影像，此时投影机显示的内容也正好为相应的左、右眼图像，眼镜不断的切换左右眼从而得到立体效果。被动立体技术，是利用光偏振原理，光的传播方向是任何角度的，偏振技术就是利用偏振片干涉光的传播方向是光线按照一定规律一定角度传播，观看者佩戴相应偏振技术的眼镜每只眼只接受相应角度和方向的光波图像，从而产生左右眼分离看到不同图像的效果产生立体。光谱立体技术也是一种分离光谱的技术，类似于红蓝片立体技术，但是它分离的是光的波段而不是分离画面，此技术对投影机的要求比较高。

由于人眼有4-6cm的距离，所以实际上我们看物体时两只眼睛中的图像是有差别的。两幅不同的图像输送到大脑后，我们看到的是有景深的图像。这就是计算机和投影系统的立体成像原理。依据这个原理，结合不同的技术水平有不同的立体技术手段。

只要符合常规的观察角度，即产生合适的图像偏移，形成立体图像并不困难。从计算机和投影系统角度看，根本问题是图像的显示刷新率问题，即立体带宽指标问题。如果立体带宽足够，任何计算机、显示器和投影机显示立体图像都没有问题。

我们观看计算机显示器时会发现，当刷新频率低于60时我们的眼睛会感到屏幕图像在闪烁，长时间观看眼睛就会不舒服。所以在选择计算机的显示器时，没有人会选择低刷新率的设备，因为我们都清楚选不好会有什么结果。

由于很多人实际上不了解计算机和投影系统立体图像输出可能会出的问题，以至于在实际应用中出现了很多问题。因此有必要对此进行说明。

如前所叙，对计算机而言，立体成像的关键是能对应人的左右眼输出两幅图像。由于现在计算机发展水平的限制，两幅图像不能同时输出，必须交替输出，因而实际上左或右图像的刷新率只能达到计算机平时图像刷新率的一半。如果计算机的刷新率为96Hz，左右眼的立体图像刷新率实际为48Hz。

早期由于投影技术水平的限制，我们在建显示系统时将计算机信号直接连接投影机进行放大输出，我们在屏幕上看到的立体图像刷新率与我们在显示器上看到的没有任何区别。即使投影机本身图像刷新率指标高也无济于事，因为高刷新率图像根本没有到达投影机！一方面是图形计算机的原因，另一方面是中间设备原因（如外接的边缘融合设备等）。这就是应用多年的主动立体技术，与之配套的主动立体眼镜实际上是计算机同步控制的左右眼液晶开关，开和关与屏幕图像显示同步。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，每个用过的人都深有体会。

到了上世纪末出现了解决这个问题的办法，我们称之为被动立体显示技术。原理并不复杂：计算机端信号特性没有任何变化，只是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输出到屏幕。由于我们看被动立体图像时用的是偏振立体眼镜，其外观、感觉与平时的眼镜几乎没有区别，观看图像时不会产生频繁开关的闪烁现象，消除人们对传统立体的不好感觉。

发明内容

本发明提供了一种基于单机图形工作站的单通道背投被动立体显示系统，它包括单机图形工作站（1）、单通道输出图形卡（2）、单通道输出图形卡（3）、立体大屏幕（4）、上投影机（5）、下投影机（6）、上偏振片（7）、下偏振片（8）、一号红外摄像机（9）、二号红外摄像机（10）、左眼镜片（11）和右眼镜片（12）、头部跟踪系统（13）、无线交互手柄（14）、操控电脑（15）。其中，单机图形工作站（1）、单通道输出图形卡（2）、单通道输出图形卡（3）、立体大屏幕（4）、上投影机（5）、下投影机（6）、上偏振片（7）、下偏振片（8）位于立体大屏幕（4）的后侧，一号红外摄像机（9）、二号红外摄像机（10）、左眼镜片（11）和右眼镜片（12）、头部跟踪系统（13）、无线交互手柄（14）位于立体大屏幕（4）的前侧。

本发明中，单机图形工作站（1）的信号输出端连接到单通道输出图形卡（2）和单通道输出图形卡（3）的输入端，以实现两路数字信号的分路输出，单通道输出图形卡（2）的输出端连接到上投影机（5），单通道输出图形卡（3）的输出端连接到下投影机（6），这样将两路数字信号分别转换为光信号，上投影机（5）输出的光信号透过上偏振片（7）投射到立体大屏幕（4）上，下投影机（6）输出的光信号透过下偏振片（8）投射到立体大屏幕（4）上，左眼镜片（11）和右眼镜片（12）接收立体大屏幕（4）反射的光信号。由于上投影机（5）和下投影机（6）输出的光信号都会完全的投射到立体大屏幕（4）上，因此为了得到良好的立体效果，需要严格对齐上投影机（5）和下投影机（6）输出的光信号。

本发明工作时, 上投影机（5）输出被动立体显示方式的左眼图形信号，下投影机（6）输出被动立体显示方式的右眼图形信号，上投影机（5）和下投影机（6）输出的影像都全部显示在立体大屏幕（4）的整个屏幕上，上偏振片（7）和下偏振片（8）分别对上投影机（5）和下投影机（6）输出的图形信号进行光过滤，产生偏振图像，偏振图像同时投射到立体大屏幕（4）上，透过左眼镜片（11）看到屏幕上的左眼偏振影像，透过右眼镜片（12）看到屏幕上的右眼偏振图像，从而使观察者看到立体图像。

本发明主要是针对利用虚拟现实技术进行科研技术研究的目标群，特别是在机械装备设计、生产线设计等领域，因此采取背投的投影方式，这样可以有效地消除操作者对图像信号的干扰，同时，由于是单通道、背投的投影方式，投影机能够摆放到立体大屏幕中央位置的高度，使投影机的镜头对着屏幕的正中间位置，能够有效地降低图像的变形程度，最大限度的投射出与实际物体相似度高的图像。本发明采用单机图形工作站配套两块输出图形卡来实现单通道的被动立体图像输出，对图形工作站及图形卡有较高的要求，在满足用户要求的范围内，降低了系统价格，也减少了系统的复杂程度，提高了系统的运行效率。另外，本发明的特点是采用了（红外）光学跟踪测量系统，该系统可以抵抗磁、电、声波的干扰，具有高精度的位置和方向测量能力，能够满足科研过程中对精度及灵活性的要求。本发明中提供的基于单机图形工作站的单通道背投被动立体显示系统结构简单，显示精度高，系统价格成本低，维护成本较低，具有广阔的应用空间，同时具备扩展到双通道、三通道等多通道的能力。

附图说明

图1是基于单机图形工作站的单通道背投立体显示系统的设备结构示意图。

图2是基于单机图形工作站的单通道背投立体显示系统的网络结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1具体说明本实施方式。它由单机图形工作站（1）、单通道输出图形卡（2）、单通道输出图形卡（3）、立体大屏幕（4）、上投影机（5）、下投影机（6）、上偏振片（7）、下偏振片（8）、一号红外摄像机（9）、二号红外摄像机（10）、左眼镜片（11）和右眼镜片（12）、头部跟踪系统（13）、无线交互手柄（14）、操控电脑（15）组成。单机图形工作站（1）的信号输出端连接到单通道输出图形卡（2）和单通道输出图形卡（3）的输入端，以实现两路数字信号的分路输出，单通道输出图形卡（2）的输出端连接到上投影机（5），单通道输出图形卡（3）的输出端连接到下投影机（6），这样将两路数字信号分别转换为光信号，上投影机（5）输出的光信号透过上偏振片（7）投射到立体大屏幕（4）上，下投影机（6）输出的光信号透过下偏振片（8）投射到立体大屏幕（4）上，左眼镜片（11）和右眼镜片（12）接收立体大屏幕（4）反射的光信号。上投影机（5）输出被动立体显示方式的左眼图形信号，下投影机（6）输出被动立体显示方式的右眼图形信号，上投影机（5）和下投影机（6）输出的影像都全部显示在立体大屏幕（4）的整个屏幕上，上偏振片（7）和下偏振片（8）分别对上投影机（5）和下投影机（6）输出的图形信号进行光过滤，产生偏振图像，偏振图像同时投射到立体大屏幕（4）上，透过左眼镜片（11）看到屏幕上的左眼偏振影像，透过右眼镜片（12）看到屏幕上的右眼偏振图像，从而使观察者看到立体图像。

单机图形工作站是虚拟现实显示系统的核心，它用来实时生成相应的图像，它决定图形生成的更新率、图形分辨率、图形复杂程度和图形质量，本发明采用的是HP Z800图形工作站，配备了两块NVIDIA FX5800图形卡，单通道最高能够输出2400X1024的高分辨率图像。投影系统作为整个虚拟现实显示系统的显示部分，在这个系统中的分量不言而喻，为了达到要求的显示效果，采用挪威PD F20的投影系统，该系统采用来自德州仪器特有的单芯片SXGA+（1400X1050）DLP技术，流明高达3500ANSI，可以在任何环境下进行投影工作。该发明采用美国Stewart 150寸背投玻璃幕，采用国外进口屏幕材料，使得用户能够完全进入虚拟的世界，均匀的观察效果保证了系统的工作能力，并达到极佳的沉浸效果。在交互系统方面，本发明采用了（红外）光学跟踪测量系统——A.R.T.，它具有高精度的位置和方向测量能力，通过局域网即可实现低延时、高速度的数据传输，可抗磁、电、声波的干扰，它是市场上这一价位性价比最高、最精确、最灵活地交互系统。

具体实施方式二：下面结合图1具体说明本实施方式。本实施方式与实施方式一的不同点是：该发明分为设备区与操作区两部分，设备区包括单机图形工作站（1）、单通道输出图形卡（2）、单通道输出图形卡（3）、上投影机（5）、下投影机（6）、上偏振片（7）、下偏振片（8）以及（红外）光学跟踪测量系统的服务器部分。操作区包括一号红外摄像机（9）、二号红外摄像机（10）、左眼镜片（11）和右眼镜片（12）、头部跟踪系统（13）、无线交互手柄（14）以及操控电脑（15）。在使用系统时，用户不能进入到设备区，以免干扰、碰撞仪器设备造成系统故障。

具体实施方式三：下面结合图2具体说明本实施方式。本实施方式与实施方式一的不同点是：该发明还包括操控电脑（15），与单机图形工作站（1）及（红外）光学跟踪测量系统之间通过路由器进行数据互通，用户只需在操控电脑（15）上进行远程操作，启动（红外）光学跟踪测量系统和虚拟现实显示系统，即可完成系统的启动工作。该系统通过一号红外摄像机（9）和二号红外摄像机（10）捕获头部跟踪系统（13）与无线交互手柄（14）的实时数据传输给操控电脑（15），通过路由器，操控电脑（15）将数据传输到（红外）光学跟踪测量系统的服务器，经过编码译码处理后，再将数据传输给单机图形工作站（1），单机图形工作站（1）将接收到的数据实时显示在虚拟现实系统中，从而实现用户的交互控制。

具体实施方式四：下面结合图1具体说明本实施方式。本实施方式与实施方式一的不同点是：它还包括空间六自由度可调支架（15），上偏振片（7）位于上投影机（5）的镜头前，下偏振片（8）位于下投影机（6）的镜头前，上投影机（5）与下投影机（6）垂直叠放，固定在空间六自由度可调支架（15）上，以便调整投影到立体大屏幕（4）上的图像。

Claims (4)

1.一种基于单机图形工作站的单通道背投立体显示系统，其特征在于：它包括单机图形工作站（1）、单通道输出图形卡（2）、单通道输出图形卡（3）、立体大屏幕（4）、上投影机（5）、下投影机（6）、上偏振片（7）、下偏振片（8）、一号红外摄像机（9）、二号红外摄像机（10）、左眼镜片（11）和右眼镜片（12）、头部跟踪系统（13）、无线交互手柄（14）、操控电脑（15）。单机图形工作站（1）的输出端连接单通道输出图形卡（2）和单通道输出图形卡（3）的输入端并将图像信号分别输送给位于立体大屏幕（4）后方的上投影机（5）和下投影机（6），上投影机（5）输出的光信号透过上偏振片（7）投射在立体大屏幕（4）上，下投影机（6）输出的光信号透过下偏振片（8）投射在立体大屏幕（4）上，左眼镜片（11）和右眼镜片（12）接收立体大屏幕（4）反射的光信号，头部跟踪系统（13）和无线交互手柄（14）接收一号红外摄像机（9）和二号红外摄像机（10）发出的红外定位信号。

2.根据权利要求1所述的基于单机图形工作站的单通道背投立体显示系统，其特征在于上投影机（5）、下投影机（6）、上偏振片（7）和下偏振片（8）位于立体大屏幕（4）的后方，光信号投射在立体大屏幕（4）的背面，以实现无干扰、更清晰的图像显示。

3.根据权利要求1所述的基于单机图形工作站的单通道背投立体显示系统，其特征在于一号红外摄像机（9）和二号红外摄像机（10）发出红外定位信号，头部跟踪系统（13）和无线交互手柄（14）接收到信号后经过解析得到虚拟现实环境中的位置信息，输送给单机图形工作站（1）并在立体大屏幕（4）上实时显示，从而实现操作者与虚拟现实环境的交互操作。

4.根据权利要求1所述的基于单机图形工作站的单通道背投立体显示系统，其特征在于它还包括空间六自由度可调支架（15），上偏振片（7）位于上投影机（5）的镜头前，下偏振片（8）位于下投影机（6）的镜头前，上投影机（5）与下投影机（6）垂直叠放，固定在空间六自由度可调支架（15）上。

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