CN110430420A - 一种基于小间距led的五面cave显示系统集成方法 - Google Patents

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赵溢丰
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Abstract

本发明公开一种基于小间距LED的五面CAVE显示系统集成方法，包括：搭建用于承载屏体的钢结构框架，并将五面LED显示屏幕安装在所述钢结构框架上；在所述五面LED显示屏幕内安装光学跟踪定位系统；配置3D信号同步显示系统；通过光学跟踪定位系统获取3D眼镜和操作手柄在五面LED显示屏幕内部的空间位姿信息；3D信号同步显示系统根据3D眼镜及操作手柄的空间位姿信息生成左右眼两组画面图像，并将该两组画面在所述五面LED显示屏幕上交替显示；3D信号同步显示系统通过射频的通信方式向3D眼镜发送控制指令，控制3D眼镜的左右两个镜片切换显示。本发明实现了五面LED‑CAVE显示屏的无缝拼接同步显示，提高了用户的沉浸式虚拟现实体验感。

Description

一种基于小间距LED的五面CAVE显示系统集成方法
技术领域
本发明属于沉浸式虚拟现实显示技术领域，具体是一种基于小间距LED的五面CAVE显示系统集成方法。
背景技术
CAVE系统可以应用于任何具有沉浸感需求的虚拟仿真应用领域，例如，虚拟设计与制造、虚拟演示、协同规划等等，应用十分广泛；现有的大部分CAVE系统中，CAVE沉浸式虚拟现实显示系统是采用的立体投影机作为显示主设备，配合光学跟踪系统、音响系统、信号同步系统等构成，投影方式的CAVE系统效果比较柔和，画面较平滑，但由于投影机的安装一般分为正投、背投两种，如果受场地空间限制，可采用正投方式，但是正投的CAVE系统没有办法实现五面沉浸式，即左面、正面、右面、地面、顶幕五个方向均有渲染画面；因此需要采用背投的方式安装，从幕布的后方离幕布约2.5米处将渲染画面投射在幕布上，而此种方式对场景要求非常高，需要楼层空高为三层楼的纵向空间，以便让顶幕、地幕的背投式投影机安装，即顶幕投影机由上而下安装输出画面，地幕投影机由下而上安装输出画面。由此可见，投影方式的五面CAVE沉浸式虚拟现实显示系统对场地空间的限制很大，并且市面上先进的立体工程投影机价格昂贵，成本较高，维护难度较大。
五面CAVE显示屏在实际使用过程中还会遇到诸多问题；五面CAVE是一个封闭式的“盒子”，只有操作者后面没有显示屏，其余几面都是LED显示屏，而LED显示屏的灯属于主动发光光源，长时间使用后CAVE空间内部会产生大量热量，需要对CAVE内部空间进行散热；在设计安装光学跟踪摄像头时，如何安装才能保证CAVE空间内的有效活动范围满足仿真操作的需求，同时能避免破坏虚拟现实渲染画面的完整性；如何根据屏幕的尺寸选取合适数量的图形工作站，如何配置相关的显卡参数，以及如何对各图形工作站进行同步控制，来实现屏幕上画面的无缝拼接，这些问题还亟待进一步解决。
公开号为CN107147899A的中国专利公开了一种采用LED 3D屏幕的CAVE显示系统及方法，该方法包括以下步骤：采集3D眼镜上红外标记点的坐标位置；利用所述坐标位置估算出用户双眼的位置；根据所述位置计算得到相对所述3D眼镜显示的两组画面；在LED 3D屏幕上交替显示所述两组画面；对所述3D眼镜进行左、右镜片开关切换，切换频率与所述两组画面交替显示的切换频率相配合。该发明可实际应用在明亮的室内环境，甚至室外环境；虚拟现实空间画面色彩饱和度高，显示屏间拼接无缝，给用户很好的观看效果，使用寿命长。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种基于小间距LED的五面CAVE显示系统集成方法，通过将光学跟踪定位系统、信号同步显示系统集成到五面LED-CAVE显示系统中，通过光学跟踪定位系统保证CAVE空间内的有效活动范围满足仿真操作的需求，同时能避免破坏虚拟现实渲染画面的完整性；通过信号同步显示系统实现屏幕上画面的无缝拼接，增强用户的沉浸式虚拟现实体验感。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种基于小间距LED的五面CAVE显示系统集成方法，包括以下步骤：
S1，搭建用于承载屏体的钢结构框架，并将五面LED显示屏幕安装在所述钢结构框架上；
S2，在所述五面LED显示屏幕内安装光学跟踪定位系统；
S3，配置3D信号同步显示系统；
S4，通过光学跟踪定位系统获取3D眼镜及操作手柄在五面LED显示屏幕内部的空间位姿信息；
S5，3D信号同步显示系统根据3D眼镜及操作手柄的空间位姿信息生成左右眼两组画面图像，并将该两组画面在所述五面LED显示屏幕上交替显示；
S6，3D信号同步显示系统通过射频通信方式向3D眼镜发送控制指令，控制3D眼镜的左右两个镜片切换显示，该两个镜片的切换频率与所述两组画面的交替频率保持同步。
具体地，步骤S1中，所述五面LED显示屏幕包括正幕、左幕、右幕、顶幕和地幕，所述五面LED显示屏幕和钢结构框架构成一个半封闭式盒体结构；所述地幕下方设有风幕机，用于对五面LED显示屏幕进行散热。
具体地，步骤S2中，所述光学跟踪定位系统包括光学跟踪相机和光学跟踪计算机；所述光学跟踪相机包括4个主摄像头、2个辅助摄像头；所述主摄像头/辅助摄像头内部配置有低噪音CCD芯片以及对拍摄数据进行优化的FPGA芯片；所述光学跟踪相机还包括用于二维计算的内部PC机；
所述4个主摄像头分别设置在五面LED显示屏幕左幕的前上方、前下方以及右幕的前上方、前下方4个位置；所述2个辅助摄像头分别设置在顶幕的后方两侧。
进一步地，所述左幕的前上方、前下方以及右幕的前上方、前下方分别设有4个用于安装所述主摄像头的安装孔；所述安装孔为斜锥形安装孔；所述2个辅助摄像头通过云台安装在所述顶幕后方。
具体地，步骤S3中，配置所述3D信号同步显示系统的方法为：根据五面LED显示屏幕的尺寸，计算每个屏幕的分辨率；再根据每个屏幕的尺寸、分辨率配置图形工作站的台数及显卡参数；将多台图形工作站的同步卡通过网线串联实现同步控制，并任意选一台图形工作站作为主控机分别与光学跟踪计算机、3D信号发射器相连。
进一步地，所述3D信号同步显示系统包括多台图形工作站、3D信号发射器和3D信号接收器；所述多台图形工作站均配置有显卡和同步卡；所述3D信号接收器安装在3D眼镜内部，用于接收3D信号发射器发出的控制指令。
具体地，步骤S4中，所述光学跟踪定位系统获取3D眼镜及操作手柄的空间位姿信息的方法为：通过光学跟踪相机获取3D眼镜及操作手柄在五面LED显示屏幕内部空间中的位置信息，通过光学跟踪计算机对所述3D眼镜及操作手柄的位置信息进行处理，并结合光学跟踪相机的姿态信息得到3D眼镜及操作手柄在五面LED显示屏幕内部空间中的位姿信息。
进一步地，所述3D眼镜及操作手柄上设有多个定位反光球，用于所述光学跟踪相机捕捉3D眼镜及操作手柄的位置信息。
具体地，步骤S6中，所述3D眼镜内部设有3D信号接收器和控制器；所述3D眼镜的两个镜片内部均设有液晶层；所述3D信号接收器用于接收所述3D信号发射器发送的控制信号，所述控制器用于根据所述控制信号控制3D眼镜的两个镜片切换显示。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明通过在五面LED显示屏幕的地幕下方设置风幕机用于对显示屏内部空间进行散热，以保证设备的安全并提升了操作者的体验感；本发明通过在五面LED显示屏内配置光学跟踪定位系统来精准捕捉操作者的位置，从而使得操作者的沉浸感更强，体验效果更好；且摄像头的安装位置及安装方式给操作者提供了更大的活动范围，同时不影响虚拟现实渲染画面的完整性；本发明根据每个屏幕的尺寸、分辨率设计该屏幕搭配的图形工作站的台数以及每个图形工作站的渲染面积，并将多个图形工作站的同步卡串联实现对多个图形工作站的同步控制，从而实现五面LED-CAVE显示屏的无缝拼接同步显示，提高了用户的沉浸式虚拟现实体验感。
附图说明
图1为本发明一种基于小间距LED的五面CAVE显示系统集成方法的流程示意框图；
图2为本发明一种基于小间距LED的五面CAVE显示系统的结构示意图；
图3为本发明中光学跟踪定位方法的流程示意框图；
图中：1、正幕；2、左幕；3、右幕；4、顶幕；5、地幕；6、主摄像头；7、辅助摄像头；8、斜锥形安装孔；9、云台；10、定位反光球；11、风幕机；12、支脚。
具体实施方式
下面将结合本发明中的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动条件下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本实施例提供了一种基于小间距LED的五面CAVE显示系统集成方法，包括以下步骤：
S1，搭建用于承载屏体的钢结构框架，并将五面LED显示屏幕安装在所述钢结构框架上；
S2，在所述五面LED显示屏幕内安装光学跟踪定位系统；
S3，配置3D信号同步显示系统；
S4，通过光学跟踪定位系统获取3D眼镜及操作手柄在五面LED显示屏幕内部的空间位姿信息；
S5，3D信号同步显示系统根据3D眼镜及操作手柄的空间位姿信息生成左右眼两组画面图像，并将该两组画面在所述五面LED显示屏幕上交替显示；
S6，3D信号同步显示系统通过射频通信方式向3D眼镜发送控制指令，控制3D眼镜的左右两个镜片切换显示，该两个镜片的切换频率与所述两组画面的交替频率保持同步。
具体地，如图2所示，步骤S1中，所述五面LED显示屏幕包括正幕1、左幕2、右幕3、顶幕4和地幕5，所述五面LED显示屏幕和钢结构框架构成一个半封闭式盒体结构；所述地幕5下方设有风幕机11，用于对五面LED显示屏幕进行散热；所述钢结构框架包括五面屏幕的安装框架以及用于撑起五面LED显示屏幕的支脚12，所述地幕5离地30cm，用于安装风幕机11。
具体地，步骤S2中，所述光学跟踪定位系统包括光学跟踪相机和光学跟踪计算机；所述光学跟踪相机包括4个主摄像头6、2个辅助摄像头7；所述主摄像头6/辅助摄像头7内部配置有低噪音CCD芯片以及对拍摄数据进行优化的FPGA芯片；所述光学跟踪相机还包括用于二维计算的内部PC机，用于计算操作者在空间中的二维位置信息；
进一步地，所述主摄像头6/辅助摄像头7还配置有用于补光的红外闪光灯。
所述4个主摄像头6分别设置在五面LED显示屏幕左幕2的前上方、前下方以及右幕3的前上方、前下方4个位置；所述2个辅助摄像头7分别设置在顶幕4的后方两侧；所述主摄像头6、辅助摄像头7均为红外发射摄像头；所述光学发射摄像头的有效捕捉距离为4.5米以内，最佳捕捉距离为3.5～4.5米，经过光学跟踪光路图模拟试验证明，这种安装结构既能保证画面的完整性，又能保证最大限度的操作者的有效活动范围。
进一步地，所述左幕2的前上方、前下方以及右幕3的前上方、前下方分别设有4个用于安装所述主摄像头6的安装孔；所述安装孔为斜锥形安装孔8，通过设置所述斜锥形安装孔8，便于调节摄像头的拍摄角度；其中，前上方定义为靠近正幕1的一边的上方，前下方定义为靠近正幕1的一边的下方；所述正幕1、左幕2、右幕3、顶幕4和地幕5均安装在用于承载屏体的钢结构架上，所述钢结构架的正面用于安装屏体，所述钢结构架的背面通过木板封装。开孔时，所述斜锥形安装孔8的开孔方向始终对着操作者佩戴的标记设备(即主摄像头6始终对着操作者的双眼方位)，操作者站在与正幕1距离2m左右的位置；所述斜锥形安装孔8占据了约30*30个像素点。
所述斜锥形安装孔8位于屏幕正面的圆孔直径为45mm，位于屏幕背面的圆孔直径可根据摄像头可调节角度灵活设定，角度越大，该圆孔直径越大；位于左幕2/右幕3上方的斜锥形安装孔8朝向下开孔，位于左幕2/右幕3下方的斜锥形安装孔8朝向上开孔，方便调节摄像头的方向更好的捕捉到目标标记设备。
所述2个辅助摄像头7通过云台9安装在所述顶幕4后方，所述云台9通过焊接方式安装在所述顶幕4上，所述云台9为方向可调节的云台9；其中，顶幕4后方定义为顶幕4上远离正幕1的一端；所述2个辅助摄像头7用于在操作者侧身或者转身动作时，对操作者的动作进行捕捉。
具体地，步骤S3中，配置所述3D信号同步显示系统的方法为：根据五面LED显示屏幕的尺寸，计算每个屏幕的分辨率；再根据每个屏幕的尺寸、分辨率配置图形工作站的台数及显卡参数；将多台图形工作站的同步卡通过网线串联实现同步控制，并任意选一台图形工作站作为主控机分别与光学跟踪计算机、3D信号发射器相连。
进一步地，所述3D信号同步显示系统包括3D信号发射器、3D信号接收器和7台图形工作站；所述7台图形工作站均配置有显卡和同步卡；所述3D信号接收器安装在3D眼镜内部，用于接收3D信号发射器发出的控制指令；
所述正幕1尺寸为4200*2700mm，所述左幕2尺寸为2400*2700mm，所述右幕3尺寸为2400*2700mm，所述地幕5尺寸为4500*2500mm，所述顶幕4尺寸为4200*2362.5mm；所述正幕1、顶幕4、左幕2、右幕3的像素间距为1.562mm，所述地幕5的像素间距为4.8mm；根据所述正幕1的尺寸及像素间距可以计算出所述正幕1的分辨率为2688(4200/1.562)*1728(2700/1.562)，同理可计算出左幕2、右幕3的分辨率为1536*1728；所述顶幕4的分辨率为2688*1512，所述地幕5的分辨率为1536*1728；所述正幕1采用两台HPZ840高性能图形工作站，所述左幕2和右幕3各采用一台HPZ840高性能图形工作站，所述顶幕4采用两台HPZ840高性能图形工作站，所述地幕5采用一台HPZ840高性能图形工作站。
具体地，步骤S4中，所述光学跟踪定位系统获取3D眼镜及操作手柄的空间位姿信息的方法为：通过光学跟踪相机获取3D眼镜及操作手柄在五面LED显示屏幕内部空间中的位置信息，通过光学跟踪计算机对所述3D眼镜及操作手柄的位置信息进行处理，并结合光学跟踪相机的姿态信息得到3D眼镜及操作手柄在五面LED显示屏幕内部空间中的位姿信息。
如图3所示，所述光学跟踪定位系统的跟踪定位原理如下：通过光学跟踪计算机在五面LED-CAVE显示屏内建立空间坐标系，并根据6个摄像头安装的位置及各自调节的角度获取6个摄像头的自由度的姿态信息，即各摄像头在空间坐标系中的坐标；当操作者佩戴好3D眼镜及操作手柄套件后，6个摄像头同时对五面LED-CAVE显示屏内的空间进行覆盖拍摄，摄像头发出的红外光经3D眼镜和操作手柄上的红外定位反光球10反射后再次被摄像头捕获，光学跟踪计算机根据摄像头发射和接收的红外光的角度及时间间隔即可精确计算出操作者在空间中的三维坐标；光学跟踪计算机再根据6个摄像头各自在坐标系内自由度的姿态信息计算出操作者的姿态信息(操作者面部朝向，即视角)，最后，光学跟踪计算机根据操作者在空间内的三维坐标以及姿态信息映射出虚拟场景中人物视角对应的虚拟画面信息(根据操作者的三维坐标放大/缩小虚拟场景中画面的大小，根据操作者的姿态信息切换虚拟场景中的画面信息)，并在五面LED-CAVE显示屏上显示出与人物视角相对应的虚拟场景。
进一步地，所述3D眼镜及操作手柄上设有多个定位反光球10，用于所述光学跟踪相机捕捉3D眼镜及操作手柄的位置信息。
具体地，步骤S6中，所述3D眼镜内部设有3D信号接收器和控制器；所述3D眼镜的两个镜片内部均设有液晶层；所述3D信号接收器用于接收所述3D信号发射器发送的控制信号，所述控制器用于根据所述控制信号控制3D眼镜的两个镜片切换显示。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.一种基于小间距LED的五面CAVE显示系统集成方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，搭建用于承载屏体的钢结构框架，并将五面LED显示屏幕安装在所述钢结构框架上；
S2，在所述五面LED显示屏幕内安装光学跟踪定位系统；
S3，配置3D信号同步显示系统；
S4，通过光学跟踪定位系统获取3D眼镜及操作手柄在五面LED显示屏幕内部的空间位姿信息；
S5，3D信号同步显示系统根据3D眼镜及操作手柄的空间位姿信息生成左右眼两组画面图像，并将该两组画面在所述五面LED显示屏幕上交替显示；
S6，3D信号同步显示系统通过射频通信方式向3D眼镜发送控制指令，控制3D眼镜的左右两个镜片切换显示，该两个镜片的切换频率与所述两组画面的交替频率保持同步。
2.根据权利要求1所述的一种基于小间距LED的五面CAVE显示系统集成方法，其特征在于，步骤S1中，所述五面LED显示屏幕包括正幕、左幕、右幕、顶幕和地幕，所述五面LED显示屏幕和钢结构框架构成一个半封闭式盒体结构；所述地幕下方设有风幕机，用于对五面LED显示屏幕进行散热。
3.根据权利要求1所述的一种基于小间距LED的五面CAVE显示系统集成方法，其特征在于，步骤S2中，所述光学跟踪定位系统包括光学跟踪相机和光学跟踪计算机；所述光学跟踪相机包括4个主摄像头、2个辅助摄像头；所述主摄像头/辅助摄像头内部配置有低噪音CCD芯片以及对拍摄数据进行优化的FPGA芯片；所述光学跟踪相机还包括用于二维计算的内部PC机；
所述4个主摄像头分别设置在五面LED显示屏幕左幕的前上方、前下方以及右幕的前上方、前下方4个位置；所述2个辅助摄像头分别设置在顶幕的后方两侧。
4.根据权利要求3所述的一种基于小间距LED的五面CAVE显示系统集成方法，其特征在于，所述左幕的前上方、前下方以及右幕的前上方、前下方分别设有4个用于安装所述主摄像头的安装孔；所述安装孔为斜锥形安装孔；所述2个辅助摄像头通过云台安装在所述顶幕后方。
5.根据权利要求1所述的一种基于小间距LED的五面CAVE显示系统集成方法，其特征在于，步骤S3中，配置所述3D信号同步显示系统的方法为：根据五面LED显示屏幕的尺寸，计算每个屏幕的分辨率；再根据每个屏幕的尺寸、分辨率配置图形工作站的台数及显卡参数；将多台图形工作站的同步卡通过网线串联实现同步控制，并任意选一台图形工作站作为主控机分别与光学跟踪计算机、3D信号发射器相连。
6.根据权利要求5所述的一种基于小间距LED的五面CAVE显示系统集成方法，其特征在于，所述3D信号同步显示系统包括多台图形工作站、3D信号发射器和3D信号接收器；所述多台图形工作站均配置有显卡和同步卡；所述3D信号接收器安装在3D眼镜内部，用于接收3D信号发射器发出的控制指令。
7.根据权利要求1所述的一种基于小间距LED的五面CAVE显示系统集成方法，其特征在于，步骤S4中，所述光学跟踪定位系统获取3D眼镜及操作手柄的空间位姿信息的方法为：通过光学跟踪相机获取3D眼镜及操作手柄在五面LED显示屏幕内部空间中的位置信息，通过光学跟踪计算机对所述3D眼镜及操作手柄的位置信息进行处理，并结合光学跟踪相机的姿态信息得到3D眼镜及操作手柄在五面LED显示屏幕内部空间中的位姿信息。
8.根据权利要求7所述的一种基于小间距LED的五面CAVE显示系统集成方法，其特征在于，所述3D眼镜及操作手柄上设有多个定位反光球，用于所述光学跟踪相机捕捉3D眼镜及操作手柄的位置信息。
9.根据权利要求1所述的一种基于小间距LED的五面CAVE显示系统集成方法，其特征在于，步骤S6中，所述3D眼镜内部设有3D信号接收器和控制器；所述3D眼镜的两个镜片内部均设有液晶层；所述3D信号接收器用于接收所述3D信号发射器发送的控制信号，所述控制器用于根据所述控制信号控制3D眼镜的两个镜片切换显示。
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