CN1852446A

CN1852446A - 基于单机图形工作站的双通道被动立体显示系统

Info

Publication number: CN1852446A
Application number: CN 200610010035
Authority: CN
Inventors: 张泽旭; 崔平远; 崔祜涛; 徐敏强; 史雪岩
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2006-05-12
Filing date: 2006-05-12
Publication date: 2006-10-25

Abstract

本发明公开了基于单机图形工作站的双通道被动立体显示系统，它属于虚拟现实和系统仿真演示领域。它克服了利用计算机集群作为后台支持时集群结构软件比较复杂、通信接口更复杂的缺陷。它包括单机计算单元(1)、双通道输出图形卡(2)、一号GRB分配器(3)、二号GRB分配器(4)、一号左投影机(7)、一号右投影机(8)、二号左投影机(9)、二号右投影机(10)、一号左眼信号偏振片(12)、一号右眼信号偏振片(13)、二号左眼信号偏振片(14)、二号右眼信号偏振片(15)、立体大屏幕(16)、左眼镜片和右眼镜片，(1)的输出通过(2)分别连接(3)和(4)，(3)的输出端分别连接(7)和(9)的输入端，(4)的输出端分别连接(8)和(10)的输入端，(7)、(8)、(9)、(10)使用图形的分割融合技术在(16)表面成像。

Description

基于单机图形工作站的双通道被动立体显示系统

技术领域

本发明涉及一种立体显示系统，属于虚拟现实和系统仿真演示领域。

背景技术

在实现立体显示输出上，目前成熟的技术有主动立体技术、被动立体技术和INFITEC技术。在主动立体技术中，计算机信号交替输出左右眼立体图形信号，同时计算机控制的同步发射器控制主动立体眼镜的左右眼液晶开关，开和关与屏幕图像同步显示，从而使观察者感受到立体影像。这种技术需要计算机有非常高的图像刷新率才能使观察者感受不到图像的闪烁。INFITEC技术利用每个通道输出到每只眼的光的频率段不同的原理进行显示。被动立体显示技术采用的是图像偏振技术，光的偏振实际上是利用某一特定方向的光波进行显示的原理，由于左眼图像和右眼图像采用不同的偏振片，造成光波的方向不一致，从而进入观察者左右眼的图像有差异，形成立体感觉。这三种技术相比较而言，INFITEC技术效果更好，但对投影机的要求很高，价格就很高。主动立体技术容易存在图形闪烁问题。当前的圆周偏振技术解决了观察者视角不能变换问题，应用很广，通常能够满足用户的需要。

从中小型用户的角度来看，在满足应用需求的情况下，首先希望采用高性价比的技术方案；其次，如果高分辨率的显示输出仅作为大系统的一部分，甚至是一小部分，那么对高分辨率显示输出的研究不应占据大系统的更多时间，工作的侧重点应该在大系统的底层技术上。因此建立单机图形工作站的被动立体显示技术方案对实际应用具有重要的价值。

由于人的双眼间有4-6厘米的距离，所以实际上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，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。但如果从观察者的角度来看会发现有很多区别。由于人们平时观察物体时并没有所谓的刷新率问题，就不会产生立体图像的质量问题。

当计算机的显示器刷新频率低于60时，眼睛会感到屏幕图像在闪烁，长时间观看会不舒服。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。由于目前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，在建立显示系统时将计算机信号直接连接投影机进行放大输出，在屏幕上看到的立体图像刷新率与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。这种立体成像的技术就是主动立体技术，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。

上世纪末出现了被动立体显示技术。它的原理中计算机端信号特性没有任何变化，只是先将图像信号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的屏幕。由于看被动立体图像时用的是偏振立体眼镜，其外观、感觉与普通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，消除了传统立体的不好感觉。

由于受到器件发展的限制，目前的单机投影器很难达到客户满意的分辨率，为实现更好分辨率的影像输出，还要采用多通道的融合技术。这种方法根据投影机的分辨率和融合区域的大小，将计算机输出的高分辨率图像在投影机内进行分解和无缝拼接，即通道融合，从而输出高分辨率的大图像。假设计算机输出的水平图像分辨率是H像素，融合区的水平大小为ar％(水平)，则为实现在大屏幕上图形水平分辨率达到H像素，则每台投影机的输出分辨率至少为H/(2-ar％)，如果每台投影机的物理水平分辨率是H₁像素，要实现两通道的H像素分辨率输出，要求H₁≥H/(2-ar％)，否则，需要三通道或更多通道的输出。

实现高分辨率的立体显示是当今虚拟现实和仿真模拟技术中的重要环节。由于当前投影机的分辨率很难达到所需求的高分辨率，因而学者们提出了利用多通道融合技术，采用用户开发集群实现对多台投影机的输出图形融合，以输出高分辨率的大屏幕影像。这种利用计算机集群实现的多通道融合是目前普遍采用的技术方案，从理论上讲，这种技术方案可以实现所需要的融合通道数量，如可实现9通道球形、3通道柱形的影像输出。但这种技术方案必须利用计算机集群作为后台的支持，用户开发集群结构软件是首先面临的巨大挑战，同时复杂的集群结构软件在与其他系统的通信接口上会更为复杂。此外，这种技术方案一般只能显示某种特定的应用，其他情况(如视频等)只需要使用其中的一个通道，从应用的角度看很不方便。最后，也是最为重要的问题是这种技术方案的价格非常高，中小型用户很难接受。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于单机图形工作站的双通道被动立体显示系统，以克服现有技术利用计算机集群作为后台支持所带来的用户开发集群结构软件比较复杂以及同步通信接口更为复杂的缺陷。它包括单机计算单元1、双通道输出图形卡2、一号GRB分配器3、二号GRB分配器4、一号左投影机7、一号右投影机8、二号左投影机9、二号右投影机10、一号左眼信号偏振片12、一号右眼信号偏振片13、二号左眼信号偏振片14、二号右眼信号偏振片15、立体大屏幕16、左眼镜片17和右眼镜片18，单机计算单元1的输出端连接双通道输出图形卡2的输入端以实现图像的分路输出，双通道输出图形卡2的两个输出端分别连接一号GRB分配器3和二号GRB分配器4的输入端实现输入信号分转成两路高增益的RGBHV信号，一号GRB分配器3的第一、第二输出端分别连接一号左投影机7和二号左投影机9的输入端，二号GRB分配器4的输出端分别连接一号右投影机8和二号右投影机10的输入端，一号左投影机7输出的光信号透过一号左眼信号偏振片12投射在立体大屏幕16的左半表面上，一号右投影机8输出的光信号透过一号右眼信号偏振片13投射在立体大屏幕16的左半表面上，二号左投影机9输出的光信号透过二号左眼信号偏振片14投射在立体大屏幕16的右半表面上，二号右投影机10输出的光信号透过二号右眼信号偏振片15投射在立体大屏幕16的右半表面上，左眼镜片17和右眼镜片18接收立体大屏幕16反射的光信号。

本发明工作时，一号左投影机7和二号左投影机9输出被动立体显示方式的左眼图形信号，一号右投影机8和二号右投影机10输出被动立体显示方式的右眼图形信号。一号左投影机7和一号右投影机8输出的影像显示在立体大屏幕16的左半部分，二号左投影机9和二号右投影机10输出的影像显示在立体大屏幕16的右半部分，从而形成图像的左右双通道的高分辨率显示。一号左眼信号偏振片12和二号左眼信号偏振片14对输出的左眼图形信号进行光过滤，产生左眼偏振影像，一号右眼信号偏振片13和二号右眼信号偏振片15对输出的右眼图形信号进行光过滤，产生右眼偏振影像。左右眼偏振影像同时投射到立体大屏幕16上。透过左眼镜片只能看到屏幕上的左眼偏振影像，透过右眼镜片只能看到屏幕上的右眼偏振影像，从而使观察者感受到立体影像。本发明利用单台图形工作站来实现双通道的被动立体影像输出。这种技术方案中采用了对高分辨率大图像的分解和无缝拼接技术，以及圆周偏振被动立体显示技术，在满足用户需求的范围内，降低了系统的价格，减少了软件开发的复杂度，提供了简便的操作和灵活的系统间通讯接口。本发明的技术效果是：与传统技术比较首先是通用性好，以往的多通道仿真系统一般只能显示某种特定的应用，在其他情况下只能用其中一个通道，从应用的角度看不方便，应用高分辨率图像分解与无缝拼接技术，能够实现任意图像输出，众所周知，单台计算机的使用是非常灵活的。其次应用开发和维护简单。从软件开发的角度看，用户开发集群结构软件比单节点软件要大很多，从维护看，单机比多级容易得多；对使用人员而言始终操作的都是一台计算机，不用考虑其他复杂问题。最后是节省资源。其他方式的多通道系统需要更高的投入成本，在维护和管理上开销也比较大，同时也会在计算机多通道图像输出配置方面给应用经常带来诸如同步、输出颜色一致控制等方面的问题。从硬件发展的角度来看，本发明给出的两通道被动立体显示装置完全可以扩展到三通道，从而带来更高分辨率的图形输出，而不会浪费现在的硬件资源。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

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。它由单机计算单元1、双通道输出图形卡2、一号GRB分配器3、二号GRB分配器4、一号左投影机7、一号右投影机8、二号左投影机9、二号右投影机10、一号左眼信号偏振片12、一号右眼信号偏振片13、二号左眼信号偏振片14、二号右眼信号偏振片15、立体大屏幕16、左眼镜片17和右眼镜片18组成，单机计算单元1的输出端连接双通道输出图形卡2的输入端以实现图像的分路输出，双通道输出图形卡2的两个输出端分别连接一号GRB分配器3和二号GRB分配器4的输入端实现输入信号分转成两路高增益的RGBHV信号，一号GRB分配器3的第一、第二输出端分别连接一号左投影机7和二号左投影机9的输入端，二号GRB分配器4的第一、第二输出端分别连接一号右投影机8和二号右投影机10的输入端，一号左投影机7输出的光信号透过一号左眼信号偏振片12投射在立体大屏幕16的左半表面上，一号右投影机8输出的光信号透过一号右眼信号偏振片13投射在立体大屏幕16的左半表面上，二号左投影机9输出的光信号透过二号左眼信号偏振片14投射在立体大屏幕16的右半表面上，二号右投影机10输出的光信号透过二号右眼信号偏振片15投射在立体大屏幕16的右半表面上，左眼镜片17和右眼镜片18接收立体大屏幕16反射的光信号。

单机计算单元1是图像图形信号源。选择RGBHV信号的原因是可以降低信号传输衰减，增加传输距离，使系统配置更为灵活。立体大屏幕16制造中采用一次成型的塑压技术，能够形成系统所需要尺寸的无缝屏幕产品。同时屏幕显示面可以采用特殊处理，能够对投射的光影像有更高效率的漫反射。左眼镜片17和右眼镜片18分别与左眼信号偏振片14和右眼信号偏振片相对应，透过左眼镜片只能看到屏幕上的左眼偏振影像，透过右眼镜片只能看到屏幕上的右眼偏振影像，从而使观察者感受到立体影像。本实施方式中采用的单机计算单元1是双Xeon3.0CPU处理器和2G内存DELL图形工作站。双通道输出图形卡是Nvida公司的FX3400图形卡，单通道最高能够输出2400×1024的高分辨率图像。RGB分配器是Quad Splitter350分配器，能够对一路输入信号有四路的RGBHV信号分转。投影机采用比利时BARCO公司的SIM5+投影机，具有1400×1050的输出分辨率，能够满足双通道融合的需求。立体大屏幕采用美国Stewart公司的Silver 3D产品，具有很好的立体光学显示效果。左眼信号偏振片和右眼信号偏振片都采用比利时BARCO公司生产的圆周偏振片，分别使用垂直型圆周偏振片和水平型圆周偏振片。投影机的选择要根据图形卡的输出分辨率，总的原则是如果要满足图像卡的输出分辨率，采用两通道的输出显示的投影机的分辨率不能小于H/(2-ar％)。

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：它还包括一号监控显示器5和二号监控显示器6，一号监控显示器5的输入端连接在一号GRB分配器3的第三输出端上，二号监控显示器6的输入端连接在二号GRB分配器4的第三输出端上。GRB分配器输出信号进入高分辨率的显示器，能方便操作者监控。其它组成和连接方式与实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与实施方式一的不同点是：一号左投影机7、一号右投影机8、二号左投影机9、二号右投影机10中内置图形分割融合软件，以实现将单机计算单元1输出的图像信号进行分解并在立体大屏幕16的表面上无缝拼接。由于单机计算单元1要实现图形的分解后再在立体大屏幕16上拼接，因此需要进行图形分解后的融合，从而实现双通道显示。其它组成和连接方式与实施方式一相同。

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：它还包括一号空间六自由度可调吊架20和二号空间六自由度可调吊架21，一号左投影机7、一号右投影机8、一号左眼信号偏振片12和一号右眼信号偏振片13固定在一号空间六自由度可调吊架20上，二号左投影机9、二号右投影机10、、二号左眼信号偏振片14和二号右眼信号偏振片15固定在二号空间六自由度可调吊架21上，以便调整投影到立体大屏幕16上的图像，灵活地调整光路。空间六自由度可调吊架20由硬质铝合金制造，从而减小吊装投影机等设备后的弹性形变。

Claims

1、一种基于单机图形工作站的双通道被动立体显示系统，其特征在于：它包括单机计算单元(1)、双通道输出图形卡(2)、一号GRB分配器(3)、二号GRB分配器(4)、一号左投影机(7)、一号右投影机(8)、二号左投影机(9)、二号右投影机(10)、一号左眼信号偏振片(12)、一号右眼信号偏振片(13)、二号左眼信号偏振片(14)、二号右眼信号偏振片(15)、立体大屏幕(16)、左眼镜片(17)和右眼镜片(18)，单机计算单元(1)的输出端连接双通道输出图形卡(2)的输入端以实现图像的分路输出，双通道输出图形卡(2)的两个输出端分别连接一号GRB分配器(3)和二号GRB分配器(4)的输入端实现输入信号分转成两路高增益的RGBHV信号，一号GRB分配器(3)的第一、第二输出端分别连接一号左投影机(7)和二号左投影机(9)的输入端，二号GRB分配器(4)的第一、第二输出端分别连接一号右投影机(8)和二号右投影机(10)的输入端，一号左投影机(7)输出的光信号透过一号左眼信号偏振片(12)投射在立体大屏幕(16)的左半表面上，一号右投影机(8)输出的光信号透过一号右眼信号偏振片(13)投射在立体大屏幕(16)的左半表面上，二号左投影机(9)输出的光信号透过二号左眼信号偏振片(14)投射在立体大屏幕(16)的右半表面上，二号右投影机(10)输出的光信号透过二号右眼信号偏振片(15)投射在立体大屏幕(16)的右半表面上，左眼镜片(17)和右眼镜片(18)接收立体大屏幕(16)反射的光信号。

2、根据权利要求1所述的基于单机图形工作站的双通道被动立体显示系统，其特征在于它还包括一号监控显示器(5)和二号监控显示器(6)，一号监控显示器(5)的输入端连接在一号GRB分配器(3)的第三输出端上，二号监控显示器(6)的输入端连接在二号GRB分配器(4)的第三输出端上。

3、根据权利要求1所述的基于单机图形工作站的双通道被动立体显示系统，其特征在于一号左投影机(7)、一号右投影机(8)、二号左投影机(9)、二号右投影机(10)中内置图形分割融合软件，以实现将单机计算单元(1)输出的图像信号进行分解并在立体大屏幕(16)的表面上无缝拼接。

4、根据权利要求1所述的基于单机图形工作站的双通道被动立体显示系统，其特征在于它还包括一号空间六自由度可调吊架(20)和二号空间六自由度可调吊架(21)，一号左投影机(7)、一号右投影机(8)、一号左眼信号偏振片(12)和一号右眼信号偏振片(13)固定在一号空间六自由度可调吊架(20)上，二号左投影机(9)、二号右投影机(10)、二号左眼信号偏振片(14)和二号右眼信号偏振片(15)固定在二号空间六自由度可调吊架(21)上。