【文章內容簡介】 了先進的高性能HMD。這些系統(tǒng)雖然功能強，但價格往往超過 50萬美元。最初為軍用開發(fā)的高檔 HMD技術已轉向商業(yè)，新的市場已形成了低檔的設計。輕便，中等分辨率（約 1000水平線），彩色，看穿的 HMD在20萬美元以下。較低分辨率系統(tǒng)（ NTSC水平）在 1萬美元以下。中等分辨率非頭盔場順序投影系統(tǒng)在2萬美元以下。等效的 BOOM類系統(tǒng)在 10萬美元以下。商業(yè)壓力會促進資助。 ? 當前的商業(yè)和技術趨勢使 VR的顯示還有幾個缺點。當前最好的系統(tǒng)的分辨率相當于高清晰度TV。高分辨率的寬視場的眼分辨率限制的顯示系統(tǒng)，有待進一步研究。為提供 180176。 (水平 )，120176。 (垂直 )的視場（人的視場），要求顯示設備提供約 4800(水平 ) 3800(垂直 )線的分辨率。應該強調開發(fā)小型高分辨率 CRT或固態(tài)顯示 2．非頭盔的顯示 ? 經(jīng)典的基于 CRT的屏幕和投影顯示有足夠的掃描速率和帶寬，可以用場順序技術產(chǎn)生高分辨率（ 1000水平線）立體顯示。這種形式的高分辨率彩色高帶寬顯示，對屏幕型式約 2022美元，對大屏幕投影方式約為 13000美元。這種立體顯示利用時間順序方法提供左右眼交替的立體顯示對。 ? 在計算機圖形市場上，場順序設備最早的提供者是 Stereographics Corporation。它制造了一系列 LCD光閘眼鏡，它用紅外技術作場同步。這些眼鏡和紅外發(fā)射器可以加到適當?shù)挠嬎銠C和投影系統(tǒng)，在 2022美元以下。 3D TV提供低價格，有線同步的，場順序系統(tǒng)。整個系統(tǒng)價格比可比的頭盔顯示低一個數(shù)量級。 ? 這種立體眼鏡的顯示系統(tǒng)，廣泛應用于計算機圖形學和低檔的 VR系統(tǒng)。它以較低的成本實現(xiàn)了立體顯示。 使用主動立體眼鏡的立體顯示系統(tǒng)。（ a）為標準的布局。其中利用紅外信號傳送同步信號，用于控制液晶眼鏡的開關。眼鏡上備有輕便的鋰電池，眼鏡在無線狀態(tài)下工作 （ b）為用于 VR的布局。除了標準布局中的上述設備外，眼鏡上還有頭部跟蹤的超聲接受器。超聲接受信號要經(jīng)過導線傳給頭部跟蹤系統(tǒng)，眼鏡在有線狀態(tài)下工作 3．混合的立體顯示系統(tǒng) ? Fake空間實驗室開發(fā)了一類顯示，稱為 BOOM。它的顯示器安裝在六自由度支持結構上。用戶以兩手抓住顯示器，轉動顯示器改變觀看方向，好像它是望遠鏡。用按鈕控制，在 VR中向前向后運動。這種粗的地面安裝設備有幾種布局。低檔系統(tǒng)用兩臺 CRT顯示提供 640(水平 ) 480(垂直 )單色分辨率。 BOOM的高檔三色版本提供 1280(水平 ) 1024(垂直 )隔行分辨率，使用彩色濾光技術。BOOM觀看者在六自由度支持結構上有集成的跟蹤傳感器。這個跟蹤系統(tǒng)，在改變觀看方向后5ms以內，很快把方向位置信息送給計算機 下圖表示，BOOM系統(tǒng)的工作原理。圖中可見，由機械臂支持的顯示器 混合的屏幕顯示系統(tǒng)，使用小的顯示表面，通過顯示支持結構支持顯示系統(tǒng)。顯示系統(tǒng)通過伺服控制或人操縱跟隨用戶頭部運動。這些系統(tǒng)去掉了頭盔顯示的慣性約束，并允許用小型高分辨率彩色屏幕顯示設備。此外，通過顯示支持結構的儀表得到頭部位姿信息，于是不增加復雜性就可以得到大的有效的觀看空間。在伺服控制的方案中，由電子機械控制機構產(chǎn)生的延遲和失真必須解決，還要注意與人頭部相連的電源設備的安全問題。人操縱的設備沒有安全問題，但是必須由一兩只手移動視覺設備，于是這一兩只手就不能用于人機交互的任務。 4．多面的顯示系統(tǒng)（ Virtual Environment Enclosure） ? 多表面顯示系統(tǒng)（ Virtual Environment Enclosure）至少具有三個顯示表面。顯示表面可以是墻面，天花板，和地面。它們彼此相連構成房間。最早的布局是立方體的三個顯示墻面和一個顯示地面。典型的尺寸是，每邊長度 10英尺，允許多人同時在這個虛擬環(huán)境中。 ? 多面顯示系統(tǒng)中，同時在三面，四面，五面或六面墻面上顯示圖像。顯示圖像可以充滿整個視場，增加沉浸感。 第一個 Virtual Environment Enclosure是 1991年伊利諾伊（ Illinois）大學開發(fā)的 CAVE（ CAVE Automatic Virtual Environment），它在圖形學會議 SIGGRAPH 92上發(fā)表。由多臺計算機產(chǎn)生的圖像，被鏡面反射到投影屏幕。視點在環(huán)境中的移動，受一個主要用戶的控制。該用戶身上有位置跟蹤設備（如磁跟蹤器），測量他注視的地方。該用戶還用操縱桿控制視點的移動。為了觀看立體顯示，所有用戶都要佩帶立體眼鏡。一個缺點是，除了主要用戶外，每個人都好像乘車一樣，會出現(xiàn)仿真眩暈。 CAVE的房間尺寸是 3039。 2039。 1339。投影機的光學系統(tǒng)被鏡面折疊。每個投影面用單獨的投影材料，在三面墻交界的兩個墻角處，從房頂?shù)降孛胬桓?1/4英寸的纜線。纜線的遮擋會破壞在墻角處的立體效果。CAVE 由 Pyramid Systems, Inc. 銷售。與伊利諾伊大學合作，保持很強的技術支持 C2 是由愛荷華（ Iowa）州立大學制造的。通過與愛荷華工程部的合作，他們試圖改進 CAVE的不足。主要改進包括：移動地板投影由用戶后方到用戶前方。這就把用戶在地板上的陰影移到用戶后方，不至影響顯示。在墻角處，用架子把兩邊的墻面夾在一起，防止有陰影投在屏幕上。用 Unistrut結構，提供更好的立體聲效果。 CABIN （ Computer Aided Booth for Image Navigation）是東京大學制造的五面顯示的系統(tǒng)。它有強化玻璃的地板，還有三面墻和天花板的顯示。得到工業(yè)界支持。 NAVE（ NAVE Automatic Virtual Environment）是由 Geia Tech Virtual Environments Group 制造的。課題成本 $60k，適于用在大學的實驗室。它用視覺和其他物理感覺增強全局的沉浸感。兩個人坐在一個椅子上，采用力反饋手柄控制運動。聲音系統(tǒng)很好。還通過地板發(fā)出震動。用旋轉和閃爍的光線加強氣氛。 C6 正在由愛荷華（ Iowa）州立大學制造，是三維全沉浸的合成環(huán)境。它的房間中，四面墻，地面和天花板都是投影屏幕，顯示背投立體圖像。一面墻可動，允許用戶進出房間。 Virtual Environment Enclosure的改進包括：減小空間要求，增加投影面，增加立體聲音，增加物理反饋，以及降低價格。 下圖表示， CAVE1系統(tǒng)的工作原理。該系統(tǒng)中，前方，左方，右方，上方的四面墻，都是投影屏幕。圖中可以看到，對四個屏幕的四臺投影機和四個反光鏡 CRT、 LCD、 VRD等顯示技術的對比如下 分辨 率 產(chǎn)品 價格 重量 電壓 功耗 環(huán)境 CRT 高 很成 熟 低 重 高壓 大 不很 亮 LCD 低 成熟 低 輕 低壓 小 不很 亮 VRD 很高 沒有 高 很亮 頭盔式、立體眼鏡式、自動立體顯示的對比如下 視場 重 量 約束 價 格 產(chǎn)品 分辨 率 頭盔 大 大 大 高 成熟 較高 立體眼鏡 小 小 小 低 成熟 高 自動立體顯示 大 無 無 無 高 第三節(jié) 聽覺顯示 ? 聽覺顯示概述 ? 虛擬環(huán)境的聽覺接口應能給兩耳提供一對聲波。 ? (1)它應有高逼真性， (2)能以預訂方式改變波形，作為聽者各種屬性和輸出的函數(shù) (包括頭部位姿變化 )， (3)排除所有不是 VR系統(tǒng)產(chǎn)生的聲源 (如真實環(huán)境背景聲音 )。對增強現(xiàn)實系統(tǒng)可以放松上述條件 (3)，它的意圖是組合合成聲音與真實聲音。 ? 為了滿足這些要求，聽覺顯示系統(tǒng)應該包括發(fā)聲設備。下面將介紹兩種發(fā)聲設備。為了使用戶產(chǎn)生置身于某種聲場的臨場感，要求解決聲音空間定位和建模問題。下面也將說明。為了仿真不同類型的聲源，要求合成各類特定聲源的聲音信號。下面只介紹非語音信號的合成 聲音顯示設備 一般講，用耳機最容易達到虛擬現(xiàn)實的要求。在使用喇叭，并遠離頭部時，每個耳朵聽到每個喇叭的聲音，控制問題很困難。雖然商業(yè)化的高逼真電影往往聲稱喇叭有很好的形成聲象能力，但用戶限制在房中單一收聽位置，只得到固定方位聲象（不補償頭部轉動），而且房間的聲學特性不容易處理。此外，由于耳朵完全打開 ,不可能排除環(huán)境中附加的聲音。最后，雖然與耳機有關的接觸感可能限制聽覺臨場感的程度，但是由于用戶需要在虛擬和真實環(huán)境之間來回轉移，這種與耳機接觸可能是有用的。在任何情況，由于視覺接口會存在這些問題。在需要喇叭的情況下，可能發(fā)生高能低頻聲爆破。這種情況，喇叭可能用于振動部分身體，而不僅是耳膜。 （ 1）耳機 耳機有不同的電聲特性，尺寸重量，以及安在耳上的方式。一類耳機是護耳式耳機，它是大的重的，并用護耳墊連在耳朵上。另一類耳機是插入耳機 (或耳塞 )，聲音通過它送到耳中某一點。插入耳機可能很小，并封閉在可壓縮的插塞中 (或適于用戶的耳模 )，它放入耳道中。耳機的發(fā)聲部分也可能遠離耳朵，其輸出的聲音經(jīng)過塑料管連接(一般 2mm內徑 )，它的終端在類似的插塞中。 所有耳機可以送交寬帶寬的聲音 (高達 15kHz)，有適當?shù)木€性和輸出級別 (高達約 110dB聲壓級別 )。為了精確控制耳膜的聲壓，需要知道由耳機驅動電壓到耳膜聲壓的傳輸功能?？梢允褂媒咏さ奶结橕溈孙L聲級測量儀得到信息。這些測量是復雜的，特別是在幾 kHz的頻率。一般，這個傳輸功能更復雜，而且當耳膜與耳機之間的封閉空間的大小增加時，也是不同的 封閉耳朵的護耳式耳機具有比插入耳機更多的共振?？梢灶A計在一個指定的人身上重復安放耳機，會有很大的可變性。但是在高頻下聽力閥值的測量指出，即使在大的超級耳機中，測量 重測量可變性測試得到的差別是小的 (在 14kHz為幾個 dB)。這樣，就不必要對給定的聽者重復測量這個傳輸功能。對某些應用，各人之間的差別可能是不重要的，在一個人的耳朵上的校準就足夠了。 插入耳機 (或耳塞 )，依靠與聲音傳送區(qū)有高的接觸區(qū)域比，可以提供外部聲音較好的衰減 (在 4kHz以上約35dB，在 250Hz以下降到約 25dB)。護耳式耳機可以達到類似的高頻衰減，但只有較少的低頻衰減。最近開發(fā)的主動消噪音護耳式耳機提供高達 15dB附加低頻衰減，因而使其整個衰減特性類似于插入耳機。組合插入耳機和主動消噪音護耳式聽力保護器可以達到最大的衰減。即使包括保護器，價格也不超過 1000美元。 除了在娛樂應用上的工作外 ,在 VR領域涉及聽覺顯示的多數(shù)研究開發(fā)集中在由耳機提供聲音。 但這有兩個缺點。 (1)它要求把設備安在用戶頭上，從而增加負擔。 (2)它只刺激聽者耳膜。 考慮到 (1)，對許多現(xiàn)有的頭部跟蹤技術，頭部跟蹤設備與耳機都必須安在頭上。如果視覺顯示也是頭部安裝的，則與增加耳機有關的人類工程問題就是次要的。即使不要求聽覺顯示，視覺顯示也要求頭部跟蹤器，增加耳機到頭盔顯示后所附加的負擔是較小的。 考慮到 (2)，即使耳機能產(chǎn)生足夠的能量震聾用戶，但通過耳機的刺激不足以給用戶提供聲音能量，影響耳朵以外的身體部位。雖然對 VR領域的多數(shù)應用，聽覺系統(tǒng)對正常聽覺通道的刺激 (外耳、耳膜、中耳、耳蝸等 )是精確的，但是如果希望在環(huán)境中提供真實的高能聲音事件的仿真 (如爆破或高速飛機低空飛過 )，則其它身體部位的聲音仿真也是重要的 (如振動用戶肚子 )。 2．喇叭 設計非耳機聲音顯示 (如喇叭 )多年來是音響工業(yè)的焦點?，F(xiàn)有的許多喇叭系統(tǒng)，象耳機一樣，在動態(tài)范圍、頻率響應和失真等特征上適用于所有 VR應用。它們的價格也是合適的（雖然比耳機更貴），特別是要求在很大的音量上產(chǎn)生很高強度聲音時 (如在大劇場中的強聲音樂 )。 對 VR應用，喇叭系統(tǒng)的主要問題是達到要求的聲音空間定位 (包括聲源的感知定位和聲音的空間感知特性 )。喇叭系統(tǒng)空間定位中的主要問題是難以控制兩個耳膜收到的信號，以及兩個信號之差。在調節(jié)給定系統(tǒng)，對給定的聽者頭部位姿提供適當?shù)母兄獣r，如果用戶頭部離開這個點，這種感知就很快衰減。至今還沒有喇叭系統(tǒng)包含頭部跟蹤信息，并用這些信息隨著用戶頭部位姿變化適當調節(jié)喇叭的輸入。 這個問題在用耳機時不存在。在耳機中，給定的耳膜收到的信號僅取決于該耳的耳機發(fā)出的信號。與耳機情況不同，在用喇叭時，給定耳膜收到的信號受到房間中所有喇叭發(fā)出的所有信號的影響，也取決于聲音在房間中由喇叭到耳膜傳送中經(jīng)受的變換。 在 VE領域中，使用非耳機顯示的一個最有名的系統(tǒng)是 CAVE（伊里諾斯大學開發(fā)的系統(tǒng)）。當前的CAVE系統(tǒng)使用四個同樣的喇叭，安在天花板的四角上，而且其幅度變化 (衰減 )可以仿真方向和距離效果。在正在開發(fā)的系統(tǒng)中，喇叭安在長方體的八個角上，而且把反射和高頻衰減加入用于空間定位的參數(shù)中。Crystal River Engineering開發(fā)的系統(tǒng)使用的方案類似于耳機空間定位系統(tǒng) (如 Convolvotron)，