第3章虚拟现实系统的输出设备● 中国弦大學
第3章 虚拟现实系统的输出设备
导学 、学习目标 二、重点、难点 了解图形显示设备的概念 1.重点:图形显示设备、声音显 了解人类视觉系统原理;掌 示设备、接触反馈和力反馈的基 握头盔显示器的概念和常用 头盔显示器;了解立体眼镜 本概念和区别;常用头盔显示器 的原理。 沉浸式立体投影显示系统、立 体眼镜(鹰眼)、基于HRTF的三 2.了解声音显示设备的概念; 维声音和基于扬声器的三维声音 解人类听觉系统原理; 的概念和原理。 解 Convolvotron处理器基于 扬声器的三维声音的原理和2难点:人类视觉系统原理、人 用 类听觉系统原理和人类触觉系统 3.掌握接触反馈和力反馈的概 原理。 念与区别;了解人类触觉系 统原理;了解ⅳ otion触觉 反馈手套的原理和应用 国张大學
导学 一、学习目标 1. 了解图形显示设备的概念; 了解人类视觉系统原理;掌 握头盔显示器的概念和常用 头盔显示器;了解立体眼镜 的原理。 2. 了解声音显示设备的概念; 了解人类听觉系统原理;了 解Convolvotron处理器基于 扬声器的三维声音的原理和 应用。 3. 掌握接触反馈和力反馈的概 念与区别;了解人类触觉系 统原理;了解iMotion触觉 反馈手套的原理和应用。 二、重点、难点 1.重点:图形显示设备、声音显 示设备、接触反馈和力反馈的基 本概念和区别;常用头盔显示器 、沉浸式立体投影显示系统、立 体眼镜(鹰眼)、基于HRTF的三 维声音和基于扬声器的三维声音 的概念和原理。 2.难点:人类视觉系统原理、人 类听觉系统原理和人类触觉系统 原理
3.图形显示设备 图形显示设备:一种计算机接口设备,它把计算机合成的 场景图像展现给虚拟世界中参与交互的用户。 3.1.1人类视觉系统 人眼有126000000个感光器,这 固定点 左眼视图 些感光器不均匀地分布在视网膜 。视网膜的中心区域(绕眼睛会角一: 视轴几十度的范围)称为中央凹, 视场 图像视差 它是高分辨率的色彩感知区域, 周围是低分辨率的感知区域。被 显示的图像中投影到中央凹的部 右眼视图 分代表聚焦区。 在仿真过程中,观察者的焦点是 无意识地动态变化的。如果能跟人关立体视觉的生理模型 踪到眼睛的动态变化,就可以探 测到焦点的变化。 国张大學
3.1图 形 显 示 设 备 图形显示设备:一种计算机接口设备,它把计算机合成的 场景图像展现给虚拟世界中参与交互的用户。 3.1.1 人类视觉系统 人眼有126 000 000个感光器,这 些感光器不均匀地分布在视网膜 上。视网膜的中心区域(绕眼睛 视轴几十度的范围)称为中央凹, 它是高分辨率的色彩感知区域, 周围是低分辨率的感知区域。被 显示的图像中投影到中央凹的部 分代表聚焦区。 在仿真过程中,观察者的焦点是 无意识地动态变化的。如果能跟 踪到眼睛的动态变化,就可以探 测到焦点的变化。 人类立体视觉的生理模型
3.图形显示设备 311人类视觉系统 人类视觉系统的另一个重要特性是 固定点 左眼视图 视场( Field ofⅤiew,简称FOV)。 会案角~ 视场 只眼睛的水平视场大约150°,垂直 图像视差 视场大约120°;双眼的水平视场大 约180°,垂直视场大约120°。大 右眼视图 脑利用两只眼睛看到的图像位置的 水平位移测量深度,也就是观察者 人类立体视觉的生理模型 到场景中虚拟对象的距离 国张大學
3.1图 形 显 示 设 备 3.1.1 人类视觉系统 人类视觉系统的另一个重要特性是 视场(Field Of View,简称FOV)。一 只眼睛的水平视场大约150°,垂直 视场大约120°;双眼的水平视场大 约180°,垂直视场大约120°。大 脑利用两只眼睛看到的图像位置的 水平位移测量深度,也就是观察者 到场景中虚拟对象的距离。 人类立体视觉的生理模型
@3.1图形显示设备 31.1人类视觉系统 在视场中,眼睛定位观察者周围 的对象,例如对象A位于对象B的 A 后面。当目光集中在对象B的 固定点 左眼视图 个特征点时,聚焦在固定点F上 视轴和固定点的连线之间的夹角 会聚角; 视场 确定了会聚角。这个角度同时也 图像视差 依赖于左眼瞳孔和右眼瞳孔之间 的距离,这个距离称为内瞳距 (IPD)。IPD是人们解释真实世 右眼视图 界中距离对象远近的基线,IPD越 大,会聚角就越大。由于固定点F 对于两只眼睛的位置不同,因此 人类立体视觉的生理模型 在左眼和右眼呈现出水平位移, 这个位移称为图像视差。 国张大學
3.1图 形 显 示 设 备 3.1.1 人类视觉系统 在视场中,眼睛定位观察者周围 的对象,例如对象A位于对象B的 后面。当目光集中在对象B的一 个特征点时,聚焦在固定点F上。 视轴和固定点的连线之间的夹角 确定了会聚角。这个角度同时也 依赖于左眼瞳孔和右眼瞳孔之间 的距离,这个距离称为内瞳距 (IPD)。IPD是人们解释真实世 界中距离对象远近的基线,IPD越 大,会聚角就越大。由于固定点F 对于两只眼睛的位置不同,因此 在左眼和右眼呈现出水平位移, 这个位移称为图像视差。 人类立体视觉的生理模型
@3.1图形显示设备 31.1人类视觉系统 为了使人脑能理解虚拟世界中的深度,VR的图形显示设备 必须能产生同样的图像视差。实现立体图形显示,需要输 出两幅有轻微位移的图像。当使用两个设备时(比如头盔 显示器),每个设备都为相应的眼睛展示它生成的图像; 当使用一个显示设备时,需要按时间顺序(例如使用快门 眼镜)或空间顺序(例如自动立体图像显示)一次产生两 幅图像 深度知觉,与大视场和高分辨率图像一起,是决定用户在 模拟世界中主观沉浸感的重要因素。设计满足所有这些需 要,同时符合人机工程学的要求,并且价格便宜的图形显 示设备,是一项非常艰难的技术任务 国张大學
3.1图 形 显 示 设 备 3.1.1 人类视觉系统 为了使人脑能理解虚拟世界中的深度,VR的图形显示设备 必须能产生同样的图像视差。实现立体图形显示,需要输 出两幅有轻微位移的图像。当使用两个设备时(比如头盔 显示器),每个设备都为相应的眼睛展示它生成的图像; 当使用一个显示设备时,需要按时间顺序(例如使用快门 眼镜)或空间顺序(例如自动立体图像显示)一次产生两 幅图像。 深度知觉,与大视场和高分辨率图像一起,是决定用户在 模拟世界中主观沉浸感的重要因素。设计满足所有这些需 要,同时符合人机工程学的要求,并且价格便宜的图形显 示设备,是一项非常艰难的技术任务
3.图形显示设备 3.12头盔显示器 头盔显示器(HMD)是常见的立体显示设备,利用头盔 显示器将人对外界的视觉、听觉封闭,引导用户产生一种 身在虚拟环境中的感觉。 1.头盔显示器原理 1)头盔显示器把图像投影到 虚拟图像像素 用户面前1-5m的位置,如右图所 虚拟图像… 光轴 B2 示。通过放置在HMD小图像面 素 板和用户眼睛之间的特殊光学镜 屏:4-A2 焦距 片,能使眼睛聚焦在很近的距离 而不易感到疲劳,同时也能起到 光学镜片 放大小面板中图像的作用,使它 眼睛间隙 出口孔直径 尽可能填满人眼的视场 简化的HMD光学模型 国张大學
3.1图 形 显 示 设 备 3.1.2 头盔显示器 头盔显示器(HMD)是常见的立体显示设备,利用头盔 显示器将人对外界的视觉、听觉封闭,引导用户产生一种 身在虚拟环境中的感觉。 1.头盔显示器原理 (1)头盔显示器把图像投影到 用户面前1-5m的位置,如右图所 示。通过放置在HMD小图像面 板和用户眼睛之间的特殊光学镜 片,能使眼睛聚焦在很近的距离 而不易感到疲劳,同时也能起到 放大小面板中图像的作用,使它 尽可能填满人眼的视场 简化的HMD光学模型
@3.1图形显示设备 3.12头盔显示器 (2)头盔显示器的显示技术 普通消费级的HMD使用LCD显示器,主要是为个人观看 电视节目和视频游戏设计,而不是为VR设计的。当集成 到ⅤR系统中时,需要把图形流输出的红绿蓝信号格式转 换成NTSC/PAL,如下图所示。 单视场VR系统 HMD HMD 控制器 头部调节棘轮 RGB-NTSC 图形硬件 视图计算 转换器 普通消费级(单视场)HMD 国张大學
3.1图 形 显 示 设 备 3.1.2 头盔显示器 (2)头盔显示器的显示技术 普通消费级的HMD使用LCD显示器,主要是为个人观看 电视节目和视频游戏设计,而不是为VR设计的。当集成 到VR系统中时,需要把图形流输出的红绿蓝信号格式转 换成NTSC/PAL,如下图所示。 普通消费级(单视场)HMD
@3.1图形显示设备 3.12头盔显示器 (2)头盔显示器的显示技术 专业级HMD设备则使用CRT的显示器,它能产生更高的 分辨率,是专门为ⅤR交互设计的,它接受RGB视频输入 。如下图所示,在图形流中,两个RGB信号被直接发送给 HMD控制单元,用于立体观察。通过跟踪用户的头部运 动,把位置数据发送给ⅤR引擎,用于图形计算。 立体显示ⅤR系统 HMD COMPUTER SYSTEM HMD 控制器 图形硬件 左眼计算 接收器 图形硬件 右眼计算 HMD 跟踪器控制 专业级(立体显示)HMD 国张大學
3.1图 形 显 示 设 备 3.1.2 头盔显示器 (2)头盔显示器的显示技术 专业级HMD设备则使用CRT的显示器,它能产生更高的 分辨率,是专门为VR交互设计的,它接受RGB视频输入 。如下图所示,在图形流中,两个RGB信号被直接发送给 HMD控制单元,用于立体观察。通过跟踪用户的头部运 动,把位置数据发送给VR引擎,用于图形计算。 专业级(立体显示)HMD
@3.1图形显示设备 3.12头盔显示器 2.常见头盔显示器 (1)Ⅴ irtual research1280数字头盔 Virtual research vr1280是一款 双路输入SXGA(1280×1024) 分辨率反射FCOS头戴式显示器, 适用于高级虚拟现实应用领域。 该产品将高亮度、高分辨率彩色 微型显示器与量身设计的光学设 备相结合,带给用户60°宽视域 的无与伦比的视觉灵敏度体验。 VR280数字头盔 国张大學
3.1图 形 显 示 设 备 3.1.2 头盔显示器 2.常见头盔显示器 (1)Virtual Research 1280数字头盔 Virtual Research VR1280是一款 双路输入SXGA(1280×1024) 分辨率反射FLCOS头戴式显示器, 适用于高级虚拟现实应用领域。 该产品将高亮度、高分辨率彩色 微型显示器与量身设计的光学设 备相结合,带给用户60°宽视域 的无与伦比的视觉灵敏度体验。 VR1280数字头盔