【科技小论文】多投影面虚拟环境的起源、发展现状及应用

二十一世纪以来，随着计算机、显示、人体感应等高科技的迅猛发展，虚拟现实技术在在商业、工程、教育、科技、医疗等多个领域中受到了广泛的欢迎，虚拟显示技术不仅是信息领域科技工作者和产业界的研究、开发和应用的热点，而且也是多种媒体竞相报道的热点。

虚拟现实（VR）首先要对现实世界中存在的物体进行抽象与建模，然后通过计算机技术将模型组装成一个虚拟的场景，最后通过各类传感设备让用户通过五官感受到虚拟场景的存在，并且能够与虚拟场景中的物体进行实时互动，为用户营造一个自身存在于虚拟现实场景中的气氛。

虚拟现实(VR)是以计算机技术为主，结合应用计算机三维图形建模与仿真、人机交互技术、画面呈现技术、人工智能、伺服技术、环绕音响技术等，来虚拟一个立体视觉、触觉等感觉场景。虚拟现实技术主要包括对环境、感知和传感设备等方面的模拟。虚拟环境是由计算机生成的、动态的立体图像；感知是指像现实世界一样，虚拟现实场景应该具有大部分人所具有的感觉，包括视觉感知在内，还应有听觉、触觉等感知；传感设备是指人机交互设备，常用的有HMD、三维操纵杆等用户可以直接接触到的设备和一些其他的传感设备，如摄像机、Kinect等[3-5]。

（1）多投影面虚拟环境的起源、发展现状及应用

受制于计算机软、硬件技术条件的先知，最初的虚拟现实系统无法采用沉浸式的环境系统，非沉浸式虚拟环境应用十分有限，无法为用户提供足够的感官刺激：计算机系统早期的显示设备不能给用户提供足够的视野范围，用户仅能通过狭窄的计算机显示屏来完成视觉上对虚拟世界的感知，这样的融入非常有限；当时的计算机图形性能也不足以快速生成逼真的三维虚拟世界，使得视觉上感知的真实性也大打折扣；交互方式也仅限于键盘、鼠标等传统计算机输入设备。所以应用面并不算宽广。

能够带给用户沉浸感的虚拟现实技术起源于1965年由计算机图形学界的先驱I. Sutherland博士所发明的HMD头盔式显示系统，头盔可以覆盖用户双眼，在眼睛前方安装两块液晶显示屏幕使得显示内容足以覆盖人的双眼，两块屏幕显示不同的内容来模拟左右眼视差从而让用户产生立体视觉。这样的设计使得用户在视觉上完全脱离的现实世界，仅能够感知由计算机生成的虚拟场景显示于液晶屏幕的图像；交互方式也增加了用户头部运动数据的采集与跟踪，使用户在旋转头部的同时，屏幕上显示的内容也会伴随着用户视点变化而改变。除此之外，还增加了其他的交互方式例如操纵杆，数据手套等，这些设备相比传统的键盘、鼠标，更容易让用户产生沉浸感 [6]。不过，HMD也有一定的缺陷，沉重的头盔会给用户带来不适应的感觉，并且只能提供给单个用户使用，此外，HMD的两片显示屏分辨率也比较低。

自从1993年ruz-Neira博士提出CAVE系统后，基于多投影沉浸式虚拟环境开始飞快的发展。由于多投影沉浸式虚拟环境支持多用户并具有高度沉浸感以及良好的交互性，其在娱乐、教育培训、展览、工业、设计制造等领域均有广泛的应用潜力。但是传统的多投影沉浸式系统均是以专业图形工作站驱动，但是这些图形工作站最致命的缺点在于他们的造价十分昂贵。

随着计算机图形处理硬件、计算能力以及网络和绘制算法的不断提高与发展，大范围、高分辨率显示技术应运而生，采用此技术构建的宽视场角、高分辨率的演示设备在许多领域日益流行，在硬件配置上，这些大规模、高分辨率的演示系统包括由多监视器组成以及由可重构的投影仪阵列组成等几种形式。

1992年在SIGGRAPH年会上DeFanti，Sandin以及Cruz-Neira提出了CAVE(Cave Automatic Virtual Environment)系统[7]。

CAVE是一种由投影显示屏包围而成的洞穴状的立体显示系统，它是第一个获得广泛使用的大范围、宽视场角的立体显示系统，通过四个或者更多个大演示平面使观察者沉浸于虚拟环境中，常见的CAVE系统由四个投影面组成，通常由左、中、右三面墙体及地板构成，形状通常为一立方体，左、中、右三面墙体采用背投方式，而地板采用前投式，五面CAVE和六面CAVE也同时存在，但是它们需要特殊的屏幕来支持用户的重量同时以可移动的屏幕作为进入通道和通气口。

CAVE系统支持多个用户的使用，同时解决了HMD系统造成的用户眼睛不适感的问题。其投影面几乎能覆盖用户的所有视野，给用户一种很强的沉浸感。系统能够允许用户在投影面所围成的立方体内自由移动并可见到该范围内的所有实际对象，用户可感受立方体内物理世界与虚拟世界的融合；CAVE系统的用户能够以一种完全自然的方式，通过身体各部位的运动与虚拟场景进行交互，这是CAVE系统的创新点之一。但CAVE系统显示装置价格昂贵、体积大，要求使用图形处理能力极高的专业图形工作站。

从CAVE提出开始，各种类型基于投影的沉浸式和非沉浸式的虚拟环境相继出现， 1993年德国国家信息技术研究中心GMD的Responsive Workbench[8]是一种单投影面的系统，立体图像通过镜子的折射投影到一个水平的投影平面．用户通过此工作平面来与虚拟对象进行交互。但Responsive Workbench所显示的立体视图只能受控于一位观察者的视点位置和视线方向，其他观察者只能通过各自的立体眼镜观察虚拟对象。因此Responsive Workbench不适合多用户同时使用，并且它只有一个投影面，不能提供大的显示尺寸。

墙式立体显示装置增加了投影面的个数，能够涵盖用户更多的视野范围提供更好的沉浸感，是一种支持多用户的多投影面显示系统[9]。University of Minnesota在1994年提出的PowerWall系统是由多个投影面层迭或并排形成单个面积较大的投影平面，它能够提供高分辨率大面积范围的影像，它主要被应用于科学数据的可视化。University of Illinois在1995年提出的Infinity Wall也是一种类似于PowerWall的多投影面沉浸式虚拟环境，以多个投影面构成一个较大的投影平面，主要应用于面向多用户的展示工作。但是显示装置和CAVE系统一样，由于需要实时生成高分辨率的立体图像，所以传统的系统是由专业图形工作站来驱动的，这造成了该类系统造价昂贵。

曲面多投影沉浸式虚拟环境与平面系统类似，投影仪的影像将投影到一面大型的曲面上而不是平面上。将影像投影到曲面上的想法是将图像投影到连续的曲面上，这样可以降低系统对于跟踪准确度的要求。此类系统具有更好的沉浸感和扩展性，但将图像投影到连续的曲面上会需要将图像进行额外的几何变形以及在边界迭加处的融合等操作[10]。

和一些发达国家相比，我国VR技术还有一定的差距，但已引起政府有关部门和科学家们的高度重视。根据我国的国情，制定了开展VR技术的研究工作。

浙江大学CAD&CG国家重点实验室开发出了CAVE立体显示系统和一套桌面型虚拟建筑环境实时漫游系统，采用了层面迭加绘制技术和预消隐技术，实现了立体视觉，同时还提供了方便的交互工具，使整个系统的实时性和画面的真实感都达到了较高的水平。此外，他们还对系统软件结构等做了深入研究，如AnyGL和wireGL等解决了分布图形计算的可扩展性问题，系统节点数目不受限制。

北航先进仿真技术实验室建立了基于PC的多通道计算机三维图像实时生成系统，他们的系统采用了基于保留模式的绘制体系结构，其应用范围主要为各类歼击机、直升机、空中交通管制（塔台）、汽车驾驶等训练仿真系统、各种工程仿真任务等。

此外，还有西南交通大学仿真中心基于PC集群的分布式列车仿真系统[11]，大连海事大学的大型船舶操纵模拟系统[12]等。

现有的许多虚拟环境的目标是培训学员在特定环境下的决策策略，如人质谈判，地震，跳伞和救火等情形[13,14]。研究开发人员对虚拟游戏、各种训练驾驶仿真器研究较多，例如，Walls等人使用虚拟游艇航行仿真器对逆风游艇航行的性能进行评价[15]。

Thalman领导的研究小组实现了允许带有变形的身体、头部和手的实时动画的虚拟人仿真系统，并在此基础上开发了虚拟网球游戏CyberTennjs[16]和跳舞游戏CyberDance，CyberTennis是一种实时的、网络化的、协作的、虚拟的、交互式的网球游戏仿真系统。C．Smash开发了一个基于PC的乒乓球游戏。林柏伟等人将C.Smash游戏移植到PC-CAVE系统上，开发了PC-CAVESmash系统。通过CAVE的大视野立体显示以及自然的交互方式（跟踪器放在球拍上），用户就能在CAVE环境内进行逼真的乒乓球赛。

1996年，耗资四百万美元，历时8年由发明家Jim Rodnunsky开发的滑雪撬和滑雪板仿真器[17]能够模拟科罗拉多州的著名滑雪场地。帆船帆板项目担负着胜利完成2008奥运会金牌任务的重任，国家体育总局体育科学研究所体育系统仿真实验室正在研发一种VR帆船帆板训练系统[18]。

近年来，国外很多大学已经开始着力于自行车模拟器的研究，希望将其广泛应用于娱乐、健身、运动员训练等领域。德国Tuebignen大学在1997年研制的自行车模拟器[19]，由大型圆锥形投影屏幕以及简单的固定基运动产生系统组成，但体感效果较差。韩国科技大学Dong-Soo Kwon，Jung-Hyun Ahn等，基于六自由度Stewart并联机构开发了自行车模拟仿真器[20]，

立体显示系统能让很多人很方便及时看到具有立体感的艺术品，对于没有接触过艺术品的孩子来说，是一种特别有效的欣赏教育手段[21]。

在国外，DTI公司目前拥有大部分全球最主要的平面/立体液晶立体影像相关的专利权”DTI的独有技术是视差照明技术，实现方法是在显示液晶后形成一系列的极细的照明线条分别照明不同的像素，使左右眼分别看到不同的像素，飞利浦的平面/立体液晶显示技术是微透镜投射技术,实现方法是在液晶像素前加上微透镜阵列,投射对应的像素给双眼[22]。

2. 边缘融合、几何校正以及信号同步的发展现状

边缘融合领域，R.Raskar等提出了一种叫做alpha blending的方法来实现边缘融合，基本理念是为每个投影通道分配一个掩膜，掩膜存储着各通道图像每个像素的亮度衰减权值。经过不断改进，Yang R等提出了一个精确的亮度权值衰减的数学模型，其可以由线性到高阶弯曲变化，且考虑到了Gamma矫正，得到了可以由线性变换到高阶幂函数的精确数学模型作为融合曲线[23]。由此形成了经典边缘融合方法的数学模型，绝大部分国内外学者都采用该数学模型进行边缘融合，并得到了较好的使用效果。

对于数字图像几何校正技术，国内外的众多专家学者研究重心都放在了获取图像畸变关系H上，即基于传统图像处理理论,数字图像校正的先决条件即要获得图像畸变关系H,然后利用该畸变关系，反演出变换矩阵H-1，利用H-1对图像进行反变换。国内外学者倾向于基于考察多维空间内曲面映射的方法，来获取计算机内部图像与实际投影的畸变[24]。

分布在不同主机或设备的应用要相互协调工作，共同完成一项任务，就需要在这些系统之间有一个准确、统一的时钟。当前时钟同步研究领域也根据不同的应用朝着多元化发展。在以太网领域，RFC-1305中有软件为主的NTP协议；有软硬件结合，对总线要求较高的IEEEI588中的PTP协议[25]。