桌面虚拟现实演示系统研究与实现
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性,平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益,请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间:9:00-18:30)。
桌面虚拟现实演示系统研究与实现
李玉平 张国峰 戴树岭
(北京航空航天大学先进仿真技术航空科技重点实验室 北京 100083) 摘要:讨论了一个廉价的基于PC的半沉浸式(Semi-Immersive[1])桌面虚拟现实(VR, Virtual Reality)演
示系统的实现方法。系统地阐述了桌面虚拟现实演示系统的硬件组成和系统结构,探讨了成像系统的两个
关键技术――立体显示技术和同步技术。利用该平台为某公司实现了一个机械产品演示系统。系统有较高
的性价比,具有很好的推广前景和实用价值。
关键词:虚拟现实 Semi-Immersive 被动式立体显示 背投影模式
1引言
基于投影(Projector-Based)的虚拟现实演示系统中典型的例子是CAVE。CAVE是由4面环绕投影屏幕所组成的沉浸式虚拟现实系统,它给用户较强烈的沉浸感,但这种系统均采用SGI工作站和高档工作站图形卡,成本较高。随着图形卡处理能力的提高以及CPU的快速发展,继CAVE以后,不少研究机构研究了基于PC的CAVE系统(如浙江大学的PCCAVE,德国Fraunhofer IAO的HyPI26),但这种多面立体投影的结构总体造价都不低,而且系统物理框架移动不便,降低了实用性,给其推广带来了阻力。因此对便携、廉价的投影式VR演示系统提出了要求,一种被称为半沉浸式的虚拟现实系统随之产生。
国外便携式半沉浸式虚拟现实系统典型的例子是由EVL(Electronic Visualization Lab at University of Illinois at Chicago)研究开发的ImmersaDesk系列[2]。ImmersaDesk系统一个较大特点是折叠式外形结构,该结构让整个系统可以方便地移动。该系统在会议、展示、教学培训、监控指挥等得到广泛的应用。但ImmesaDesk价格昂贵,它的系列产品之一immersaDesk R2系统,硬件(不包括软件开发)花费就在20万美元左右,不适宜普通的商用、教学或其它应用。
以系统实用性和可推广性作为设计的基本目标,本课题组自主研究开发了一个廉价的、基于PC 的、便携式的半沉浸式桌面虚拟现实系统。系统采用背投影模式,提供60英吋屏幕输出,图象帧速率为30~90HZ,分辨率为1024*768。用户戴上立体眼镜可观察到具有深度感的三维虚拟场景,同时通过操纵手持跟踪设备可实时调节观察位置和角度、抓取场景中实体。
2 系统体系结构
2.1 系统整体结构
从结构上看,系统可以分成四个部分。一是三维图形生成系统,三维图形生成系统采用两台PC,通过千兆以太网同步生成左右眼图像,生成的图像作为投影系统的输入。二是投影系统,投影系统采用背投影模式,将图形生成系统的输出信号经过反光镜的反射投影到屏幕上,这样减少投影空间,达到减少整个系统的体积的目的。三是交互系统,交互系统包括6自由度的跟踪器和立体眼镜。四是“盒子式”机械架构,它将系统硬件包含在一个带滑轮的“盒
图1 系统结构
2.2 系统硬件
系统硬件包括:
1)三维图形生成系统:
计算机。两台通用PC 机, Pentium IV 3.06GHz CPU,512MB 内存, 120GB 硬盘,NVIDIA Quadro4 750 XGL显卡;
网络设备。D-Link 100M/1000M 自适应HUB,D-Link100M/1000M 自适应网卡;
2)投影系统:树脂投影屏幕、投影仪、高反射率反光镜、带调节器的支架;
3)交互系统:六自由度跟踪器、立体眼镜;
4)机械架构。自行设计生产。
2.3 三维图形生成系统
三维图形生成系统是一个基于网络的主从式的图形计算系统。系统采用被动式立体显示模式,用两台PC成像同步输出两幅图像。系统结构图如图2所示。
系统主节点的任务是:
1)管理网络数据,确保双目同步;
2)生成单目图像;
3)处理跟踪器信号。
从节点主要任务是接收主节点的命令,生成另一目图像。
单个节点主要的模块可划分为多个层次。最底层为操作系统,本系统采用windows2000。最高层是开发环境,采用VC++6.0。中间层是图形生成系统的核心部分,它包括图形模块和通信模块。图形模块采用当前主流的NVIDIO QUADRO 750 XGL图形加速卡,该显示卡内置128MB显存,具有每秒80M 的三角形运算及填充能力。3D图形的底层驱动采用3D工业标准API--OpenGL。通信模块使用千兆的D2Link网卡和一个12口的交换式HUB,该模块保证两台计算机同步刷新每一帧图像,同时将跟踪器的
信息通过网络发送给从节点。另外,从上图可以看到,主节点比从节点多一跟踪器模块,该模块接收并处理跟踪器信号,系统只有一个跟踪器,它连接在主节点上,从节点对跟踪信息的获取是通过主节点加上网络传输间接实现。
图2 三维图形成像系统
2.4 投影系统
为了节省投影空间,系统采用了背投影显示系统。背投影显示系统组件包括:投影机、背投影屏幕、反射镜、支架。投影机是投影显示系统重要部件,其性能参数主要有亮度、对比度、发分辨
率等等,其指标性能对屏幕显示好坏起了决定性作用。背投屏幕采用由光学级特殊材料组成的菲涅耳/柱状透镜幕。反射镜采用高质量的正面镀膜反光镜,与普通镜子比较,具有无重影、界面光损小、有介质膜保护和在可见光谱区(380~700nm)具有高反射率的优点。支架将投影仪、投影屏幕、反射镜的位置固定,同时为了提高系统灵活性,支架带有精确调整机构,通过配合调整投影仪和反射镜方向,可达到屏幕角度可调的效果。
2.5 交互系统
为了增强虚拟现实系统的沉浸感,交互系统是必不可少的。本系统中采用立体眼镜和跟踪设备。立体眼镜采用偏振镜片,它的功能主要是屏蔽掉一眼的图像,让左眼只观察到左眼场景,右眼只看到右眼场景,从而形成立体视觉。跟踪设备采用具有6自由度的手持跟踪器。跟踪器跟踪用户手的姿态和位置,让用户通过手的运动控制观察场景的角度和位置。同时,跟踪器提供拾取场景实体的功能,用户可以获取拾取实体的信息(图8)。为了防止在获取数据时的阻塞,系统使用专属的线程获取跟踪设备返回的数据。跟踪设备的响应时间是系统的一个重要的性能参数,这个时间不能过长,否则满足不了实时性要求。经过测试,该跟踪设备的响应时间延迟少,响应时间短,可以满足要求。 2.6 机械架构
系统还设计了一个带滑轮的可折叠的“盒子式”式的机械架构。“盒子”装了系统所需要的所有硬件:两台PC,HUB以及包括投影屏幕、投影仪、反光镜在内的投影系统。当“盒子”折叠起来,整个系统就是一个有滑轮的140CM*110CM*75CM的长方体,可以方便移动;当打开后,它又提供了一个完整的背投影环境(图5)。该机械设计使得整个系统具有独立性和便携性,只要提供电源和较