桌面虚拟现实演示系统研究与实现

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