專利名稱：基于單機(jī)圖形工作站的雙通道被動立體顯示系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種立體顯示系統(tǒng)，屬于虛擬現(xiàn)實(shí)和系統(tǒng)仿真演示領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在實(shí)現(xiàn)立體顯示輸出上，目前成熟的技術(shù)有主動立體技術(shù)、被動立體技術(shù)和INFITEC技術(shù)。在主動立體技術(shù)中，計(jì)算機(jī)信號交替輸出左右眼立體圖形信號，同時計(jì)算機(jī)控制的同步發(fā)射器控制主動立體眼鏡的左右眼液晶開關(guān)，開和關(guān)與屏幕圖像同步顯示，從而使觀察者感受到立體影像。這種技術(shù)需要計(jì)算機(jī)有非常高的圖像刷新率才能使觀察者感受不到圖像的閃爍。INFITEC技術(shù)利用每個通道輸出到每只眼的光的頻率段不同的原理進(jìn)行顯示。被動立體顯示技術(shù)采用的是圖像偏振技術(shù)，光的偏振實(shí)際上是利用某一特定方向的光波進(jìn)行顯示的原理，由于左眼圖像和右眼圖像采用不同的偏振片，造成光波的方向不一致，從而進(jìn)入觀察者左右眼的圖像有差異，形成立體感覺。這三種技術(shù)相比較而言，INFITEC技術(shù)效果更好，但對投影機(jī)的要求很高，價格就很高。主動立體技術(shù)容易存在圖形閃爍問題。當(dāng)前的圓周偏振技術(shù)解決了觀察者視角不能變換問題，應(yīng)用很廣，通常能夠滿足用戶的需要。
從中小型用戶的角度來看，在滿足應(yīng)用需求的情況下，首先希望采用高性價比的技術(shù)方案；其次，如果高分辨率的顯示輸出僅作為大系統(tǒng)的一部分，甚至是一小部分，那么對高分辨率顯示輸出的研究不應(yīng)占據(jù)大系統(tǒng)的更多時間，工作的側(cè)重點(diǎn)應(yīng)該在大系統(tǒng)的底層技術(shù)上。因此建立單機(jī)圖形工作站的被動立體顯示技術(shù)方案對實(shí)際應(yīng)用具有重要的價值。
由于人的雙眼間有4-6厘米的距離，所以實(shí)際上看物體時兩只眼睛中的圖像是有差別的。兩幅不同的圖像輸送到大腦后，看到的是有景深的圖像。這就是計(jì)算機(jī)和投影系統(tǒng)的立體成像原理。依據(jù)這個原理，結(jié)合不同的立體技術(shù)手段，只要符合常規(guī)的觀察角度，即產(chǎn)生合適的圖像偏移，形成立體圖像并不困難。從計(jì)算機(jī)和投影系統(tǒng)角度看，根本問題是圖像的顯示刷新率問題，即立體帶寬指標(biāo)問題。如果立體帶寬足夠，任何計(jì)算機(jī)、顯示器和投影機(jī)顯示立體圖像都沒有問題。但如果從觀察者的角度來看會發(fā)現(xiàn)有很多區(qū)別。由于人們平時觀察物體時并沒有所謂的刷新率問題，就不會產(chǎn)生立體圖像的質(zhì)量問題。
當(dāng)計(jì)算機(jī)的顯示器刷新頻率低于60時，眼睛會感到屏幕圖像在閃爍，長時間觀看會不舒服。對計(jì)算機(jī)而言，立體成像的關(guān)鍵是能對應(yīng)人的左右眼輸出兩幅圖像。由于目前計(jì)算機(jī)發(fā)展水平的限制，兩幅圖像不能同時輸出，必須交替輸出，因而實(shí)際上左或右圖像的刷新率只能達(dá)到計(jì)算機(jī)平時圖像刷新率的一半。如果計(jì)算機(jī)的刷新率為96Hz，左右眼的立體圖像刷新率實(shí)際為48Hz。
早期由于投影技術(shù)水平的限制，在建立顯示系統(tǒng)時將計(jì)算機(jī)信號直接連接投影機(jī)進(jìn)行放大輸出，在屏幕上看到的立體圖像刷新率與在顯示器上看到的沒有任何區(qū)別。即使投影機(jī)本身圖像刷新率指標(biāo)高也無濟(jì)于事，因?yàn)楦咚⑿侣蕡D像根本沒有到達(dá)投影機(jī)。這種立體成像的技術(shù)就是主動立體技術(shù)，與之配套的主動立體眼鏡實(shí)際上是計(jì)算機(jī)同步控制的左右眼液晶開關(guān)，開和關(guān)與屏幕圖像顯示同步。帶來的問題之一就是立體眼鏡的頻繁開關(guān)閃爍帶來眼睛的不適，每個用過的人都深有體會。
上世紀(jì)末出現(xiàn)了被動立體顯示技術(shù)。它的原理中計(jì)算機(jī)端信號特性沒有任何變化，只是先將圖像信號輸出到信號分轉(zhuǎn)設(shè)備，再連接到兩臺有立體顯示功能的投影機(jī)輸出的屏幕。由于看被動立體圖像時用的是偏振立體眼鏡，其外觀、感覺與普通的眼鏡幾乎沒有區(qū)別，觀看圖像時不會產(chǎn)生頻繁開關(guān)的閃爍現(xiàn)象，消除了傳統(tǒng)立體的不好感覺。
由于受到器件發(fā)展的限制，目前的單機(jī)投影器很難達(dá)到客戶滿意的分辨率，為實(shí)現(xiàn)更好分辨率的影像輸出，還要采用多通道的融合技術(shù)。這種方法根據(jù)投影機(jī)的分辨率和融合區(qū)域的大小，將計(jì)算機(jī)輸出的高分辨率圖像在投影機(jī)內(nèi)進(jìn)行分解和無縫拼接，即通道融合，從而輸出高分辨率的大圖像。假設(shè)計(jì)算機(jī)輸出的水平圖像分辨率是H像素，融合區(qū)的水平大小為ar％(水平)，則為實(shí)現(xiàn)在大屏幕上圖形水平分辨率達(dá)到H像素，則每臺投影機(jī)的輸出分辨率至少為H/(2-ar％)，如果每臺投影機(jī)的物理水平分辨率是H1像素，要實(shí)現(xiàn)兩通道的H像素分辨率輸出，要求H1≥H/(2-ar％)，否則，需要三通道或更多通道的輸出。
實(shí)現(xiàn)高分辨率的立體顯示是當(dāng)今虛擬現(xiàn)實(shí)和仿真模擬技術(shù)中的重要環(huán)節(jié)。由于當(dāng)前投影機(jī)的分辨率很難達(dá)到所需求的高分辨率，因而學(xué)者們提出了利用多通道融合技術(shù)，采用用戶開發(fā)集群實(shí)現(xiàn)對多臺投影機(jī)的輸出圖形融合，以輸出高分辨率的大屏幕影像。這種利用計(jì)算機(jī)集群實(shí)現(xiàn)的多通道融合是目前普遍采用的技術(shù)方案，從理論上講，這種技術(shù)方案可以實(shí)現(xiàn)所需要的融合通道數(shù)量，如可實(shí)現(xiàn)9通道球形、3通道柱形的影像輸出。但這種技術(shù)方案必須利用計(jì)算機(jī)集群作為后臺的支持，用戶開發(fā)集群結(jié)構(gòu)軟件是首先面臨的巨大挑戰(zhàn)，同時復(fù)雜的集群結(jié)構(gòu)軟件在與其他系統(tǒng)的通信接口上會更為復(fù)雜。此外，這種技術(shù)方案一般只能顯示某種特定的應(yīng)用，其他情況(如視頻等)只需要使用其中的一個通道，從應(yīng)用的角度看很不方便。最后，也是最為重要的問題是這種技術(shù)方案的價格非常高，中小型用戶很難接受。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種基于單機(jī)圖形工作站的雙通道被動立體顯示系統(tǒng)，以克服現(xiàn)有技術(shù)利用計(jì)算機(jī)集群作為后臺支持所帶來的用戶開發(fā)集群結(jié)構(gòu)軟件比較復(fù)雜以及同步通信接口更為復(fù)雜的缺陷。它包括單機(jī)計(jì)算單元1、雙通道輸出圖形卡2、一號GRB分配器3、二號GRB分配器4、一號左投影機(jī)7、一號右投影機(jī)8、二號左投影機(jī)9、二號右投影機(jī)10、一號左眼信號偏振片12、一號右眼信號偏振片13、二號左眼信號偏振片14、二號右眼信號偏振片15、立體大屏幕16、左眼鏡片17和右眼鏡片18，單機(jī)計(jì)算單元1的輸出端連接雙通道輸出圖形卡2的輸入端以實(shí)現(xiàn)圖像的分路輸出，雙通道輸出圖形卡2的兩個輸出端分別連接一號GRB分配器3和二號GRB分配器4的輸入端實(shí)現(xiàn)輸入信號分轉(zhuǎn)成兩路高增益的RGBHV信號，一號GRB分配器3的第一、第二輸出端分別連接一號左投影機(jī)7和二號左投影機(jī)9的輸入端，二號GRB分配器4的輸出端分別連接一號右投影機(jī)8和二號右投影機(jī)10的輸入端，一號左投影機(jī)7輸出的光信號透過一號左眼信號偏振片12投射在立體大屏幕16的左半表面上，一號右投影機(jī)8輸出的光信號透過一號右眼信號偏振片13投射在立體大屏幕16的左半表面上，二號左投影機(jī)9輸出的光信號透過二號左眼信號偏振片14投射在立體大屏幕16的右半表面上，二號右投影機(jī)10輸出的光信號透過二號右眼信號偏振片15投射在立體大屏幕16的右半表面上，左眼鏡片17和右眼鏡片18接收立體大屏幕16反射的光信號。
本發(fā)明工作時，一號左投影機(jī)7和二號左投影機(jī)9輸出被動立體顯示方式的左眼圖形信號，一號右投影機(jī)8和二號右投影機(jī)10輸出被動立體顯示方式的右眼圖形信號。一號左投影機(jī)7和一號右投影機(jī)8輸出的影像顯示在立體大屏幕16的左半部分，二號左投影機(jī)9和二號右投影機(jī)10輸出的影像顯示在立體大屏幕16的右半部分，從而形成圖像的左右雙通道的高分辨率顯示。一號左眼信號偏振片12和二號左眼信號偏振片14對輸出的左眼圖形信號進(jìn)行光過濾，產(chǎn)生左眼偏振影像，一號右眼信號偏振片13和二號右眼信號偏振片15對輸出的右眼圖形信號進(jìn)行光過濾，產(chǎn)生右眼偏振影像。左右眼偏振影像同時投射到立體大屏幕16上。透過左眼鏡片只能看到屏幕上的左眼偏振影像，透過右眼鏡片只能看到屏幕上的右眼偏振影像，從而使觀察者感受到立體影像。本發(fā)明利用單臺圖形工作站來實(shí)現(xiàn)雙通道的被動立體影像輸出。這種技術(shù)方案中采用了對高分辨率大圖像的分解和無縫拼接技術(shù)，以及圓周偏振被動立體顯示技術(shù)，在滿足用戶需求的范圍內(nèi)，降低了系統(tǒng)的價格，減少了軟件開發(fā)的復(fù)雜度，提供了簡便的操作和靈活的系統(tǒng)間通訊接口。本發(fā)明的技術(shù)效果是與傳統(tǒng)技術(shù)比較首先是通用性好，以往的多通道仿真系統(tǒng)一般只能顯示某種特定的應(yīng)用，在其他情況下只能用其中一個通道，從應(yīng)用的角度看不方便，應(yīng)用高分辨率圖像分解與無縫拼接技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)任意圖像輸出，眾所周知，單臺計(jì)算機(jī)的使用是非常靈活的。其次應(yīng)用開發(fā)和維護(hù)簡單。從軟件開發(fā)的角度看，用戶開發(fā)集群結(jié)構(gòu)軟件比單節(jié)點(diǎn)軟件要大很多，從維護(hù)看，單機(jī)比多級容易得多；對使用人員而言始終操作的都是一臺計(jì)算機(jī)，不用考慮其他復(fù)雜問題。最后是節(jié)省資源。其他方式的多通道系統(tǒng)需要更高的投入成本，在維護(hù)和管理上開銷也比較大，同時也會在計(jì)算機(jī)多通道圖像輸出配置方面給應(yīng)用經(jīng)常帶來諸如同步、輸出顏色一致控制等方面的問題。從硬件發(fā)展的角度來看，本發(fā)明給出的兩通道被動立體顯示裝置完全可以擴(kuò)展到三通道，從而帶來更高分辨率的圖形輸出，而不會浪費(fèi)現(xiàn)在的硬件資源。


圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式
具體實(shí)施方式
一下面結(jié)合圖1具體說明本實(shí)施方式。它由單機(jī)計(jì)算單元1、雙通道輸出圖形卡2、一號GRB分配器3、二號GRB分配器4、一號左投影機(jī)7、一號右投影機(jī)8、二號左投影機(jī)9、二號右投影機(jī)10、一號左眼信號偏振片12、一號右眼信號偏振片13、二號左眼信號偏振片14、二號右眼信號偏振片15、立體大屏幕16、左眼鏡片17和右眼鏡片18組成，單機(jī)計(jì)算單元1的輸出端連接雙通道輸出圖形卡2的輸入端以實(shí)現(xiàn)圖像的分路輸出，雙通道輸出圖形卡2的兩個輸出端分別連接一號GRB分配器3和二號GRB分配器4的輸入端實(shí)現(xiàn)輸入信號分轉(zhuǎn)成兩路高增益的RGBHV信號，一號GRB分配器3的第一、第二輸出端分別連接一號左投影機(jī)7和二號左投影機(jī)9的輸入端，二號GRB分配器4的第一、第二輸出端分別連接一號右投影機(jī)8和二號右投影機(jī)10的輸入端，一號左投影機(jī)7輸出的光信號透過一號左眼信號偏振片12投射在立體大屏幕16的左半表面上，一號右投影機(jī)8輸出的光信號透過一號右眼信號偏振片13投射在立體大屏幕16的左半表面上，二號左投影機(jī)9輸出的光信號透過二號左眼信號偏振片14投射在立體大屏幕16的右半表面上，二號右投影機(jī)10輸出的光信號透過二號右眼信號偏振片15投射在立體大屏幕16的右半表面上，左眼鏡片17和右眼鏡片18接收立體大屏幕16反射的光信號。
單機(jī)計(jì)算單元1是圖像圖形信號源。選擇RGBHV信號的原因是可以降低信號傳輸衰減，增加傳輸距離，使系統(tǒng)配置更為靈活。立體大屏幕16制造中采用一次成型的塑壓技術(shù)，能夠形成系統(tǒng)所需要尺寸的無縫屏幕產(chǎn)品。同時屏幕顯示面可以采用特殊處理，能夠?qū)ν渡涞墓庥跋裼懈咝实穆瓷?。左眼鏡片17和右眼鏡片18分別與左眼信號偏振片14和右眼信號偏振片相對應(yīng)，透過左眼鏡片只能看到屏幕上的左眼偏振影像，透過右眼鏡片只能看到屏幕上的右眼偏振影像，從而使觀察者感受到立體影像。本實(shí)施方式中采用的單機(jī)計(jì)算單元1是雙Xeon3.0CPU處理器和2G內(nèi)存DELL圖形工作站。雙通道輸出圖形卡是Nvida公司的FX3400圖形卡，單通道最高能夠輸出2400×1024的高分辨率圖像。RGB分配器是Quad Splitter350分配器，能夠?qū)σ宦份斎胄盘栍兴穆返腞GBHV信號分轉(zhuǎn)。投影機(jī)采用比利時BARCO公司的SIM5+投影機(jī)，具有1400×1050的輸出分辨率，能夠滿足雙通道融合的需求。立體大屏幕采用美國Stewart公司的Silver 3D產(chǎn)品，具有很好的立體光學(xué)顯示效果。左眼信號偏振片和右眼信號偏振片都采用比利時BARCO公司生產(chǎn)的圓周偏振片，分別使用垂直型圓周偏振片和水平型圓周偏振片。投影機(jī)的選擇要根據(jù)圖形卡的輸出分辨率，總的原則是如果要滿足圖像卡的輸出分辨率，采用兩通道的輸出顯示的投影機(jī)的分辨率不能小于H/(2-ar％)。
具體實(shí)施方式
二下面結(jié)合圖1具體說明本實(shí)施方式。本實(shí)施方式與實(shí)施方式一的不同點(diǎn)是它還包括一號監(jiān)控顯示器5和二號監(jiān)控顯示器6，一號監(jiān)控顯示器5的輸入端連接在一號GRB分配器3的第三輸出端上，二號監(jiān)控顯示器6的輸入端連接在二號GRB分配器4的第三輸出端上。GRB分配器輸出信號進(jìn)入高分辨率的顯示器，能方便操作者監(jiān)控。其它組成和連接方式與實(shí)施方式一相同。
具體實(shí)施方式
三本實(shí)施方式與實(shí)施方式一的不同點(diǎn)是一號左投影機(jī)7、一號右投影機(jī)8、二號左投影機(jī)9、二號右投影機(jī)10中內(nèi)置圖形分割融合軟件，以實(shí)現(xiàn)將單機(jī)計(jì)算單元1輸出的圖像信號進(jìn)行分解并在立體大屏幕16的表面上無縫拼接。由于單機(jī)計(jì)算單元1要實(shí)現(xiàn)圖形的分解后再在立體大屏幕16上拼接，因此需要進(jìn)行圖形分解后的融合，從而實(shí)現(xiàn)雙通道顯示。其它組成和連接方式與實(shí)施方式一相同。
具體實(shí)施方式
四下面結(jié)合圖1具體說明本實(shí)施方式。本實(shí)施方式與實(shí)施方式一的不同點(diǎn)是它還包括一號空間六自由度可調(diào)吊架20和二號空間六自由度可調(diào)吊架21，一號左投影機(jī)7、一號右投影機(jī)8、一號左眼信號偏振片12和一號右眼信號偏振片13固定在一號空間六自由度可調(diào)吊架20上，二號左投影機(jī)9、二號右投影機(jī)10、、二號左眼信號偏振片14和二號右眼信號偏振片15固定在二號空間六自由度可調(diào)吊架21上，以便調(diào)整投影到立體大屏幕16上的圖像，靈活地調(diào)整光路。空間六自由度可調(diào)吊架20由硬質(zhì)鋁合金制造，從而減小吊裝投影機(jī)等設(shè)備后的彈性形變。
權(quán)利要求
1.一種基于單機(jī)圖形工作站的雙通道被動立體顯示系統(tǒng)，其特征在于它包括單機(jī)計(jì)算單元(1)、雙通道輸出圖形卡(2)、一號GRB分配器(3)、二號GRB分配器(4)、一號左投影機(jī)(7)、一號右投影機(jī)(8)、二號左投影機(jī)(9)、二號右投影機(jī)(10)、一號左眼信號偏振片(12)、一號右眼信號偏振片(13)、二號左眼信號偏振片(14)、二號右眼信號偏振片(15)、立體大屏幕(16)、左眼鏡片(17)和右眼鏡片(18)，單機(jī)計(jì)算單元(1)的輸出端連接雙通道輸出圖形卡(2)的輸入端以實(shí)現(xiàn)圖像的分路輸出，雙通道輸出圖形卡(2)的兩個輸出端分別連接一號GRB分配器(3)和二號GRB分配器(4)的輸入端實(shí)現(xiàn)輸入信號分轉(zhuǎn)成兩路高增益的RGBHV信號，一號GRB分配器(3)的第一、第二輸出端分別連接一號左投影機(jī)(7)和二號左投影機(jī)(9)的輸入端，二號GRB分配器(4)的第一、第二輸出端分別連接一號右投影機(jī)(8)和二號右投影機(jī)(10)的輸入端，一號左投影機(jī)(7)輸出的光信號透過一號左眼信號偏振片(12)投射在立體大屏幕(16)的左半表面上，一號右投影機(jī)(8)輸出的光信號透過一號右眼信號偏振片(13)投射在立體大屏幕(16)的左半表面上，二號左投影機(jī)(9)輸出的光信號透過二號左眼信號偏振片(14)投射在立體大屏幕(16)的右半表面上，二號右投影機(jī)(10)輸出的光信號透過二號右眼信號偏振片(15)投射在立體大屏幕(16)的右半表面上，左眼鏡片(17)和右眼鏡片(18)接收立體大屏幕(16)反射的光信號。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于單機(jī)圖形工作站的雙通道被動立體顯示系統(tǒng)，其特征在于它還包括一號監(jiān)控顯示器(5)和二號監(jiān)控顯示器(6)，一號監(jiān)控顯示器(5)的輸入端連接在一號GRB分配器(3)的第三輸出端上，二號監(jiān)控顯示器(6)的輸入端連接在二號GRB分配器(4)的第三輸出端上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于單機(jī)圖形工作站的雙通道被動立體顯示系統(tǒng)，其特征在于一號左投影機(jī)(7)、一號右投影機(jī)(8)、二號左投影機(jī)(9)、二號右投影機(jī)(10)中內(nèi)置圖形分割融合軟件，以實(shí)現(xiàn)將單機(jī)計(jì)算單元(1)輸出的圖像信號進(jìn)行分解并在立體大屏幕(16)的表面上無縫拼接。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于單機(jī)圖形工作站的雙通道被動立體顯示系統(tǒng)，其特征在于它還包括一號空間六自由度可調(diào)吊架(20)和二號空間六自由度可調(diào)吊架(21)，一號左投影機(jī)(7)、一號右投影機(jī)(8)、一號左眼信號偏振片(12)和一號右眼信號偏振片(13)固定在一號空間六自由度可調(diào)吊架(20)上，二號左投影機(jī)(9)、二號右投影機(jī)(10)、二號左眼信號偏振片(14)和二號右眼信號偏振片(15)固定在二號空間六自由度可調(diào)吊架(21)上。
全文摘要
本發(fā)明公開了基于單機(jī)圖形工作站的雙通道被動立體顯示系統(tǒng)，它屬于虛擬現(xiàn)實(shí)和系統(tǒng)仿真演示領(lǐng)域。它克服了利用計(jì)算機(jī)集群作為后臺支持時集群結(jié)構(gòu)軟件比較復(fù)雜、通信接口更復(fù)雜的缺陷。它包括單機(jī)計(jì)算單元(1)、雙通道輸出圖形卡(2)、一號GRB分配器(3)、二號GRB分配器(4)、一號左投影機(jī)(7)、一號右投影機(jī)(8)、二號左投影機(jī)(9)、二號右投影機(jī)(10)、一號左眼信號偏振片(12)、一號右眼信號偏振片(13)、二號左眼信號偏振片(14)、二號右眼信號偏振片(15)、立體大屏幕(16)、左眼鏡片和右眼鏡片，(1)的輸出通過(2)分別連接(3)和(4)，(3)的輸出端分別連接(7)和(9)的輸入端，(4)的輸出端分別連接(8)和(10)的輸入端，(7)、(8)、(9)、(10)使用圖形的分割融合技術(shù)在(16)表面成像。
文檔編號H04N15/00GK1852446SQ20061001003
公開日2006年10月25日 申請日期2006年5月12日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月12日
發(fā)明者張澤旭, 崔平遠(yuǎn), 崔祜濤, 徐敏強(qiáng), 史雪巖 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)