專利名稱：基于單機(jī)圖形工作站的單通道背投立體顯示系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于(紅外)光學(xué)跟蹤測量系統(tǒng)的背投立體顯示系統(tǒng)，屬于虛擬現(xiàn)實與系統(tǒng)仿真演示領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
目前，利用投影機(jī)技術(shù)實現(xiàn)的立體方式共有四種紅藍(lán)立體技術(shù)、主動立體技術(shù)、 被動立體技術(shù)和光譜立體技術(shù)。紅藍(lán)立體技術(shù)，主要是利用紅色、藍(lán)色光過濾，在一張平面的主要影響上，以淺藍(lán)及淺紅的色層構(gòu)成，但兩種色層并非重疊，而是疊在主要影響的前景及背景，形成圖像分離的效果。主動立體技術(shù)，是利用液晶面板技術(shù)，將兩個可屏蔽光線的液晶面板做成眼鏡的形式，此眼鏡內(nèi)集成無線接收器和電池模塊，無線接收器用來接收電腦同步器發(fā)射的同步信號以控制眼鏡左右眼的開與關(guān)，人看到的影像是眼鏡左、右眼開起時的影像，此時投影機(jī)顯示的內(nèi)容也正好為相應(yīng)的左、右眼圖像，眼鏡不斷的切換左右眼從而得到立體效果。被動立體技術(shù)，是利用光偏振原理，光的傳播方向是任何角度的，偏振技術(shù)就是利用偏振片干涉光的傳播方向是光線按照一定規(guī)律一定角度傳播，觀看者佩戴相應(yīng)偏振技術(shù)的眼鏡每只眼只接受相應(yīng)角度和方向的光波圖像，從而產(chǎn)生左右眼分離看到不同圖像的效果產(chǎn)生立體。光譜立體技術(shù)也是一種分離光譜的技術(shù)，類似于紅藍(lán)片立體技術(shù)，但是它分離的是光的波段而不是分離畫面，此技術(shù)對投影機(jī)的要求比較高。由于人眼有4-6cm的距離，所以實際上我們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，我們看到的是有景深的圖像。這就是計算機(jī)和投影系統(tǒng)的立體成像原理。依據(jù)這個原理，結(jié)合不同的技術(shù)水平有不同的立體技術(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，任何計算機(jī)、顯示器和投影機(jī)顯示立體圖像都沒有問題。我們觀看計算機(jī)顯示器時會發(fā)現(xiàn)，當(dāng)刷新頻率低于60時我們的眼睛會感到屏幕圖像在閃爍，長時間觀看眼睛就會不舒服。所以在選擇計算機(jī)的顯示器時，沒有人會選擇低刷新率的設(shè)備，因為我們都清楚選不好會有什么結(jié)果。由于很多人實際上不了解計算機(jī)和投影系統(tǒng)立體圖像輸出可能會出的問題，以至于在實際應(yīng)用中出現(xiàn)了很多問題。因此有必要對此進(jìn)行說明。如前所敘，對計算機(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。由于現(xiàn)在計算機(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，因而實際上左或右圖像的刷新率只能達(dá)到計算機(jī)平時圖像刷新率的一半。如果計算機(jī)的刷新率為96Hz，左右眼的立體圖像刷新率實際為48Hz。早期由于投影技術(shù)水平的限制，我們在建顯示系統(tǒng)時將計算機(jī)信號直接連接投影機(jī)進(jìn)行放大輸出，我們在屏幕上看到的立體圖像刷新率與我們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，因為高刷新率圖像根本沒有到達(dá)投影機(jī)！ 一方面是圖形計算機(jī)的原因，另一方面是中間設(shè)備原因(如外接的邊緣融合設(shè)備等)。這就是應(yīng)用多年的主動立體技術(shù)，與之配套的主動立體眼鏡實際上是計算機(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。到了上世紀(jì)末出現(xiàn)了解決這個問題的辦法，我們稱之為被動立體顯示技術(shù)。原理并不復(fù)雜計算機(jī)端信號特性沒有任何變化，只是先將圖像輸出到信號分轉(zhuǎn)設(shè)備，再連接到兩臺有立體顯示功能的投影機(jī)輸出到屏幕。由于我們看被動立體圖像時用的是偏振立體眼鏡，其外觀、感覺與平時的眼鏡幾乎沒有區(qū)別，觀看圖像時不會產(chǎn)生頻繁開關(guān)的閃爍現(xiàn)象， 消除人們對傳統(tǒng)立體的不好感覺。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種基于單機(jī)圖形工作站的單通道背投被動立體顯示系統(tǒng)，它包括單機(jī)圖形工作站(1)、單通道輸出圖形卡(2)、單通道輸出圖形卡(3)、立體大屏幕(4)、上投影機(jī)(5)、下投影機(jī)(6)、上偏振片(7)、下偏振片(8)、一號紅外攝像機(jī)(9)、二號紅外攝像機(jī) (10)、左眼鏡片(11)和右眼鏡片(12)、頭部跟蹤系統(tǒng)(13)、無線交互手柄(14)、操控電腦 (15)。其中，單機(jī)圖形工作站(1)、單通道輸出圖形卡(2)、單通道輸出圖形卡(3)、立體大屏幕(4)、上投影機(jī)(5)、下投影機(jī)(6)、上偏振片(7)、下偏振片(8)位于立體大屏幕(4)的后側(cè)，一號紅外攝像機(jī)(9)、二號紅外攝像機(jī)(10)、左眼鏡片(11)和右眼鏡片(12)、頭部跟蹤系統(tǒng)(13)、無線交互手柄(14)位于立體大屏幕(4)的前側(cè)。本發(fā)明中，單機(jī)圖形工作站(1)的信號輸出端連接到單通道輸出圖形卡(2)和單通道輸出圖形卡(3)的輸入端，以實現(xiàn)兩路數(shù)字信號的分路輸出，單通道輸出圖形卡(2)的輸出端連接到上投影機(jī)(5)，單通道輸出圖形卡(3)的輸出端連接到下投影機(jī)(6)，這樣將兩路數(shù)字信號分別轉(zhuǎn)換為光信號，上投影機(jī)(5)輸出的光信號透過上偏振片(7)投射到立體大屏幕(4)上，下投影機(jī)(6)輸出的光信號透過下偏振片(8)投射到立體大屏幕(4)上， 左眼鏡片(11)和右眼鏡片(12)接收立體大屏幕(4)反射的光信號。由于上投影機(jī)(5)和下投影機(jī)(6)輸出的光信號都會完全的投射到立體大屏幕(4)上，因此為了得到良好的立體效果，需要嚴(yán)格對齊上投影機(jī)(5 )和下投影機(jī)(6 )輸出的光信號。本發(fā)明工作時，上投影機(jī)(5)輸出被動立體顯示方式的左眼圖形信號，下投影機(jī) (6)輸出被動立體顯示方式的右眼圖形信號，上投影機(jī)(5)和下投影機(jī)(6)輸出的影像都全部顯示在立體大屏幕(4 )的整個屏幕上，上偏振片(7 )和下偏振片(8 )分別對上投影機(jī)(5 ) 和下投影機(jī)(6)輸出的圖形信號進(jìn)行光過濾，產(chǎn)生偏振圖像，偏振圖像同時投射到立體大屏幕(4)上，透過左眼鏡片(11)看到屏幕上的左眼偏振影像，透過右眼鏡片(12)看到屏幕上的右眼偏振圖像，從而使觀察者看到立體圖像。本發(fā)明主要是針對利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)進(jìn)行科研技術(shù)研究的目標(biāo)群，特別是在機(jī)械裝備設(shè)計、生產(chǎn)線設(shè)計等領(lǐng)域，因此采取背投的投影方式，這樣可以有效地消除操作者對圖像信號的干擾，同時，由于是單通道、背投的投影方式，投影機(jī)能夠擺放到立體大屏幕中央位置的高度，使投影機(jī)的鏡頭對著屏幕的正中間位置，能夠有效地降低圖像的變形程度，最大限度的投射出與實際物體相似度高的圖像。本發(fā)明采用單機(jī)圖形工作站配套兩塊輸出圖
4形卡來實現(xiàn)單通道的被動立體圖像輸出，對圖形工作站及圖形卡有較高的要求，在滿足用戶要求的范圍內(nèi)，降低了系統(tǒng)價格，也減少了系統(tǒng)的復(fù)雜程度，提高了系統(tǒng)的運行效率。另夕卜，本發(fā)明的特點是采用了(紅外)光學(xué)跟蹤測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以抵抗磁、電、聲波的干擾， 具有高精度的位置和方向測量能力，能夠滿足科研過程中對精度及靈活性的要求。本發(fā)明中提供的基于單機(jī)圖形工作站的單通道背投被動立體顯示系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，顯示精度高，系統(tǒng)價格成本低，維護(hù)成本較低，具有廣闊的應(yīng)用空間，同時具備擴(kuò)展到雙通道、三通道等多通道的能力。


圖1是基于單機(jī)圖形工作站的單通道背投立體顯示系統(tǒng)的設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是基于單機(jī)圖形工作站的單通道背投立體顯示系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式具體實施方式
一下面結(jié)合圖1具體說明本實施方式。它由單機(jī)圖形工作站(1)、 單通道輸出圖形卡(2)、單通道輸出圖形卡(3)、立體大屏幕(4)、上投影機(jī)(5)、下投影機(jī) (6)、上偏振片(7)、下偏振片(8)、一號紅外攝像機(jī)(9)、二號紅外攝像機(jī)(10)、左眼鏡片 (11)和右眼鏡片(12)、頭部跟蹤系統(tǒng)(13)、無線交互手柄(14)、操控電腦(15)組成。單機(jī)圖形工作站(1)的信號輸出端連接到單通道輸出圖形卡(2)和單通道輸出圖形卡(3)的輸入端，以實現(xiàn)兩路數(shù)字信號的分路輸出，單通道輸出圖形卡(2)的輸出端連接到上投影機(jī)
(5)，單通道輸出圖形卡(3)的輸出端連接到下投影機(jī)(6)，這樣將兩路數(shù)字信號分別轉(zhuǎn)換為光信號，上投影機(jī)(5 )輸出的光信號透過上偏振片(7 )投射到立體大屏幕(4 )上，下投影機(jī)(6)輸出的光信號透過下偏振片(8)投射到立體大屏幕(4)上，左眼鏡片(11)和右眼鏡片(12)接收立體大屏幕(4)反射的光信號。上投影機(jī)(5)輸出被動立體顯示方式的左眼圖形信號，下投影機(jī)(6)輸出被動立體顯示方式的右眼圖形信號，上投影機(jī)(5)和下投影機(jī)
(6)輸出的影像都全部顯示在立體大屏幕(4)的整個屏幕上，上偏振片(7)和下偏振片(8) 分別對上投影機(jī)(5)和下投影機(jī)(6)輸出的圖形信號進(jìn)行光過濾，產(chǎn)生偏振圖像，偏振圖像同時投射到立體大屏幕(4)上，透過左眼鏡片(11)看到屏幕上的左眼偏振影像，透過右眼鏡片(12)看到屏幕上的右眼偏振圖像，從而使觀察者看到立體圖像。單機(jī)圖形工作站是虛擬現(xiàn)實顯示系統(tǒng)的核心，它用來實時生成相應(yīng)的圖像，它決定圖形生成的更新率、圖形分辨率、圖形復(fù)雜程度和圖形質(zhì)量，本發(fā)明采用的是HP Z800圖形工作站，配備了兩塊NVIDIA FX5800圖形卡，單通道最高能夠輸出2400X1024的高分辨率圖像。投影系統(tǒng)作為整個虛擬現(xiàn)實顯示系統(tǒng)的顯示部分，在這個系統(tǒng)中的分量不言而喻，為了達(dá)到要求的顯示效果，采用挪威PD F20的投影系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用來自德州儀器特有的單芯片SXGA+ (1400X1050) DLP技術(shù)，流明高達(dá)3500ANSI，可以在任何環(huán)境下進(jìn)行投影工作。 該發(fā)明采用美國Stewart 150寸背投玻璃幕，采用國外進(jìn)口屏幕材料，使得用戶能夠完全進(jìn)入虛擬的世界，均勻的觀察效果保證了系統(tǒng)的工作能力，并達(dá)到極佳的沉浸效果。在交互系統(tǒng)方面，本發(fā)明采用了(紅外)光學(xué)跟蹤測量系統(tǒng)——A. R. T.，它具有高精度的位置和方向測量能力，通過局域網(wǎng)即可實現(xiàn)低延時、高速度的數(shù)據(jù)傳輸，可抗磁、電、聲波的干擾，它是市場上這一價位性價比最高、最精確、最靈活地交互系統(tǒng)。
具體實施方式
二 下面結(jié)合圖1具體說明本實施方式。本實施方式與實施方式一的不同點是該發(fā)明分為設(shè)備區(qū)與操作區(qū)兩部分，設(shè)備區(qū)包括單機(jī)圖形工作站(1)、單通道輸出圖形卡(2)、單通道輸出圖形卡(3)、上投影機(jī)(5)、下投影機(jī)(6)、上偏振片(7)、下偏振片(8)以及(紅外)光學(xué)跟蹤測量系統(tǒng)的服務(wù)器部分。操作區(qū)包括一號紅外攝像機(jī)(9)、二號紅外攝像機(jī)(10)、左眼鏡片(11)和右眼鏡片(12)、頭部跟蹤系統(tǒng)(13)、無線交互手柄(14) 以及操控電腦(15)。在使用系統(tǒng)時，用戶不能進(jìn)入到設(shè)備區(qū)，以免干擾、碰撞儀器設(shè)備造成系統(tǒng)故障。
具體實施方式
三下面結(jié)合圖2具體說明本實施方式。本實施方式與實施方式一的不同點是該發(fā)明還包括操控電腦(15)，與單機(jī)圖形工作站(1)及(紅外)光學(xué)跟蹤測量系統(tǒng)之間通過路由器進(jìn)行數(shù)據(jù)互通，用戶只需在操控電腦(15)上進(jìn)行遠(yuǎn)程操作，啟動(紅夕卜)光學(xué)跟蹤測量系統(tǒng)和虛擬現(xiàn)實顯示系統(tǒng)，即可完成系統(tǒng)的啟動工作。該系統(tǒng)通過一號紅外攝像機(jī)(9)和二號紅外攝像機(jī)(10)捕獲頭部跟蹤系統(tǒng)(13)與無線交互手柄(14)的實時數(shù)據(jù)傳輸給操控電腦(15)，通過路由器，操控電腦(15)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)?紅外)光學(xué)跟蹤測量系統(tǒng)的服務(wù)器，經(jīng)過編碼譯碼處理后，再將數(shù)據(jù)傳輸給單機(jī)圖形工作站(1 )，單機(jī)圖形工作站(1)將接收到的數(shù)據(jù)實時顯示在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中，從而實現(xiàn)用戶的交互控制。
具體實施方式
四下面結(jié)合圖1具體說明本實施方式。本實施方式與實施方式一的不同點是它還包括空間六自由度可調(diào)支架(15)，上偏振片(7)位于上投影機(jī)(5)的鏡頭前，下偏振片(8)位于下投影機(jī)(6)的鏡頭前，上投影機(jī)(5)與下投影機(jī)(6)垂直疊放，固定在空間六自由度可調(diào)支架(15)上，以便調(diào)整投影到立體大屏幕(4)上的圖像。
權(quán)利要求
1.一種基于單機(jī)圖形工作站的單通道背投立體顯示系統(tǒng)，其特征在于它包括單機(jī)圖形工作站(1)、單通道輸出圖形卡(2)、單通道輸出圖形卡(3)、立體大屏幕(4)、上投影機(jī)(5)、下投影機(jī)(6)、上偏振片(7)、下偏振片(8)、一號紅外攝像機(jī)(9)、二號紅外攝像機(jī) (10)、左眼鏡片(11)和右眼鏡片(12)、頭部跟蹤系統(tǒng)(13)、無線交互手柄(14)、操控電腦 (15)。單機(jī)圖形工作站(1)的輸出端連接單通道輸出圖形卡(2)和單通道輸出圖形卡(3)的輸入端并將圖像信號分別輸送給位于立體大屏幕(4)后方的上投影機(jī)(5)和下投影機(jī)(6)， 上投影機(jī)(5 )輸出的光信號透過上偏振片(7 )投射在立體大屏幕(4 )上，下投影機(jī)(6 )輸出的光信號透過下偏振片(8 )投射在立體大屏幕(4)上，左眼鏡片(11)和右眼鏡片(12 )接收立體大屏幕(4)反射的光信號，頭部跟蹤系統(tǒng)(13)和無線交互手柄(14)接收一號紅外攝像機(jī)(9)和二號紅外攝像機(jī)(10)發(fā)出的紅外定位信號。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于單機(jī)圖形工作站的單通道背投立體顯示系統(tǒng)，其特征在于上投影機(jī)(5)、下投影機(jī)(6)、上偏振片(7)和下偏振片(8)位于立體大屏幕(4)的后方， 光信號投射在立體大屏幕(4)的背面，以實現(xiàn)無干擾、更清晰的圖像顯示。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于單機(jī)圖形工作站的單通道背投立體顯示系統(tǒng)，其特征在于一號紅外攝像機(jī)(9)和二號紅外攝像機(jī)(10)發(fā)出紅外定位信號，頭部跟蹤系統(tǒng)(13)和無線交互手柄(14)接收到信號后經(jīng)過解析得到虛擬現(xiàn)實環(huán)境中的位置信息，輸送給單機(jī)圖形工作站(1)并在立體大屏幕(4)上實時顯示，從而實現(xiàn)操作者與虛擬現(xiàn)實環(huán)境的交互操作。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于單機(jī)圖形工作站的單通道背投立體顯示系統(tǒng)，其特征在于它還包括空間六自由度可調(diào)支架(15)，上偏振片(7)位于上投影機(jī)(5)的鏡頭前，下偏振片(8)位于下投影機(jī)(6)的鏡頭前，上投影機(jī)(5)與下投影機(jī)(6)垂直疊放，固定在空間六自由度可調(diào)支架(15)上。
全文摘要
本發(fā)明公開了基于單機(jī)圖形工作站的單通道背投立體顯示系統(tǒng)，它屬于虛擬現(xiàn)實和系統(tǒng)仿真演示領(lǐng)域。它采用(紅外)光學(xué)跟蹤測量系統(tǒng)，改變了通過鼠標(biāo)或鍵盤來實現(xiàn)視角轉(zhuǎn)換的傳統(tǒng)計算機(jī)圖形技術(shù)，用戶的視覺系統(tǒng)和運動感知系統(tǒng)之間可以聯(lián)系起來，感覺更逼真。它包括單機(jī)圖形工作站(1)、單通道輸出圖形卡(2)、單通道輸出圖形卡(3)、立體大屏幕(4)、上投影機(jī)(5)、下投影機(jī)(6)、上偏振片(7)、下偏振片(8)、一號紅外攝像機(jī)(9)、二號紅外攝像機(jī)(10)、左眼鏡片(11)和右眼鏡片(12)、頭部跟蹤系統(tǒng)(13)、無線交互手柄(14)、操控電腦(15)，(1)的輸出通過(2)和(3)分別連接(5)和(6)，(5)和(6)分別連接(7)和(8)，在(4)上形成立體圖像，(13)和(14)接收(9)和(10)發(fā)出的紅外定位信號，實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實環(huán)境中的交互操作。
文檔編號H04N13/00GK102457732SQ20101051839
公開日2012年5月16日 申請日期2010年10月26日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月26日
發(fā)明者單忠德, 孫福臻, 戰(zhàn)曉磊, 李乃亮 申請人:機(jī)械科學(xué)研究總院先進(jìn)制造技術(shù)研究中心