中国医科大学计算机中心：《虚拟现实与增强现实技术概论》课程教学资源（PPT课件讲稿）第3章 虚拟现实系统的输出设备

第3章虚拟现实系统的输出设备● 中国弦大學

第3章 虚拟现实系统的输出设备

导学 、学习目标 二、重点、难点 了解图形显示设备的概念 1.重点:图形显示设备、声音显 了解人类视觉系统原理;掌 示设备、接触反馈和力反馈的基 握头盔显示器的概念和常用 头盔显示器;了解立体眼镜 本概念和区别;常用头盔显示器 的原理。 沉浸式立体投影显示系统、立 体眼镜(鹰眼)、基于HRTF的三 2.了解声音显示设备的概念; 维声音和基于扬声器的三维声音 解人类听觉系统原理; 的概念和原理。 解 Convolvotron处理器基于 扬声器的三维声音的原理和2难点:人类视觉系统原理、人 用 类听觉系统原理和人类触觉系统 3.掌握接触反馈和力反馈的概 原理。 念与区别;了解人类触觉系 统原理;了解ⅳ otion触觉 反馈手套的原理和应用 国张大學

导学 一、学习目标 1. 了解图形显示设备的概念； 了解人类视觉系统原理；掌 握头盔显示器的概念和常用 头盔显示器；了解立体眼镜 的原理。 2. 了解声音显示设备的概念； 了解人类听觉系统原理；了 解Convolvotron处理器基于 扬声器的三维声音的原理和 应用。 3. 掌握接触反馈和力反馈的概 念与区别；了解人类触觉系 统原理；了解iMotion触觉 反馈手套的原理和应用。 二、重点、难点 1.重点：图形显示设备、声音显 示设备、接触反馈和力反馈的基 本概念和区别；常用头盔显示器 、沉浸式立体投影显示系统、立 体眼镜（鹰眼）、基于HRTF的三 维声音和基于扬声器的三维声音 的概念和原理。 2.难点：人类视觉系统原理、人 类听觉系统原理和人类触觉系统 原理

3.图形显示设备 图形显示设备:一种计算机接口设备,它把计算机合成的 场景图像展现给虚拟世界中参与交互的用户。 3.1.1人类视觉系统 人眼有126000000个感光器,这 固定点 左眼视图 些感光器不均匀地分布在视网膜 。视网膜的中心区域(绕眼睛会角一: 视轴几十度的范围)称为中央凹, 视场 图像视差 它是高分辨率的色彩感知区域, 周围是低分辨率的感知区域。被 显示的图像中投影到中央凹的部 右眼视图 分代表聚焦区。 在仿真过程中,观察者的焦点是 无意识地动态变化的。如果能跟人关立体视觉的生理模型 踪到眼睛的动态变化,就可以探 测到焦点的变化。 国张大學

3.1图 形 显 示 设 备 图形显示设备：一种计算机接口设备，它把计算机合成的 场景图像展现给虚拟世界中参与交互的用户。 3.1.1 人类视觉系统 人眼有126 000 000个感光器，这 些感光器不均匀地分布在视网膜 上。视网膜的中心区域（绕眼睛 视轴几十度的范围）称为中央凹， 它是高分辨率的色彩感知区域， 周围是低分辨率的感知区域。被 显示的图像中投影到中央凹的部 分代表聚焦区。 在仿真过程中，观察者的焦点是 无意识地动态变化的。如果能跟 踪到眼睛的动态变化，就可以探 测到焦点的变化。 人类立体视觉的生理模型

3.图形显示设备 311人类视觉系统 人类视觉系统的另一个重要特性是 固定点 左眼视图 视场( Field ofⅤiew,简称FOV)。 会案角~ 视场 只眼睛的水平视场大约150°,垂直 图像视差 视场大约120°;双眼的水平视场大 约180°,垂直视场大约120°。大 右眼视图 脑利用两只眼睛看到的图像位置的 水平位移测量深度,也就是观察者 人类立体视觉的生理模型 到场景中虚拟对象的距离 国张大學

3.1图 形 显 示 设 备 3.1.1 人类视觉系统 人类视觉系统的另一个重要特性是 视场(Field Of View，简称FOV)。一 只眼睛的水平视场大约150°，垂直 视场大约120°；双眼的水平视场大 约180°，垂直视场大约120°。大 脑利用两只眼睛看到的图像位置的 水平位移测量深度，也就是观察者 到场景中虚拟对象的距离。 人类立体视觉的生理模型

@3.1图形显示设备 31.1人类视觉系统 在视场中,眼睛定位观察者周围 的对象,例如对象A位于对象B的 A 后面。当目光集中在对象B的 固定点 左眼视图 个特征点时,聚焦在固定点F上 视轴和固定点的连线之间的夹角 会聚角; 视场 确定了会聚角。这个角度同时也 图像视差 依赖于左眼瞳孔和右眼瞳孔之间 的距离,这个距离称为内瞳距 (IPD)。IPD是人们解释真实世 右眼视图 界中距离对象远近的基线,IPD越 大,会聚角就越大。由于固定点F 对于两只眼睛的位置不同,因此 人类立体视觉的生理模型 在左眼和右眼呈现出水平位移, 这个位移称为图像视差。 国张大學

3.1图 形 显 示 设 备 3.1.1 人类视觉系统 在视场中，眼睛定位观察者周围 的对象，例如对象A位于对象B的 后面。当目光集中在对象B的一 个特征点时，聚焦在固定点F上。 视轴和固定点的连线之间的夹角 确定了会聚角。这个角度同时也 依赖于左眼瞳孔和右眼瞳孔之间 的距离，这个距离称为内瞳距 （IPD）。IPD是人们解释真实世 界中距离对象远近的基线，IPD越 大，会聚角就越大。由于固定点F 对于两只眼睛的位置不同，因此 在左眼和右眼呈现出水平位移， 这个位移称为图像视差。 人类立体视觉的生理模型

@3.1图形显示设备 31.1人类视觉系统 为了使人脑能理解虚拟世界中的深度,VR的图形显示设备 必须能产生同样的图像视差。实现立体图形显示,需要输 出两幅有轻微位移的图像。当使用两个设备时(比如头盔 显示器),每个设备都为相应的眼睛展示它生成的图像; 当使用一个显示设备时,需要按时间顺序(例如使用快门 眼镜)或空间顺序(例如自动立体图像显示)一次产生两 幅图像 深度知觉,与大视场和高分辨率图像一起,是决定用户在 模拟世界中主观沉浸感的重要因素。设计满足所有这些需 要,同时符合人机工程学的要求,并且价格便宜的图形显 示设备,是一项非常艰难的技术任务 国张大學

3.1图 形 显 示 设 备 3.1.1 人类视觉系统 为了使人脑能理解虚拟世界中的深度，VR的图形显示设备 必须能产生同样的图像视差。实现立体图形显示，需要输 出两幅有轻微位移的图像。当使用两个设备时（比如头盔 显示器），每个设备都为相应的眼睛展示它生成的图像； 当使用一个显示设备时，需要按时间顺序（例如使用快门 眼镜）或空间顺序（例如自动立体图像显示）一次产生两 幅图像。 深度知觉，与大视场和高分辨率图像一起，是决定用户在 模拟世界中主观沉浸感的重要因素。设计满足所有这些需 要，同时符合人机工程学的要求，并且价格便宜的图形显 示设备，是一项非常艰难的技术任务

3.图形显示设备 3.12头盔显示器 头盔显示器(HMD)是常见的立体显示设备,利用头盔 显示器将人对外界的视觉、听觉封闭,引导用户产生一种 身在虚拟环境中的感觉。 1.头盔显示器原理 1)头盔显示器把图像投影到 虚拟图像像素 用户面前1-5m的位置,如右图所 虚拟图像… 光轴 B2 示。通过放置在HMD小图像面 素 板和用户眼睛之间的特殊光学镜 屏:4-A2 焦距 片,能使眼睛聚焦在很近的距离 而不易感到疲劳,同时也能起到 光学镜片 放大小面板中图像的作用,使它 眼睛间隙 出口孔直径 尽可能填满人眼的视场 简化的HMD光学模型 国张大學

3.1图 形 显 示 设 备 3.1.2 头盔显示器 头盔显示器（HMD）是常见的立体显示设备，利用头盔 显示器将人对外界的视觉、听觉封闭，引导用户产生一种 身在虚拟环境中的感觉。 1．头盔显示器原理 （1）头盔显示器把图像投影到 用户面前1-5m的位置，如右图所 示。通过放置在HMD小图像面 板和用户眼睛之间的特殊光学镜 片，能使眼睛聚焦在很近的距离 而不易感到疲劳，同时也能起到 放大小面板中图像的作用，使它 尽可能填满人眼的视场 简化的HMD光学模型

@3.1图形显示设备 3.12头盔显示器 (2)头盔显示器的显示技术 普通消费级的HMD使用LCD显示器,主要是为个人观看 电视节目和视频游戏设计,而不是为VR设计的。当集成 到ⅤR系统中时,需要把图形流输出的红绿蓝信号格式转 换成NTSC/PAL,如下图所示。 单视场VR系统 HMD HMD 控制器 头部调节棘轮 RGB-NTSC 图形硬件 视图计算 转换器 普通消费级(单视场)HMD 国张大學

3.1图 形 显 示 设 备 3.1.2 头盔显示器 （2）头盔显示器的显示技术 普通消费级的HMD使用LCD显示器，主要是为个人观看 电视节目和视频游戏设计，而不是为VR设计的。当集成 到VR系统中时，需要把图形流输出的红绿蓝信号格式转 换成NTSC/PAL，如下图所示。 普通消费级（单视场）HMD

@3.1图形显示设备 3.12头盔显示器 (2)头盔显示器的显示技术 专业级HMD设备则使用CRT的显示器,它能产生更高的 分辨率,是专门为ⅤR交互设计的,它接受RGB视频输入 。如下图所示,在图形流中,两个RGB信号被直接发送给 HMD控制单元,用于立体观察。通过跟踪用户的头部运 动,把位置数据发送给ⅤR引擎,用于图形计算。 立体显示ⅤR系统 HMD COMPUTER SYSTEM HMD 控制器 图形硬件 左眼计算 接收器 图形硬件 右眼计算 HMD 跟踪器控制 专业级(立体显示)HMD 国张大學

3.1图 形 显 示 设 备 3.1.2 头盔显示器 （2）头盔显示器的显示技术 专业级HMD设备则使用CRT的显示器，它能产生更高的 分辨率，是专门为VR交互设计的，它接受RGB视频输入 。如下图所示，在图形流中，两个RGB信号被直接发送给 HMD控制单元，用于立体观察。通过跟踪用户的头部运 动，把位置数据发送给VR引擎，用于图形计算。 专业级（立体显示）HMD

@3.1图形显示设备 3.12头盔显示器 2.常见头盔显示器 (1)Ⅴ irtual research1280数字头盔 Virtual research vr1280是一款 双路输入SXGA(1280×1024) 分辨率反射FCOS头戴式显示器, 适用于高级虚拟现实应用领域。 该产品将高亮度、高分辨率彩色 微型显示器与量身设计的光学设 备相结合,带给用户60°宽视域 的无与伦比的视觉灵敏度体验。 VR280数字头盔 国张大學

3.1图 形 显 示 设 备 3.1.2 头盔显示器 2．常见头盔显示器 （1）Virtual Research 1280数字头盔 Virtual Research VR1280是一款 双路输入SXGA（1280×1024） 分辨率反射FLCOS头戴式显示器， 适用于高级虚拟现实应用领域。 该产品将高亮度、高分辨率彩色 微型显示器与量身设计的光学设 备相结合，带给用户60°宽视域 的无与伦比的视觉灵敏度体验。 VR1280数字头盔