《虚拟环境中常用的视听设备原理与系统》由会员分享，可在线阅读，更多相关《虚拟环境中常用的视听设备原理与系统（28页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第六讲、虚拟环境中第六讲、虚拟环境中常用的视听设备原理与系统常用的视听设备原理与系统 江萍江萍v头盔式显示器头盔式显示器显示技术显示技术用于实现头盔式显示器的显示技术有多种，其原理不尽相同，且具用于实现头盔式显示器的显示技术有多种，其原理不尽相同，且具有不同的特点。当为某一特定应用选择显示器时，了解不同的技术并根有不同的特点。当为某一特定应用选择显示器时，了解不同的技术并根据实际需要选据实际需要选择显示器是非常重要的。择显示器是非常重要的。 源图象光纤耦合投影式直射式激光光阀平板式阴极射线管阴极射线管非发射式发射式照明白炽CRT显示设备显示设备CRT是由是由电子枪、控制网栅、聚焦系统、偏转线圈
2、、加速电场电子枪、控制网栅、聚焦系统、偏转线圈、加速电场和涂有磷光体的屏幕和涂有磷光体的屏幕所组成。由电子枪放出的电子通过控制网栅后所组成。由电子枪放出的电子通过控制网栅后变成电子束，该电子束在聚焦系统的作用下进一步聚焦，形成很细变成电子束，该电子束在聚焦系统的作用下进一步聚焦，形成很细的束，然后在超高压电场的束，然后在超高压电场(通常为通常为1500020000V)的加速下轰击屏幕的加速下轰击屏幕表面的磷光体从而发光。电子柬轰击点的位置可以由偏转线圈所产表面的磷光体从而发光。电子柬轰击点的位置可以由偏转线圈所产生的磁场来控制，而该磁场的大小和方向可以通过控制流过不同偏生的磁场来控制，而该磁场
3、的大小和方向可以通过控制流过不同偏转线圈的电流大小来实现。因此，电子枪可以在偏转电路的控制下转线圈的电流大小来实现。因此，电子枪可以在偏转电路的控制下轰击屏幕上的任意指定点。轰击所产生的亮度大小由电子数的多少轰击屏幕上的任意指定点。轰击所产生的亮度大小由电子数的多少决定，而电子数束的多少是由控制网栅控制的。决定，而电子数束的多少是由控制网栅控制的。电子电子电子束电子束聚焦聚焦方向方向轰击轰击磷磷光光屏屏幕幕电电子子枪枪控控制制网网栅栅聚聚焦焦系系统统偏偏转转线线圈圈加加速速电电场场由于轰击后磷光体的发光时间是有限的，因此为了能够让使用者由于轰击后磷光体的发光时间是有限的，因此为了能够让使用者看
4、到连续的不闪烁图象。必须要不断地重新扫描轰击看到连续的不闪烁图象。必须要不断地重新扫描轰击(称为刷新称为刷新)正正在发光的点。在发光的点。阴罩阴罩CRT最初可用的彩色最初可用的彩色CRT就是基就是基于阴罩式的。这种彩色于阴罩式的。这种彩色CRT有三有三个独立的电子枪个独立的电子枪(红绿蓝红绿蓝)用来提用来提供三原色，每支枪用来激活适当供三原色，每支枪用来激活适当的磷光体，的磷光体，CRT内表面盖了一层内表面盖了一层三色磷光体，三色磷光体，三种颜色的磷光体交替排列。三种颜色的磷光体交替排列。为了确保从某支电子枪中发出的为了确保从某支电子枪中发出的电子准确击中指定的磷光体，将电子准确击中指定的磷光
5、体，将一个带有网眼的金属屏一个带有网眼的金属屏(阴罩阴罩)放放在枪与磷光体之间。阴罩在枪与磷光体之间。阴罩CRT显显示分辨率就决定于罩孔的大小和示分辨率就决定于罩孔的大小和密度。密度。电子束索引电子束索引CRT电子束索引电子束索引CRT利用利用个电子枪来击打屏幕的磷光体，这种个电子枪来击打屏幕的磷光体，这种CRT工作方式的关键在于可以实时确定当前电子束轰击的准确位置。工作方式的关键在于可以实时确定当前电子束轰击的准确位置。为了精确定位电子束，新为了精确定位电子束，新CRT在屏幕平面涂上一层磷光体，它能在在屏幕平面涂上一层磷光体，它能在接受电子轰击之后发出紫外线。当电子扫描时，该涂层就会形成一接
6、受电子轰击之后发出紫外线。当电子扫描时，该涂层就会形成一系列表明电子束位置的紫外线脉冲。系列表明电子束位置的紫外线脉冲。CRT内部装有一个紫外线脉冲内部装有一个紫外线脉冲检测器，它可检测紫外线脉冲并转换成复用红、绿、蓝视频信息的检测器，它可检测紫外线脉冲并转换成复用红、绿、蓝视频信息的控制信号。控制信号。直视式显示设备直视式显示设备液晶显示器液晶显示器LCD液晶显示器液晶显示器LCD由六层结构构成，第一层是垂直偏振层；第二由六层结构构成，第一层是垂直偏振层；第二层是很薄的垂直网栅层，用于施加电压；第三层是液晶层，其厚度层是很薄的垂直网栅层，用于施加电压；第三层是液晶层，其厚度约为约为0.000
7、5英寸；第四层和第五层分别是水平网栅连线层和水平偏振英寸；第四层和第五层分别是水平网栅连线层和水平偏振层；最后是反射器层。层；最后是反射器层。液晶显示器的工作原理是利用电场中长晶分子会发生整齐排列的液晶显示器的工作原理是利用电场中长晶分子会发生整齐排列的现象而工作的。液晶层由长晶有机分子组成，通常，长晶分子被安现象而工作的。液晶层由长晶有机分子组成，通常，长晶分子被安排成罗旋形式，在此形式下光通过时光的行进方向会被偏转排成罗旋形式，在此形式下光通过时光的行进方向会被偏转90，所，所以，在不加电场的时候，当光线通过垂直偏振器时光被旋转了以，在不加电场的时候，当光线通过垂直偏振器时光被旋转了90，
8、然后，光在经过液晶层后被重新偏转了过来。光穿过水平偏振器时然后，光在经过液晶层后被重新偏转了过来。光穿过水平偏振器时在水平方向上被偏转，经反射后再穿过液晶层，被重新再旋转在水平方向上被偏转，经反射后再穿过液晶层，被重新再旋转90而而恢复原来的行进方向，最终反射回到观察者的眼睛。但是如果液晶恢复原来的行进方向，最终反射回到观察者的眼睛。但是如果液晶层被加上了电场，则长晶分子就会在电场的作用下将螺旋打开，整层被加上了电场，则长晶分子就会在电场的作用下将螺旋打开，整齐排列成一个长链，因此就失去了对光的再偏转能力，进入显示器齐排列成一个长链，因此就失去了对光的再偏转能力，进入显示器的光也就不可能再被反
9、射出来。此时观察者就会看到暗的显示器表的光也就不可能再被反射出来。此时观察者就会看到暗的显示器表面。面。阴极辉光阴极辉光有一些显示设备是以阴极辉光的原理工作的，荧光灯就是这样的有一些显示设备是以阴极辉光的原理工作的，荧光灯就是这样的设备。当电子轰击涂有磷光层的阳极时，光子就会辐射出来。所需设备。当电子轰击涂有磷光层的阳极时，光子就会辐射出来。所需轰击电子的能量与轰击电子的能量与X荧光管中的轰击电子的能量相比是比较低的。荧光管中的轰击电子的能量相比是比较低的。当许多离散的阳极单元被加上电压时，聚焦的电子就会撞击连续当许多离散的阳极单元被加上电压时，聚焦的电子就会撞击连续的阳极表面，从而产生图象。
10、阴极是一个细丝，同热阴极工作方式的阳极表面，从而产生图象。阴极是一个细丝，同热阴极工作方式相比，它工作在较低的温度下。阳极由一系列分离的涂磷光体的电相比，它工作在较低的温度下。阳极由一系列分离的涂磷光体的电极单元组成，当工作时，阳极维持一个较高的正电势，阴极发射的极单元组成，当工作时，阳极维持一个较高的正电势，阴极发射的电子被充满正电荷的阳极吸引。当电子轰击磷光体时，能量电子被充满正电荷的阳极吸引。当电子轰击磷光体时，能量便释放出来，光就产生了。当要调节亮度时，将带有负电荷的栅便释放出来，光就产生了。当要调节亮度时，将带有负电荷的栅格插入正负极之间就可以实现了。栅格由细密的网格组成，使得从格插
11、入正负极之间就可以实现了。栅格由细密的网格组成，使得从涂磷光体阳极出来的光能被看得见。分立的阳极单元可安排成字母涂磷光体阳极出来的光能被看得见。分立的阳极单元可安排成字母数字笔画或者线阵列。数字笔画或者线阵列。场致发光场致发光当磷光体处于一定的电场之下，就可形成场致光。这个电场可当磷光体处于一定的电场之下，就可形成场致光。这个电场可以是交变的，也可以连续的。以是交变的，也可以连续的。薄膜场致光显示器由导体层和绝缘层组成，中间有发光的磷光薄膜场致光显示器由导体层和绝缘层组成，中间有发光的磷光体。由锑化铟的氧化组成的透明电极沉积在一个玻璃基底上，透明体。由锑化铟的氧化组成的透明电极沉积在一个玻璃基
12、底上，透明电极下是一层击穿强度很高的绝缘体，再下面是混入锰的电极下是一层击穿强度很高的绝缘体，再下面是混入锰的ZnS磷光体，磷光体，然后是第二层磷光体和一层导体。然后是第二层磷光体和一层导体。当强度很高的电场施加到两电极之间时，当强度很高的电场施加到两电极之间时，ZnS层被雪崩击穿成层被雪崩击穿成导体，电流流过绝缘体表面，电荷在绝缘体表面积累。导体，电流流过绝缘体表面，电荷在绝缘体表面积累。ZnS层内部的层内部的电场逐渐减小，最终电流不导通。为使电场逐渐减小，最终电流不导通。为使ZnS层再次击穿导通，电场必层再次击穿导通，电场必须保留。在很高的电场之下，电子使须保留。在很高的电场之下，电子使M
13、g原子变为激发态，并反射出原子变为激发态，并反射出质子。这种结构类型的显示器会发出黄橙色的光。质子。这种结构类型的显示器会发出黄橙色的光。发光二极管发光二极管发光二极管发光二极管LED是最早应用于头盔显示系统的显示技术，它的是最早应用于头盔显示系统的显示技术，它的优点是可以提供满意的亮度。然而由于采用优点是可以提供满意的亮度。然而由于采用LED阵列，构成的显示阵列，构成的显示系统分辨率非常有限。尽管系统分辨率非常有限。尽管LED的电流消耗较低，但当亮度增大时的电流消耗较低，但当亮度增大时LED的驱动电流也相应增加，这就意味着设备制造者必须找到一种的驱动电流也相应增加，这就意味着设备制造者必须找
14、到一种办法散发掉过量的热以确保设备的寿命。在要求高亮度显示以便与办法散发掉过量的热以确保设备的寿命。在要求高亮度显示以便与现实世界的视景叠加到一起的军事应用中，现实世界的视景叠加到一起的军事应用中，LED比较受欢迎。比较受欢迎。气体放电等离子体板气体放电等离子体板等离子显示器用气体中的电子放电的原理产生光源。现有两种类等离子显示器用气体中的电子放电的原理产生光源。现有两种类型的等离子显示器显示器：直流等离子和交流等离子显示器。在交型的等离子显示器显示器：直流等离子和交流等离子显示器。在交流等离子显示器中，为产生放电，在充满气体的两极之间加入一个流等离子显示器中，为产生放电，在充满气体的两极之间
15、加入一个电场，它恰好低于所需的电压。为形成放电，电压升至击穿电压，电场，它恰好低于所需的电压。为形成放电，电压升至击穿电压，这时电就会产生，同时发出光。为停止放电，电压需降低至击穿电这时电就会产生，同时发出光。为停止放电，电压需降低至击穿电压以下；在直流等离子显示器中，栅格置于形成阵列的电极间，用压以下；在直流等离子显示器中，栅格置于形成阵列的电极间，用来限制不同象素之间的放电。来限制不同象素之间的放电。白炽光白炽光白炽光显示器发光的原理是利用细金属丝在温度极高时会发光。白炽光显示器发光的原理是利用细金属丝在温度极高时会发光。这种显示器通常不用来作为直视式的虚拟环境显示器。相反，它们这种显示器
16、通常不用来作为直视式的虚拟环境显示器。相反，它们被用来作为某种形式的光源或投影式的显示器的后部照明。不幸的被用来作为某种形式的光源或投影式的显示器的后部照明。不幸的是，它们的发光会产生大量的热，这会带来散热问题，尤其对小型是，它们的发光会产生大量的热，这会带来散热问题，尤其对小型的显示器更是如此。它们的主要优点是简单见有较理想的寿命。的显示器更是如此。它们的主要优点是简单见有较理想的寿命。液晶开关显示设备液晶开关显示设备彩色开关显示器彩色开关显示器显示器和液晶显示器显示器和液晶显示器LCD两种显示技术的结合产生了一种有趣两种显示技术的结合产生了一种有趣的显示设备。彩色开关显示器采用传统的单色显
17、示器来产生图象，的显示设备。彩色开关显示器采用传统的单色显示器来产生图象，液晶显示器液晶显示器LCD设备放在显示器后面用来选择显示器显示的一到两设备放在显示器后面用来选择显示器显示的一到两种颜色，通常是红色或绿色。液晶显示器种颜色，通常是红色或绿色。液晶显示器LCD设备用一个很低的电设备用一个很低的电压来控制状态切换。显示器每帧图象显示两次，同时液晶显示器压来控制状态切换。显示器每帧图象显示两次，同时液晶显示器LCD也在两种状态间进行切换，它可以产生从红色到黄绿色的各种也在两种状态间进行切换，它可以产生从红色到黄绿色的各种颜色。颜色。彩色液晶显示器彩色液晶显示器LCD开关开关如同显示器那样的小
18、型高分辨率图象显示设备的问题很容易理解。如同显示器那样的小型高分辨率图象显示设备的问题很容易理解。困难产生于当进行颜色操作时需要产生三种主要的颜色图象以用来困难产生于当进行颜色操作时需要产生三种主要的颜色图象以用来生成全彩色图象。因为受到诸如磷光体颗粒度、显示宽度、亮度和生成全彩色图象。因为受到诸如磷光体颗粒度、显示宽度、亮度和转换等因素的限制，传统的制造技术不能在一个小区域上产生高分转换等因素的限制，传统的制造技术不能在一个小区域上产生高分辨率。辨率。克服这些限制是基于一个放在单色显示器前面的旋转的色滤波轮。克服这些限制是基于一个放在单色显示器前面的旋转的色滤波轮。作为一个场景单独的红、绿、
19、蓝三色图象由显示器顺序地显示出来。作为一个场景单独的红、绿、蓝三色图象由显示器顺序地显示出来。滤波轮以一个与主色图产生速率相同的速率旋转。该系统的结果很滤波轮以一个与主色图产生速率相同的速率旋转。该系统的结果很好，因为它在没有产生转换错误的情况下获得了高亮度。好，因为它在没有产生转换错误的情况下获得了高亮度。投影式设备投影式设备投影显示器投影显示器投影显示器是要在一个宽阔的视域里投影图象，典型的视域是专投影显示器是要在一个宽阔的视域里投影图象，典型的视域是专用加罩的投影屏。毫无疑问，投影显示器意味着高亮度和高分辨率。用加罩的投影屏。毫无疑问，投影显示器意味着高亮度和高分辨率。以提高标准显示器的
20、电子束强度来增加亮度会减少磷光体的寿命，以提高标准显示器的电子束强度来增加亮度会减少磷光体的寿命，磷光体可能在几微秒之后被烧毁。太高的电子束强度会产生坏聚焦磷光体可能在几微秒之后被烧毁。太高的电子束强度会产生坏聚焦图象，因为电子束将扩散而出现一个大尺寸的点。投影显示器经过图象，因为电子束将扩散而出现一个大尺寸的点。投影显示器经过特殊设计，采用高亮度磷光体，并且具有高效的磷光体散热机制。特殊设计，采用高亮度磷光体，并且具有高效的磷光体散热机制。投影显示器常用于军用头盔式显示器投影显示器常用于军用头盔式显示器HMD。光阀显示器光阀显示器光阀显示系统的显著特点是具有超高亮度投影图象的能力。光阀光阀显
21、示系统的显著特点是具有超高亮度投影图象的能力。光阀技术的基础是一个光控元件，该元件的透光和反射性质由一个电信技术的基础是一个光控元件，该元件的透光和反射性质由一个电信号和光信号共同控制。基于特殊设计的一种液晶单元。液晶单元的号和光信号共同控制。基于特殊设计的一种液晶单元。液晶单元的一边是通光层，另一边是绝缘镜，一个阻光层和一片感光区域集成一边是通光层，另一边是绝缘镜，一个阻光层和一片感光区域集成在镜的另一侧，这样的安排是为了保持电压。它的工作原理是一个在镜的另一侧，这样的安排是为了保持电压。它的工作原理是一个象源在感光区成象，当图象照亮感光区时，导光区的导光率在被照象源在感光区成象，当图象照亮
22、感光区时，导光区的导光率在被照亮的地方便有相应地降低，穿过单元的电压则升高到激活液晶的程亮的地方便有相应地降低，穿过单元的电压则升高到激活液晶的程度。单元马上变得透明，使高亮度光源透过液晶室并从绝缘镜上反度。单元马上变得透明，使高亮度光源透过液晶室并从绝缘镜上反射回来。结果用低亮度光源就可以控制高亮度光源，使得投影显示射回来。结果用低亮度光源就可以控制高亮度光源，使得投影显示的亮度要远远高于驱动象源的亮度。的亮度要远远高于驱动象源的亮度。激光扫描器激光扫描器激光扫描器是利用一个小的激光光源为扫描镜提供校准光束，使激光扫描器是利用一个小的激光光源为扫描镜提供校准光束，使用旋转和上下点动镜装置来控
23、制和调节扫描激光随机或有规律地产用旋转和上下点动镜装置来控制和调节扫描激光随机或有规律地产生图象。激光光源能提供高亮度；高分辨率的显示，但问题是如何生图象。激光光源能提供高亮度；高分辨率的显示，但问题是如何避免射人眼中的相干光。更进一步的问题是，激光是高度单色的，避免射人眼中的相干光。更进一步的问题是，激光是高度单色的，产生一个全彩色显示将需要三个光源。产生一个全彩色显示将需要三个光源。微机械硅显示设备微机械硅显示设备基于镜元素阵列的被称为镜矩阵的设备基于镜元素阵列的被称为镜矩阵的设备(MMD)被认为是将来最重被认为是将来最重要的也是最可能的新型要的也是最可能的新型HMD显示部件。该设备的核心
24、是一种称为可显示部件。该设备的核心是一种称为可变形镜变形镜DMD的设备，它采用微机械制造技术在硅基片上制造袖珍镜的设备，它采用微机械制造技术在硅基片上制造袖珍镜阵列，每一小镜可以通过与之相对应的晶体管阵列来电子寻址。该阵列，每一小镜可以通过与之相对应的晶体管阵列来电子寻址。该设备可以根据镜表面所表达的信息来调制光从而产生所需的图象。设备可以根据镜表面所表达的信息来调制光从而产生所需的图象。通过像光阀一类设备类似的工作机理，它可以构成大屏幕，也可以通过像光阀一类设备类似的工作机理，它可以构成大屏幕，也可以构成小型电视显示屏幕。因为它可以产生高亮度和高对比度，所以构成小型电视显示屏幕。因为它可以产
25、生高亮度和高对比度，所以这样的设备有可能代替传统的这样的设备有可能代替传统的CRT。此类设备的优势在于它的低成此类设备的优势在于它的低成本、小体积和低功率要求。这种显示设备仍成功依赖于由集成电路本、小体积和低功率要求。这种显示设备仍成功依赖于由集成电路发展起来的精密石板印刷技术的进步。发展起来的精密石板印刷技术的进步。头盔式显示器头盔式显示器HMD光学系统光学系统为了更确切地了解、检测和使头盔式显示器为了更确切地了解、检测和使头盔式显示器HMD，理解焦距、出瞳、眼睛松弛和视野等光学设计参数是极为理解焦距、出瞳、眼睛松弛和视野等光学设计参数是极为重要的。首先通过一个单眼直视式头盔式显示器来了解其
26、重要的。首先通过一个单眼直视式头盔式显示器来了解其设计原理，其他头盔式显示器设计原理，其他头盔式显示器HMD都是该设计的变种。都是该设计的变种。 眼睛眼睛 合成器合成器 外部世界外部世界 窥视孔窥视孔 显示器显示器 镜镜 头盔显示样例头盔显示样例 简化头盔显示简图简化头盔显示简图象源象源头盔式显示器头盔式显示器HMD中的象源通常使用以上介绍的显示技术，它中的象源通常使用以上介绍的显示技术，它的选择可以根据空间分辨率、亮度、重量和显示任务类型等决定。的选择可以根据空间分辨率、亮度、重量和显示任务类型等决定。另外，对于安全、鲁棒性和分辨率因素等也很重要。在保持高分辨另外，对于安全、鲁棒性和分辨率因
27、素等也很重要。在保持高分辨率而限制象素密度的同时必须提高它们在特定视野的显示的有效性。率而限制象素密度的同时必须提高它们在特定视野的显示的有效性。光学系统的目的有两个：一是扩大显示源的图象以填满视野，二是光学系统的目的有两个：一是扩大显示源的图象以填满视野，二是把虚拟世界同外部世界结合。把虚拟世界同外部世界结合。窥视孔窥视孔最简单的头盔式显示器最简单的头盔式显示器HMD可以具有一个基本的窥视孔系统，可以具有一个基本的窥视孔系统，它由一到两个透镜元素构成，起到放大象源的作用。窥视孔和象源它由一到两个透镜元素构成，起到放大象源的作用。窥视孔和象源之间的镜元的用途是弯曲光路，使其机械范围尽可能的小。
28、多元素之间的镜元的用途是弯曲光路，使其机械范围尽可能的小。多元素窥视孔用来减少同时性异常的影响。半反射银镜用来反射一部分象窥视孔用来减少同时性异常的影响。半反射银镜用来反射一部分象源和使一部分外界光通过，射入眼睛。因此，半反射银镜通常也称源和使一部分外界光通过，射入眼睛。因此，半反射银镜通常也称作合成器。作合成器。显示器图象显示器图象延迟镜延迟镜窥视镜窥视镜眼睛眼睛合成器合成器简单的头盔式显示器简单的头盔式显示器HMD把窥视孔安排在眼睛的正前方。为舒把窥视孔安排在眼睛的正前方。为舒服和安全，可以用镜子来使得象源放置在头部的任意一边。为了得服和安全，可以用镜子来使得象源放置在头部的任意一边。为了
29、得到透视能力，在眼睛前面放置一面部分反射镜，使窥视孔和象源可到透视能力，在眼睛前面放置一面部分反射镜，使窥视孔和象源可以放置在头部更加合适的位置上。以放置在头部更加合适的位置上。部分反射镜称为合成器，它把象源反射到眼睛，同时又允许一部部分反射镜称为合成器，它把象源反射到眼睛，同时又允许一部分外界光通过。特别值得一提的是合成器的光学性质。合成器可以分外界光通过。特别值得一提的是合成器的光学性质。合成器可以被设计成将全部可见波长的光反射到眼睛，这称为同时合成器。被设计成将全部可见波长的光反射到眼睛，这称为同时合成器。合成器可以是平板的或是曲面的，以提供大型反射图象。这样头合成器可以是平板的或是曲面
30、的，以提供大型反射图象。这样头盔式显示器盔式显示器HMD的视野可以做得很大。合成器的设计十分重要，它的视野可以做得很大。合成器的设计十分重要，它是整个光学设计的一个组成部分。对合成器的一个重要要求是产生是整个光学设计的一个组成部分。对合成器的一个重要要求是产生可以覆盖外界物体的变形光。可以覆盖外界物体的变形光。延迟镜延迟镜人类头部的形状意味着安装象源的位置可能危及整个光学设计。人类头部的形状意味着安装象源的位置可能危及整个光学设计。为了获得更大的灵活性，我们使用延迟镜把图象从显示源传递到窥为了获得更大的灵活性，我们使用延迟镜把图象从显示源传递到窥视孔。延迟镜与窥视孔一道构成了一个简单的望远镜，
31、延迟镜作为视孔。延迟镜与窥视孔一道构成了一个简单的望远镜，延迟镜作为物镜，窥视孔是目镜。换而言之，延迟镜把显示的图象投影到通过物镜，窥视孔是目镜。换而言之，延迟镜把显示的图象投影到通过窥视孔能够看到的地方。延迟镜相对于显示源的位置可以控制系统窥视孔能够看到的地方。延迟镜相对于显示源的位置可以控制系统的大小。的大小。视野视野当需要填满整个窥视孔当需要填满整个窥视孔(眼睛眼睛)视野时，显然视角视野时，显然视角同象源侧的夹同象源侧的夹角相等。这里角相等。这里M代表图象的幅度，代表图象的幅度，是视角，是视角， d是显示源直径，是显示源直径， V是是虚拟图象的距离虚拟图象的距离。头盔显示器头盔显示器HM
32、D的视野的视野合成器的视野要求合成器的视野要求头盔显示系统头盔显示系统显示质量显示质量显示质量是一个要从多维空间来定义的极困难的参数。由于在最显示质量是一个要从多维空间来定义的极困难的参数。由于在最低限度的可接受显示质量的组成上缺乏一致看法，而使这个问题变低限度的可接受显示质量的组成上缺乏一致看法，而使这个问题变得更困难。通常，人们考虑如下因素：得更困难。通常，人们考虑如下因素：分解能力分解能力空间分辨率空间分辨率显示的亮度和对比度显示的亮度和对比度畸变畸变显示动态范围显示动态范围工作上可接受的视域工作上可接受的视域头盔式显示器的全息成象视觉系统头盔式显示器的全息成象视觉系统全息技术的发展已经
33、达到了可以同时支持好几个头盔式显示器的全息技术的发展已经达到了可以同时支持好几个头盔式显示器的阶段。虽然这些是军事上的应用而设计的，但是这项技术在较广的阶段。虽然这些是军事上的应用而设计的，但是这项技术在较广的社会领域内得到应用也只是一个时间的题。无疑全息技术将会改变社会领域内得到应用也只是一个时间的题。无疑全息技术将会改变我们目前对于头盔式显示器的理解。全息技术依靠绕射法用于决定我们目前对于头盔式显示器的理解。全息技术依靠绕射法用于决定光的方向而不是依靠物体表面形状。光的方向而不是依靠物体表面形状。对扭曲校正的考虑对扭曲校正的考虑双目的不对称性受头盔式显示器的显示扭曲校正的数量的影响。双目的
34、不对称性受头盔式显示器的显示扭曲校正的数量的影响。双目不对称性的出现是由于在视觉设计中的一些缺陷造成的，这些双目不对称性的出现是由于在视觉设计中的一些缺陷造成的，这些缺陷包括：缺陷包括：左右通道间幅度的不同；左右通道间幅度的不同；左右通道图象相对向对方旋转；左右通道图象相对向对方旋转；左右通道相对于对方不在一条直线上；左右通道相对于对方不在一条直线上；通道间焦距调节的非连续性；通道间焦距调节的非连续性；通道间明视度的不同。通道间明视度的不同。头盔式显示器设计的关键是对使用者最敏感的参数的理解以及如头盔式显示器设计的关键是对使用者最敏感的参数的理解以及如何通过设计使这些不利因素的影响减到最小。显
35、然，过分地强调头何通过设计使这些不利因素的影响减到最小。显然，过分地强调头盔式显示器会导致不断增长的设备价格。随着高性能计算机系统的盔式显示器会导致不断增长的设备价格。随着高性能计算机系统的出现，考虑在显示产生时使用一些扭曲校正方法是可能的，而不是出现，考虑在显示产生时使用一些扭曲校正方法是可能的，而不是对视觉设备本身要求过分苛刻。这里的技巧是使视觉扭曲校正减到对视觉设备本身要求过分苛刻。这里的技巧是使视觉扭曲校正减到最小，并在合适的地方使用计算机图形系统校正。在很大程度上，最小，并在合适的地方使用计算机图形系统校正。在很大程度上，这依赖于图形系统的能力和性能。对于扭曲校正来说，产生可计算这依
36、赖于图形系统的能力和性能。对于扭曲校正来说，产生可计算的解决办法是可能的。遗憾的是，这些办法是如此的复杂，以致于的解决办法是可能的。遗憾的是，这些办法是如此的复杂，以致于要花费最高性能的图形系统好几个小时来计算出校正后的扭曲图。要花费最高性能的图形系统好几个小时来计算出校正后的扭曲图。显然，对于实时应用来说这不是一个好的方法。显然，对于实时应用来说这不是一个好的方法。头盔式显示器系统头盔式显示器系统通过对不同的头盔式显示器系统的分析，给出有助于说明他们各通过对不同的头盔式显示器系统的分析，给出有助于说明他们各自技术优点的一些基本性能指标。为给一种应用选择一种特别的头自技术优点的一些基本性能指标
37、。为给一种应用选择一种特别的头盔式显示器系统，系统设计者需要了解一个特别技术的相对优点。盔式显示器系统，系统设计者需要了解一个特别技术的相对优点。基于基于LCD的头盔式显示器的头盔式显示器基于小型基于小型LCD的头盔式显示器相对便宜，但其技术水平还没有的头盔式显示器相对便宜，但其技术水平还没有达到令使用者满意的程度。结果用户不得不忍受比期望值要低的分达到令使用者满意的程度。结果用户不得不忍受比期望值要低的分辨率。由于辨率。由于LCD分辨率是有限的，所以过分地强调视域宽度将使整分辨率是有限的，所以过分地强调视域宽度将使整个显示分辨率非常低。如果一个人能在一个狭窄的视域内工作，那个显示分辨率非常低
38、。如果一个人能在一个狭窄的视域内工作，那么基于么基于LCD的头盔式显示器或许是最好的。的头盔式显示器或许是最好的。Eyephone头盔式显示器头盔式显示器它使用单色的便携它使用单色的便携LCD电视显示器，这个显示器使用了宽角度电视显示器，这个显示器使用了宽角度立体视觉。它的分辨率仍然很低，且显示器是单色的。它可以通过立体视觉。它的分辨率仍然很低，且显示器是单色的。它可以通过旋转朝外的两个视轴，提供了一个较宽的视域。旋转朝外的两个视轴，提供了一个较宽的视域。LX型型EyephoneLX型型Eyephone的图象是由宽角的图象是由宽角FMT光学器件显示。光学器件显示。FMT光学光学系统使用了系统使
39、用了Fresnel透镜，它要比最初的透镜，它要比最初的LEEP视觉系统轻。它有视觉系统轻。它有108角的视域，并且有比初始角的视域，并且有比初始LEEP视觉系统要小的几何畸变。视觉系统要小的几何畸变。1.VPLHRX型型EyephoneVPLHRX型型Eyephone是一种基于是一种基于LX型型Eyephone的彩色立体显的彩色立体显示系统。示系统。HRX使用的使用的LCD大约有大约有350000个彩色象素，因而能够显示个彩色象素，因而能够显示较高分辨率的图象较高分辨率的图象1.LEEPOpticCyberface2型系统型系统LEEPOptics生产的头盔式显示器系统是一个使用两个生产的头盔
40、式显示器系统是一个使用两个4英寸对英寸对顶的彩色顶的彩色LCD的立体头盔式显示器。的立体头盔式显示器。Cyberface2型在许多方面都与型在许多方面都与其他的基于其他的基于LCD头盔式显示器不同。头盔式显示器不同。最显著的不同是使用者戴了一个围绕脖子的反向平衡器。它通过最显著的不同是使用者戴了一个围绕脖子的反向平衡器。它通过好的铜缆与头盔式显示器相连，用来达到两个目的：平衡支持头部好的铜缆与头盔式显示器相连，用来达到两个目的：平衡支持头部的部分，消除由连接的部分，消除由连接LCD单元和用户图形系统的笨重电缆所带来的单元和用户图形系统的笨重电缆所带来的拖拉效果。头盔式显示器通过一个快速释放装置
41、被安装在一个特别拖拉效果。头盔式显示器通过一个快速释放装置被安装在一个特别的头部悬挂系统的头部悬挂系统一个帽子上。仔细地观察这个系统就会发现，一个帽子上。仔细地观察这个系统就会发现，头部仍然要文撑包括反向均衡器的所有的重量。头部仍然要文撑包括反向均衡器的所有的重量。Cyberface2与其他头盔式显示器的第二点不同在于与其他头盔式显示器的第二点不同在于Cyberface2不仅为每个眼睛提供了一个较宽的视域，而且还在水平视域上增加不仅为每个眼睛提供了一个较宽的视域，而且还在水平视域上增加了了25。这是通过使用大的。这是通过使用大的LCD单元以及调整左右眼间视轴从单元以及调整左右眼间视轴从0增加增
42、加到到25来达到的。来达到的。VirtualResearch的飞行头盔的飞行头盔为了满足日益增长的头盔式显示器的需要，其他公司已经开始生为了满足日益增长的头盔式显示器的需要，其他公司已经开始生产他们自己的产品。因正流行的一种显示器是由产他们自己的产品。因正流行的一种显示器是由VirtualResearch生生产的飞行头盔。从技术说明观点来说，这种显示器和产的飞行头盔。从技术说明观点来说，这种显示器和VPL的低分辨的低分辨率率(Eyephone)在质量上差别不大，它受到了正在使用的在质量上差别不大，它受到了正在使用的LCD组件类组件类型和视觉亲统的影响。碰巧，这种飞行头盔还使用了宽角度型和视觉亲
43、统的影响。碰巧，这种飞行头盔还使用了宽角度LEEP系系统。这种头盔在头盔形式和舒适程度方面设计得很好，其整体舒适统。这种头盔在头盔形式和舒适程度方面设计得很好，其整体舒适程度比其他大多数的基于程度比其他大多数的基于LCD的头盔式显示器要好，因为它重量相的头盔式显示器要好，因为它重量相对要轻，还容易保持平衡。对要轻，还容易保持平衡。基于基于CRT的头盔式显示器的头盔式显示器基于基于CRT的头盔式显示器可能在显示器技术系统中形成了最大的头盔式显示器可能在显示器技术系统中形成了最大的团体，它在军事领城得到了广泛的发展，建立了广泛的不同种类的团体，它在军事领城得到了广泛的发展，建立了广泛的不同种类的头
44、盔式显示器构型。这种的头盔式显示器构型。这种CRT有着低成本、小规格、高分辨率能有着低成本、小规格、高分辨率能力的优点。力的优点。带有光导纤维的头盔式显示器带有光导纤维的头盔式显示器对于一定的应用来说，较低的空间分辨率是完全能够满足要求的。对于一定的应用来说，较低的空间分辨率是完全能够满足要求的。如果要求宽视域的话，那么情况就会变得很复杂。宽视域的视觉系如果要求宽视域的话，那么情况就会变得很复杂。宽视域的视觉系统只是简单地抽取象素和有效地减少单位视角内的密度，统只是简单地抽取象素和有效地减少单位视角内的密度，CRT设备设备比比LCD能提供较高的分辨率，但却很笨重。因为电子束直径、点的能提供较高
45、的分辨率，但却很笨重。因为电子束直径、点的聚焦和磷光体颗粒大小等原因而使聚焦和磷光体颗粒大小等原因而使CRT的分辨率受到限制。满足分的分辨率受到限制。满足分辨率要求的小到足以安装到一个头盔式显示器上的彩色辨率要求的小到足以安装到一个头盔式显示器上的彩色CRT现在还现在还不存在。不存在。对这个问题的一个解决方法是使用一个大屏幕、高分辨率的对这个问题的一个解决方法是使用一个大屏幕、高分辨率的CRT作为图象源，并把它的图象连接到头盔式显示器上，弯曲的、作为图象源，并把它的图象连接到头盔式显示器上，弯曲的、紧凑的光导纤维被用来把远端紧凑的光导纤维被用来把远端CRT的图象传送给头盔上的视觉系统。的图象传
46、送给头盔上的视觉系统。带有光导纤维的显示器的主要优点在于它能够使用非常高分辨率带有光导纤维的显示器的主要优点在于它能够使用非常高分辨率的显示源，却不给头部带来重量上的难题。的显示源，却不给头部带来重量上的难题。v听觉环境系统听觉环境系统听觉环境系统由语音与音响合成设备、识别设备和声源定位设备听觉环境系统由语音与音响合成设备、识别设备和声源定位设备所构成。尽管视觉通道是最有竞争力的主要的通道，但听觉通道通所构成。尽管视觉通道是最有竞争力的主要的通道，但听觉通道通过向用户提供辅助信息从而可以加强用户对视觉通道的感知。过向用户提供辅助信息从而可以加强用户对视觉通道的感知。声音定位系统声音定位系统3D
47、声音定位系统声音定位系统随着立体声的发展，许多厂家试图改进声音的立体感。为了能产随着立体声的发展，许多厂家试图改进声音的立体感。为了能产生逼真的环境音，人们已尝试使用四声道系统。早期的环境音系统生逼真的环境音，人们已尝试使用四声道系统。早期的环境音系统未考虑人头的自由运动，因而人头不得不保持固定的位置。虚拟头未考虑人头的自由运动，因而人头不得不保持固定的位置。虚拟头录制系统合理地引进了环境音的效果。具有数字信号处理器的精确录制系统合理地引进了环境音的效果。具有数字信号处理器的精确的头跟踪系统的出现实现了真正的的头跟踪系统的出现实现了真正的3D声音定位。声音定位。Convolvotron空间声音
48、合成方法空间声音合成方法Convolvotron中用的空间声音合成方法涉及到具有滤波器的声音中用的空间声音合成方法涉及到具有滤波器的声音信号的直接卷积，这些滤波器对应于被测试的耳廓的冲击响应。响信号的直接卷积，这些滤波器对应于被测试的耳廓的冲击响应。响应是通过由不同方向到达左耳道和右耳道的声音测试得到的，比测应是通过由不同方向到达左耳道和右耳道的声音测试得到的，比测试更好的分辨率响应可以通过线性插值估计得到。试更好的分辨率响应可以通过线性插值估计得到。处理器结构体系处理器结构体系Convolvotron由两个主要部件和一个主机组。主机是由两个主要部件和一个主机组。主机是IBMPC或或PCAT或
49、兼容机。部件的计算核心包括四个或兼容机。部件的计算核心包括四个INMOSA100级连数级连数字信号处理器。每个部件包括带有延迟线的字信号处理器。每个部件包括带有延迟线的32个并行的个并行的16X16乘加单乘加单元和直接级连的控制线。这个处理器链在计算元和直接级连的控制线。这个处理器链在计算128阶截断阶截断FIR滤波时，滤波时，每每400ns得到一个输出得到一个输出，峰值处理速度超过每秒峰值处理速度超过每秒3亿次乘加。亿次乘加。Convolvotron的主要控制部件是由的主要控制部件是由TMS320C25数字信号处理数字信号处理器为器为CPU的控制器，这块卡插在主机扩展槽中，它对处理器、的控制
50、器，这块卡插在主机扩展槽中，它对处理器、A/D及及DA转换器、控制电路及从转换器、控制电路及从TMS320C25到到PC的两路端口提供了的两路端口提供了一些内存。另外，这个开发系统具有一个汇编链接及监控软件包，一些内存。另外，这个开发系统具有一个汇编链接及监控软件包，这允许开发人员在这允许开发人员在IBMPC上编制和管理上编制和管理TMS320C25的程序代码。的程序代码。该系统的结构入如下图所示，当输入缓冲区的数据足够时，它被该系统的结构入如下图所示，当输入缓冲区的数据足够时，它被送到送到TMS320C25的后台进行卷积处理。通过将缓冲器内容送往的后台进行卷积处理。通过将缓冲器内容送往A10
51、0运算器，后台进程处理全部缓冲器上数据以产生部分输出结果。运算器，后台进程处理全部缓冲器上数据以产生部分输出结果。 v小结小结显示设备依据光学图象被提供的方式可以分为投影式和直视式。显示设备依据光学图象被提供的方式可以分为投影式和直视式。在直视式头盔式显示设备中，可能使用的显示器包括：在直视式头盔式显示设备中，可能使用的显示器包括：各种各种CRT各种各种LCD荧光管荧光管场致光场致光各种各种LED等离子板等离子板液晶开关显示器液晶开关显示器微机械硅显示器微机械硅显示器其中微机械硅显示器被认为是将来最重要和最可能的新型其中微机械硅显示器被认为是将来最重要和最可能的新型HMD显示部件。在投影式头盔式显示设备中，可能使用的显示器包括：显示部件。在投影式头盔式显示设备中，可能使用的显示器包括：投影显示器投影显示器光阀显示器光阀显示器激光扫描器激光扫描器使用头盔式显示器使用头盔式显示器HMD需要了解焦距、出瞳、眼睛松弛度和视需要了解焦距、出瞳、眼睛松弛度和视野等光学设计参数。野等光学设计参数。
