摘要：要使一个正常人能产生浸没在一个计算机产生的虚拟环境中的幻觉,所必要的视场角至少应能覆盖人眼的光轴上所能直接看到的区域——大约90°。随着水平视场角一直增大,幻觉都会随之增强。再加上立体视觉,以及通过头部运动跟踪实现的整个360°视场,将使幻觉达到十分完美的程度。这些就是头盔显示器的主要功能。本文描述了一种用在灵境系统的头盔显示中的光学观察系统,给出了其设计要点。由于采用了视场边缘大畸变的径向压缩技术,使得这个系统在保证大视场的同时,尽量提高了视场中央的分辨率。并指出,即使在目前液晶显示和计算机图形技术还很不成熟的状况下,头盔显示系统产生的幻觉也是非常惊人的,它预示着新一代计算机界面的来临。
1 头盔显示器综述
头盔显示器是灵境系统中除了计算机之外最昂贵的部分,它能够提供虚拟现实的三维显示,而且只要其视场足够大(大于90°),就能提供相当不错的浸没感。
1.1 头盔显示器的工作原理
头盔显示器包括三个部分:显示部分、光学镜头和头盔。显示部分的作用是把计算机输出的图象显示出来。为了使头盔显示器产生逼真的立体感,显示部分需用两块显示屏分别显示左右眼两幅图象,通常采用液晶显示屏(LCD)或阴极射线管(CRT)。因为头盔显示器的体积应尽量小,所以显示屏与观察者眼睛的距离都很小,一般只有几个厘米。观察者在这样短的距离上是不会看清任何东西的,更不用提什么浸没感了。这就需要有一个光学镜头来把显示屏的图象成象在观察者能看清的距离上,让图象覆盖尽可能大的视场,并使虚拟环境中的物体看起来的尺寸和真实尺寸差不多,因此它对浸没感的实现也起到了很关键的作用。头盔的作用是把显示部分与光学镜头固定住,并挡住外界光以增强浸没感。此外,还通过它把头盔显示器牢牢地固定在观察者的头上。
1.2 显示部分
第一个头盔显示器是美国麻省理工学院的Ivan Sutherland[1]发明的,当时他采用了CRT作为显示器件。他并没有把CRT放在眼睛的前面,而是放在两侧,然后用反光镜把CRT的图象反射至人眼中。虽然CRT分辨率高,但与LCD相比,CRT要重得多,而且还有辐射的危险,所以随着LCD的分辨率越来越高,现在大多数头盔显示器都采用LCD作为显示设备。LCD的制作技术近年来得到了迅速的发展,但分辨率低仍是其最大缺点。现在微型LCD的最大应用是微型彩电,微型彩电一般放在二三十厘米的距离观看,其视场角只有十几度,这时你并不会感到象质的低劣。而在头盔显示器中,视场角要达到90°以上,即要放大七八倍,这时你就会看到一个一个的象素。对于彩色LCD,你还会看到组成每个象素的红绿蓝三点结构,这将让观察者感到十分的难受。对此目前有四种解决方法:①离焦,②漫射器,③波前随机化,④波前随机化加上空间频率增强器。这四种方法的作用都是使象素点变得模糊,从而使观察者看不清象素的边界,也就不会看到一个一个的象素了。
为了使两块LCD能并排地放在眼睛前面,LCD的尺寸不能太大,人的平均瞳距为64mm,因此LCD的对角线最好不要超过89mm,否则就要增加光学系统的复杂性。现在国外有人采用了一种更高级的显示设备。他们把计算机生成的图象通过特殊设备投影到一束光纤的一端,然后将图象传输到光纤的另一端之后再通过镜子反射到人眼中。这种方法可达到非常高的分辨率,不过造价也高得惊人[1]。
1.3 光学镜头
评价灵境系统头盔显示器中光学镜头质量的最重要的指标是视场角。该镜头需要多大的视场角取决于人眼的能力。人眼真正具有很高的分辨率的区域只是在光轴附近一度左右——视网膜的黄斑上,但还有宽广的边缘视场。无需转动眼珠,单眼就能感受到离轴90°的运动物体,即水平视场可达180°。加上眼珠还能转动90°,这样无需头部转动,人眼能感受到的水平视场就达到了270°[3]。在目前的技术条件下,头盔显示器还很难提供整个270°视场。经验证明90°的视场就能提供相当不错的浸没感。
2 头盔显示器设计要点
通过和人们正常视觉经验的比较,我们得出以下几条头盔显示器的设计要点:
●逼真的立体视觉(双眼视觉)
立体视觉是人眼形成深度感觉的重要因素。物体在左右两只眼睛中所成的象略有差别,两个象经过大脑融合后使得物体看上去是三维的。在灵境系统中,立体视觉提供的深度感觉必须考虑进去。
“逼真”可简单而充分地定义为:所看到的景象中的所有点的方位角和俯仰角与原始图象中的对应点都一样。“逼真立体视觉”或“逼真体视”则要求两眼所看到的两幅图象同时符合这个条件。在逼真体视的虚拟环境中,原来是直线看上去还应该是直线,在任一方向的透视关系也应该是正确的,这是逼真环境的必要条件。
●视场
视场是浸没感的关键因素。影响视场大小的最主要因素是光学镜头。视场对灵境系统的影响包括两个方面:总视场角和视场重叠角。一只人眼的水平视场角是150°,垂直视场角是135°[4],而两眼总的视场角是180°(头不动),所以视场重叠角是120°。视场重叠角是产生立体感觉的重要因素,因此头盔显示器的视场重叠角也应尽量达到120°。光学镜头的两根光轴的位置对视场重叠角有影响,当两根光轴平行(或会聚)时,视场重叠角较大,但总视场角较小;当两根光轴发散时,总视场角较大,但视场重叠角却较小。因此,视场重叠角与总视场角是一对矛盾。
●分辨率
人眼的最高分辨率为1弧分左右,在视网膜的黄斑区附近。目前的显示技术和计算技术都还无法在灵境系统中提供如此高的分辨率。对于一个34.3mm的LCD,目前世界上较高水平的点阵为480×360,如果提供120°的水平视场,中央分辨率为每象素16弧分左右。这时只能采用牺牲视场边缘分辨率的方法来进一步提高视场中心的清晰度。
●彩色
彩色显示能增加系统的真实性。
●消除畸变
要使观察者能产生正确的立体视觉,必须消除光学镜头带来的畸变,这一般通过产生图象的计算机软件来实现。
●调焦和会聚
人眼在观察自然环境中的三维物体时,要对空间中的一点进行调焦和会聚。只有把调焦和会聚结合起来,人眼才能舒适地观察从无穷远到近点之间各个距离的物体。而在虚拟环境的立体景象中,人眼无法再对某一点同时进行调焦和会聚,同时,人眼又只能容忍一定程度的调焦和会聚之间的冲突,这样,显示器中景象的距离范围就受到了限制,而如何限制则依赖于虚象平面的位置。在灵境系统的图象产生软件中应把这些限制考虑进去。
●系统应能适用于大多数观察者
人与人之间在许多方面都是有差异的:瞳距、头的大小以及是否戴眼镜等。设计头盔显示器时必须把这些因素考虑进去。瞳距的差异可以有两个办法解决:一个办法是把光学镜头的出瞳做的足够大;另一个办法是使系统能够调节瞳距。不过在两种情况下,不同的人所得到的深度感觉还是不一样的,有时甚至无法融合两眼的图象。要解决这个问题,只有通过软件,即在数学模型中把瞳距的不同考虑进去。
●重量
理想的头盔显示器的重量应该是和一副眼镜差不多,当然,现在还远远无法达到这个目标,目前最轻的头盔显示器的重量大概是400g左右。常用的减轻头盔重量的方法包括采用塑料头盔壳体和尽可能利用塑料透镜等等。
3 一个大视场角头盔显示器的实现
3.1 如何平衡视场角的造价
我们把视场角在90°以上的系统叫做大视场角系统。大视场是产生浸没感的最重要因素。虽然大视场使得图象看上去更粗糙,但在许多情况下,包括在用灵境系统实现的航空或车辆模拟器中,用户都会沉浸在大视场所带来的兴奋中,而并不太在意粗糙的分辨率。在设法增大视场角的同时必须兼顾造价。价格的增加与视场角的增加是不应该成比例的,因为不同区域所要求的分辨率是不一样的。如前所述,眼睛在视网膜中心附近的分辨率很高,而随着离中心的距离的增加,分辨率迅速下降,所以在操作时对边缘视场分辨率的要求要低得多。在设计中我们遵循以下规律:给予视场中央30°的信息量应与给予视场其余180°的信息量大致相等。这里所说的信息量是指信道容量或存储容量。实践表明这个规律可以作为在中央视场和边缘视场之间如何分配视觉数据的权重的依据。
3.2 视场压缩方式的确定
在灵境系统中,计算机产生的虚拟环境必须以二维阵列存储,并以视频信号传输,这样,它就必须映射到平面上。
对于普通的视频显示,比如电视、录象等,采用的是线性投影。线性投影是针孔照相机或无畸变普通照相机的工作原理,它将三维世界线性地投影到平面上。显然它不适于大视场角的逼真体视,因为这种情况下,边缘视场将花费巨大的存储空间和信道容量。
我们设计的大视场角灵境系统光学镜头对边缘有意引入了很大的畸变,这样将大大节省存储、传输和显示的容量。由于人眼在极边缘区域的分辨率是很低的,所以这样压缩是合理的。但很明显,光学系统造成的大量畸变必须在计算机图象生成过程中加以矫正,才能得到逼真的立体视觉。
3.3 灵境系统大视场角光学镜头的具体实现
在我们的光学系统中,每眼由四片透镜构成,其系统光路如图1,外形如图2所示。它的单眼视场为120°,通过计算机生成左右眼图象产生的双眼立体视场可以达到140°。系统的象面直径为55.8mm,这是根据西铁城微型彩电P422上的液晶屏幕的尺寸设计的。系统的出瞳距为7.5mm,出瞳直径为3mm。由于出瞳直径较小,用机械方法实现了瞳距的调节。在设计中,对系统的不同视场的单色象差和色差都进行了校正。
在光学系统的视场边缘,产生了大量的径向畸变,用最小二乘法对各视场象高h与视场角θ的关系进行了拟合,得到畸变方程
在灵境系统计算机软件中,将使用相应的方程对生成的图象进行预畸变处理,使得在头盔中通过光学系统观察到的景象恢复正常。因为方程中五次幂前的系数很小,为了加快图象生成速度可以将该项忽略。
实验表明,上述光学系统在正确的软件支持下,能够产生浸没感很强的立体图象。
参考文献
1 Gradecki J.The virtual reality construction kit.New York:John Wiley &Sons,1994
2 Teitel M A.The eyephone,a head mounted stereo display.SPIE,1990,1256:168～171
3 Howlett E M.Wide angle orthostereo.SPIE 1990,1256:210～223
4 Clapp R E.Stereoscopic perception.SPIE,1987,761:79～84
本文作者：何 定:男,1974年11月生,1994年7月毕业于北京理工大学工程光学系(现光电工程系),现在北京理工大学光电工程系攻读硕士学位,硕士研究课题为《虚拟现实系统的头盔显示器和头部跟踪系统的研制》。
