虚像显示系统简介

2019-06-11 22:39:43 5197

光电显示工程技术中心


一、背景分析


    游戏业发展到今天,无论是从声音还是画面都力图使玩家真正感受到身临其境的效果,在追求高品质画面和环境音效的同时,操作、显示的真实感也开始受到玩家们的广泛关注,对于那些射击、赛车、飞行类游戏,传统显示设备已经不能很好的满足要求了。
    放眼电视游戏市场,众多的仿真外设孕育而生,回膛光枪、力回馈方向盘、超真实飞行模拟控制台……这些已经说明操作的真实感更可以让人融入到心爱的游戏当中。除了电视游戏,目前的电脑游戏也在追求强烈的真实感,并且推出了一系列专门的游戏操作设备。
    虚像显示、立体显示技术的引入势必提升游戏显示的真实感。

 

 

1、技术背景——虚拟现实技术


    虚像显示系统作为虚拟现实系统的视景显示子系统应用于飞行模拟系统中,图1所示。

图1   虚拟现实实例 —— 飞行模拟系统

 

    虚拟现实技术,最早起源于20世纪50年代的美国,90年代为科学界和工程界所关注,发展至今还处于不断探索的阶段。它的兴起,为人机交互界面的发展开创了新的研究领域;为智能工程的应用提供了新的界面工具;为各类工程的大规模的数据可视化提供了新的描述方法。

    虚拟现实技术是一种综合应用各种技术制造逼真的人工模拟环境,并能有效的模拟人在自然环境中的各种感知系统行为的高级人机交互技术。虚拟环境通常是由计算机生成并控制的,使用户身临其境的感知虚拟环境中的物体,通过虚拟现实的三维设备与物体接触,从而真正的实现人机交互。

    构成虚拟现实系统的技术包括计算机实时图形图像生成技术、图像处理与模式识别技术、视景显示技术、运动模拟技术、智能接口技术、人工智能技术、多传感器技术、语音处理与音响技术、网络技术、并行处理技术和高性能计算机系统集成技术等等。


 
2、视景显示技术


    视景显示技术是飞行模拟系统的主要组成部分,飞行视景模拟的逼真程度直接关系到操作人员能否做出正确的响应。视景显示系统由景象发生系统和景象显示系统两部分组成。
    景象显示系统按技术原理可分为实像显示技术和虚像显示技术两类。


2.1 实像显示技术


    根据物理学定义,实像是由实际光线汇合在一起所成的影像,可以显现在实际的屏幕(如背投屏幕)上。实像显示系统一般光路比较简单,直接通过投影设备将图像投射到显示屏上即可,其最大的缺点就是缺乏立体纵深感。
    目前,在视景系统中比较常见的实像显示方式有平面窗口式、球形幕显示、模拟球视景显示三种类型,如图2、3所示。


   
       图2  平面窗口式实像显示                   图3  模拟球视景实像显示

 

 

2.2 虚像显示技术


    虚像显示,即对于一个正屈光度的光学系统,当物体放在焦点以内时,在物体的同侧,可形成一正立的位于远处的放大虚像,当物体渐渐趋近于焦点时,像距越来越大,最后当物体就在焦点或焦平面上时,从理论上讲,像即成在光学无穷远处,这种效应即虚像显示或准直显示原理,它的效果是使观察者“确实”看到物体位于远处,达到再现真实世界的目的,所以又可称为无限远显示系统,其物象关系可由高斯公式表示:

                    f/S + f'/S' = 1                          (1)


    虚像是光的反向延长线会聚而成的像,不能用显示屏幕承接,只能用人眼观察,具有纵深感强的特点。目前,无限远显示系统主要有两种类型,透射式和反射式无限远显示系统(n'=-n)。透射式系统采用透镜作为成像器件,其本身具有固有的像差缺陷和大口径透镜制造困难等特点,而反射式系统克服了像差缺陷,只有少量球差,因此,在国内外得到了广泛应用。


 
图4  虚像的形成

 

 

二、技术特点

    显示技术的任务是根据人的心理和生理特点,采用适当的方法改变光的强弱、光的波长(即颜色)和光的其他特征,组成不同形式的视觉信息。视觉信息的表现形式一般为字符、图形和图像。
    对于视景显示技术中的景象显示系统大致有以下几项性能要求:
    ·观察者所看到的图像视角,即眼睛对显示视景的张角,应与景象发生系统的视角一致;(仿真眼睛调节和视差效果)
    ·观察者所看到的图像应位于光学无穷远处;(产生纵深感)
    ·显示系统的出瞳距应适合观察者的眼睛位置,且出瞳的大小不妨碍观察者正常的头部运动;(眼球位置的容差)
    ·图像有足够的亮度。通常认为图像亮度不低于5 footlamberts;
(1 footlamberts=3.43nt 或 cd/m2)
    ·色彩复原良好;
    ·有足够的分辨率。

 

1、透射式虚像显示技术


    上世纪70年代,美国NASA AMES研究中心的Bruce C.Ganzler等对此进行了研究。
    飞行员在飞行模拟器中观察到的目视窗外飞行景象应当表示真实的世界。在这种真实的世界中,飞行员一般看到距离为30米或更远的物体,即用光学词汇来说是无穷远处的物体。如果景象是由近距离观看的,那么就不能得到真实的模拟飞行景象。前述的实像显示方式通过显示器或投影屏幕看到的图像通常只有几米距离,因此不能真实的模拟飞行视景。

    当飞行景象的像超过12米时,眼睛就聚焦在无穷远,此时晶状体处于松弛状态。当视场从外部的目视景象变化到模拟仪器的仪表盘时就需要眼睛晶状体重新调焦,晶状体从松弛到调焦状态,或相反的变化是眼睛对真实世界的反应,也是虚像显示系统需要实现的关键性能。

    透射式虚像显示由于显示器或其他成像屏幕相当大,需要的透镜也必然很大。一般这种透镜是用PMMA塑料制成的菲涅尔透镜,它比玻璃透镜轻而便宜,且易于切割加工。
    如前述图4所示,平凸透镜与眼睛组合构成一个目视光学系统。眼瞳是孔径光阑,又是出瞳。透镜框式视场光阑,又是出、入射窗;同时透镜本身又是渐晕光阑。

 

    如果物体位于透镜的焦点上,则

 

                                           

    在此情况下,如果眼睛的位置不超过透镜的后焦点,则观察者就能以相同大小看到象的任何部分,而与眼睛在光轴上的位置无关,因为透镜角放大率将以正确的比例来变化象的大小以保持象的张角为一常数(图7)。

    像的缺陷和光学限制

    简单的、未经校正的透镜存在影响成像质量的多种像差。彗差和球差随孔径的二次方而变换,象散和场曲随像高的二次方变化。彗差和发达率色差随像高的一次方变化,畸变则随像高的三次方变化。

    并不是一切的光学系统都要对所有像差进行校正,而是根据使用条件提出适当的像差容差要求。此类大视场大孔径光学系统,除考虑球差、轴向色差等轴上点像差外,还要考虑彗差、象散、场曲、畸变和垂轴色差等轴外色差,否则只能在系统光轴附近看到清晰无失真的像。

    将物体移近透镜将减小许多透镜像差,但物距的改变取决于要求的视场和像距。因此,将物体移近透镜会使角放大率减小,并大大的减小像距。还有,因为减小了角放大率,像的尺寸也要变小;结果,上述的某几种像差将会减小。

    目前,此种系统并未得到普遍应用,主要原因在于结构纵向尺寸太大,以及像差,特别是色差的影响。但这一研究结果表明虚像显示技术的成功,从而导致寻求各种虚像显示方法的进一步研究。


2、反射式虚像显示技术


2.1 分光镜式虚像显示技术


    该系统如图5所示,由显示器、分光镜及球面准直镜(反射镜)组成,它利用光束分光镜将显示器面板图像偏折到等效的准直镜焦面上,从而达到视景无限远光学显示的目的。

 

    准直性的好坏决定了最终显示清晰像的远近,立体纵深感的强弱,是评价此类系统的关键指标。其准直性取决于球面反射镜的球差,越靠近光轴,准直性越好。如图6所示,准直性的优劣是通过人眼所接受的某物点发出的宽度为双目距离的两条光束的不平行性来评价,即两条光线的夹角Δθ。

    理论上到达人眼只有原亮度的22.5%,而实际上光效更低,这就是分光镜式虚像显示系统的致命缺陷。

图5 分光式虚像显示系统

图6 系统准直性

2.2 离轴球面全反射虚像显示技术


    该系统如图7、8所示,由高清投影仪、球面散射屏及球面准直镜(反射镜)组成。

    原理类同分光镜式虚像显示,只是减少了透射率和反射率均为50%的分光镜处的损失,提高了光效。

    只需保证投影仪亮度达到83nt以上即可满足最终需要的15nt以上亮度。

图7 离轴球面全反射虚像显示

图8 系统准直性


2.3 离轴高次非球面全反射虚像显示技术

 

 

    该系统如图7、9所示,与离轴球面全反射虚像显示类似,只是将球面反射镜变为高次非球面反射镜,校正球差,改善系统的准直性。

    初步校正后系统的最大双目不平行性为14.5’ ,小于球面全反射系统的19.7’

    离轴球面和非球面全反射系统在视场、光效方面能够满足要求,且有较好的准直性,所以是飞行模拟视景显示系统的最佳方案。

图  9

 


三、市场应用


    由于视景显示系统结构复杂、昂贵,多数用于军队或民航部门,用于模拟作战或飞行员的训练。随着技术的进步,各组件制造成本的下降,以及游戏领域对游戏真实感的需求,此类系统逐步向游戏领域拓展。如飞行、射击、赛车等对视景真实感有需求的模拟游戏具有很好的发展前景。

 

    景象显示系统引入游戏领域,还需得到景象生成系统的配合,包括游戏软件内容、图像处理设备等。

 

应用案例

 

电话咨询
邮件咨询
在线地图
QQ客服