多投影面沉浸式虚拟环境及其应用

    多投影沉浸式虚拟环境按系统结构来划分主要可以分成三大部分: 投影系统、用户交互系统以及图形与计算系统.

1.1 投影系统

    投影系统主要包括多台支持高分辨率影像的投影机以及投影屏幕.虚拟环境的立体影像将通过投影机投影到投影屏幕上,投影屏幕可根据应用的需要组合成各种不同最终投影,例如CAVE 的各投影屏幕相互垂直构成一个立方体,PowerWall 的各投影平面相互并排层叠形成一个较大的投影平面.

    为了满足虚拟环境对实时性的要求,投影机必须有较快的响应时间,否则可能会造成运动重影.投影机的选择与系统所使用的立体影像生成技术也有关.立体影像生成技术主要有两种: 主动式立体模式与被动式立体模式.在主动式模式下,用户的左、右眼影像将依帧顺序显示,用户使用LCD 立体眼镜保持与立体影像的同步,这种模式可以产生高质量的立体效果.而被动式系统则需要使用两套显示设备以及投影设备分别生成左右眼影像并进行投影,不同的投影机分别使用不同角度的偏振光以区别左右眼影像,用户使用偏振光眼镜保持立体影像的同步.

    在主动式立体显示模式下,由于高分辨率影像需要以120Hz 的刷新率进行刷新,因此对投影机的带宽以及响应速度上都有比较高的要求.对于被动式立体模式来说,每个投影面需要两台投影机分别对左右两眼的影像进行投影,不过对与投影机的要求就相对来说比较低,但投影屏幕则需要专门材料以保证光的偏振角度不在屏幕上发生变化.

1.2 用户交互系统

    用户交互系统可包括多种交互设备:例如跟踪器、数据手套、操纵杆、力反馈设备以及立体声音像设备等.通过这些设备用户能够与虚拟环境及其物件进行交互,使用户能够更深入地溶入到虚拟环境中.

    跟踪设备在大部分沉浸式虚拟环境是必不可少的.跟踪设备将跟踪使用者及其头部的实时运动信息,根据这些信息系统可以计算出用户双眼视点的位置,并由此为基础生成正确的立体影像.

1.3 图形与计算系统

    图形与计算系统负责生成虚拟环境并对用户的交互信息进行处理,它是驱动整个系统的核心.为了让虚拟环境能够达到一定的沉浸感并维持其实时性,图形与计算系统必须根据用户的视点实时地生成各个投影面相对于用户视点位置的立体影像,并且需要实时地对用户的交互信息以及数据进行处理和计算,尽可能地降低系统地相应延迟,所以系统在图形能力以及计算能力方面来说有比较高的要求.图形与计算系统可根据实际应用需要进行配置.

    传统的多投影沉浸式虚拟环境一般采用专业图形工作站例如SGI Onyx2 驱动,这一类工作站可支持多处理器并行计算、高带宽的内部数据传输率以及高性能图形处理能力,可实时地生成处理大量的数据并实时的生成高质量的立体影像,同时可通过其多通道输出的配置同时驱动多台投影机对多个投影面进行投影[12].

图 1 以专业图形工作站驱动的多投影面沉浸式虚拟环境

    传统系统专业图形工作站的昂贵价已成为近一步推广该类系统的最大阻礙.一直以来,PC 无论是在图形或是计算能力上都有飞速的发展,近年来,以PC 驱动的多投影沉浸式系统已成为一个热门的研究方向.与图形工作站不同,目前一般的PC 只能提供一个图形通道输出,所以由PC 架构的系统将由多台连网的高性能PC 驱动.每一台PC 或是每两台PC负责一个投影面的投影,这取决于立体影像生成模式.各PC将并行地生成虚拟环境中的不同投影面,所以在PC 之间需要有多层次的同步机制来进行协调,以确保由各个投影面所构成的虚拟环境最终的正确性.

    软件系统的设计是基于联网PC 驱动的多投影面沉浸式虚拟环境非常重要而具有挑战性的工作。目前比较成熟的开发工具有：Stanford University 的WireGL[13]及其后续计划Chromium[14]、Princeton University 的DGL[15]、Universityof Illinois 的Syzygy[16]、Iowa State University 的VR Juggler及其VR Juggler 的两个扩展工具Net Juggler[17]和ClusterJuggler[18]以及浙江大学CAD&CG 国家重点实验室的PCCAVELib[11]。

图 2 以联网PC 驱动的多投影面沉浸式虚拟环境