大屏幕多人沉浸式立体显示系统

摘要

随着计算机图形图像技术的发展，仿真系统中单视点图像所营造的虚拟环境使人觉得越来越不能满足需求。用户希望像真实环境中一样能够感受到虚拟场景中的物体与用户之间以及物体之间的相对深度信息，于是立体显示技术逐渐被引入到大屏幕多人沉浸式仿真系统应用当中。
　　 本文结合人眼在真实环境中建立立体视觉的生理过程，分析了基于双目视差模型的平面幕立体显示的生理局限性，为了使生成的双眼图像视差在人眼的可融合范围内，提出了双眼图像间的视差控制方法。根据给定显示设备和虚拟场景的尺度，提出了一种精确计算虚拟相机分离距离的方法，该方法可以适用于不同的物理显示设备和不同尺度的虚拟场景模型。提出采用分割场景深度的方法，使近景物体映射到物理屏幕较大的融合范围内，从而增大近景物体的深度感知范围。搭建了大屏幕多人沉浸式CAVE立体显示系统，给出了适合于工程上搭建“经济型”CAVE系统的几种实现方法。提出了一套适用于CAVE的图像几何校正方法，通过重投影变换计算出B样条曲面控制点坐标并且绘制B样条曲面，将预存在纹理内存中的双眼视景图像分别映射到各自的B样条曲面上。通过对左右眼立体图像分别进行几何校正，实现了CAVE多通道立体显示的无缝拼接。通过调整B样条曲面的控制点坐标以及曲面阶数，实现了左右立体图像局部位置的调整以及图像平滑度的调整。CAVE系统作为六自由度仿真器的仿真环境支持平台，针对其视坐标系的建立，提出了初始VUP矢量的概念，将初始VUP矢量绕n矢量的旋转与虚拟相机横摇角的概念联系起来，由此得出任意VUP矢量的计算方法。作者将基于CAVE系统的多通道立体显示技术成功地应用在直升机模拟器和集装箱装卸仿真系统中。

目录

文摘

英文文摘

创新点摘要

第1章 绪论

1.1 立体显示系统综述

1.1.1 立体显示技术

1.1.2 双眼视差图像

1.1.3 双眼视差

1.2 大屏幕多人沉浸式CAVE立体显示系统综述

1.3 基于CAVE立体显示系统的应用实例

1.3.1 直升机模拟器及其视坐标系的建立

1.3.2 基于CAVE的集装箱装卸仿真系统

1.4 本文的研究背景

1.5 本文的研究内容

第2章 平面幕立体显示的生理局限

2.1 人眼立体视觉的生理机制

2.1.1 人眼的调节作用

2.1.2 人眼的辐辏作用

2.1.3 双眼视网膜视差和Panum融合区

2.1.4 人眼真实环境中的深度感知

2.2 计算机立体显示

2.2.1 平面幕立体显示的屏幕视差

2.2.2 平面幕立体显示的融像问题

2.2.3 屏幕视差的控制

2.3 小结

第3章 虚拟场景中立体图像的绘制

3.1 内束模型

3.2 离轴模型

3.3 平行轴模型

3.4 立体显示中虚拟相机距离和深度的研究

3.4.1 计算精确虚拟相机分离距离所满足的条件

3.4.2 虚拟相机分离距离的计算

3.4.3 物理显示屏幕临界深度的确定

3.4.4 实验结果

3.4.5 场景中任意深度的确定

3.4.6 深度映射验证

3.4.7 对人眼感知立体图像深度空间的优化

3.4.8 场景局部深度优化算法

3.4.9 深度优化实验结果

3.5 小结

第4章 CAVE立体显示系统的搭建及立体图像的几何校正

4.1 CAVE系统结构

4.1.1 CAVE的通信系统

4.1.2 CAVE的图形系统

4.1.3 位置跟随系统和交互系统

4.2 CAVE立体显示系统的搭建

4.2.1 主动立体模式

4.2.2 被动立体模式

4.2.3 直接被动立体方式

4.3 CAVE立体图像的几何校正

4.3.1 重投影变换

4.3.2 求重投影对应点

4.3.3 已知量的获得

4.3.4 绘制B样条曲面

4.3.5 图像校正步骤

4.3.6 校正实验及分析

4.3.7 校正对图像绘制速度的影响

4.4 小结

第5章 基于CAVE立体显示系统的应用实例

5.1 直升机模拟器

5.1.1 操控系统与仪表显示

5.1.2 直升机六自由度数学模型

5.1.3 直升机仿真环境中的视坐标建立

5.1.4 确定视坐标系步骤及系统运行结果

5.2 基于CAVE的集装箱装卸仿真系统

5.2.1 采用CAVE系统仿真驾驶舱环境的可行性

5.2.2 集装箱装卸仿真系统的系统构成

5.2.3 视景系统

5.2.4 吊具的数学模型

5.2.5 教员模块

5.3 小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的论文

致谢