头盔显示器不等于虚拟现实
头盔显示器不等于虚拟现实
& & &自从以天价20亿美元收购Oculus 之后，&&话题红透了半边天。不过几个月以来，话题内容都是围绕着虚拟现实头盔（或称为头戴式眼镜）展开的。包括Oculus Rift，的Morpheus，还包括需要借助显示屏来传递虚拟现实体验的 Cardboard和三星的Gear VR&。一时之间，不少人觉得似乎拥有了一部头盔式显示器就可以拥抱虚拟现实了。然而，头盔式显示器并不能代表虚拟现实的全部。
　　无论在已经有着成熟应用的工业级市场，比如高端制造、军队、科研领域，还是新近爆发市场潜力的消费级市场，比如，虚拟现实的实现都有赖于五个核心系统：显示设备、交互设备、3D内容、平台和高性能的计算机系统。以Oculus为代表的风头正劲的一众头戴式设备，只能算作虚拟现实的显示设备。
　　显示设备：营造高度逼真、的虚拟世界
　　从人类获取信息的方式看，视觉是最主要的，它占到了人们获取的信息量的70%。头盔显示器，通过头戴的方法，把使用者的视觉封装起来，创造一种身在虚拟环境中的错觉，属于一种3D可视化的显示方式或显示设备。除了游戏，头盔显示器还被应用于军事、工业、教育等领域，但是它只能用作单人虚拟现实体验环境营造。在项目评审、客户营销、教学科研等场合，它无法支持多用户的实时交互和工作协同需求。
　　在航空航天、汽车、船舶、核电、石油、煤炭、军工等高端装备领域，虚拟现实的应用常常需要结合宏大的工作场景、精细的工作流程以及多人协同。因此，超大等比画面、高分辨率、高清晰度和高亮度的虚拟现实显示设备成为必须。结合了边缘融合、大屏拼接和无缝拼接技术的大型虚拟现实沉浸式系统，为以上领域实现了高端的3D可视化效果和完美的虚拟现实体验，使用者的视角范围极限可以达到135度，实现了虚拟现实真正意义上的&沉浸式&。
曼恒数字IM沉浸式虚拟现实环境
　　交互设备：虚拟和现实之间的&媒介&
　　沉浸式环境虽好，但是如果只能&被动&观看逼真的虚拟世界，不能参与其中进行&主动&的交互和操控，那就不算真正的虚拟现实。借助6自由度的位置追踪设备、操纵手柄、数据手套和力反馈设备等外设，可以实现对虚拟物体的抓取、安装、拆卸等交互操作。
　　比如下图中配有位置追踪点的仿真炮筒可以发射激光束，感应设备可以捕捉激光束的位置和方向信息，反应士兵射击的准确率。
曼恒虚拟现实军事半实物仿真应用
　　常用的交互设备还有操纵手柄和数据手套。操纵手柄可以感知手在前后、左右、俯仰、移动、转动的操作，并传递到虚拟的物体上，形成虚拟操作。数据手套是在表面加装了动作传感器的交互设备，可以捕捉人的各种动作，并在虚拟世界中重现。
包含各种交互设备的G-Motion位置追踪系统
　　3D内容：虚拟现实的灵魂
　　虚拟现实产生实际应用价值的最大挑战并非来自于硬件，优质的内容资源及其可获得性才是关键。Oculus Rift DK2的性能表现对于普通消费者来说已经足够了，而它迟迟不发布消费者版本，也正是因为&它在等待好的游戏&。
　　专业3D内容的获得有赖于专业虚拟现实软件平台的开发，一般专业内容制作团队要先获取真实的环境和物体数据，在软件平台中完成对环境和物体的三维建模以及互动逻辑，最后还原一个真实的世界。
　　比如下图中的公共安全应急虚拟现实系统，大屏幕中显示的大型公共基础设施、树木地形等环境和操作者都经过专业的三维建模，并设定了灾害稳态和动态演进趋势逻辑。
　　再比如口腔医学虚拟实训系统，口腔工艺设备、口腔解剖模型、支架模型以及工艺制作全流程模拟，都是根据真实的设备数据进行建模，再到虚拟世界中完成再现。
　　软件平台：虚拟现实的核心系统
　　3D内容绝不是仅仅通过3D建模就能完成的，3D建模生成了3D图形图像，更主要的是对模型数据进行系统的管理。虚拟现实软件平台或称为虚拟现实引擎，相当于虚拟现实的操作系统，起到对3D模型数据、外围设备进行控制、管理的作用。
　　比较主流的国外虚拟现实引擎有法国重量级的Virtools、拥有强大渲染器的荷兰Act-3D公司研发的Quest3D，定位于游戏开发的后起之秀Unity3D。中国本土的大型引擎，有中视典公司的VRP，被大量动画公司采用制作房地产漫游；还有定位于高端制造、军工、教育科研等高端领域虚拟现实内容获取、编辑和展示的曼恒数字的DVS3D。
DVS3D虚拟设计协同工作平台&
　　高性能计算机系统：虚拟现实的大本营
　　虚拟现实是实时渲染机制，需要不断的刷新海量大数据。达到虚拟现实承载能力的计算机系统通常是图形工作站，不同于台式计算机，是针对了图形图像处理进行了优化的计算机系统，机内有多个高端CPU，外加专用的图形图像处理芯片，以及海量数据输出输入系统。
　　以Oculus为代表的头盔显示器，作为一种虚拟现实的显示设备，沉浸感优于显示器的虚拟现实效果，但远逊于大型虚拟现实沉浸式系统的显示效果，在大型虚拟现实沉浸式系统中，头盔显示器常作为辅助设备，对系统进行补充和辅助。
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头盔显示器的应用及技术设计参量简析
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1． 前言 ;;;;头盔显示器（HMD，Head ounted isplay）的原理是将小型2维显示器所产生的影像藉用光学系统放大。具体而言，小型显示器所发射的光线经过凸状透镜使影像因折射产生类似远方效果。利用此效果将近处物体放大至远处观赏而达到全像视觉（Hologram）。;;;;液晶显示器（早期用小型阴极射线管，最近已有应用有机电致发光显示器件）的影像通过一个偏心自由曲面透镜，使影像变成类似大
1． 前言 ;;;;头盔显示器（HMD，Head ounted isplay）的原理是将小型2维显示器所产生的影像藉用光学系统放大。具体而言，小型显示器所发射的光线经过凸状透镜使影像因折射产生类似远方效果。利用此效果将近处物体放大至远处观赏而达到全像视觉（Hologram）。;;;;液晶显示器（早期用小型阴极射线管，最近已有应用有机电致发光显示器件）的影像通过一个偏心自由曲面透镜，使影像变成类似大银幕画面。由于偏心自由曲面透镜为一倾斜状凹面透镜，因此在光学上它已不单是透镜功能，基本上已成为自由面棱镜。当影像产生的影像进入偏心自由曲面棱镜面，再全反射至观视者眼睛对向侧凹面镜面。侧凹面镜面涂有一层镜面涂层，反射同时光线再次被放大反射至偏心自由曲面棱镜面，并在该面补正光线倾斜，达到观视者眼睛。;;;;头盔显示器的光学技术设计和制造技术日趋完善，不仅作为个人应用显示器，它还是紧凑型大屏幕投影系统设计的基础，可将小型LCD显示器件的影像透过光学系统做成全像大屏幕。除了在现代先进军事电子技术中得到普遍应用成为单兵作战系统的必备装备外，还拓展到民用电子技术中，虚拟现实电子技术系统首先应用了头盔显示器。近期新一代家用仿真电子游戏机和步行者DVD影视系统的出现就是头盔显示器的普及推广应用的实例。2.头盔显示器的发展简介 ;;;;技术进展早在1968年，美国ARPA信息处理技术办公室主任Ivan Sutherland建立了“达摩克里斯之剑”头盔显示器，它被认为是世界上第一个头盔显示器它能显现二维图像，没有浸沉感，用户只能看到的线框图叠加在真实环境之上。采用传统的轴对称光学系统，体积和重量都较大。1975年J.H.Clark利用Ivan Sutherland设计的头盔显示设备和Utah大学开发的机械Wand建立了一个曲面设计的交互环境。由于当时的相关技术还不成熟，并没有产生广泛的影响，但这已是3D交互技术的雏形。是进入虚拟技术(virtual reality，简称VR)应用的前奏。;;;;1982年，Thomas Furness III展示了6个带有自由度跟踪定位的头盔显示器（HMD），从而使用户完全脱离的周围环境。1984年，Michael McGreevy在NASA Ames创建了并不昂贵的三维立体HMD。1985年，Scott Fisher在NASA继续三维立体HMD工程的发展，创建了由操作者位置、声音和手势控制，带有广角立体显示的头盔式显示系统。与之同时，VPL研究小组研制出了数据手套，能够用来测量每个手指关节的弯曲程度。1986年末，NASA的一个研究小组集成了一个VR的3D环境，用户可以用手抓住某个虚拟物体并操纵它，可以用手势和系统进行初步交流。;;;;1994年，加拿大Albert大学的M.Green教授重新在该方向上开展了研究，得到了各方面的高度重视。现在University of Wisconsion-Madison,Washington State University，Brigham Young University,SUNY at Buffalo,University of Clemenson均开始该方向的研究。;;;; University of Wisconsion-Madison的初期研究表明，在VR环境下利用3D交互技术进行设计工作会提高设计效率10-30倍。VR的应用还使得高难度驾驶技术的培训效率大幅提高，成为必备手段。;;;;军用头盔显示器1968年，世界上第一个头盔显示器，即如上所述的美国ARPA信息处理技术办公室主任Ivan Sutherland开发的达“摩克里斯之剑”头盔显示器，就是军用头盔显示器。新世纪，未来“理想单兵作战武器平台系统”的发展格外引人注目。新理念、新原理、新结构、新功能、新工艺等交相辉映；夜视技术、激光技术、计算机技术、光学技术、新材料技术等广泛运用，使得传统士兵作战单元概念产生了质的飞跃，作为终端显示输出的头盔显示器的地位显得越发重要，它是不可缺少的重要部件之一。原先主要为战机和战车驾驶员配备，而未来，一个士兵就相当于一个作战平台，而一个单兵武器作战平台就是一个“士兵作战系统”。而今，世界一些发达国家都在紧锣密鼓地制定和组织实施“士兵作战系统”发展计划。于是，适应各自国情的单兵作战武器系统平台异军突起。现在的头盔系统已成为士兵的“外脑”。头盔壳作为一个系统平台，用以安装通信装置、听力增强装置、整体式夜视／夜间机动性传感器、高分辨率显示器等装备。士兵通过显示器可对战场进行扫描，在各种复杂条件下都能捕捉到目标图像，并允许士兵从头顶、掩体后方和建筑物周围进行敼胀鋽射击，不需暴露自己便可准确攻击目标。;;;;目前，美、英、法等国家的综合头盔都有了很大突破，从而使单兵武器作战平台发挥出更大的威力。 民用头盔显示器头盔显示器在虚拟技术应用系统中的地位十分重要，统计表明，普通人从外部世界获取信息的80％来自视觉，如何实时地生成大规模复杂虚拟环境的立体画面仍然是当前虚拟现实(vi
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