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沉浸式投影融合系统方案

沉浸式投影融合系统方案

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【摘要】:
沉浸式虚拟现实提供参与者完全沉浸的体验,使用户有一种置身于虚拟世界之中的感觉。其明显的特点是:利用显示设备把用户的视觉、听觉封闭起来,产生虚拟视觉,同时,它利用数据手套把用户的手感通道封闭起来,产生虚拟触动感。系统采用识别器让参与者对系统主机下达操作命令,与此同时跟踪器的追踪,

1.前言

沉浸式虚拟现实提供参与者完全沉浸的体验,使用户有一种置身于虚拟世界之中的感觉。其明显的特点是:利用显示设备把用户的视觉、听觉封闭起来,产生虚拟视觉,同时,它利用数据手套把用户的手感通道封闭起来,产生虚拟触动感。系统采用识别器让参与者对系统主机下达操作命令,与此同时跟踪器的追踪,使系统达到尽可能的实时性。临境系统是真实环境替代的理想模型,它具有最新交互手段的虚拟环境。常见的沉浸式系统有:基于头盔式显示器的系统、投影式虚拟现实系统。

沉浸式虚拟现实显示系统基于多通道视景同步技术、三维空间整形校正算法、立体显示技术的房间式可视协同环境,该系统可提供一个同房间大小的四面(或六面)立方体投影显示空间,供多人参与,所有参与者均完全沉浸在一个被三维投影画面包围的高级虚拟仿真环境中,借助相应虚拟现实交互设备,从而获得一种身临其境的高分辨率三维立体视听影像和6自由度交互感受。由于投影面几能够覆盖用户的所有视野,所以沉浸式虚拟现实显示系统能提供给使用者一种前所未有的带有震撼性的身临其境的沉浸感。这种完全沉浸式的立体显示环境,为科学家带来了空前创新的思考模式。

 

多通道投影融合沉浸式虚拟现实系统采用边缘融合拼接系统是指整幅投影画面由不同的投影机投射画面拼接组成,每个单独的投影画面拼接中有着投影光线和画面内容的重叠部分,通过软硬件的结合处理,消除光线重合部分的多余亮度,从而确保整幅画面上面没有任何接缝,亮度均匀一致,给观众完美的视觉冲击。(见下图)

本方案中采用边缘融合大屏幕拼接。

1.1与单屏大屏幕相比,四通道投影融合沉浸式虚拟现实系统的优势

1.增加图像尺寸;画面的完整性:多台投影机拼接投射出来的画面一定比单台投影机投射出来的画面尺寸更大;鲜艳靓丽的画面,能带给人们不同凡响的视觉冲击,采用无缝边缘融合技术拼接而成的画面,要很大程度上保证了画面的完美性和色彩的一致性。RTCrpUDGiT

2.增加分辨率:每台投影机投射整幅图像的一部分,这样展现出的图像分辨率被提高了。例如,一台投影机的物理分辨率是1280×800,融合带为320个像素点后,四台融合后图像的分辨率就变成了3840*800。

3.增加画面层次感:由于采用了边缘融合技术,画面的分辨率、亮度得到增强,同时配合高质量的投影屏幕,就可使得整个显示系统的画面层次感和表现力明显增强。

1.2边缘融合大屏幕拼接的优势

1.在融合拼接中,由于采用融合处理技术,消除了光学缝隙,这样和普通硬拼接系统相比,在技术水平和显示效果上,就有了质的差异和提高,从而使显示的图像完全一致,无光学分割,保证了显示图像的完整性和美观性。xHAQX74J0X

2.在融合拼接系统中,所有图像都经过融合处理器进行了校正和统一,这样在大屏幕上进行图像显示和切换时,无论切换什么格式的图像,整个屏幕的亮度、色彩、鲜艳度、均匀度都比较一致,不会出现传统拼接系统中经常出现的由于信号更换而导致系统显示质量的变化。 LDAYtRyKfE

3.在融合拼接系统中,由于在处理器中对投影显示图像进行了处理,可以对不同投影信号间的色差、亮差、均匀度进行调整,这也使得该系统显示的图像质量优于传统拼接系统。

4.边缘融合图像处理器除了具有边缘融合和图像多画面处理功能外,还具有图像存储和调用功能,可以把本身存储的高分辨率图像直接作为大屏幕系统的背景进行显示,这在实际使用中非常有实用价值。dvzfvkwMI1

2.项目概述

本项目是四通道投影融合沉浸式显示系统,采用了4通道投影边缘融合360°显示,采用纯硬件图形处理技术,向参与者展示更加逼真的展示了图像文字内容。

3.设计依据

3.1.通用投影显示设计依据

3.1.1.影响图像质量的因素

人对图像质量的感觉是由许多相关因素结合起来决定的,尽管在显示系统中人们最重视的是亮度,但其它因素也严重影响着人们对图像的感觉。这些因素有对比度和分辨率,对比度决定了系统的动态范围,分辨率决定了系统显示细节的能力。EmxvxOtOco

3.2.四通道投影融合沉浸式显示系统特殊设计要求

1.融合区的宽窄直接影响整幅画面的亮度和色彩均匀性,因此,融合区重合尺寸一般在6%到8%左右。

2.屏幕要保证其视觉上的“无缝”感,平整度高,均匀性好。

3.应选择宽视角、低增益的屏幕,以使获得较宽的整体水平和垂直观看视角,降低融合区的重合感。

4.投影机的选择应考虑其亮度和色彩均匀性、边缘几何特性。

5.融合控制器的融合区范围可调整,具有对重合带的亮度和色彩羽化处理功能。

6.融合控制器能接收多路输入信号,信号可以窗口的方式显示,在整屏上任意漫游。

3.3四通道投影融合沉浸式显示系统的组成部分

     1.图形工作站:四通道投影融合沉浸式显示系统所需的计算机系统具有很高的计算速度和图形处理能力。高性能图形工作站是虚拟现实和系统仿真的最佳计算机平台,不仅具有可扩性好、编程容易和计算能力强等优点,而且它的图形处理速度极快,具有多管道(Pipe)、多通道(Channel)图形输出能力。工作站的每个图形管道输出一个画面到一个投影面。

     2.投影设备:在四通道投影融合沉浸式显示系统中,投影机分别接收来自工作站的图形信号,然后把信号直接(或通过反射镜反射后)投影到沉浸系统的三个投影屏幕上,故整个视景系统一个的立方体结构。投影机不仅要求可靠性好,而且要求具有投影距离长、图形分辨率高、亮度高、水平和垂直方向具有一定的光学可调整性等性能。整个图象具有较高的完整性和清晰度。

3.跟踪系统:系统支持多种不同的跟踪系统,用于跟踪用户肢体动作,与投影面上图象的刷新频率同步。在这样一个沉浸式显示环境中,工程师与虚拟世界(包括场景、物体对象)可实现6自由度的实时交互,实现信息交流,辅助决策研究。

3.4四通道投影融合沉浸式显示系统的优越性能

1.沉浸感(Immersion):又称临场感,指用户感到作为主角存在于模拟环境中的真实感受。

2.构想性(Imagination):所见即所得,指用户沉浸在多维信息空间中,依靠自己的感知和认知能力全方位获取知识,发挥主观能动性,寻求解答,形成新的概念。

3.交互性(Interaction),指参与者对虚拟环境内物体的可操作程度和从环境中得到反馈。

4.多感知性(Multi-Sensory):指除了一般计算机技术所具有的视觉之外,还有听觉、力觉、触觉、运动感等。 6ewMyirQFL

5.跟踪系统:用以确定参与者的头、手和身躯的位置;

3.5 可扩展接口系统   

采用先进的全模块化设计,系统具有良好的可扩展性,并且易于维护。其模块更换、扩容简单快捷。接口系统主要用于对虚拟现实系统各种信息的采集和控制,并且留有一定的扩展接口,以备将来进行控制系统开发、教学系统开发、视景系统以及相关技术等相关功能的开发和使用。

4.四通道投影融合沉浸式显示系统设计方案

投影系统:  

投影仪的投影面积更大、距离更远、光亮度很高,而且一般还支持多灯泡模式,能更好的应付大型多变的安装环境,在办公、教育、展览展示、娱乐等领域都很适用。

主机服务器:

模拟计算机来运行软件及。服务器指一个管理资源并为用户提供服务的计算机软件,运行应用程序软件的计算机服务器在稳定性、安全性、性能等方面都要求高,

投影幕

投影幕作为一种能显著扩大观众视野的形式,随着科学技术的不断进步,为了使幕布装备简单化、轻便化。投影系统就是采用多个投影系统组合而成的多通道显示系统,它比普通的标准投影系统具备更大的显示尺寸、更宽的视野、更多的显示内容、更高的显示分辨率以及更具冲击力和视觉效果。0YujCfmUCw

融合机

数字图像融合机是无缝隙硬件融合显示设备;可对图形进行单像素几何校正、自动色彩校正、无痕边缘融合等综合处理,构建无缝统一、色彩均匀、无变形失真的画面,完美实现大屏显示领域应用。

音箱

音箱一般用作音响系统的主力,来完成系统声音效果。

虚拟现实软件平台

参与者互动教学的主体,承担互动交流与反馈任务。

 

4.1该系统必须具备的最基本技术条件:

考虑到系统的稳定性,图像处理设备及边缘融合器采用全硬件构架技术,无 CPU 和操作系统,不需要操作系统支持,上电即可工作,稳定性高,无病毒感染风险,启动时间小于20秒,多总线并行处理,处理功能强大;可 24小时365天 持续工作,随时断电不会对系统造成任何损伤sQsAEJkW5T

该方式实现的大屏幕系统同样能实现以箱体拼接技术实现的大屏幕功能。实现各种图形、图像的任意选择、输出和放大,并可任意位置移动和任意组合,每一屏可单独显示,也可与相邻的几个屏组合显示一个图像,图像大小可任意缩放、漫游,能显示全局,也能局部特写。

系统组成

本系统的设备组成及各部分作用如下:

投影机——接收信号,投射图像

屏幕——成像

融合控制设备——接收原始信号源,产生图像重合区,输出融合信号。

结构件——固定投影机、屏幕

信号交换与传输设备:计算机信号矩阵、视频信号矩阵、分配、传输驱动设备、电缆等。

信号源:视频、计算机

系统功能

多路视频信号、计算机信号显示画面可大小不同、位置互异地开窗显示在大屏幕上。

多路计算机显示画面可通过切换矩阵按不同窗口布局显示到大屏幕上。

大屏幕上的显示窗口可任意拖动、缩放、叠加、跨屏、漫游。

系统特点

采用高亮度、高分辨率的LCD投影机,可以获得明亮、细腻的图像

可同时显示多路VGA信号和视频信号

通过对投影机和融合控制器的调整,获得良好的亮度、色彩、几何特性。

边缘融合控制器采用嵌纯硬件构架计,无需CPU内存和操作系统等计算机常规配件,处理速度极快, 

边缘融合控制器支持对所有视频窗口进行任意缩放、 任意漫游和任意叠加。

边缘融合控制器是硬件控制器,不需要操作系统支持,上电即可工作,启动迅速,稳定性高。

设备选择和介绍

4.1.1投影机

投影机采用日本松下FDW84CLK高清工程投影机

NEC PX700W+详细参数

型号

PX700W+

投影方式

1DLP芯片(0.65英寸,显示宽高比16:10

分辨率*1

1280x800像素(WXGA

镜头

可选电动变焦和聚焦

镜头移动

+0.5V,+/-0.1H(NP07ZL,NP08ZL,NP09ZL,NP10ZL)
+0.43V,+/-0.1H(NP31ZL)

灯泡

400x2

光亮度*2*3

7200流明

对比度*3(全白:全黑)

2100:1(动态模式)

影像尺寸(对角线)

40-500英寸

输入

2RGB/组合(D-sub 15)5BNC连接器,1个支持HDCPAHDMI19P,HDMI®连接器)
1个支持HDCPDisplayPort20针连接器),1S-视频(DIN4针),1个视频(BNC),1个可选插槽

输出

1RGBD-Sub 15针)

控制串口

1个控制串口端口槽(D-Sub 9针)

有限遥控

1个立体声微型插孔

有线局域网端口槽

1RJ-45端口槽(10BASE-T/100BASE-TX)

无线局域网端口槽(可选)

IEE 802.11 b/g/n(需要可选的USB无线LAN部件)

USB端口槽

1A

色彩还原

10位信号处理(10.7亿色)(阅读器,网络:彩色,1670万色)

兼容信号*4

模拟:VGA / SVGA / XGA+ / WXGA / WXGA+ / SXGA / SXGA+ / UXGA / WUXGA / 480i / 480p / 576i / 576p / 720p / 1080i /1080p
HDMI: VGA / SVGA / XGA / WGA / WXGA / SXGA / SXGA+ / UXGA / WUXGA / 480p / 576p / 720p / 1080i / 1080p

水平分辨率

540电视线:NTSC / NTSC4.43 / PAL / PAL-M / PAL-N / PAL60
300电视线:SECAM

扫描率

水平:15千赫兹至100千赫兹(RGB24千赫兹或以上) 垂直:48千赫兹至120千赫兹(HDMI50赫兹至85赫兹)

同步兼容

分离同步/复合同步/绿色同步

电源要求

200-240伏特,50/60赫兹交流电

输入电流

5.2安培

功率

标准模式(双灯)

931

 

标准模式(单灯)

494

 

待电(省电)

不足1

安装方位

桌面/正投,桌面/背投,吊顶/正投,吊顶/背投

尺寸

504毫米(宽)x192毫米(高)x516毫米(深)(不包括突出部分)

重量

19.7千克(不包括镜头)

环境设计

操作环境

操作温度:0oc40oc(35oc40oc自动开启节能模式)20%80%湿度(无结露)

 

保存环境

保存温度:-10oc50oc20%80%湿度(无结露)

符合规则

ccc认证,符合GB4943GB9254GB17625.1

 

 

4.1.2投影机支架和调整机构

主要实现投影机的左右前后方向的精确移动和俯仰调整等,要实现连续细腻的调节,保证投影机光束垂直屏幕且不产生失真(上下、左右梯形失真或混合失真)。是高质量图像拼接系统中的重要设备。

 

屏幕的选购:

屏幕材质与分辨率

画面的分辨率直接影响到画面的清晰程度,不同的屏幕材料拥有不同的分辨率,各种透镜材料的屏幕不论从视角还是分辨率方面都会影响到画面的显示分辨率和清晰度。

屏幕的增益及视角

在以前的拼接投影系统中,由于受技术限制,投影机的亮度无法做到很高,所以为了增加投影亮度,对屏幕一般都要求比较高的增益率,但是这样会影响对比度和色彩细腻程度。如今投影技术的发展非常迅速,投影机的亮度已经不是问题,所以对投影幕的要求中,增益率就放在了比较低的位置,而主要考虑屏幕的平整度、视角对比度和均匀度。lzq7IGf02E

投影屏幕的增益与视角是一对矛盾,屏幕的增益越大屏幕的视角就会越小,因此在大屏幕无缝拼接系统中对于屏幕增益的选择一致认为1.0(+/-0.5)可以获得更好的成像效果,这样可以保证即使观众站在边缘区域也很难看屏幕画面的融合部分,这样画面的整体均匀度更好。zvpgeqJ1hk

屏幕均匀度

好的均匀性能够保证屏幕水平方向、垂直方向从0-180度观看时,画面亮度和色彩的一致性,屏幕的均匀性不但和投影机的投影技术息息相关,还和屏幕本身的材料有关,屏幕表面材料的均匀性对投影机的画面均匀性起到了良好的补充作用。NrpoJac3v1

屏幕的平整度

    完美的屏幕应无折痕和褶皱。

超大无缝 

 在满足用户对投影屏幕亮度高(增益高)、平整度好、均匀性高的要求的同时,大屏幕无缝拼接系统中对于屏幕还要求足够大并且屏幕本身没有缝隙缺憾。显然,这个时候用拼接的屏幕将大大降低屏幕的效果,影响屏幕直观的视觉冲击。所以,整张无接缝的大屏幕更符合大屏拼接系统的需求。1nowfTG4KI

4.1.3边缘融合和图像处理设备

功能简介

高性能多通道边缘融合机,边沿融合及非线性失真校正处理机,可方便获得无缝几何校正的剧场投影效果。

输出信号:信号格式:模拟RGB或数字 信号接口:DVI-I

处理延迟:50us-12ms(典型为250线期)视觉无延迟。

对任意通道曲面矫正、边缘融合。

支持对任意通道进行颜色调整,解决投影偏色。

支持多路信号输入,开多窗口。

输入信号:支持VGA输入、视频输入、HDMI输入,同时融合显示3路立体信号(6台投影组成的3通道立体系统)。

 纯硬件构架

     融合器为纯硬件构架,硬件核心为大规模 FPGA 阵列,系统属于纯硬件数据处理,没有运行Windows和Linux操作系统,不是一台计算机,不需要CPU、 内存、硬盘、光驱、显卡等常规计算机配件。系统采用模块化设计, 模块数目随输入输出信号的多少而增减。 纯硬件构架的控制器, 它本身不是一台计算机 而是一台专业的图像处理设备,和基于工控机的插卡式拼接器有本质区别

独创的FPGA硬件图形并行处理技术

融合器的处理核心就是FPGA芯片阵列。系统具有高速信号处理技术,保证高分辨信号输入输出的实时处理,并且保证每一祯都能够实时的处理完毕,输入与输出之间没有时间拖延。在多单元显示一路信号、一单元显示多路信号、多单元多信号漫游叠加等情况下,显示信号均无延迟。即便在所有输入信号都漫游叠加在一起的极限情况下,所有信号一样保持动态实时性。

系统采用基于输入端口的信号并行处理技术,有效的增加了输入信号个数。系统通过芯片阵列,对高速图形数据流进行逐级处理,每一路信号输入都对应一列处理器。这样就相当于很多处理器同时工作,做到数据的并行处理,极大的提高了系统运算速度。有效的是用并行处理技术使得数据得到分散处理,没有了工控机单处理器的速度瓶颈,从而使得增加信号输入个数,并不增加系统的总体运算负担,这样系统就能够接纳多个高速信号。

最新的基于LVDS高速数字信号交换体系

采用所有输入通道并行方式进入核心处理模块,每条总线使用4个高速LVDS信号,这与工控机边缘融合器的PIC总线有本质上的区别。普通工控机插卡式边缘融合器的PCI总线,基本结构是多个PCI插卡使用同一组总线,如下图所示,6个卡使用同一PCI总线,实际上进入核心处理器的数据只能是其中的一个卡上的信号,PCI总线要分时复用。由于CPU核心处理器同一时间只能处理一个信号,速度缓慢。83lcPA59W9

 

采用并行总线接入方式,就是说每个通道都有独自的总线接入核心处理系统。采用超高速LVDS进行信号传输。LVDS特点是信号传输速度快,LVDS信号速度为2.5G/S,下图为BR-VP6000基本系统节构图。

 

 多通道并行总线结构及串行通信方式

 

RGB 信号实时并行处理 

融合器采用先进的高速数字信号多总线并行处理机制, 系统给每一个输入,通道都分配独立的处理模块和数据总线,所有模块并行工作,系统对每个通道的处理速度是固定的,处理速度与通道数的多少无关 ,因此可实时处理多个 VGA 视频。目前,融合器能够在24个屏的投影系统上同时显示多达32路实时的 RGB 信号,所有信号的颜色深度均为 24 位,均能做到信号的不丢桢,无延迟。AVktR43bpw

 

启动速度快

融合器为纯硬件构架,启动过程快,开启后10秒开始工作。 硬件系统的启动等待时间是恒定的,不会随机器规模变大而启动时间增长。ORjBnOwcEd

支持高分辨率输入信号

融合器处理功能强大,可处理  极高分辨率信号,同时可支持用户自定义的信号。而传统的工控插卡式拼接器无此功能。 2MiJTy0dTT

安全性、稳定性好

融合器无操作系统,病毒无法感染;全并行工作,无系统整体崩溃危险 ;系统数据出厂前已固化,无法更改,意外断电不会造成数据丢失,控制器可经受频繁开关机 。工控机插卡式拼接器所安装的软件操作系统存在安全性、稳定性的隐患。gIiSpiue7A

自动图像识别重建

融合器具有信号自动识别重建功能。对系统中新接入的 VGA 信号,控制器不但能自动识别信号的分辨率与刷新频率,还能通过复杂运算,确定信号的位置偏移和相位误差,自动校准。融合器能检测不同输入信号在幅度、相位、频率等方面的细微差别,并把这些差别作为信号的唯一标识,连同校准参数一起记录在案。当校准过的信号再次接入系统时,控制器无需对信号重新校准,而是自动套用参数,这就是控制器的信号自动识别重建功能,此功能极大方便了用户的使用。而工控机插卡式拼接器无此功能。uEh0U1Yfmh

强大的融合处理功能

   1.融合边带处理

融合边带处理功能主要实现光学拼缝消融,融合器内置多种伽马渐变模式,同时也支持用户自定义模式。

 

2.自动色彩均衡

自动色彩均能可消除投影设备间的颜色和亮度差异,保证投出的大画面色彩均一、亮度一致。

 

3.单像素几何校正

单像素几何校正修正了投射图像的几何形状,保证了融合控制器能适应多种屏幕构型,如平面构型、柱面构型、球面构型等,投射到幕上的画面无几何失真 。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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