一、CAVE顯示系統(tǒng)的概念

CAVE顯示系統(tǒng)是沉浸式虛擬環(huán)境；是一種支持多用戶的虛擬仿真環(huán)境,不同于一般的虛擬環(huán)境它能夠提供給用戶大范圍視野的高分辨率、高質(zhì)量立體影像.系統(tǒng)在各種用戶交互設(shè)備的支持下?lián)碛袠O佳的交互性并能提供給用戶一種前所未有的沉浸感. CAVE顯示系統(tǒng)是沉浸式虛擬環(huán)境以多臺高分辨率專業(yè)工程投影系統(tǒng)為基礎(chǔ),提供高質(zhì)量立體影像,投影面之間可以根據(jù)不同應(yīng)用的需要以多種不同類型的方式進(jìn)行組合,構(gòu)成各種不同類型的虛擬環(huán)境.

沉浸感是指使用者的感知系統(tǒng)受到虛擬環(huán)境中的虛擬刺激程度,系統(tǒng)越能迷惑使用者的感官,則系統(tǒng)就越是沉浸式的.沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的歷史可以追述到1965 年,由計(jì)算機(jī)圖形學(xué)界的先驅(qū)I.Sutherland 博士在他的Ultimate Display論文所發(fā)表的頭盔式顯示器(Head Mounted Display,HMD).論文中Sutherland 博士指出計(jì)算機(jī)屏幕像是一扇通往虛擬世界的窗戶,通過它我們可以觀察一個虛擬的世界; 但我們是否可以讓使用者直接沉浸在計(jì)算機(jī)生成的虛擬環(huán)境中:當(dāng)使用者自然地轉(zhuǎn)動頭部,他所看到的計(jì)算機(jī)生成的虛擬場景也能夠?qū)崟r地發(fā)生相應(yīng)的改變; 使用者還能夠以自然的方式與虛擬世界交互.HMD 就是一種能夠?qū)崿F(xiàn)上述功能的系統(tǒng),兩個顯示屏幕處于用戶佩戴的頭盔中將分別覆蓋用戶雙眼的視野,使得用戶只能夠感知來自計(jì)算機(jī)所生成的圖像,當(dāng)用戶視點(diǎn)移動時計(jì)算機(jī)所生成的圖像也將發(fā)生相應(yīng)的變化,從而提供給用戶一種沉浸于計(jì)算機(jī)生成的虛擬世界的沉浸感.

但由于HMD 系統(tǒng)存在若干缺點(diǎn),例如: 單用戶的局限性、顯示屏幕分辨率不高、因頭盔過于沉重帶給用戶的負(fù)擔(dān)以及屏幕過近帶給眼睛的不適感.于是在1991 年,Universityof Illinois 的DeFanti 和Sandin 針對HMD的缺點(diǎn)提出了一種改進(jìn)的沉浸式虛擬顯示環(huán)境: 吊桿式虛擬環(huán)境(BOOM,Binocular Omni-Orientation Monitor),它的顯示器由吊桿支撐,能提供用戶高分辨率、高質(zhì)量的影像而且對用戶無重量方面的負(fù)擔(dān).但是該系統(tǒng)還是一種單用戶虛擬環(huán)境而且并不能解決屏幕過近對用戶眼睛所造成的不適感.

在1992 年DeFanti、Sandin 以及Cruz-Neira 提出了CAVE顯示系統(tǒng),一種四面的沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境.系統(tǒng)在支持多用戶的同時解決了上述系統(tǒng)造成用戶眼睛不適感的問題.CAVE 顯示系統(tǒng)是由4 面以上環(huán)繞投影屏幕墻所組成的沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng).對于處在系統(tǒng)內(nèi)的用戶來說,投影屏幕將分別覆蓋用戶的正面、左右以及底面視野,構(gòu)成一個邊長為10 英尺的立方體.由于投影面幾乎能夠覆蓋用戶的所有視野,再配合聲效和用戶交互設(shè)備,CAVE 就能提供給使用者一種前所未有的帶有震撼性的沉浸感.

從CAVE 的提出開始,各種類型的基于投影的沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境相繼出現(xiàn): 例如1993 年德國GMD的ResponsiveWorkbench 是一種單投影面的系統(tǒng),立體影像將通過鏡子的折射投影到一個水平的投影平面,用戶可以在此工作平面上與虛擬物件進(jìn)行交互.由University of Illinois 于1994 年提出的ImmersaDesk系統(tǒng)也是一種類似ResponsiveWorkbench 的單投影面沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境,整個系統(tǒng)類似于設(shè)計(jì)桌,它的投影平面與水平面成一個角度,這樣方便于用戶與虛擬物件進(jìn)行交互.相對于單投影面系統(tǒng)來說,多投影面系統(tǒng)能夠涵蓋用戶更多的視野范圍提供更好的沉浸感,所以多投影面系統(tǒng)也成為沉浸式虛擬環(huán)境的主要發(fā)展方向. 德國GMD 對其Responsive Workbench 提出了雙投影面的改進(jìn),在水平投影面的基礎(chǔ)上增加了額外的垂直投影面,從而增加了用戶的虛擬視野范圍.University of Minnesota 在1994 年提出的PowerWall 系統(tǒng)是由多個投影面層疊或并排形成單個面積較大的投影平面,它能夠提供高解析度大面積范圍的影像,主要被應(yīng)用于科學(xué)數(shù)據(jù)的可視化.University of Illinois 在1995 年提出的InfinityWall 也是一種類似于PowallWall 的多投影面沉浸式虛擬環(huán)境,以多個投影面構(gòu)成一個較大的投影平面,主要應(yīng)用于面向多用戶的展覽展示工作.

在CAVE 顯示系統(tǒng)的改進(jìn)方面5 面甚至6 面的CAVE 顯示系統(tǒng)陸續(xù)被提出.例如: Iowa State University 的C6 以及日本岐阜VR Techno Plaza 的COSMOS 等系統(tǒng).6 個投影面的CAVE 系統(tǒng)已經(jīng)能夠完全覆蓋用戶的所有視野范圍,使用戶能夠完全沉浸于所生成的虛擬環(huán)境.另外也有投影到圓柱狀或環(huán)繞投影面的系統(tǒng),主要應(yīng)用于虛擬劇場,提供對大用戶的支持.例如韓國理工學(xué)院的Kyongju VR Theater[8]以及德國GMD 的iCone.

由于CAVE 顯示系統(tǒng)虛擬環(huán)境需要實(shí)時的生成高分辨率的立體影像,所以傳統(tǒng)的系統(tǒng)是由專業(yè)圖形工作站來驅(qū)動的,這造成了該類系統(tǒng)的造價過于昂貴.而PC 的性能正以前所未有的速度發(fā)展,目前高性能PC 在計(jì)算能力以及圖形處理能力已經(jīng)能夠逐漸接近甚至超越專業(yè)圖形工作站.所以近期的一個研究方向是以聯(lián)網(wǎng)PC 驅(qū)動的多投影面沉浸式虛擬環(huán)境.以PC 代替較為昂貴的圖形工作站能使系統(tǒng)的造價大幅度的降低.這類相關(guān)研究工作有: 喬治亞理工學(xué)院的NAVE 系統(tǒng)[9]、德國Fraunhofer IAO 的HyPI-6 系統(tǒng)以及
實(shí)際運(yùn)行情況:西南交通大學(xué)仿真中心針對鐵路應(yīng)用和城市軌道交通開發(fā)了基于PC 集群的分布式列車仿真系統(tǒng)。該系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)和列車動力學(xué)相結(jié)合的產(chǎn)物，主要用來培訓(xùn)司機(jī)和優(yōu)化列車駕駛操作規(guī)范。通過圖形工作站或聯(lián)網(wǎng)PC 集群的視景系統(tǒng)生成的多通道場景，運(yùn)動系統(tǒng)對虛擬駕駛環(huán)境中列車六自由度姿態(tài)的仿真，立體聲音仿真系統(tǒng)對列車運(yùn)行中各種聲響的模擬，能給參與者提供極強(qiáng)的視覺、觸覺和聽覺上的沉浸感。

韓國理工學(xué)院為 2000 年慶州世界文化博覽會所設(shè)計(jì)的VR Theater 主要的目的是為面向大眾介紹有關(guān)慶州當(dāng)?shù)氐臍v史文化以及自然文物遺產(chǎn)的維護(hù)和保持. VR Theater 能領(lǐng)導(dǎo)著參觀者對古慶州城進(jìn)行虛擬漫游,通過逼真的立體模型以及互動式的介紹,參觀者可近一步了解該城的歷史以及文物古績保護(hù)狀況.基于多投影的VR Theater 虛擬環(huán)境能夠容納651 用戶同時使用,其27x8 米的巨型環(huán)形屏幕由12 架投影機(jī)所驅(qū)動,以帶有六通道圖形輸出14 CPU 的SGI Onyx2工作站作為圖形與計(jì)算核心,采用被動式立體顯示模式并能夠提供立體聲輸出和地板震動感,用戶可通過帶有6 鍵的鍵盤參與虛擬環(huán)境的互動.在博覽會期間有將近一百萬人次參觀了VR Theater,這顯示了該類系統(tǒng)在教育、虛擬文物展示以及古績保護(hù)方面所擁有的應(yīng)用潛力。

二、Vis3D-CAVE顯示系統(tǒng)構(gòu)成

硬件系統(tǒng)的構(gòu)成：

（1）Vis3D-CAVE投影系統(tǒng)基座
（2）Vis3D-CAVE投影屏幕框架
（3）Vis3D-CAVE立體投影系統(tǒng)背投屏幕
（4）主動立體投影顯示系統(tǒng)或背動立體投影顯示系統(tǒng)
（5）工業(yè)反射鏡
（6）Vis3D-CAVE三維實(shí)時立體圖形工作站集群（含三臺22寸顯示器）
（7）Vis3D-CAVE圖形拼接組件
（8）Vis3D-CAVE空間追蹤定位系統(tǒng)
（9）專業(yè)偏振玻璃鏡頭
（10）偏振立體眼鏡（被動偏光式）
（11）JBL音響系統(tǒng)
（12）雅馬哈專業(yè)調(diào)音系統(tǒng)
（13）無線麥克
（14）專業(yè)立式機(jī)柜
（15）專業(yè)控制臺