沉浸式系统
来源: | 作者:北京金视和 | 发布时间: 2017-07-13 | 119 次浏览 | 分享到:


CAVE系统是世界上一种成熟的高度沉浸式系统,它把高分辨率的立体投影技术、三维计算机图形技术和音响技术等有机地结合在一起,产生一个完全沉浸式的虚拟环境。在该系统中,3D环境中的任何物体,都可以感受参与者操作,并实施产生相应变化。

CAVE(Cave Automatic Virtual Environment)是一种基于投影的系统,它由围绕观察者的四个投影面组成,如下图所示。四个投影面组成一个立方体结构,其中三个墙面采用背投方式,地面采用正投方式。(通常使用反射镜以节省空间)

观察者戴上液晶立体眼镜和一种六个自由度的头部跟踪设备,以便将观察者的视点位置实时反馈到计算机系统和体验身临其境的感觉。当观察者在CAVE中走动时,系统自动计算每个投影面正确的立体透视图象。同时,观察者手握一种称为Wand的传感器,与虚拟环境进行交互。

CAVE系统是世界上一种成熟的高度沉浸式系统,它把高分辨率的立体投影技术、三维计算机图形技术和音响技术等有机地结合在一起,产生一个完全沉浸式的虚拟环境。

注:系统可以配置通常有3~5面墙:左、前、右、上、下。




- 高性能图形工作站

- 投影设备(主动立体投影机,如Christie

- 反射镜

- 投影幕(背投屏幕和地面投影幕)

- 立体眼镜

- 立体发射器(Stereo Emitters)

- Wand三维鼠标器

- 跟踪系统


广泛应用与对空间感和视觉效果要求较高的领域,如建筑展示、室内装修、设备结构研究、模拟训练、科研等。典型的如:

- 虚拟家装

- 建筑视景与城市规划

- 虚拟样机、虚拟制造、虚拟设计、虚拟装配

- 模拟驾驶、训练、演示、教学、培训等

- 虚拟生物医学工程(虚拟手术/医学分析;基因/遗传/分子结构研究)



下图:CAVE系统的背后空间,投影系统



 

中视典CAVE沉浸式投影系统方案简介

CAVE是大型的VR系统,具有高度的沉浸感、良好的交互手段,可以融合视觉、触觉、声音等,并且可以跟踪头部的6个自由度的运动,可以应用到许多领域,例如科学计算可视化、有限元计算、天气预报、大型模拟器等。但是由于该系统的造价昂贵,从数十万美元到数百万美元不等,长期以来主机使用SGI 的高档工作站、多通道图形系统,一般用户无法承受,不能广泛地推广。

  近几年来,随着微机的性能和图形加速卡的图形渲染能力的不断提高,AGP总线突破了PCI总线的33Mhz的限制,微机图形加速卡的性能得到了很大的提升,使得用分布微机系统替代昂贵的SGI工作站成为可能。


  CAVE系统是一种基于多通道视景同步技术和立体显示技术的房间式投影可视协同环境,该系统可提供一个房间大小的四面(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立体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(如数据手套、力反馈装置、位置跟踪器等),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CAVE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受。

  基于系统这种完全沉浸式显示环境特性,CAVE为科学家带来了种伟大而创新的思考方式,扩展了人类的思维。科学家能直接看到他们的创意和研究对象。比如:大气学家能“钻进”飓风的中心观看空气复杂而混乱无序的结构;生物学家能检查DNA规则排列的染色体链对结构,并虚拟拆开基因染色体进行科学研究;理化学家能深入到物质的微细结构或广袤环境中进行试验探索,可以说,CAVE可以应用于任何具有沉浸感需求的虚拟仿真应用领域,是一种全新的、高级的科学数据可视化手段。

  CAVE (Cave Automatic Virtual Environment)在外形上是使用投影系统,围绕着观察者具有多个图像画面的虚拟现实系统,多个投影面组成一个虚拟空间。理论上CAVE是基于计算机图形学把高分辨率的立体投影技术和三维计算机图形技术、音响技术、传感器技术等综合在一起,产生一个供多人使用的完全沉浸的虚拟环境。适合于教学和科研。


典型系统应用领域:

◆ 虚拟样机、虚拟制造、虚拟设计、虚拟装配
◆ 模拟驾驶、训练、演示、教学、培训等
◆ 虚拟生物医学工程(虚拟手术/医学分析;基因/遗传/分子结构研究)
◆ 地质、矿产、石油
◆ 航空航天、科学可视化
◆ 军事模拟、指挥、虚拟战场、电子对抗
◆ 地形地貌、地理信息系统(GIS
◆ 建筑视景与城市规划
◆ 地震及消防演练仿真

  CAVE系统的构想是于1992年提出,最初的开发动机是为了获得一种全新的科学数据可视化手段。 然而,当时处理大量的可视化数据并实时生成立体影像需要在大型UNIX图形工作站的支持下才能完成,这就使得整个系统的造价十分昂贵。 

  近年来,高性能PC在计算能力和图形处理能力已经能够逐渐接近甚至超越专业UNIX图形工作站。以多台具有较高性能价格比的高性能PC作为图形处理核心代替CAVE系统中的大型专业UNIX图形工作站无疑是一个非常好的构思,基于高性能PC架构的CAVE系统正是在此背景下开发的。 基于高性能PC架构的CAVE系统既能保持高性能的图形处理能力,又能够大幅度降低成本,无疑为CAVE系统的更广泛应用扫清了障碍。

  通常,中视典的系统是以4台或6台高性能连网PC作为一个并行计算集群系统来替代传统CAVE配置中昂贵的UNIX图形工作站,采用高性能的主动或被动式立体显示技术,每台PC工作站分别负责CAVE系统中一个投影面的立体影像绘制工作。 并通过网络同步控制技术和变形矫正算法,使每台工作站绘制的场景分别同步无失真地显示输出,并投射在相应的立方体投影面上。从而产生一个完全沉浸的虚拟仿真可视协同环境。