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沉浸式投影融合系統方案

沉浸式投影融合系統方案

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【摘要】:
沉浸式虛擬現實提供參與者完全沉浸的體驗,使用戶有一種置身于虛擬世界之中的感覺。其明顯的特點是:利用顯示設備把用戶的視覺、聽覺封閉起來,產生虛擬視覺,同時,它利用數據手套把用戶的手感通道封閉起來,產生虛擬觸動感。系統采用識別器讓參與者對系統主機下達操作命令,與此同時跟蹤器的追蹤,

1.前言

沉浸式虛擬現實提供參與者完全沉浸的體驗,使用戶有一種置身于虛擬世界之中的感覺。其明顯的特點是:利用顯示設備把用戶的視覺、聽覺封閉起來,產生虛擬視覺,同時,它利用數據手套把用戶的手感通道封閉起來,產生虛擬觸動感。系統采用識別器讓參與者對系統主機下達操作命令,與此同時跟蹤器的追蹤,使系統達到盡可能的實時性。臨境系統是真實環境替代的理想模型,它具有最新交互手段的虛擬環境。常見的沉浸式系統有:基于頭盔式顯示器的系統、投影式虛擬現實系統。

沉浸式虛擬現實顯示系統基于多通道視景同步技術、三維空間整形校正算法、立體顯示技術的房間式可視協同環境,該系統可提供一個同房間大小的四面(或六面)立方體投影顯示空間,供多人參與,所有參與者均完全沉浸在一個被三維投影畫面包圍的高級虛擬仿真環境中,借助相應虛擬現實交互設備,從而獲得一種身臨其境的高分辨率三維立體視聽影像和6自由度交互感受。由于投影面幾能夠覆蓋用戶的所有視野,所以沉浸式虛擬現實顯示系統能提供給使用者一種前所未有的帶有震撼性的身臨其境的沉浸感。這種完全沉浸式的立體顯示環境,為科學家帶來了空前創新的思考模式。

 

多通道投影融合沉浸式虛擬現實系統采用邊緣融合拼接系統是指整幅投影畫面由不同的投影機投射畫面拼接組成,每個單獨的投影畫面拼接中有著投影光線和畫面內容的重疊部分,通過軟硬件的結合處理,消除光線重合部分的多余亮度,從而確保整幅畫面上面沒有任何接縫,亮度均勻一致,給觀眾完美的視覺沖擊。(見下圖)

本方案中采用邊緣融合大屏幕拼接。

1.1與單屏大屏幕相比,四通道投影融合沉浸式虛擬現實系統的優勢

1.增加圖像尺寸;畫面的完整性:多臺投影機拼接投射出來的畫面一定比單臺投影機投射出來的畫面尺寸更大;鮮艷靚麗的畫面,能帶給人們不同凡響的視覺沖擊,采用無縫邊緣融合技術拼接而成的畫面,要很大程度上保證了畫面的完美性和色彩的一致性。RTCrpUDGiT

2.增加分辨率:每臺投影機投射整幅圖像的一部分,這樣展現出的圖像分辨率被提高了。例如,一臺投影機的物理分辨率是1280×800,融合帶為320個像素點后,四臺融合后圖像的分辨率就變成了3840*800。

3.增加畫面層次感:由于采用了邊緣融合技術,畫面的分辨率、亮度得到增強,同時配合高質量的投影屏幕,就可使得整個顯示系統的畫面層次感和表現力明顯增強。

1.2邊緣融合大屏幕拼接的優勢

1.在融合拼接中,由于采用融合處理技術,消除了光學縫隙,這樣和普通硬拼接系統相比,在技術水平和顯示效果上,就有了質的差異和提高,從而使顯示的圖像完全一致,無光學分割,保證了顯示圖像的完整性和美觀性。xHAQX74J0X

2.在融合拼接系統中,所有圖像都經過融合處理器進行了校正和統一,這樣在大屏幕上進行圖像顯示和切換時,無論切換什么格式的圖像,整個屏幕的亮度、色彩、鮮艷度、均勻度都比較一致,不會出現傳統拼接系統中經常出現的由于信號更換而導致系統顯示質量的變化。 LDAYtRyKfE

3.在融合拼接系統中,由于在處理器中對投影顯示圖像進行了處理,可以對不同投影信號間的色差、亮差、均勻度進行調整,這也使得該系統顯示的圖像質量優于傳統拼接系統。

4.邊緣融合圖像處理器除了具有邊緣融合和圖像多畫面處理功能外,還具有圖像存儲和調用功能,可以把本身存儲的高分辨率圖像直接作為大屏幕系統的背景進行顯示,這在實際使用中非常有實用價值。dvzfvkwMI1

2.項目概述

本項目是四通道投影融合沉浸式顯示系統,采用了4通道投影邊緣融合360°顯示,采用純硬件圖形處理技術,向參與者展示更加逼真的展示了圖像文字內容。

3.設計依據

3.1.通用投影顯示設計依據

3.1.1.影響圖像質量的因素

人對圖像質量的感覺是由許多相關因素結合起來決定的,盡管在顯示系統中人們最重視的是亮度,但其它因素也嚴重影響著人們對圖像的感覺。這些因素有對比度和分辨率,對比度決定了系統的動態范圍,分辨率決定了系統顯示細節的能力。EmxvxOtOco

3.2.四通道投影融合沉浸式顯示系統特殊設計要求

1.融合區的寬窄直接影響整幅畫面的亮度和色彩均勻性,因此,融合區重合尺寸一般在6%到8%左右。

2.屏幕要保證其視覺上的“無縫”感,平整度高,均勻性好。

3.應選擇寬視角、低增益的屏幕,以使獲得較寬的整體水平和垂直觀看視角,降低融合區的重合感。

4.投影機的選擇應考慮其亮度和色彩均勻性、邊緣幾何特性。

5.融合控制器的融合區范圍可調整,具有對重合帶的亮度和色彩羽化處理功能。

6.融合控制器能接收多路輸入信號,信號可以窗口的方式顯示,在整屏上任意漫游。

3.3四通道投影融合沉浸式顯示系統的組成部分

     1.圖形工作站:四通道投影融合沉浸式顯示系統所需的計算機系統具有很高的計算速度和圖形處理能力。高性能圖形工作站是虛擬現實和系統仿真的最佳計算機平臺,不僅具有可擴性好、編程容易和計算能力強等優點,而且它的圖形處理速度極快,具有多管道(Pipe)、多通道(Channel)圖形輸出能力。工作站的每個圖形管道輸出一個畫面到一個投影面。

?     2.投影設備:在四通道投影融合沉浸式顯示系統中,投影機分別接收來自工作站的圖形信號,然后把信號直接(或通過反射鏡反射后)投影到沉浸系統的三個投影屏幕上,故整個視景系統一個的立方體結構。投影機不僅要求可靠性好,而且要求具有投影距離長、圖形分辨率高、亮度高、水平和垂直方向具有一定的光學可調整性等性能。整個圖象具有較高的完整性和清晰度。

3.跟蹤系統:系統支持多種不同的跟蹤系統,用于跟蹤用戶肢體動作,與投影面上圖象的刷新頻率同步。在這樣一個沉浸式顯示環境中,工程師與虛擬世界(包括場景、物體對象)可實現6自由度的實時交互,實現信息交流,輔助決策研究。

3.4四通道投影融合沉浸式顯示系統的優越性能

1.沉浸感(Immersion):又稱臨場感,指用戶感到作為主角存在于模擬環境中的真實感受。

2.構想性(Imagination):所見即所得,指用戶沉浸在多維信息空間中,依靠自己的感知和認知能力全方位獲取知識,發揮主觀能動性,尋求解答,形成新的概念。

3.交互性(Interaction),指參與者對虛擬環境內物體的可操作程度和從環境中得到反饋。

4.多感知性(Multi-Sensory):指除了一般計算機技術所具有的視覺之外,還有聽覺、力覺、觸覺、運動感等。 6ewMyirQFL

5.跟蹤系統:用以確定參與者的頭、手和身軀的位置;

3.5 可擴展接口系統   

采用先進的全模塊化設計,系統具有良好的可擴展性,并且易于維護。其模塊更換、擴容簡單快捷。接口系統主要用于對虛擬現實系統各種信息的采集和控制,并且留有一定的擴展接口,以備將來進行控制系統開發、教學系統開發、視景系統以及相關技術等相關功能的開發和使用。

4.四通道投影融合沉浸式顯示系統設計方案

投影系統:  

投影儀的投影面積更大、距離更遠、光亮度很高,而且一般還支持多燈泡模式,能更好的應付大型多變的安裝環境,在辦公、教育、展覽展示、娛樂等領域都很適用。

主機服務器:

模擬計算機來運行軟件及。服務器指一個管理資源并為用戶提供服務的計算機軟件,運行應用程序軟件的計算機服務器在穩定性、安全性、性能等方面都要求高,

投影幕

投影幕作為一種能顯著擴大觀眾視野的形式,隨著科學技術的不斷進步,為了使幕布裝備簡單化、輕便化。投影系統就是采用多個投影系統組合而成的多通道顯示系統,它比普通的標準投影系統具備更大的顯示尺寸、更寬的視野、更多的顯示內容、更高的顯示分辨率以及更具沖擊力和視覺效果。0YujCfmUCw

融合機

數字圖像融合機是無縫隙硬件融合顯示設備;可對圖形進行單像素幾何校正、自動色彩校正、無痕邊緣融合等綜合處理,構建無縫統一、色彩均勻、無變形失真的畫面,完美實現大屏顯示領域應用。

音箱

音箱一般用作音響系統的主力,來完成系統聲音效果。

虛擬現實軟件平臺

參與者互動教學的主體,承擔互動交流與反饋任務。

 

4.1該系統必須具備的最基本技術條件:

考慮到系統的穩定性,圖像處理設備及邊緣融合器采用全硬件構架技術,無 CPU 和操作系統,不需要操作系統支持,上電即可工作,穩定性高,無病毒感染風險,啟動時間小于20秒,多總線并行處理,處理功能強大;可 24小時365天 持續工作,隨時斷電不會對系統造成任何損傷sQsAEJkW5T

該方式實現的大屏幕系統同樣能實現以箱體拼接技術實現的大屏幕功能。實現各種圖形、圖像的任意選擇、輸出和放大,并可任意位置移動和任意組合,每一屏可單獨顯示,也可與相鄰的幾個屏組合顯示一個圖像,圖像大小可任意縮放、漫游,能顯示全局,也能局部特寫。

系統組成

本系統的設備組成及各部分作用如下:

投影機——接收信號,投射圖像

屏幕——成像

融合控制設備——接收原始信號源,產生圖像重合區,輸出融合信號。

結構件——固定投影機、屏幕

信號交換與傳輸設備:計算機信號矩陣、視頻信號矩陣、分配、傳輸驅動設備、電纜等。

信號源:視頻、計算機

系統功能

多路視頻信號、計算機信號顯示畫面可大小不同、位置互異地開窗顯示在大屏幕上。

多路計算機顯示畫面可通過切換矩陣按不同窗口布局顯示到大屏幕上。

大屏幕上的顯示窗口可任意拖動、縮放、疊加、跨屏、漫游。

系統特點

采用高亮度、高分辨率的LCD投影機,可以獲得明亮、細膩的圖像

可同時顯示多路VGA信號和視頻信號

通過對投影機和融合控制器的調整,獲得良好的亮度、色彩、幾何特性。

邊緣融合控制器采用嵌純硬件構架計,無需CPU內存和操作系統等計算機常規配件,處理速度極快, 

邊緣融合控制器支持對所有視頻窗口進行任意縮放、 任意漫游和任意疊加。

邊緣融合控制器是硬件控制器,不需要操作系統支持,上電即可工作,啟動迅速,穩定性高。

設備選擇和介紹

4.1.1投影機

投影機采用日本松下FDW84CLK高清工程投影機

NEC PX700W+詳細參數

型號

PX700W+

投影方式

1DLP芯片(0.65英寸,顯示寬高比16:10

分辨率*1

1280x800像素(WXGA

鏡頭

可選電動變焦和聚焦

鏡頭移動

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

燈泡

400x2

光亮度*2*3

7200流明

對比度*3(全白:全黑)

2100:1(動態模式)

影像尺寸(對角線)

40-500英寸

輸入

2RGB/組合(D-sub 15),5BNC連接器,1個支持HDCPAHDMI19P,HDMI?連接器)
1個支持HDCPDisplayPort20針連接器),1S-視頻(DIN4針),1個視頻(BNC),1個可選插槽

輸出

1RGBD-Sub 15針)

控制串口

1個控制串口端口槽(D-Sub 9針)

有限遙控

1個立體聲微型插孔

有線局域網端口槽

1RJ-45端口槽(10BASE-T/100BASE-TX)

無線局域網端口槽(可選)

IEE 802.11 b/g/n(需要可選的USB無線LAN部件)

USB端口槽

1A

色彩還原

10位信號處理(10.7億色)(閱讀器,網絡:彩色,1670萬色)

兼容信號*4

模擬: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電視線:NTSC / NTSC4.43 / PAL / PAL-M / PAL-N / PAL60
300電視線:SECAM

掃描率

水平:15千赫茲至100千赫茲(RGB24千赫茲或以上) 垂直:48千赫茲至120千赫茲(HDMI50赫茲至85赫茲)

同步兼容

分離同步/復合同步/綠色同步

電源要求

200-240伏特,50/60赫茲交流電

輸入電流

5.2安培

功率

標準模式(雙燈)

931

 

標準模式(單燈)

494

 

待電(省電)

不足1

安裝方位

桌面/正投,桌面/背投,吊頂/正投,吊頂/背投

尺寸

504毫米(寬)x192毫米(高)x516毫米(深)(不包括突出部分)

重量

19.7千克(不包括鏡頭)

環境設計

操作環境

操作溫度:0oc40oc,(35oc40oc自動開啟節能模式),20%80%濕度(無結露)

 

保存環境

保存溫度:-10oc50oc,20%80%濕度(無結露)

符合規則

ccc認證,符合GB4943;GB9254;GB17625.1

 

 

4.1.2投影機支架和調整機構

主要實現投影機的左右前后方向的精確移動和俯仰調整等,要實現連續細膩的調節,保證投影機光束垂直屏幕且不產生失真(上下、左右梯形失真或混合失真)。是高質量圖像拼接系統中的重要設備。

 

屏幕的選購:

屏幕材質與分辨率

畫面的分辨率直接影響到畫面的清晰程度,不同的屏幕材料擁有不同的分辨率,各種透鏡材料的屏幕不論從視角還是分辨率方面都會影響到畫面的顯示分辨率和清晰度。

屏幕的增益及視角

在以前的拼接投影系統中,由于受技術限制,投影機的亮度無法做到很高,所以為了增加投影亮度,對屏幕一般都要求比較高的增益率,但是這樣會影響對比度和色彩細膩程度。如今投影技術的發展非常迅速,投影機的亮度已經不是問題,所以對投影幕的要求中,增益率就放在了比較低的位置,而主要考慮屏幕的平整度、視角對比度和均勻度。lzq7IGf02E

投影屏幕的增益與視角是一對矛盾,屏幕的增益越大屏幕的視角就會越小,因此在大屏幕無縫拼接系統中對于屏幕增益的選擇一致認為1.0(+/-0.5)可以獲得更好的成像效果,這樣可以保證即使觀眾站在邊緣區域也很難看屏幕畫面的融合部分,這樣畫面的整體均勻度更好。zvpgeqJ1hk

屏幕均勻度

好的均勻性能夠保證屏幕水平方向、垂直方向從0-180度觀看時,畫面亮度和色彩的一致性,屏幕的均勻性不但和投影機的投影技術息息相關,還和屏幕本身的材料有關,屏幕表面材料的均勻性對投影機的畫面均勻性起到了良好的補充作用。NrpoJac3v1

屏幕的平整度

    完美的屏幕應無折痕和褶皺。

超大無縫 

 在滿足用戶對投影屏幕亮度高(增益高)、平整度好、均勻性高的要求的同時,大屏幕無縫拼接系統中對于屏幕還要求足夠大并且屏幕本身沒有縫隙缺憾。顯然,這個時候用拼接的屏幕將大大降低屏幕的效果,影響屏幕直觀的視覺沖擊。所以,整張無接縫的大屏幕更符合大屏拼接系統的需求。1nowfTG4KI

4.1.3邊緣融合和圖像處理設備

功能簡介

高性能多通道邊緣融合機,邊沿融合及非線性失真校正處理機,可方便獲得無縫幾何校正的劇場投影效果。

輸出信號:信號格式:模擬RGB或數字 信號接口:DVI-I

處理延遲:50us-12ms(典型為250線期)視覺無延遲。

對任意通道曲面矯正、邊緣融合。

支持對任意通道進行顏色調整,解決投影偏色。

支持多路信號輸入,開多窗口。

輸入信號:支持VGA輸入、視頻輸入、HDMI輸入,同時融合顯示3路立體信號(6臺投影組成的3通道立體系統)。

 純硬件構架

     融合器為純硬件構架,硬件核心為大規模 FPGA 陣列,系統屬于純硬件數據處理,沒有運行Windows和Linux操作系統,不是一臺計算機,不需要CPU、 內存、硬盤、光驅、顯卡等常規計算機配件。系統采用模塊化設計, 模塊數目隨輸入輸出信號的多少而增減。 純硬件構架的控制器, 它本身不是一臺計算機 而是一臺專業的圖像處理設備,和基于工控機的插卡式拼接器有本質區別

獨創的FPGA硬件圖形并行處理技術

融合器的處理核心就是FPGA芯片陣列。系統具有高速信號處理技術,保證高分辨信號輸入輸出的實時處理,并且保證每一禎都能夠實時的處理完畢,輸入與輸出之間沒有時間拖延。在多單元顯示一路信號、一單元顯示多路信號、多單元多信號漫游疊加等情況下,顯示信號均無延遲。即便在所有輸入信號都漫游疊加在一起的極限情況下,所有信號一樣保持動態實時性。

系統采用基于輸入端口的信號并行處理技術,有效的增加了輸入信號個數。系統通過芯片陣列,對高速圖形數據流進行逐級處理,每一路信號輸入都對應一列處理器。這樣就相當于很多處理器同時工作,做到數據的并行處理,極大的提高了系統運算速度。有效的是用并行處理技術使得數據得到分散處理,沒有了工控機單處理器的速度瓶頸,從而使得增加信號輸入個數,并不增加系統的總體運算負擔,這樣系統就能夠接納多個高速信號。

最新的基于LVDS高速數字信號交換體系

采用所有輸入通道并行方式進入核心處理模塊,每條總線使用4個高速LVDS信號,這與工控機邊緣融合器的PIC總線有本質上的區別。普通工控機插卡式邊緣融合器的PCI總線,基本結構是多個PCI插卡使用同一組總線,如下圖所示,6個卡使用同一PCI總線,實際上進入核心處理器的數據只能是其中的一個卡上的信號,PCI總線要分時復用。由于CPU核心處理器同一時間只能處理一個信號,速度緩慢。83lcPA59W9

 

采用并行總線接入方式,就是說每個通道都有獨自的總線接入核心處理系統。采用超高速LVDS進行信號傳輸。LVDS特點是信號傳輸速度快,LVDS信號速度為2.5G/S,下圖為BR-VP6000基本系統節構圖。

 

 多通道并行總線結構及串行通信方式

 

RGB 信號實時并行處理 

融合器采用先進的高速數字信號多總線并行處理機制, 系統給每一個輸入,通道都分配獨立的處理模塊和數據總線,所有模塊并行工作,系統對每個通道的處理速度是固定的,處理速度與通道數的多少無關 ,因此可實時處理多個 VGA 視頻。目前,融合器能夠在24個屏的投影系統上同時顯示多達32路實時的 RGB 信號,所有信號的顏色深度均為 24 位,均能做到信號的不丟楨,無延遲。AVktR43bpw

 

啟動速度快

融合器為純硬件構架,啟動過程快,開啟后10秒開始工作。 硬件系統的啟動等待時間是恒定的,不會隨機器規模變大而啟動時間增長。ORjBnOwcEd

支持高分辨率輸入信號

融合器處理功能強大,可處理  極高分辨率信號,同時可支持用戶自定義的信號。而傳統的工控插卡式拼接器無此功能。 2MiJTy0dTT

安全性、穩定性好

融合器無操作系統,病毒無法感染;全并行工作,無系統整體崩潰危險 ;系統數據出廠前已固化,無法更改,意外斷電不會造成數據丟失,控制器可經受頻繁開關機 。工控機插卡式拼接器所安裝的軟件操作系統存在安全性、穩定性的隱患。gIiSpiue7A

自動圖像識別重建

融合器具有信號自動識別重建功能。對系統中新接入的 VGA 信號,控制器不但能自動識別信號的分辨率與刷新頻率,還能通過復雜運算,確定信號的位置偏移和相位誤差,自動校準。融合器能檢測不同輸入信號在幅度、相位、頻率等方面的細微差別,并把這些差別作為信號的唯一標識,連同校準參數一起記錄在案。當校準過的信號再次接入系統時,控制器無需對信號重新校準,而是自動套用參數,這就是控制器的信號自動識別重建功能,此功能極大方便了用戶的使用。而工控機插卡式拼接器無此功能。uEh0U1Yfmh

強大的融合處理功能

   1.融合邊帶處理

融合邊帶處理功能主要實現光學拼縫消融,融合器內置多種伽馬漸變模式,同時也支持用戶自定義模式。

 

2.自動色彩均衡

自動色彩均能可消除投影設備間的顏色和亮度差異,保證投出的大畫面色彩均一、亮度一致。

 

3.單像素幾何校正

單像素幾何校正修正了投射圖像的幾何形狀,保證了融合控制器能適應多種屏幕構型,如平面構型、柱面構型、球面構型等,投射到幕上的畫面無幾何失真 。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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