新技術(shù)的結(jié)晶：頭盔顯示器.doc

新技術(shù)的結(jié)晶：頭盔顯示器發(fā)布: 2007-7-28 12:55 | 作者: 東南大學(xué)電子學(xué)研究所 張曉兵 | 來源: | 查看: 3次 頭盔顯示器 (Helmet-Mounted Displays,HMD)由1968年哈佛大學(xué)的Ivan Sutherland首先提出,并設(shè)計(jì)出應(yīng)用CRT的名為達(dá)摩克里斯之劍的頭盔顯示器。經(jīng)過30年的發(fā)展,頭盔顯示器取得了巨大的進(jìn)步和廣泛的應(yīng)用。特別是在微型液晶顯示器、虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）、袖珍計(jì)算機(jī)、可視移動(dòng)電話以及現(xiàn)代數(shù)字化部隊(duì)的裝備中的逐漸普及,使得頭盔顯示器在這些領(lǐng)域中占據(jù)了重要的地位。頭盔顯示器應(yīng)用 無論是要求在現(xiàn)實(shí)世界的視場(chǎng)上同時(shí)看到需要的數(shù)據(jù),還是要體驗(yàn)視覺圖像變化時(shí)全身心投入的臨場(chǎng)感,模擬訓(xùn)練、3D游戲、遠(yuǎn)程醫(yī)療和手術(shù),或者是利用紅外、顯微鏡、電子顯微鏡來擴(kuò)展人眼的視覺能力,HMD 都得到了應(yīng)用。比如軍事上在車輛、飛機(jī)駕駛員以及單兵作戰(zhàn)時(shí)的命令傳達(dá)、戰(zhàn)場(chǎng)觀察、地形查看、夜視系統(tǒng)顯示、車輛和飛機(jī)的炮瞄系統(tǒng)等需要信息顯示的,都可以采用HMD。在CAD/CAM 操作上,HMD使操作者可以遠(yuǎn)程查看數(shù)據(jù),比如局部數(shù)據(jù)清單、工程圖紙、產(chǎn)品規(guī)格等。波音公司在采用VR技術(shù)進(jìn)行波音777飛機(jī)設(shè)計(jì)時(shí),HMD就得到了應(yīng)用。頭盔顯示器組成 HMD一般由以下幾部分組成：圖像信息顯示源、圖像成像的光學(xué)系統(tǒng)、定位傳感系統(tǒng)、電路控制及連接系統(tǒng)、頭盔及配重裝置。 圖像顯示信息源是指圖像信息顯示器件,一般采用微型高分辨率CRT或LCD、EL、VFD、LED、FED、PDP等平板顯示器件。由于CRT具有高分辨率、高亮度、快的響應(yīng)速度和低成本,目前在軍事上較為常用,但一般為0.61英寸高亮度、高分辨率單色投影顯示。為了實(shí)現(xiàn)彩色CRT顯示,可采用光閥技術(shù)進(jìn)行調(diào)制或用光纖傳導(dǎo)的方法。CRT的不足之處是功耗較大,體積大、重量重,需要高壓,在頭盔顯示中,重量是影響視野和眼睛運(yùn)動(dòng)的重要因素之一,同時(shí)由于頭盔顯示大多應(yīng)用于單獨(dú)供電的環(huán)境,因此,這些因素限制了CRT在頭盔顯示中的應(yīng)用。 近年來平板顯示器件的發(fā)展,特別是高分辨率視頻顯示用平板顯示器件的長(zhǎng)足進(jìn)步,對(duì)減輕頭盔的重量和功耗、降低工作電壓方面起到了促進(jìn)作用。目前已有采用 1024768 的高分辨率微型LCD制作的頭盔顯示出售,價(jià)格在1.5萬美元左右。采用LCD的HMD的不足之處是亮度較低、響應(yīng)速度較慢,對(duì)有快速響應(yīng)要求的場(chǎng)合目前還不適用。EL和VFD顯示在驅(qū)動(dòng)、彩色等方面尚有需要完善之處,在HMD中的應(yīng)用還有待發(fā)展。 在頭盔顯示器件中,觀察者是通過眼前的目鏡看清圖像的,因此在HMD中,光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是十分重要的,它影響著圖像顯示的質(zhì)量。HMD可以根據(jù)需要,設(shè)計(jì)成全投入式或半投入式。全投入式將顯示器件的圖像經(jīng)放大、畸變等像差的校正以及中繼等光學(xué)系統(tǒng)在觀察者眼前呈放大的虛像;半投入式是將經(jīng)過校正放大的虛像投射到觀察者眼前的半反半透的光學(xué)玻璃上,這樣顯示的圖像就疊加在透過玻璃的外界環(huán)境圖像之上,觀察者可以同時(shí)得到顯示的信息和外部環(huán)境的信息。圖1為投入和半投入式頭盔顯示器光學(xué)系統(tǒng)的示意圖。圖2為 Kaiser公司的雙目投入和半投入式頭盔顯示器,將頭盔改為頭帶,減輕了重量。 光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)不僅關(guān)系到成像質(zhì)量的好壞,還影響到頭盔顯示的體積和重量,以及觀察者在長(zhǎng)時(shí)間觀看時(shí)是否疲勞,因此光學(xué)系統(tǒng)和視覺感受是HMD研究的重要部分。國外HMD公司一般采用商用的光學(xué)設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行光學(xué)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì),如目前較好的有ORA 的CODE V和Light Tools,是常用的可視化光學(xué)系統(tǒng)優(yōu)化、光軌跡計(jì)算軟件。但是,它們的價(jià)格也比較昂貴,如CODE V 在6萬美元左右,一般用于航天航空系統(tǒng)中的光學(xué)設(shè)計(jì)。根據(jù)應(yīng)用的層次的不同,也有一些價(jià)格相對(duì)較低的軟件,如 ZEMAX,價(jià)格在4千美元左右。 光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)還應(yīng)考慮觀察者的視力、瞳孔間距等因素,設(shè)計(jì)成可調(diào)整結(jié)構(gòu)。頭盔的定位傳感系統(tǒng)是與光學(xué)系統(tǒng)同等重要的一部分。它包括頭部的定位和眼球的定位。 眼球的定位主要應(yīng)用在瞄準(zhǔn)系統(tǒng)上,一般采用紅外圖像的識(shí)別處理跟蹤來獲得眼球的運(yùn)動(dòng)信息。頭部定位采用的方法比較多,如超聲波、磁、紅外、發(fā)光二極管等的定位系統(tǒng),頭部的定位提供位置和指向六個(gè)自由度的信息。對(duì)定位傳感系統(tǒng)的要求是靈敏度高、延遲小。靈敏度低易受外界環(huán)境影響,延遲時(shí)間長(zhǎng)除在給出不正確的位置信息外,還將引起觀察者的頭昏、惡心。目前適用于頭盔顯示器的磁定位傳感器已經(jīng)有售,Polhemus Inc. 的Istrak、3Space跟蹤器和FASTRAK是交流磁定位傳感器,它的設(shè)計(jì)概念是快速和短延遲,通過數(shù)字信號(hào)處理和A/D轉(zhuǎn)換階段的并行實(shí)現(xiàn)了這一設(shè)想,其延遲時(shí)間僅為4ms,而無任何形式的濾波;Ascension 公司的Bird, Flock of Bird和擴(kuò)展范圍發(fā)射器（ERT）是直流磁定位傳感器,其中Flock of Bird為多個(gè)單元,可在相同的環(huán)境下共同工作以擴(kuò)展操作范圍的直流磁定位傳感器。直流磁定位系統(tǒng)與交流磁定位系統(tǒng)相比,一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是在使用中受外界導(dǎo)磁金屬在交變磁場(chǎng)中產(chǎn)生的渦流的影響較小,更適用于存在金屬的環(huán)境中。據(jù)報(bào)道,Bird有一個(gè)24ms的延遲。 電路控制系統(tǒng)一般與頭盔顯示器分開放置以減輕頭盔重量,其連接系統(tǒng)在機(jī)載時(shí)的設(shè)計(jì)要考慮在緊急情況下能夠迅速使頭盔和飛機(jī)上的控制系統(tǒng)脫離,保證飛行員的安全。 頭盔是顯示器的固定部件,在機(jī)載或車載應(yīng)用時(shí)可直接把駕駛員頭盔進(jìn)行改進(jìn)制作,在其他應(yīng)用中可采用吊帶將顯示器固定在頭部。由于顯示器的重量在頭的前部,使頭部的重心發(fā)生了變化,容易發(fā)生疲勞,因此應(yīng)在頭后部加配重保持重心不變。但頭盔的重量應(yīng)盡可能輕,特別是在機(jī)載情況下,頭盔的重量在飛行員脫離飛機(jī)的彈射時(shí)將產(chǎn)生很大的沖力,容易使頸椎骨折。頭盔顯示器的基本參數(shù) HMD的基本標(biāo)參數(shù)主要包括：顯示模式、顯示視野(FOV)、視野雙目重疊、顯示分辨率、眼到虛擬圖象的距離、眼到目鏡距離、物面距離、目標(biāo)域半徑（最大）、視軸間夾角、瞳孔間距（IPD）、焦距、出射光瞳（exit pupil）、圖象象差、視覺扭曲校正、重量、視頻輸出等。頭盔顯示器的價(jià)格和市場(chǎng) 影響HMD價(jià)格的主要因素是圖像信息顯示源和光學(xué)系統(tǒng),高分辨率、高亮度、高對(duì)比度和掃描頻率的圖像顯示器,其價(jià)格是普通顯示器的價(jià)格的數(shù)十倍、上百倍。光學(xué)系統(tǒng)根據(jù)成像質(zhì)量、成像形式和視野的大小,價(jià)格也有很大的不同。例如：Kaiser公司的ProView系列的幾種頭盔顯示器的性能價(jià)格如表一所示。從表一可以看出,高分辨率、透過式的頭盔顯示器的價(jià)格較高,這主要由其圖像信息源和光學(xué)系統(tǒng)所決定。一些特殊用途的更高分辨率的頭盔顯示器價(jià)格就更高,而一些普通的消費(fèi)者應(yīng)用的頭盔顯示器的價(jià)格只要幾百美元就可以了,但顯示的圖象質(zhì)量就不很令人滿意。表1幾種頭盔顯示器的性能價(jià)格比較 ProView30 ProView24ST/50ST XL 40STm/XL50STm ProView 60 顯示源 LCD 兩全彩色（640x3x480） 兩全彩色（640x3x480） 兩單色（1024x768） 兩全彩色（640x3x480） 分辨率 2.25”/彩色象素 3.4”/彩色象素 2.2”/象素 4.5”/彩色象素 亮度 6ft-lamberts 6ft-lamberts 20ft-lamberts 25ft-lamberts 對(duì)比度 20：1 20：1 25：1 25：1 光學(xué)系統(tǒng) 視野 18(V)x24(H) 27（V）x36(H)/30(V)x50(H) 28（V）x37(H)/28(V)x49(H) 27（V）x36(H) 透過率 非透過式 24% 24% 非透過式 光路 塑料透鏡 兩路反射 兩路反射 塑料透鏡 眼到目鏡距離 50mm 30mm 30mm 25mm 出射光瞳 非光瞳形式 非光瞳形式 非光瞳形式 非光瞳形式 雙目重疊 100% 100%/25% 100%/25