CAVE虚拟仿真显示系统
发布时间:2011-5-6 15:28:37来源:DHN市场部作者:莫威科技日期:2011-5-6 15:28:37点击:

虚拟仿真的简介

    虚拟仿真(Virtual Reality):就是用一个系统模仿另一个真实系统的技术。虚拟仿真实际上是一种可创建和体验虚拟世界(Virtual World)的计算机系统。此种虚拟世界由计算机生成,可以是现实世界的再现,亦可以是构想中的世界,用户可借助视觉、听觉及触觉等多种传感通道与虚拟世界进行自然的交互。虚拟仿真为了达到贴近真实的显示效果,通常采用环形幕高清边缘融合投影系统作为图像显示系统。

CAVE虚拟仿真显示系统

虚拟仿真的应用
    在专业培训领域,虚拟仿真系统有着成熟的应用模型。最典型的包括驾驶训练模拟、飞行训练模拟等。虚拟仿真系统使得培训机构无需动用真实的设备,即可为训练人员提供一个操作体验接近真实环境的训练系统,不仅实现成本大大降低,而且还原度很高,更重要的是可以100%保证人员的安全。这是计算机科技给专项技能训练带来的巨大福利。

CAVE虚拟仿真显示系统

虚拟仿真系统的组成
    一个成熟的虚拟仿真系统,由如下几个相辅相成的部分组成:

CAVE虚拟仿真显示系统

  一:视景应用软件
    目前应用最为广泛的是PRESAGIS公司的Vega Prime,它是一款实时三维虚拟现实开发工具,具有面向对象、功能强大、界面友好、平台兼容性好等特点。广泛应用于航空航天飞行器试验,工业机械装置实时模拟仿真,房地产视景楼盘呈现,数字化城市等领域。开发人员可以根据实际训练项目,定制开发配套的仿真模型及虚拟现实环境。

视景应用软件

二:人机交互系统

各种飞行模拟交互设备

各种飞行模拟交互设备

    包括操控按键、手柄、遥感、踏板、头盔等多种人机互动控制设备。这些控制设备可以模拟真实操作的互动以及反馈,操作人员的每一步操作,都可以通过控制电脑传送至视景软件,使得视野图像产生相应的反馈。不同的模拟系统,会根据实际情况选择相应的人机交互设备。
三:投影显示系统

投影显示系统

应用于模拟仿真的各类投影机

    因为虚拟仿真属于高度专业的显示系统,通常采用各大品牌的工程投影机。常见品牌包括奥图码、松下、科视、巴可、佳能、丽讯等投影机品牌。工作分辨率一般在1024x768~1920x1200之间。因为在这个分辨率区间,各个系统可以最大程度的无缝配合,在保证画质的前提下,也保证高帧率的运行状态,使得使用人员获得流畅如水的操控体验。
四:边缘融合系统

边缘融合系统常见融合解决方案

    定位比较高端的有例如3D Perception公司的基于硬件的仿真融合系统,但其市场价格很高,集中应用在预算较高的高端项目中。市面也有一些厂家的软件融合可以实现,但需要部署在视景服务器上,对显卡造成不小的计算压力,甚至影响到整体系统的稳定性,可能出现宕机现象。而且软件融合对图像颜色的处理比较粗糙,无法实现类似莫威硬件融合的“基于全色域的色域校正及边缘羽化处理”。当理想化的融合曲线遭遇实际应用中不同投影机各自不同的色彩衰减曲线后,很容易出现融合带区域的颜色失真现象。目前性价比兼顾的产品,还包括莫威科技的DHN边缘融合产品。
为什么一般的硬件融合无法用于虚拟仿真?
    由于虚拟仿真技术的空间视锥算法中的特殊性,一般市面上的硬件融合产品难以解决复杂的立体几何计算问题。
    通常情况下,硬件融合特别是国内的硬件融合厂家的算法设计,都是按照笛卡尔坐标系进行图像处理的。通俗的讲,就是用于显示方方正正的图像。比如我们的电脑、DVD播放器、摄像头信号等。所以这类产品用于会议室融合、或者展览展示播放事先制作好的影片是可以正常使用,但如果这种处理方式应用虚拟仿真系统里,就遇到了令人头痛的麻烦——多台图形工作站中的图像,居然无法拼成一个完整的画面!
    再举个简单的例子:在平面坐标系中,如果我们移动移动一张图片,图像应该是“左右平移”或“上下平移”的。但是在一个基于视锥变换的环境中,画面还会产生其他的形变:

CAVE虚拟仿真显示系统

    上图可以看出:虽然虚拟的视角只是上下移动,但是左侧的东方之珠塔已经产生了左右“扭动”的形变。在多通道虚拟仿真系统中,这样的多路信号源如果处理错误,最终会导致无法拼接成一个完整图像,在融合带附近产生致命的“错位”。
视锥图像的变换原理

CAVE虚拟仿真显示系统

    通常情况下我们看到一个计算机的图像,不管是多大的分辨率,始终是一个方形的区域,每一行、每一列的像素数量都是一样的——这是正交坐标系的概念。而在现实生活中,我们看到的图像不是由这样的“像素”构成的,而是由一个空间三维世界在视网膜上的二维投影构成的,取而代之的是俯仰角、左右角这样的“角度”来度量一块区域。虚拟仿真系统中的视景软件也是同样的原理。这就意味着要想做好虚拟仿真系统,我们必须了解视锥与投影图像的变换原理。
    DHN边缘融合器,采用内部FPGA+DSP纯硬件架构进行图像处理,则凭借优异的硬件基础,内置专门针对虚拟仿真定制的算法调试模型,可以完美解决视锥图像的无缝拼接融合问题。这无疑是虚拟仿真系统向硬件化、高效化、稳定化迈出的坚实一步。
    DHN支持高清1080P图像采集与输出,可以支持单通道1920x1200或4K高清图像、帧率高达60帧/秒(4K为30帧/秒)的优异画质。
超低图像延迟与超高同步性
    由于视景软件生成的图像需要经过几何校正、色彩处理并最终输出,所以不可避免的带来一点延迟。相比软件融合系统比较不稳定的工作状态来说,VMars硬件融合的一个优势是延迟是固定的2帧,也就是32ms,这个时间对于一般的模拟系统来说是完全可以接受的,用户甚至察觉不到。
    更重要的是,系统基于纯硬件处理,不会因为图像内容的变化造成各处理核心的负荷不同,不会因此产生通道的不同步,保证了整体图像在60Hz帧率下的信号同步性。最终成像的各个通道之间的延迟时间保持一致,虽然有延迟,但是可以100%保证各通道之间的帧同步,使得整体画面运动完全一致。
全色域校正优异的色彩处理

CAVE虚拟仿真显示系统

    市面上一般的硬件融合产品,由于设计时没有考虑到投影机复杂的多样性,大多数只设计了“单色调试”模式,也就是调试时只采取“红绿蓝白”这几种最简单的颜色进行校正。而专业用户都知道,投影机千变万化的颜色并不是这几种颜色可以线性组合出来的。以DLP投影机为例,为了是颜色更加艳丽,厂家一般会采用多段色轮的方式,除了红绿蓝白以外,还会增加黄色、紫色、青色等色段。若此时使用“单色调试”的模型,对这些复合颜色是无法正常校正的,从而就会出现一种常见的故障现象:调试时看着颜色都没问题,但是一放信号颜色就变得异常。

CAVE虚拟仿真显示系统

    莫威科技DHN融合器采用专业在现场调试时,通过独有的融合调试算法对融合带进行调整,针对各类投影仪均做过特殊优化,使得融合曲线自然平滑。除了红绿蓝白以外,还依次调整了几百种不同色度不同亮度的“复合颜色”。而且采用高清数码相机对全色域色彩信息进行采样,相比依靠肉眼进行调试的人工调试设备,可以达到更加细腻的调试精度,使最终呈现画面细节超越肉眼的识别精度。

CAVE虚拟仿真显示系统

    调试人员现场体验飞行效果

莫威开拓硬件融合新时代
    虚拟仿真的硬件融合并非一个新话题,在虚拟仿真领域也有浸润行业多年的国外著名虚拟仿真厂商。但面对需求量巨大的国内市场,其居高不下的产品价格成为了多少用户心中的痛。单通道的价格动辄高达十几万,使得系统投资巨大,成熟多年的技术缺难以在相关领域得到普遍推广。用户不得不选择稳定性较差、色彩处理不佳、但是价格相对低廉的软件融合产品。
    莫威科技DHN边缘融合产品即将终结这种令用户两难的状况。其有着其他产品不可比拟的四大优势:
    内置虚拟仿真视锥专用几何校正算法
    支持色域校正可解决投影机色差问题
    全色域边缘羽化算法融合效果一级棒
    相机辅助调试数据更加精确一致性好

    莫威科技DHN融合产品不仅在会议室、展览展示中获得了用户的青睐,更适合在虚拟仿真项目中发挥优异的性能,为用户带来无以伦比的使用体验。莫威期待与您共同开拓这一片专业应用领域。
    莫威科技部分融合成功案例

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