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沉浸式CAVE展示系统    


         CAVE(Cave Automatic Virtual Environment)是一种基于投影的虚拟现实系统,它由围绕观察者的四个投影面组成。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。若放置CAVE系统的房间大小有限,可通过反射镜把投影图象投影到屏幕上以节省空间。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是世界上第一个虚拟现实系统,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。

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
 

成功案例图片展示

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。当时这类大型专业UNIX图形工作站(可视化系统)的价位约在几十万到百万美金,这使得CAVE系统的使用范围局限在大型的研究所或学术单位中.

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,.黎明视景所推出的基于高性能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,我们的系统是以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。

CAVE虚拟现实系统的组成部分:

高性能图形工作站。所需的计算机系统应具有很高的计算速度和图形处理能力。SGI ONYX2 Infinite Reality图形工作站是虚拟现实和系统仿真的最佳计算机平台,它采用S2MP体系结构,不仅具有可扩性好、编程容易和计算能力强等优点,而且它的图形处理速度极快,具有多管道(Pipe)、多通道(Channel)图形输出能力。SGI ONYX2的每个图形管道可以驱动多达八个图形通道,每个图形通道输出一个画面到CAVE的一个投影面。

投影设备。从CAVE系统图示可以看出,四台三枪投影机分别接收来自ONYX2的图形信号,然后把信号直接(或通过反射镜反射后)投影到CAVE的四个投影屏幕上。每个投影幕的大小为 (可根据用户的需要进行调整),故CAVE是一个 的立方体结构。若CAVE系统所在机房的空间不够,可使用反射镜。反射镜应具有很好的光学反射率和平面度。三枪投影机不仅要求可靠性好,而且要求具有投影距离长、图形分辨率高、亮度高、水平和垂直方向具有一定的光学可调整性等性能。BARCO 808S和Electrohome 8900三枪投影机都比较适合在CAVE中使用。背投影幕要求具有较好的光学性能和视角范围,保证各投影光互不影响。整个CAVE中的图象应具有较高的完整性和清晰度。

投影机—反射镜—投影幕的光程控制需要在3.7~3.8m之间的范围内,投影机和反射镜放于每个投影幕的后面,反射镜与投影幕需调成一定的角度。投影机和投影幕之间的相对位置可由理论计算再辅以现场调试来完成。投影机的位置必须非常精确。若地面投影面采用正投,由于地面上的屏幕为反射型,与其余三个透过型屏幕的物理性能不一样,为了达到色调均匀一致,同时又要使地面上的屏幕能承受人体的重量,故需对地面上的这一面屏幕做特殊处理。为了保护地面屏幕,必须脱掉鞋子并穿上干净的袜子。屏幕的框架宜采用木质材料或铝质材料以防止磁性干扰传感器。

立体眼镜。为了看到虚拟环境中的三维立体图象,用户需戴上液晶立体眼镜(可采用StereoGraphics公司的CrystalEye Glass)。

立体发射器(Stereo Emitters)。立体发射器是一种外形如白色小方盒的设备,它们放于CAVE的周围,目的是使立体眼镜和投影面上图象的刷新频率同步(120HZ或96HZ)。

Wand三维鼠标器。Wand是一种具有三个按扭的交互输入设备,它可看成是一种三维鼠标器,Wand通常采用Ascension Flock of Birds公司的跟踪系统。新式的Wand具有三个按扭和一个具有压感的操纵杆,它通过一台连接于ONYX2串行口的微机与CAVE系统相连。微机上的一个服务程序读取按扭和操纵杆的数据并把他们传到ONYX2机器。

跟踪系统。CAVE支持多种不同的跟踪系统,通常具有两套传感器,一套用于跟踪用户的头部,另一套用于Wand。

声音系统。由如下部分组成:一台SGI Indy图形工作站、一套音箱、一个MIDI用户界面和声音合成器。其中Indy图形工作站作为CAVE系统的“声音服务器”。命令通过网络输入到Indy图形工作站,Indy根据需要或者生成内部声音,或者控制声音合成器。音箱位于CAVE的角落,它由声音合成器来控制。

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