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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 大視場普及型頭盔顯示器
- 小類：
- 信息技術(shù)
- 大類：
- 科技發(fā)明制作B類
- 簡介：
- 頭盔顯示器作為虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中重要的顯示設(shè)備，具有非常廣泛的應(yīng)用價(jià)值。本作品基于菲涅爾原理，采用透射與反射相結(jié)合的方式，構(gòu)建了一種新型立體顯示系統(tǒng)，并用于頭盔顯示器中。本作品突出“大視場”、“高分辨率”、“普及化”等特點(diǎn)，單目視場角達(dá)到36.8°(V)×47.9°(H)，分辨率為800×600，達(dá)到了同類產(chǎn)品的世界先進(jìn)水平，同時(shí)將成本由數(shù)萬元降低至兩千元左右。
- 詳細(xì)介紹：
- 一、選題背景與目的 頭盔顯示器（HMD）是虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中用于顯示和觀察虛擬環(huán)境的專用設(shè)備，可單獨(dú)與主機(jī)相連以接收和顯示來自主機(jī)的雙通道立體圖像，從而引導(dǎo)用戶產(chǎn)生一種身在三維虛擬環(huán)境中的感覺。 頭盔顯示器在虛擬技術(shù)應(yīng)用系統(tǒng)中的地位非常重要，是虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)必不可少的顯示和交互裝備。 當(dāng)前頭盔顯示器從性能上主要分兩種層次：專用級(jí)頭盔顯示器和民用級(jí)頭盔顯示器。專用級(jí)頭盔顯示器具有較大的視場角（一般在水平45°以上）和較高的分辨率（一般在800*600以上），同時(shí)集成有高精度的位姿跟蹤裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)良好的三維顯示效果，其性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于民用級(jí)頭盔顯示器。民用級(jí)頭盔顯示器分辨率和視場角等參數(shù)都遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于專業(yè)級(jí)頭盔顯示器，但是體積小，結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，使用也較為方便。 隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)被用于越來越廣泛的領(lǐng)域，人們對于專業(yè)級(jí)頭盔顯示器的需求也在與日俱增，當(dāng)前急需一種能夠被大量生產(chǎn)的普及型頭盔顯示器。這種頭盔顯示器不但需要具有較大的視場角，較高的分辨率還需要具有結(jié)構(gòu)簡單、操作便捷、造價(jià)低廉等特性，以便其在具有廣泛需求的領(lǐng)域中得到應(yīng)用。 就目前國內(nèi)相關(guān)技術(shù)以及已知國外的現(xiàn)有相關(guān)設(shè)備的發(fā)展水平而言，頭盔顯示器存在的主要問題如下： 1) 專業(yè)級(jí)頭盔顯示器的成像元件生產(chǎn)規(guī)模小、成本高。 對于專業(yè)級(jí)頭盔顯示器，其使用的高分辨率微型液晶顯示元件本身成本很高，而且產(chǎn)量較小，使得頭盔整體的成本也無法降低。諸如型號(hào)為NVISor SX60、NVISor ST50、Cybermind Visette45、VR1280、5DT HMD的產(chǎn)品，成本從四萬到十幾萬不等，而分辨率1280*1024的頭盔顯示器成本更是達(dá)到數(shù)十萬，這在很大程度上限制了頭盔顯示器的廣泛應(yīng)用。 2) 專業(yè)級(jí)頭盔顯示器的目視光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、制作難度高，國內(nèi)加工困難。 由于專業(yè)級(jí)頭盔顯示器所使用的光學(xué)元件結(jié)構(gòu)精細(xì)復(fù)雜，往往使用具有復(fù)雜面型的自由曲面結(jié)構(gòu)，加工和裝配難度高，國內(nèi)尚不具備足夠的加工和裝配能力。所以專業(yè)級(jí)頭盔顯示器長期為國外所壟斷，民族工業(yè)受到限制。 3) 民用級(jí)頭盔顯示器視場角小、沉浸感差。 對于民用級(jí)頭盔顯示器，國內(nèi)具有完備的加工能力，但是性能的不足使其無法滿足大眾對于高品質(zhì)畫面的需求。而且由于民用級(jí)頭盔顯示器視場角較小，缺乏沉浸感，其應(yīng)用領(lǐng)域也受到很大的限制。 針對上述問題，本作品以高性能、普及型、低成本為出發(fā)點(diǎn)，綜合國內(nèi)外相關(guān)技術(shù)的發(fā)展情況，通過對當(dāng)前市場上的各種頭盔顯示器進(jìn)行了研究。在菲涅爾原理的基礎(chǔ)上，本作品實(shí)現(xiàn)了一種新穎的偏振濾光與透射反射相結(jié)合的立體顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并配以結(jié)構(gòu)精簡的目視光學(xué)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)制作了一套可以推廣應(yīng)用的大視場普及型頭盔顯示器。該頭盔顯示器分辨率達(dá)到了800*600，視場角36.8°(V)×47.9°(H)，質(zhì)量僅1080g，成本僅僅相當(dāng)于同類產(chǎn)品的10%左右，達(dá)到了同類產(chǎn)品的世界先進(jìn)水平。而且由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較為簡單，所使用的全部零件都可在國內(nèi)進(jìn)行加工，突破了國外對于微型液晶顯示元件的限制，使得本作品所設(shè)計(jì)的頭盔顯示器具有巨大的市場推廣潛力。 二、基本思路 本作品主要針對高性能、低成本的普及型頭盔顯示器展開研究，研究的目的是實(shí)現(xiàn)具有極高市場推廣價(jià)值的產(chǎn)品級(jí)頭盔顯示器，并配合相應(yīng)的軟件，實(shí)現(xiàn)一個(gè)完整的虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用系統(tǒng)，研究的具體內(nèi)容包括： 1) 基于菲涅爾原理的雙屏幕立體顯示系統(tǒng)研究 為了保證較高的性能和維持相對合理的成本，本作品采用2個(gè)3.5英寸、分辨率為800*600的液晶顯示屏作為顯示單元。由于顯示單元本身尺寸較大，如果直接采用傳統(tǒng)的雙目相互獨(dú)立的光學(xué)系統(tǒng)，會(huì)導(dǎo)致空間干涉而無法進(jìn)行安裝。本作品針對這一問題，提出了一種基于半透半反玻璃的折反射融合光路，使得兩個(gè)光學(xué)系統(tǒng)能夠共享同一物理空間。但是由于本作品中設(shè)計(jì)的目視光學(xué)系統(tǒng)具有很大的視場角，用戶的一只眼睛有可能同時(shí)看到兩個(gè)顯示單元的圖像，為了消除這種光學(xué)干擾，本系統(tǒng)基于菲涅爾原理，通過使用偏振元件對上述光學(xué)干擾進(jìn)行了消除。 2) 用于頭盔顯示器的最簡目視光學(xué)系統(tǒng)研究 為了減輕整體重量，減小安裝復(fù)雜度，本作品研究了針對上述立體顯示系統(tǒng)的最簡目視光學(xué)系統(tǒng)，通過對幾種方案的仿真模擬，本作品最終選擇了雙曲面透鏡組成的目視光學(xué)系統(tǒng)，并進(jìn)一步對該系統(tǒng)光學(xué)傳遞函數(shù)和像差等參數(shù)進(jìn)行了深入分析。 3) 基于慣性傳感器的頭部位姿跟蹤模塊開發(fā) 為了滿足虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)對交互操作的要求，本作品設(shè)計(jì)的頭盔顯示器內(nèi)還集成有一個(gè)位姿跟蹤模塊。該模塊采用STM32微處理器，實(shí)現(xiàn)了三自由度慣性跟蹤系統(tǒng)，并最終完成了與軟件環(huán)境的集成。 4) 頭盔顯示器整體結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì) 為了使最終完成的頭盔顯示器結(jié)構(gòu)更為精簡，本作品還開展了頭盔顯示器整體結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方面的工作。通過對各種元件的排布方式和走線方式進(jìn)行反復(fù)對比，實(shí)現(xiàn)了各模塊的有效集成，并最終加工完成了頭盔顯示器樣機(jī)。 5) 基于頭盔顯示器的典型應(yīng)用范例開發(fā) 為展示所完成的頭盔顯示器的綜合性能，本作品還針對基于頭盔顯示器的典型應(yīng)用范例展開了研究，并最終完成了一套立體漫游系統(tǒng)。通過該系統(tǒng)，用戶可以在一個(gè)虛擬的島嶼上漫游，并與島嶼上的動(dòng)物進(jìn)行交互。 三、創(chuàng)新點(diǎn)分析 本作品的主要?jiǎng)?chuàng)新之處體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)： 1) 本作品基于菲涅爾原理，利用半透半反玻璃將透射型系統(tǒng)與反射型系統(tǒng)有效地結(jié)合在一起，實(shí)現(xiàn)了空間的重復(fù)利用，完成了一套新型立體顯示系統(tǒng)； 2) 本作品設(shè)計(jì)完成了一套針對大尺寸顯示單元的大視場目視光學(xué)系統(tǒng)，并配合偏振片解決了兩個(gè)圖像單元相互交疊引起的視覺干擾問題，既避免了頭盔體積過大，又增大了視場角范圍，實(shí)現(xiàn)了良好的立體顯示效果； 3) 本作品采用了市場上普遍使用的3.5寸液晶顯示屏代替?zhèn)鹘y(tǒng)頭盔顯示器中的微型液晶，極大地降低了頭盔顯示器的成本，實(shí)現(xiàn)了清晰的成像效果； 4) 本作品采用慣性傳感器，實(shí)現(xiàn)了高精度的三自由度位姿跟蹤模塊，有效地提高了頭盔顯示器的交互性能。 四、作品主要技術(shù)指標(biāo) 分辨率（像素）：800×600（svga） 視場范圍（度）：36.87°(V)×47.92°(H) 立體效果：支持 設(shè)備重量：1080g 顯示器類型：TFT—LCD 輸入方式：VGA輸入 亮度：4-5 fL（估測） 頭部尺寸：可調(diào)至任何尺寸
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 一、目的 本作品主要針對高性能、低成本的普及型頭盔顯示器展開研究，研究的目的是實(shí)現(xiàn)具有極高市場推廣價(jià)值的產(chǎn)品級(jí)頭盔顯示器。 二、基本思路 本作品采用3.5英寸、分辨率為800*600的液晶顯示屏作為顯示單元。由于顯示單元本身尺寸較大，如果直接采用傳統(tǒng)的雙目相互獨(dú)立的光學(xué)系統(tǒng)，會(huì)導(dǎo)致空間干涉而無法進(jìn)行安裝。本項(xiàng)目針對這一問題，提出了一種基于半透半反玻璃的折反射融合光路，使得兩個(gè)光學(xué)系統(tǒng)能夠共享同一物理空間。但是由于設(shè)計(jì)的目視光學(xué)系統(tǒng)具有很大的視場角，用戶的一只眼睛有可能同時(shí)看到兩個(gè)顯示單元的圖像，為了消除這種光學(xué)干擾，本系統(tǒng)基于菲涅爾原理，通過使用偏振元件對上述光學(xué)干擾進(jìn)行了消除。 三、創(chuàng)新點(diǎn)分析 1) 本作品基于菲涅爾原理，利用半透半反玻璃將透射型系統(tǒng)與反射型系統(tǒng)有效地結(jié)合在一起，實(shí)現(xiàn)了空間的重復(fù)利用，完成了一套新型立體顯示系統(tǒng)； 2) 本作品設(shè)計(jì)完成一套針對大尺寸顯示單元的大視場目視光學(xué)系統(tǒng)，并配合偏振片解決了兩個(gè)圖像單元相互交疊引起的視覺干擾問題； 3) 本作品采用了市場上普遍使用的3.5寸液晶顯示屏代替?zhèn)鹘y(tǒng)頭盔顯示器中的微型液晶，極大地降低了頭盔顯示器的成本； 4) 本作品采用慣性傳感器，實(shí)現(xiàn)了高精度的三自由度位姿跟蹤模塊。 四、技術(shù)指標(biāo) 分辨率（像素）：800×600（svga） 視場范圍（度）：36.87°(V)×47.92°(H) 設(shè)備重量：1080g 顯示器類型：TFT—LCD 輸入方式：VGA輸入
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 本作品利用半透半反玻璃將透射型系統(tǒng)與反射型系統(tǒng)有效地結(jié)合在一起，配合偏振片的使用，解決了圖像相互交疊引起的視覺干擾問題，既避免了頭盔體積過大，又增大了視場角范圍。此外，通過使用普通的3.5寸液晶顯示屏，本作品在保證分辨率（800×600）的同時(shí)最大限度地降低了頭盔成本，由數(shù)萬元降到了2000元左右。 通過實(shí)驗(yàn)測試，本作品驗(yàn)證了普通透鏡作為頭盔顯示器光學(xué)系統(tǒng)的可行性，從根本上降低了制作難度，解決了傳統(tǒng)頭盔顯示器光學(xué)系統(tǒng)采用自由曲面棱鏡的設(shè)計(jì)復(fù)雜、加工難度大、成本高等問題。本作品采用市場上常見的元器件，容易購買裝配，也在一定程度上降低了成本。此外，由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的改變，采用市場上普遍的3.5寸液晶、半透半反玻璃、透鏡、偏振片等元器件，國內(nèi)的一般加工能力即可完成，因而極具推廣價(jià)值。
獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果
- 本系統(tǒng)于2011年3月10日獲得了國家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局的專利申請?zhí)枺?01110057220.4。
作品所處階段
- 中試階段，正在向生產(chǎn)階段過渡。
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 無
作品可展示的形式
- 實(shí)物、產(chǎn)品、圖紙、模型、現(xiàn)場演示、圖片、樣品。
使用說明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢,適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測
- 一、技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢 本作品利用半透半反玻璃將透射型系統(tǒng)與反射型系統(tǒng)有效地結(jié)合在一起，配合偏振片的使用，解決了圖像相互交疊引起的視覺干擾問題，既避免了頭盔體積過大，又增大了視場角范圍。通過使用普通的3.5寸液晶顯示屏，本作品在保證分辨率（800×600）的同時(shí)最大限度地降低頭盔成本，由數(shù)萬元降到了2000元左右，解決了傳統(tǒng)頭盔顯示器光學(xué)系統(tǒng)采用自由曲面棱鏡的設(shè)計(jì)復(fù)雜、加工難度大、成本高等問題。 本作品采用市場上常見的元器件，容易購買裝配，也在一定程度上降低了成本。此外，由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的改變，采用市場上普遍的3.5寸液晶、半透半反玻璃、透鏡、偏振片等元器件，國內(nèi)的一般加工能力即可完成，因而極具推廣價(jià)值。 二、作品技術(shù)特點(diǎn)及推廣前景 本作品的研究成果除了可以用于虛擬現(xiàn)實(shí)的人機(jī)界面顯示系統(tǒng)，還可在家庭生活中普及應(yīng)用。同時(shí)，對于軍事模擬訓(xùn)練、3D游戲、遠(yuǎn)程醫(yī)療和手術(shù)等熱點(diǎn)技術(shù)問題，本項(xiàng)目同樣極具實(shí)用價(jià)值和開發(fā)潛力。
同類課題研究水平概述
- 從20世紀(jì)60年代開始，美、蘇、英、法、德、瑞典、以色列以及南非等國先后投入了大量的人力、財(cái)力和物力，研制出一代又一代的民用、軍用頭盔顯示器。經(jīng)過30余年的研制與生產(chǎn)，頭盔顯示器的性能已日趨完善。 2000年，美國的Jannick P. Rolland設(shè)計(jì)了用于3D醫(yī)療模擬成像的60°視場透視式離軸頭盔顯示器光學(xué)系統(tǒng)。 2004年，英國SEOS公司的Roger B Huxford設(shè)計(jì)了視場為120°×67°，出瞳距離15mm，出瞳直徑20mm，畸變≤0.25%的頭盔顯示器光學(xué)系統(tǒng)。該系統(tǒng)由玻璃元件和塑料元件組成，包括多個(gè)非球面元件。 2005年，美國的George Curatua, David V. Wickb, Don M. Paynec, Ty Martinezd, Jamie Harrimane, James E. Harveya等人設(shè)計(jì)了使用液晶空間光調(diào)制器的大視場成像系統(tǒng)，視場為60°，有效焦距27 mm。 由此可以看出，頭盔顯示器的國際發(fā)展趨勢是在對頭盔顯示器進(jìn)行集成化的同時(shí)獲得盡可能大的視場角，因此必須采用新型技術(shù)進(jìn)行頭盔顯示器的設(shè)計(jì)，目前國外研究的頭盔顯示器型主要包括離軸非球面、折衍射混合式頭盔顯示器、全息光學(xué)頭盔顯示器、自由曲面棱鏡頭盔顯示器、投影式頭盔顯示器、光波導(dǎo)光學(xué)元件頭盔顯示器、投影式頭盔顯示器和塑料光學(xué)元件頭盔顯示器等。 國內(nèi)的研究目前還主要集中在傳統(tǒng)形式的頭盔顯示器設(shè)計(jì)上，九·五、十·五期間，國內(nèi)一些單位開展了對虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的研究，其中北京理工大學(xué)、浙江大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、長春第二航空兵學(xué)院、航天二院北京仿真中心等研制成功了不同的應(yīng)用系統(tǒng)。南開大學(xué)現(xiàn)代光學(xué)研究所進(jìn)行了折衍射混合式頭盔顯示器和投影式頭盔顯示器的設(shè)計(jì)，浙江大學(xué)現(xiàn)代光學(xué)儀器國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和中國航空工業(yè)第六一三研究所進(jìn)行了液晶頭盔顯示器設(shè)計(jì)，海軍航空工程學(xué)院設(shè)計(jì)了透視式液晶頭盔顯示器，長春光學(xué)精密機(jī)械研究所研究了折衍射混合式頭盔顯示器，將塑料非球面透鏡應(yīng)用于頭盔顯示器的設(shè)計(jì)。
