基本信息
- 项目名称：
- 大视场普及型头盔显示器
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”作品
- 小类：
- 信息技术
- 大类：
- 科技发明制作B类
- 简介：
- 头盔显示器作为虚拟现实系统中重要的显示设备，具有非常广泛的应用价值。本作品基于菲涅尔原理，采用透射与反射相结合的方式，构建了一种新型立体显示系统，并用于头盔显示器中。本作品突出“大视场”、“高分辨率”、“普及化”等特点，单目视场角达到36.8°(V)×47.9°(H)，分辨率为800×600，达到了同类产品的世界先进水平，同时将成本由数万元降低至两千元左右。
- 详细介绍：
- 一、选题背景与目的 头盔显示器（HMD）是虚拟现实应用中用于显示和观察虚拟环境的专用设备，可单独与主机相连以接收和显示来自主机的双通道立体图像，从而引导用户产生一种身在三维虚拟环境中的感觉。 头盔显示器在虚拟技术应用系统中的地位非常重要，是虚拟现实系统必不可少的显示和交互装备。 当前头盔显示器从性能上主要分两种层次：专用级头盔显示器和民用级头盔显示器。专用级头盔显示器具有较大的视场角（一般在水平45°以上）和较高的分辨率（一般在800*600以上），同时集成有高精度的位姿跟踪装置，能够实现良好的三维显示效果，其性能远远高于民用级头盔显示器。民用级头盔显示器分辨率和视场角等参数都远远低于专业级头盔显示器，但是体积小，结构简单，成本较低，使用也较为方便。 随着虚拟现实技术被用于越来越广泛的领域，人们对于专业级头盔显示器的需求也在与日俱增，当前急需一种能够被大量生产的普及型头盔显示器。这种头盔显示器不但需要具有较大的视场角，较高的分辨率还需要具有结构简单、操作便捷、造价低廉等特性，以便其在具有广泛需求的领域中得到应用。 就目前国内相关技术以及已知国外的现有相关设备的发展水平而言，头盔显示器存在的主要问题如下： 1) 专业级头盔显示器的成像元件生产规模小、成本高。 对于专业级头盔显示器，其使用的高分辨率微型液晶显示元件本身成本很高，而且产量较小，使得头盔整体的成本也无法降低。诸如型号为NVISor SX60、NVISor ST50、Cybermind Visette45、VR1280、5DT HMD的产品，成本从四万到十几万不等，而分辨率1280*1024的头盔显示器成本更是达到数十万，这在很大程度上限制了头盔显示器的广泛应用。 2) 专业级头盔显示器的目视光学系统设计、制作难度高，国内加工困难。 由于专业级头盔显示器所使用的光学元件结构精细复杂，往往使用具有复杂面型的自由曲面结构，加工和装配难度高，国内尚不具备足够的加工和装配能力。所以专业级头盔显示器长期为国外所垄断，民族工业受到限制。 3) 民用级头盔显示器视场角小、沉浸感差。 对于民用级头盔显示器，国内具有完备的加工能力，但是性能的不足使其无法满足大众对于高品质画面的需求。而且由于民用级头盔显示器视场角较小，缺乏沉浸感，其应用领域也受到很大的限制。 针对上述问题，本作品以高性能、普及型、低成本为出发点，综合国内外相关技术的发展情况，通过对当前市场上的各种头盔显示器进行了研究。在菲涅尔原理的基础上，本作品实现了一种新颖的偏振滤光与透射反射相结合的立体显示系统设计，并配以结构精简的目视光学系统，设计制作了一套可以推广应用的大视场普及型头盔显示器。该头盔显示器分辨率达到了800*600，视场角36.8°(V)×47.9°(H)，质量仅1080g，成本仅仅相当于同类产品的10%左右，达到了同类产品的世界先进水平。而且由于结构设计较为简单，所使用的全部零件都可在国内进行加工，突破了国外对于微型液晶显示元件的限制，使得本作品所设计的头盔显示器具有巨大的市场推广潜力。 二、基本思路 本作品主要针对高性能、低成本的普及型头盔显示器展开研究，研究的目的是实现具有极高市场推广价值的产品级头盔显示器，并配合相应的软件，实现一个完整的虚拟现实应用系统，研究的具体内容包括： 1) 基于菲涅尔原理的双屏幕立体显示系统研究 为了保证较高的性能和维持相对合理的成本，本作品采用2个3.5英寸、分辨率为800*600的液晶显示屏作为显示单元。由于显示单元本身尺寸较大，如果直接采用传统的双目相互独立的光学系统，会导致空间干涉而无法进行安装。本作品针对这一问题，提出了一种基于半透半反玻璃的折反射融合光路，使得两个光学系统能够共享同一物理空间。但是由于本作品中设计的目视光学系统具有很大的视场角，用户的一只眼睛有可能同时看到两个显示单元的图像，为了消除这种光学干扰，本系统基于菲涅尔原理，通过使用偏振元件对上述光学干扰进行了消除。 2) 用于头盔显示器的最简目视光学系统研究 为了减轻整体重量，减小安装复杂度，本作品研究了针对上述立体显示系统的最简目视光学系统，通过对几种方案的仿真模拟，本作品最终选择了双曲面透镜组成的目视光学系统，并进一步对该系统光学传递函数和像差等参数进行了深入分析。 3) 基于惯性传感器的头部位姿跟踪模块开发 为了满足虚拟现实系统对交互操作的要求，本作品设计的头盔显示器内还集成有一个位姿跟踪模块。该模块采用STM32微处理器，实现了三自由度惯性跟踪系统，并最终完成了与软件环境的集成。 4) 头盔显示器整体结构优化设计 为了使最终完成的头盔显示器结构更为精简，本作品还开展了头盔显示器整体结构优化设计方面的工作。通过对各种元件的排布方式和走线方式进行反复对比，实现了各模块的有效集成，并最终加工完成了头盔显示器样机。 5) 基于头盔显示器的典型应用范例开发 为展示所完成的头盔显示器的综合性能，本作品还针对基于头盔显示器的典型应用范例展开了研究，并最终完成了一套立体漫游系统。通过该系统，用户可以在一个虚拟的岛屿上漫游，并与岛屿上的动物进行交互。 三、创新点分析 本作品的主要创新之处体现在以下几点： 1) 本作品基于菲涅尔原理，利用半透半反玻璃将透射型系统与反射型系统有效地结合在一起，实现了空间的重复利用，完成了一套新型立体显示系统； 2) 本作品设计完成了一套针对大尺寸显示单元的大视场目视光学系统，并配合偏振片解决了两个图像单元相互交叠引起的视觉干扰问题，既避免了头盔体积过大，又增大了视场角范围，实现了良好的立体显示效果； 3) 本作品采用了市场上普遍使用的3.5寸液晶显示屏代替传统头盔显示器中的微型液晶，极大地降低了头盔显示器的成本，实现了清晰的成像效果； 4) 本作品采用惯性传感器，实现了高精度的三自由度位姿跟踪模块，有效地提高了头盔显示器的交互性能。 四、作品主要技术指标 分辨率（像素）：800×600（svga） 视场范围（度）：36.87°(V)×47.92°(H) 立体效果：支持 设备重量：1080g 显示器类型：TFT—LCD 输入方式：VGA输入 亮度：4-5 fL（估测） 头部尺寸：可调至任何尺寸
作品图片
作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 一、目的 本作品主要针对高性能、低成本的普及型头盔显示器展开研究，研究的目的是实现具有极高市场推广价值的产品级头盔显示器。 二、基本思路 本作品采用3.5英寸、分辨率为800*600的液晶显示屏作为显示单元。由于显示单元本身尺寸较大，如果直接采用传统的双目相互独立的光学系统，会导致空间干涉而无法进行安装。本项目针对这一问题，提出了一种基于半透半反玻璃的折反射融合光路，使得两个光学系统能够共享同一物理空间。但是由于设计的目视光学系统具有很大的视场角，用户的一只眼睛有可能同时看到两个显示单元的图像，为了消除这种光学干扰，本系统基于菲涅尔原理，通过使用偏振元件对上述光学干扰进行了消除。 三、创新点分析 1) 本作品基于菲涅尔原理，利用半透半反玻璃将透射型系统与反射型系统有效地结合在一起，实现了空间的重复利用，完成了一套新型立体显示系统； 2) 本作品设计完成一套针对大尺寸显示单元的大视场目视光学系统，并配合偏振片解决了两个图像单元相互交叠引起的视觉干扰问题； 3) 本作品采用了市场上普遍使用的3.5寸液晶显示屏代替传统头盔显示器中的微型液晶，极大地降低了头盔显示器的成本； 4) 本作品采用惯性传感器，实现了高精度的三自由度位姿跟踪模块。 四、技术指标 分辨率（像素）：800×600（svga） 视场范围（度）：36.87°(V)×47.92°(H) 设备重量：1080g 显示器类型：TFT—LCD 输入方式：VGA输入
科学性、先进性
- 本作品利用半透半反玻璃将透射型系统与反射型系统有效地结合在一起，配合偏振片的使用，解决了图像相互交叠引起的视觉干扰问题，既避免了头盔体积过大，又增大了视场角范围。此外，通过使用普通的3.5寸液晶显示屏，本作品在保证分辨率（800×600）的同时最大限度地降低了头盔成本，由数万元降到了2000元左右。 通过实验测试，本作品验证了普通透镜作为头盔显示器光学系统的可行性，从根本上降低了制作难度，解决了传统头盔显示器光学系统采用自由曲面棱镜的设计复杂、加工难度大、成本高等问题。本作品采用市场上常见的元器件，容易购买装配，也在一定程度上降低了成本。此外，由于结构设计的改变，采用市场上普遍的3.5寸液晶、半透半反玻璃、透镜、偏振片等元器件，国内的一般加工能力即可完成，因而极具推广价值。
获奖情况及鉴定结果
- 本系统于2011年3月10日获得了国家知识产权局的专利申请号：201110057220.4。
作品所处阶段
- 中试阶段，正在向生产阶段过渡。
技术转让方式
- 无
作品可展示的形式
- 实物、产品、图纸、模型、现场演示、图片、样品。
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 一、技术特点和优势 本作品利用半透半反玻璃将透射型系统与反射型系统有效地结合在一起，配合偏振片的使用，解决了图像相互交叠引起的视觉干扰问题，既避免了头盔体积过大，又增大了视场角范围。通过使用普通的3.5寸液晶显示屏，本作品在保证分辨率（800×600）的同时最大限度地降低头盔成本，由数万元降到了2000元左右，解决了传统头盔显示器光学系统采用自由曲面棱镜的设计复杂、加工难度大、成本高等问题。 本作品采用市场上常见的元器件，容易购买装配，也在一定程度上降低了成本。此外，由于结构设计的改变，采用市场上普遍的3.5寸液晶、半透半反玻璃、透镜、偏振片等元器件，国内的一般加工能力即可完成，因而极具推广价值。 二、作品技术特点及推广前景 本作品的研究成果除了可以用于虚拟现实的人机界面显示系统，还可在家庭生活中普及应用。同时，对于军事模拟训练、3D游戏、远程医疗和手术等热点技术问题，本项目同样极具实用价值和开发潜力。
同类课题研究水平概述
- 从20世纪60年代开始，美、苏、英、法、德、瑞典、以色列以及南非等国先后投入了大量的人力、财力和物力，研制出一代又一代的民用、军用头盔显示器。经过30余年的研制与生产，头盔显示器的性能已日趋完善。 2000年，美国的Jannick P. Rolland设计了用于3D医疗模拟成像的60°视场透视式离轴头盔显示器光学系统。 2004年，英国SEOS公司的Roger B Huxford设计了视场为120°×67°，出瞳距离15mm，出瞳直径20mm，畸变≤0.25%的头盔显示器光学系统。该系统由玻璃元件和塑料元件组成，包括多个非球面元件。 2005年，美国的George Curatua, David V. Wickb, Don M. Paynec, Ty Martinezd, Jamie Harrimane, James E. Harveya等人设计了使用液晶空间光调制器的大视场成像系统，视场为60°，有效焦距27 mm。 由此可以看出，头盔显示器的国际发展趋势是在对头盔显示器进行集成化的同时获得尽可能大的视场角，因此必须采用新型技术进行头盔显示器的设计，目前国外研究的头盔显示器型主要包括离轴非球面、折衍射混合式头盔显示器、全息光学头盔显示器、自由曲面棱镜头盔显示器、投影式头盔显示器、光波导光学元件头盔显示器、投影式头盔显示器和塑料光学元件头盔显示器等。 国内的研究目前还主要集中在传统形式的头盔显示器设计上，九·五、十·五期间，国内一些单位开展了对虚拟现实技术的研究，其中北京理工大学、浙江大学、北京航空航天大学、长春第二航空兵学院、航天二院北京仿真中心等研制成功了不同的应用系统。南开大学现代光学研究所进行了折衍射混合式头盔显示器和投影式头盔显示器的设计，浙江大学现代光学仪器国家重点实验室和中国航空工业第六一三研究所进行了液晶头盔显示器设计，海军航空工程学院设计了透视式液晶头盔显示器，长春光学精密机械研究所研究了折衍射混合式头盔显示器，将塑料非球面透镜应用于头盔显示器的设计。
