分享一种虚拟现实显示的思路,多面曲面显示非头戴VR

⑴技术领域

本文主要涉及三维虚拟空间的三维坐标转换到二维平面显示时二维坐标变换关系,具体属于计算机图形领域。

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⑵引出技术点

目前的显示方式都是平面显示。头戴vr不例外,3D巨幕也不例外,曲面屏带鱼屏更不例外。

我们用平面显示的方式太久了,有没有不一样的显示方式?如果只有平面显示那么VR就只能能停留在头戴VR上。

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⑶三维场景到二维显示

在显示系统中,视场角就是显示器边缘与观察点(眼睛)连线的夹角。在虚拟的三维空间中,水平视场角就是观察点与观察窗口水平两侧边的夹角,垂直视场角就是观察点与观察窗口上下两边的夹角。目前平面显示的显示虚拟的三维场景的视场角一般在100度以下,有的vr显示终端视场角达到120度,使得在使用过程中同一时间只能显示出视场角120度内的虚拟场景。在实际的三维虚拟场景使用过程中,为了显示出视场角以外的三维虚拟场景,需要通过输入设备、方位传感器来调整虚拟三维场景的方位,才能显示出另一个角度的虚拟三维场景,让不需要显示的虚拟三维场景消失于屏幕。

三维显示原理是将虚拟的三维世界成像到二维的显示屏幕,在虚拟三维场景的世界坐标系中架设一台虚拟的摄像机,通过虚拟摄像机把需要显示的场景投影到观察窗口(又叫做裁剪窗口)。

这里涉及到将三维的空间坐标变换到二维的平面坐标。待变换的三维坐标是视场角内的坐标,而小于120度的视场角的限制了待显示虚拟三维场景的范围。如下图所示的透视投影中,位于观察体内即视场角内的的坐标将投影到投影平面上进而显示在显示面板上。

⑷虚拟现实显示方法举例

虚拟现实是什么?是观察者睁开眼睛所见皆是虚拟场景。那么如何将观察者置于虚拟场景中?举例,准备一个如下图的内壁是显示面板的显示舱。图中是用于举例的正方体显示舱,其中显示舱的设计宽度和高度能够容纳观察者,使得观察者位于显示舱的中心位置。显示舱的内6个面均是由显示面板,且6个显示面板分别显示其对应方位的场景。其中的水平视场角和垂直视场角均为360度。当观察者看向下面时地面的图像一直就在下方,不会延时,同时,使用者的眼角的余光可以瞥见两侧的场景,就像一个真实的呈现。观察者,可以穿过一个隧道,观察者可以同时看到前方和后方长长的隧道,两侧的隧道壁。设计一个穿过门洞的场景,站在门口,同时可以知道前方是屋外的场景、后方是屋内的场景、两侧的门框也和现实世界一样的大小。

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为了解决拉伸问题,减小每个透视投影中观察体的视场角的度,如下图所示多个观察体在水平方向连续拼接并输出图像至同样拼接的显示面板上。使得在水平方向显示的视场角大于180度,为了显示更大的视场角,需要在观察坐标系中增设观察体裁剪窗口和增加显示面板。为了更好的显示观察者周围的场景,通常所有显示面板应具有距离观察点相等的距离。

 增加了总水平视场角的同时,在垂直方向的视场角同样可以设置。如下图。

使得观察者被显示面板包围。在一些使用的场景中,半包围式的显示装置也能达到非常好的沉浸式体验。

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⑸显示方法的有益效果

那么,通过在待显示的虚拟三维场景中建立多个裁剪窗口和观察体,所述待显示的虚拟三维场景为以观察点为视点的视场角大于120度且小于等于360度三维虚拟场景。多个观察体将待显示虚拟三维场景分成多个区域,在三维场景坐标转换到二维显示屏幕坐标的过程中,每个观察体区域内的三维场景的坐标通过坐标变换到对应的显示屏幕。解决了增大视场角时或全视角(360度)时三维坐标变换到二维坐标的问题。

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⑹多个虚拟现实显示的操作方法

操作的大概思路如下,在图形处理过程中:

获取显示装置的参数,所述参数包括:显示面板的数量m、排列方位、尺寸、像素参数;

建立m个观察体,根据预设值建立m个观察体,使得所述m个观察体将待显示的三维虚拟空间分为m个坐标区域,位于第1观察体区域的坐标集合1、位于第2观察体区域的坐标集合2...位于第m观察体区域的坐标集合m;

将坐标集合1转换到与第1观察体适配的第1屏幕坐标系,将坐标集合2转换到与第2观察体适配的第2屏幕坐标系...将坐标集合m转换到与第m观察体适配的第m屏幕坐标系;

其中,待显示三维虚拟环境满足在投影观察点的水平和垂直视场角大于100度且小于等于360度。

根据m个显示面板在空间中排列的方位、尺寸,在同一观察坐标系中建立m个裁剪窗口,使得第1裁剪窗口对应第1显示面板的方位、第2裁剪窗口对应第2显示面板的方位...第m裁剪窗口对应第m显示面板的方位。

根据m个裁剪窗口在同一观察坐标系下建立所述m个观察体,得到:

第1观察体对应第1裁剪窗口、第2观察体对应第2裁剪窗口...第m观察体对应第m裁剪窗口,其中,m是正整数。

坐标集合1投影变换为第1裁剪窗口的坐标,裁剪坐标变换为第1屏幕坐标系的坐标;

坐标集合2投影变换为第2裁剪窗口的坐标,裁剪坐标变换为第2屏幕坐标系的坐标;

坐标集合m投影变换为第m裁剪窗口的坐标,裁剪坐标变换为第m屏幕坐标系的坐标。


⑺应用领域前景

本虚拟现实显示方法配合多个面板拼接成的显示装置在实际使用中,有几个场景:

1.显示舱,多个显示面板拼接形成可以容纳观察者的可带有舱门的显示舱。显示舱内壁铺满显示面板。并设有空调、音响、姿态控制装置。显示面板的显示一侧朝向内。

2.无人驾驶汽车,未来汽车在全程无人驾驶的情况下,通过在汽车车厢的内侧铺满显示面板,乘客在旅途过程中可以体验虚拟场景。

3.航天航空,在未来长时间(以年计算)的深空航行中,长时间的虚拟沉浸可以解决宇航员脱离地球的不适。

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