多投影沉浸式虛擬環(huán)境按系統(tǒng)結(jié)構(gòu)來劃分主要可以分成三大部分: 投影系統(tǒng)、用戶交互系統(tǒng)以及圖形與計算系統(tǒng).

1.1 投影系統(tǒng)

    投影系統(tǒng)主要包括多臺支持高分辨率影像的投影機以及投影屏幕.虛擬環(huán)境的立體影像將通過投影機投影到投影屏幕上,投影屏幕可根據(jù)應用的需要組合成各種不同最終投影,例如CAVE 的各投影屏幕相互垂直構(gòu)成一個立方體,PowerWall 的各投影平面相互并排層疊形成一個較大的投影平面.

    為了滿足虛擬環(huán)境對實時性的要求,投影機必須有較快的響應時間,否則可能會造成運動重影.投影機的選擇與系統(tǒng)所使用的立體影像生成技術(shù)也有關(guān).立體影像生成技術(shù)主要有兩種: 主動式立體模式與被動式立體模式.在主動式模式下,用戶的左、右眼影像將依幀順序顯示,用戶使用LCD 立體眼鏡保持與立體影像的同步,這種模式可以產(chǎn)生高質(zhì)量的立體效果.而被動式系統(tǒng)則需要使用兩套顯示設(shè)備以及投影設(shè)備分別生成左右眼影像并進行投影,不同的投影機分別使用不同角度的偏振光以區(qū)別左右眼影像,用戶使用偏振光眼鏡保持立體影像的同步.

    在主動式立體顯示模式下,由于高分辨率影像需要以120Hz 的刷新率進行刷新,因此對投影機的帶寬以及響應速度上都有比較高的要求.對于被動式立體模式來說,每個投影面需要兩臺投影機分別對左右兩眼的影像進行投影,不過對與投影機的要求就相對來說比較低,但投影屏幕則需要專門材料以保證光的偏振角度不在屏幕上發(fā)生變化.

1.2 用戶交互系統(tǒng)

    用戶交互系統(tǒng)可包括多種交互設(shè)備:例如跟蹤器、數(shù)據(jù)手套、操縱桿、力反饋設(shè)備以及立體聲音像設(shè)備等.通過這些設(shè)備用戶能夠與虛擬環(huán)境及其物件進行交互,使用戶能夠更深入地溶入到虛擬環(huán)境中.

    跟蹤設(shè)備在大部分沉浸式虛擬環(huán)境是必不可少的.跟蹤設(shè)備將跟蹤使用者及其頭部的實時運動信息,根據(jù)這些信息系統(tǒng)可以計算出用戶雙眼視點的位置,并由此為基礎(chǔ)生成正確的立體影像.

1.3 圖形與計算系統(tǒng)

    圖形與計算系統(tǒng)負責生成虛擬環(huán)境并對用戶的交互信息進行處理,它是驅(qū)動整個系統(tǒng)的核心.為了讓虛擬環(huán)境能夠達到一定的沉浸感并維持其實時性,圖形與計算系統(tǒng)必須根據(jù)用戶的視點實時地生成各個投影面相對于用戶視點位置的立體影像,并且需要實時地對用戶的交互信息以及數(shù)據(jù)進行處理和計算,盡可能地降低系統(tǒng)地相應延遲,所以系統(tǒng)在圖形能力以及計算能力方面來說有比較高的要求.圖形與計算系統(tǒng)可根據(jù)實際應用需要進行配置.

    傳統(tǒng)的多投影沉浸式虛擬環(huán)境一般采用專業(yè)圖形工作站例如SGI Onyx2 驅(qū)動,這一類工作站可支持多處理器并行計算、高帶寬的內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸率以及高性能圖形處理能力,可實時地生成處理大量的數(shù)據(jù)并實時的生成高質(zhì)量的立體影像,同時可通過其多通道輸出的配置同時驅(qū)動多臺投影機對多個投影面進行投影[12].

圖 1 以專業(yè)圖形工作站驅(qū)動的多投影面沉浸式虛擬環(huán)境

    傳統(tǒng)系統(tǒng)專業(yè)圖形工作站的昂貴價已成為近一步推廣該類系統(tǒng)的最大阻礙.一直以來,PC 無論是在圖形或是計算能力上都有飛速的發(fā)展,近年來,以PC 驅(qū)動的多投影沉浸式系統(tǒng)已成為一個熱門的研究方向.與圖形工作站不同,目前一般的PC 只能提供一個圖形通道輸出,所以由PC 架構(gòu)的系統(tǒng)將由多臺連網(wǎng)的高性能PC 驅(qū)動.每一臺PC 或是每兩臺PC負責一個投影面的投影,這取決于立體影像生成模式.各PC將并行地生成虛擬環(huán)境中的不同投影面,所以在PC 之間需要有多層次的同步機制來進行協(xié)調(diào),以確保由各個投影面所構(gòu)成的虛擬環(huán)境最終的正確性.

    軟件系統(tǒng)的設(shè)計是基于聯(lián)網(wǎng)PC 驅(qū)動的多投影面沉浸式虛擬環(huán)境非常重要而具有挑戰(zhàn)性的工作。目前比較成熟的開發(fā)工具有：Stanford University 的WireGL[13]及其后續(xù)計劃Chromium[14]、Princeton University 的DGL[15]、Universityof Illinois 的Syzygy[16]、Iowa State University 的VR Juggler及其VR Juggler 的兩個擴展工具Net Juggler[17]和ClusterJuggler[18]以及浙江大學CAD&CG 國家重點實驗室的PCCAVELib[11]。

圖 2 以聯(lián)網(wǎng)PC 驅(qū)動的多投影面沉浸式虛擬環(huán)境