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(jì)算系統(tǒng).

1.1 投影系統(tǒng)

    投影系統(tǒng)主要包括多臺(tái)支持高分辨率影像的投影機(jī)以及投影屏幕.虛擬環(huán)境的立體影像將通過投影機(jī)投影到投影屏幕上,投影屏幕可根據(jù)應(yīng)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(gè)立方體,PowerWall 的各投影平面相互并排層疊形成一個(gè)較大的投影平面.

    為了滿足虛擬環(huán)境對(duì)實(shí)時(shí)性的要求,投影機(jī)必須有較快的響應(yīng)時(shí)間,否則可能會(huì)造成運(yùn)動(dòng)重影.投影機(jī)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(dòng)式立體模式與被動(dòng)式立體模式.在主動(dòng)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(dòng)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(jìn)行投影,不同的投影機(jī)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(dòng)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(jìn)行刷新,因此對(duì)投影機(jī)的帶寬以及響應(yīng)速度上都有比較高的要求.對(duì)于被動(dòng)式立體模式來說,每個(gè)投影面需要兩臺(tái)投影機(jī)分別對(duì)左右兩眼的影像進(jìn)行投影,不過對(duì)與投影機(jī)的要求就相對(duì)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(jìn)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(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)信息,根據(jù)這些信息系統(tǒng)可以計(jì)算出用戶雙眼視點(diǎn)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(jì)算系統(tǒng)

    圖形與計(jì)算系統(tǒng)負(fù)責(zé)生成虛擬環(huán)境并對(duì)用戶的交互信息進(jìn)行處理,它是驅(qū)動(dòng)整個(gè)系統(tǒng)的核心.為了讓虛擬環(huán)境能夠達(dá)到一定的沉浸感并維持其實(shí)時(shí)性,圖形與計(jì)算系統(tǒng)必須根據(jù)用戶的視點(diǎn)實(shí)時(shí)地生成各個(gè)投影面相對(duì)于用戶視點(diǎn)位置的立體影像,并且需要實(shí)時(shí)地對(duì)用戶的交互信息以及數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和計(jì)算,盡可能地降低系統(tǒng)地相應(yīng)延遲,所以系統(tǒng)在圖形能力以及計(jì)算能力方面來說有比較高的要求.圖形與計(jì)算系統(tǒng)可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需要進(jìn)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(dòng),這一類工作站可支持多處理器并行計(jì)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(shí)時(shí)地生成處理大量的數(shù)據(jù)并實(shí)時(shí)的生成高質(zhì)量的立體影像,同時(shí)可通過其多通道輸出的配置同時(shí)驅(qū)動(dòng)多臺(tái)投影機(jī)對(duì)多個(gè)投影面進(jìn)行投影[12].

圖 1 以專業(yè)圖形工作站驅(qū)動(dòng)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(jià)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(jì)算能力上都有飛速的發(fā)展,近年來,以PC 驅(qū)動(dòng)的多投影沉浸式系統(tǒng)已成為一個(gè)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(gè)圖形通道輸出,所以由PC 架構(gòu)的系統(tǒng)將由多臺(tái)連網(wǎng)的高性能PC 驅(qū)動(dòng).每一臺(tái)PC 或是每兩臺(tái)PC負(fù)責(zé)一個(gè)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(jī)制來進(jìn)行協(xié)調(diào),以確保由各個(gè)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(jì)是基于聯(lián)網(wǎng)PC 驅(qū)動(dòng)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(jì)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(gè)擴(kuò)展工具Net Juggler[17]和ClusterJuggler[18]以及浙江大學(xué)CAD&CG 國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的PCCAVELib[11]。

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