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新技术的结晶：头盔显示器发布: 2007-7-28 12:55 | 作者: 东南大学电子学研究所 张晓兵 | 来源: | 查看: 3次 头盔显示器 (Helmet-Mounted Displays,HMD)由1968年哈佛大学的Ivan Sutherland首先提出,并设计出应用CRT的名为达摩克里斯之剑的头盔显示器。经过30年的发展,头盔显示器取得了巨大的进步和广泛的应用。特别是在微型液晶显示器、虚拟现实（VR）、袖珍计算机、可视移动电话以及现代数字化部队的装备中的逐渐普及,使得头盔显示器在这些领域中占据了重要的地位。头盔显示器应用 无论是要求在现实世界的视场上同时看到需要的数据,还是要体验视觉图像变化时全身心投入的临场感,模拟训练、3D游戏、远程医疗和手术,或者是利用红外、显微镜、电子显微镜来扩展人眼的视觉能力,HMD 都得到了应用。比如军事上在车辆、飞机驾驶员以及单兵作战时的命令传达、战场观察、地形查看、夜视系统显示、车辆和飞机的炮瞄系统等需要信息显示的,都可以采用HMD。在CAD/CAM 操作上,HMD使操作者可以远程查看数据,比如局部数据清单、工程图纸、产品规格等。波音公司在采用VR技术进行波音777飞机设计时,HMD就得到了应用。头盔显示器组成 HMD一般由以下几部分组成：图像信息显示源、图像成像的光学系统、定位传感系统、电路控制及连接系统、头盔及配重装置。 图像显示信息源是指图像信息显示器件,一般采用微型高分辨率CRT或LCD、EL、VFD、LED、FED、PDP等平板显示器件。由于CRT具有高分辨率、高亮度、快的响应速度和低成本,目前在军事上较为常用,但一般为0.61英寸高亮度、高分辨率单色投影显示。为了实现彩色CRT显示,可采用光阀技术进行调制或用光纤传导的方法。CRT的不足之处是功耗较大,体积大、重量重,需要高压,在头盔显示中,重量是影响视野和眼睛运动的重要因素之一,同时由于头盔显示大多应用于单独供电的环境,因此,这些因素限制了CRT在头盔显示中的应用。 近年来平板显示器件的发展,特别是高分辨率视频显示用平板显示器件的长足进步,对减轻头盔的重量和功耗、降低工作电压方面起到了促进作用。目前已有采用 1024768 的高分辨率微型LCD制作的头盔显示出售,价格在1.5万美元左右。采用LCD的HMD的不足之处是亮度较低、响应速度较慢,对有快速响应要求的场合目前还不适用。EL和VFD显示在驱动、彩色等方面尚有需要完善之处,在HMD中的应用还有待发展。 在头盔显示器件中,观察者是通过眼前的目镜看清图像的,因此在HMD中,光学系统的设计是十分重要的,它影响着图像显示的质量。HMD可以根据需要,设计成全投入式或半投入式。全投入式将显示器件的图像经放大、畸变等像差的校正以及中继等光学系统在观察者眼前呈放大的虚像;半投入式是将经过校正放大的虚像投射到观察者眼前的半反半透的光学玻璃上,这样显示的图像就叠加在透过玻璃的外界环境图像之上,观察者可以同时得到显示的信息和外部环境的信息。图1为投入和半投入式头盔显示器光学系统的示意图。图2为 Kaiser公司的双目投入和半投入式头盔显示器,将头盔改为头带,减轻了重量。 光学系统的设计不仅关系到成像质量的好坏,还影响到头盔显示的体积和重量,以及观察者在长时间观看时是否疲劳,因此光学系统和视觉感受是HMD研究的重要部分。国外HMD公司一般采用商用的光学设计软件进行光学系统的优化设计,如目前较好的有ORA 的CODE V和Light Tools,是常用的可视化光学系统优化、光轨迹计算软件。但是,它们的价格也比较昂贵,如CODE V 在6万美元左右,一般用于航天航空系统中的光学设计。根据应用的层次的不同,也有一些价格相对较低的软件,如 ZEMAX,价格在4千美元左右。 光学系统的设计还应考虑观察者的视力、瞳孔间距等因素,设计成可调整结构。头盔的定位传感系统是与光学系统同等重要的一部分。它包括头部的定位和眼球的定位。 眼球的定位主要应用在瞄准系统上,一般采用红外图像的识别处理跟踪来获得眼球的运动信息。头部定位采用的方法比较多,如超声波、磁、红外、发光二极管等的定位系统,头部的定位提供位置和指向六个自由度的信息。对定位传感系统的要求是灵敏度高、延迟小。灵敏度低易受外界环境影响,延迟时间长除在给出不正确的位置信息外,还将引起观察者的头昏、恶心。目前适用于头盔显示器的磁定位传感器已经有售,Polhemus Inc. 的Istrak、3Space跟踪器和FASTRAK是交流磁定位传感器,它的设计概念是快速和短延迟,通过数字信号处理和A/D转换阶段的并行实现了这一设想,其延迟时间仅为4ms,而无任何形式的滤波;Ascension 公司的Bird, Flock of Bird和扩展范围发射器（ERT）是直流磁定位传感器,其中Flock of Bird为多个单元,可在相同的环境下共同工作以扩展操作范围的直流磁定位传感器。直流磁定位系统与交流磁定位系统相比,一个优点是在使用中受外界导磁金属在交变磁场中产生的涡流的影响较小,更适用于存在金属的环境中。据报道,Bird有一个24ms的延迟。 电路控制系统一般与头盔显示器分开放置以减轻头盔重量,其连接系统在机载时的设计要考虑在紧急情况下能够迅速使头盔和飞机上的控制系统脱离,保证飞行员的安全。 头盔是显示器的固定部件,在机载或车载应用时可直接把驾驶员头盔进行改进制作,在其他应用中可采用吊带将显示器固定在头部。由于显示器的重量在头的前部,使头部的重心发生了变化,容易发生疲劳,因此应在头后部加配重保持重心不变。但头盔的重量应尽可能轻,特别是在机载情况下,头盔的重量在飞行员脱离飞机的弹射时将产生很大的冲力,容易使颈椎骨折。头盔显示器的基本参数 HMD的基本标参数主要包括：显示模式、显示视野(FOV)、视野双目重叠、显示分辨率、眼到虚拟图象的距离、眼到目镜距离、物面距离、目标域半径（最大）、视轴间夹角、瞳孔间距（IPD）、焦距、出射光瞳（exit pupil）、图象象差、视觉扭曲校正、重量、视频输出等。头盔显示器的价格和市场 影响HMD价格的主要因素是图像信息显示源和光学系统,高分辨率、高亮度、高对比度和扫描频率的图像显示器,其价格是普通显示器的价格的数十倍、上百倍。光学系统根据成像质量、成像形式和视野的大小,价格也有很大的不同。例如：Kaiser公司的ProView系列的几种头盔显示器的性能价格如表一所示。从表一可以看出,高分辨率、透过式的头盔显示器的价格较高,这主要由其图像信息源和光学系统所决定。一些特殊用途的更高分辨率的头盔显示器价格就更高,而一些普通的消费者应用的头盔显示器的价格只要几百美元就可以了,但显示的图象质量就不很令人满意。表1几种头盔显示器的性能价格比较 ProView30 ProView24ST/50ST XL 40STm/XL50STm ProView 60 显示源 LCD 两全彩色（640x3x480） 两全彩色（640x3x480） 两单色（1024x768） 两全彩色（640x3x480） 分辨率 2.25”/彩色象素 3.4”/彩色象素 2.2”/象素 4.5”/彩色象素 亮度 6ft-lamberts 6ft-lamberts 20ft-lamberts 25ft-lamberts 对比度 20：1 20：1 25：1 25：1 光学系统 视野 18(V)x24(H) 27（V）x36(H)/30(V)x50(H) 28（V）x37(H)/28(V)x49(H) 27（V）x36(H) 透过率 非透过式 24% 24% 非透过式 光路 塑料透镜 两路反射 两路反射 塑料透镜 眼到目镜距离 50mm 30mm 30mm 25mm 出射光瞳 非光瞳形式 非光瞳形式 非光瞳形式 非光瞳形式 双目重叠 100% 100%/25% 100%/25