虚拟现实实验室建设与虚拟仿真系统技术方案—

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Barco六通道柱面立体投影系统设计方案

通过对应用需求的分析，我们这里建议采用基于Galaxy NW-12、全屏多窗口技术和立体能力的全原装六通道正投柱面显示系统，此系统能很好地满足应用的要求。

此系统的主要构成单元之一为目前世界上最先进的Galaxy NW-12投影机及根据设计指标进行的系统优化。Galaxy NW-12独有的液冷技术显著降低了风冷方式带来的高噪音和内部温度，显著地提高了图像质量、稳定性和引擎寿命，引擎全密封技术也降低了对使用环境清洁度的要求；高达300Mhz的立体处理带宽确保满分辨率（1920x1200）图像条件下不低于96Hz的输入和处理能力，此特性确保了物体旋转或快速移动时立体显示不会丢帧；业界最高的每种颜色16bit处理能力保证最好的色彩还原度。

BARCO很多系统集成专利技术能够保证此系统的质量和长期可靠性为当今目前世界上最好。此系统中相关的关键技术有：确保像素几何位置得到精确控制的在板级的、第三代象素几何位置控制硬件33点x33点实时控制调节技术，确保像素调整精度不大于0.1像素单位，为目前业界独有；通过使用BARCO自己设计的非Cermax氙灯光源技术保证投影机氙灯亮度不会在使用200小时后急剧下降，300小时后无闪烁，80%亮度保持时间超过750小时，此特性为目前世界上独有；物理互联的亮度传感器方式的实时探测和自动调节控制技术确保通道间亮度输出实现动态一致性；投影机生产阶段光学元器件的物理匹配以及采用多投影机物理互联的方式实现颜色空间输出动态一致性自动控制。这里所说的多通道系统状态参数保持一致并非简单地指系统安装后的一段时间内，而是指系统的整个使用生命周期。

通过采用XDS-1000，此系统可以在无缝拼接条件下实现对多种图像信息进行多窗口显示。多窗口图像可以是任意的计算机信号，包括立体和非立体。专业显示系统中的立体均指任意刷新率（包括96Hz以上）的立体，而非业余的双眼60Hz以下立体能力。输入信号还可以是视频信号或网络计算机桌面图像。窗口图像可以根据设计要求任意跨通道显示、移动和大小调整。所有的操作都是基于熟悉的Windows界面。用户需要虚拟现实系统具有可交互性和操作的方便性。利用XDS-1000，用户能够方便地利用控制台的统一界面即能实现对所有可交互的计算机进行实时交互操作，而不需要在多台计算机间频繁地来回移动或远程遥控。XDS-1000能够通过本地鼠标和键盘接管和操作窗口计算机控制，实现“单点交互”功能。在信号路数多而必须采用矩阵切换的情况下，XDS-1000可以控制矩阵切换。

通过BARCO自己专业的SIMCAD设计工具软件，BARCO应用工程师能够提供带多种系统参数结果的、可交互的精确三维设计，如果用户能提供详细的现场布局三维布局数据则可通过此工具进行实时浏览和分析。这些设计数据是安装和调试的依据，可以直接导入到投影机中进行安装、调试和维护。BARCO专业的机械工程师会基于SIMCAD设计信息提供机械设计数据。BARCO对定制部分采取出厂前的系统优化，提供中外双项目管理经理制，全欧洲原装的屏幕和机械结构及其它系统相关部分。

影响多通道拼接质量的因素还有拼接手段。此系统中我们建议采用基于精确像素点位控制方式的Alpha、Beta融合方式。此方式能提供比过去的电子融合技术更精确的像素亮度和颜色调整，具有更建议的日常维护方式。此先进的技术手段目前为BARCO独有。

系统中采用的所有技术和产品都是已经得到过充分实践验证的，是成熟稳定的。

BARCO提供的系统100％为欧洲设计和生产，全部由BARCO集成、质量控制和安装，同时提供长期的技术支持和服务。

BARCO提供的是“一站式”服务。这类系统由100%由BARCO自己提供光路分析设计、力学分析、机械设计、生产加工、系统集成、质量控制和长期支持服务，为100％欧洲原装系统。BARCO长期对所提供的系统质量负责。

系统三维光路设计和参数

BARCO应用工程师利用专业的设计工具SIMCAD提供了已知条件下三维空间显示系统的三维光路设计和系统参数。用户可以通过免费的SIMCAD Viewer在自己的计算机上进行研究和分析。SIMCAD设计若与房间的三维装修布局数据以及其它限制条件结合更能体现其特点。此设计中每个参考网格的规格是1mx1m。

基于SIMCAD的光路设计结果屏幕截图

DMD面板利用率和系统分辨率分布图

显示系统主要特点和参数

6通道正投柱面显示系统。其中中间4通道为无缝拼接系统，主要用于显示连续的大场景图像以及相关的多窗口图像信息，提供高沉浸感。两侧的每个通道作为辅屏主要显示其它内容。
图像规格：图像高度3.4米；弧度76度；图像起始高度1米。
采用先进的投影机引擎全密封及液冷技术，有效防止长期使用过程中灰尘和空气中水分子对DMD的影响，超低运行噪声和长使用寿命。
系统采用BACO专门设计的高稳定性氙灯，有效地避免了类似Cermax氙灯使用300小时后的闪烁以及亮度低于80%的现象。灯箱可循环使用，每次只须换灯芯。
在板级（非插卡方式）的第三代硬件几何控制，显示精度1／512像素，调节精度1／10像素单位。
基于物理互联的亮度传感器技术动态保持通道间亮度输出长期一致
基于物理互联的颜色传感器技术动态保持通道间颜色空间长期一致
Alpha和Beta位面融合处理技术和像素追踪方式的光学融合技术，确保显示暗场景时融合区无亮带及亮场景时融合区无暗带现象。
欧洲原装机械结构和半刚性屏幕表面材料，保持长期使用不变形，提供全屏均匀的图亮度、色彩。
整个显示系统，包括投影机和多窗口处理设备，均能自适应计算机的高刷新率（单个输入为1920x1200或更高分辨率的条件下）输出，不会成为整个系统的带宽瓶颈。避免了采用广电行业设备典型的刷新率无法超过60Hz现象，因为此限制会导致快速变化的立体图像出现丢帧。
对于低刷新率（96Hz以下）的立体信号输入，投影机自动提供浮点倍数的自动立体增强，而非简单的2倍频处理方式（2倍频为电影行业技术，无法处理超过60Hz的图像）。
主动立体能力
通过安装XDS control center控件能够实现对所有可交互的图形计算机进程的任务接管和控制
Galaxy投影机提供目前业界最高的每种颜色16bit处理和还原技术，投影机图像细节处理和显示更丰富。PMP引擎带宽300MHz，能自适应来自计算机接收和处理任何规格刷新率的立体图像。单机物理分辨率1920x1200，最大非立体亮度12000 流明，灯运行寿命内的亮度不会低于最大值的80%。
100%欧洲原装系统，全球统一质量体系保证。
BARCO专业机械工程师设计的一体化机械支撑结构，目的是确保机械结构长期使用条件下不变形，同时不对房间屏蔽结构产生影响。

系统主要构成单元

投影机部分

此系统基于经过系统级优化的Galaxy NW-12投影机及其选项。Galaxy NW-12是专门为满足仿真和虚拟现实应用而设计和定制的最新一代高清三片DLP，属系统级产品。与过去的投影机比较不是简单的分辨率升级，而是在体系结构还和性能方面都有本质性的变化。Galaxy NW-12系列投影机可以根据应用需要提供不同的立体能力，包括主动立体和INFITEC立体（光谱立体）。优化过的Galaxy NW-12将包括很多重要的系统特性，如：

优化拼接区颜色质量的16bit颜色处理和还原技术；
在板级的33点x 33点实时控制调节技术确保像素高精度几何位置显示及拼接质量；
提供超长时间的亮度稳定性，避免其它类型氙灯300小时后的闪烁及亮度急剧下降；
Linked CLO™ (Constant light Output)–物理互联的通道间亮度输出自动一致性控制；
Linked DynaColor™ – 物理互联的多通道颜色空间动态一致性控制；
Alpha和Beta位面控制技术调节拼接区质量；
Optical blending – 像素追踪方式的光学边缘融合；

这些特性将确保系统能实现良好的校准和稳定的性能，不仅要表现在系统建成的开始阶段，重要的是必须保证系统的整个生命周期参数的稳定可靠性。缺少这些特性或精度不高的投影机在构成系统时将导致系统长期使用条件下出现下列各种缺陷：

图象拼接时通道间像素几何匹配误差失控
通道间输出亮度随时间和使用条件不断变化
通道间输出颜色随时间和使用条件不断变化

下面的例子说明的是重要的系统特性不具备或无法发挥作用将导致的各类典型问题。同一系统的不同问题可能在不同的应用场合出现。

象素显示几何误差控制

像素位置硬件实时几何校正主要有两方面的用途：在曲面屏幕和非理想的平面屏幕（如大规格的亚克力基质材料）上显示图像；纠正光学部件以及机械结构误差带来的影响。

任何实际工程项目都会不可避免地存在由于各种因素引起象素显示位置与理论计算结果的偏差。原因有多种：如镜头加工过程的光学误差、机械结构误差、屏幕平整度误差、反射镜平整度偏差以及长期使用条件下的环境的综合因素等。由于各种因素的积累，投影机本身如果不具备高精度几何校正能力，最终会导致显示到屏幕上的像素位置偏差失控。例如经常出现的融合区域同源象素错位以及跨通道几何体错位和变形等，这些问题在显示非运动细节图像时会非常明显。问题的关键不在于厂家是否能提供处理，而在于其处理精度和细节保留度的结果。迄今为止，世界上只有BARCO和3DP具有此硬件的独立研发能力。而这其中由于只有BARCO具有投影机设计和生产能力，因而具有将此类硬件和投影机像素处理单元芯片级一体化的条件。所以不难理解目前除BARCO外的其它厂家均100%采用投影机内部插卡或外置设备的方式。插卡方式有几个方面的问题：带来多余的A/D和D/A转换，带来图像信号损失；最高只能是10x10点的处理技术；8bit的图像处理精度导致结果只有6bit (2bit做为中间结果补偿位)。汽车设计等要求精度极高的行业不采用这类投影机做拼接的原因之一也在于此。

不同类型氙灯的亮度稳定性问题

很多人都知道氙灯色彩饱和度比较好，但可能不一定清楚氙灯也有不同类型。其稳定性、亮度保持度和寿命等相差甚远。目前市场上价格最便宜的当属日本产的Cermax氙灯，很多投影机都使用此类灯。这类氙灯工作的前300小时的表现只是亮度衰减问题，但300多小时后会出现明显的闪烁和亮度急剧下降问题，如下图试验数据所示。当然，我们参观新机器或看厂家演示的时候是无法看到此现象的，因为使用的都是新灯。我们的问题是：是否每个用户都具备每只氙灯只使用300多小时就不再用的条件呢？

BARCO是至今不在仿真投影机中使用廉价的Cermax氙灯的唯一厂家。由于有条件在灯箱中采用自己专门研发的电路控制技术，确保灯在使用的整个周期内没有闪烁现象，实现输出亮度的稳定性。多年来BARCO在国内外已经安装并平稳运行的大量系统就是最好的例子。

通道间亮度变化控制

有多种原因导致投影机亮度会出现变化。例如投影机内部光路器件（如光管）的损耗、灯的非均匀性损耗、温度和供电条件的变化等因素都会导致输出亮度的变化。这种变化用任何一条理想的函数曲线都无法描述。简单地设定灯亮度衰减曲线而靠功率反函数的方式根本无法解决好此问题，同时会带来灯寿命的严重缩短。此方法经不起时间的检验。厂家技术人员靠手工方式进行参观前的临时维护的确能解决一些问题，但这对将来的用户而言没有意义。

多年来大量的应用系统实例已经证明，在工程上BARCO的Linked CLO™（Constant Light Output）技术是迄今为止效果最好的保持通道间亮度长期一致的方法。真正专业的系统亮度一致性控制指的是系统的整个使用生命周期内的通道间亮度一致永远保持而非安装后的短时间安内。

CLO™/Linked CLO™是BARCO的一项专利技术，其原理是通过投影机内部的亮度传感器方式自动测量多投影机的亮度输出参数，通过物理互联的控制电路方式动态统一调节系统光通量输出，Linked CLO™的特点是以亮度最低的投影机为基准。CLO™/Linked CLO™还能有效地降低系统维护成本，如果一个灯用坏了，通过CLO™或Linked CLO™的作用，系统中其它灯不需要更换整个系统也能保持亮度均匀一致，更重要的是能保证多通道间的黑白电平一致。如果不采用此技术，为保持亮度一致必须同时更换所有的灯。

动态颜色空间调整（DynaColor™）

与亮度一致性技术类似，多通道间颜色空间动态一致性调节也是复杂的过程。为控制颜色一致性，系统中所有投影机在组装过程中将根据项目需要经过颜色空间参数的匹配工序，即实现出厂前的元件原色匹配。由于光学器件的物理变化和使用条件的影响会直接对输出颜色产生影响，专业系统需要具备动态的颜色空间调节能力。为了优化多通道系统质量，在系统安装和长期运行过程中，投影机间还必须经过不断的颜色空间动态微调过程，目的是实现整个系统所有通道颜色空间的统一。BARCO专利的DynaColor™/Linked DynaColor™技术实现了原色匹配的基础上的二次颜色空间调整过程。系统中所有投影机的DynaColor™/Linked DynaColor™功能都是自动工作的。

屏幕和机械

屏幕是整个显示系统的重要组成部分，会直接影响到结果图像的质量。多年来BARCO已经在全球各地集成了大量的各种类型的应用系统，提供了适应不同应用类型的屏幕，积累了丰富的经验。为保证长期的系统质量，我们这里建议使用BARCO欧洲工厂设计和生产的机械结构和屏幕表面材料。

立体类型

目前可供我们选择的立体技术类型有主动立体、被动立体和光谱立体。选择立体技术类型的主要原则取决于实际应用中哪些因素对我们最重要。和选择立体有关的因素通常有：人的舒适性、是否有多种红外信号间的干扰、立体图像隔离度、有效观测角度和眼镜维护成本因素等等。脱离这些工程实际环境进行简单的理论讨论没有太大的意义。我们这里进行简单的讨论。

主动立体

无线的情况下主动立体眼镜内部装有电池和电路。主动立体可以使用多种类型的屏幕，立体隔离度比较高，集成技术相对简单。主动立体眼镜中包括两个不断开和关的LCD镜片，镜片由红外信号控制保持与投影机同步。当投影机输出左眼信号时，右眼镜片的液晶关闭，反之亦然。为保持左右图像有充分的时间隔离，左右图像之间需要有个黑场。只有当投影机输出的立体图象刷新率足够高（不低于96Hz）时观察者才不会明显感觉到黑场和镜片开关带来闪烁。在IG输出刷新率比较低且固定的前提下，可以使用简单的2倍频或3倍频的技术靠提高刷新率的方法降低闪烁带来的影响，此方法主要用于电影院而不适合于实时的虚拟现实应用，因为强制IG输出低刷新率会导致丢帧现象出现。此技术不适合长时间（20分钟以上）和经常使用，因为舒适感在所有立体中最差。另外由于红外同步发射器的控制范围有死角和距离限制因素，距离屏幕太近和太远的观众会看不到立体。光线有效利用率比较低，需要选择高亮度的投影机。主动立体眼镜的使用寿命普遍比较短。

光谱立体（INFITEC）

INFITEC是奔驰公司在1997年左右发明的专利，目前授权世界很多显示系统集成商使用。INFITEC立体技术的原理是采用高质量的光波段过滤技术产生分离的左右眼图象，适合多种类型的屏幕，立体隔离度比较高。INFITEC眼镜重量轻、佩带方便。由于不需要发射器，没有控制范围的限制的问题，因而人的头部可以全方位任意地活动，也不存在镜片切换带来的左右眼图像闪烁问题。通过INFITEC眼镜观看立体图象的同时还可无影响地观看LCD显示器内容。光线有效利用率比较低，需要选择高亮度的投影机。BARCO的INFITEC立体投影机中主动立体是缺省功能。如果需要，用户可以自己在两种立体间任意切换。

INFITEC立体的基本原理

两个光学INFITEC过滤器 (原理如下图的实线和虚线部分) 将颜色空间分为两大部分：对应左眼的信息和对应右眼的信息 (如下图所示).