一、CAVE顯示系統的概念

CAVE顯示系統是沉浸式虛擬環境；是一種支持多用戶的虛擬仿真環境,不同于一般的虛擬環境它能夠提供給用戶大范圍視野的高分辨率、高質量立體影像.系統在各種用戶交互設備的支持下擁有極佳的交互性并能提供給用戶一種前所未有的沉浸感. CAVE顯示系統是沉浸式虛擬環境以多臺高分辨率專業工程投影系統為基礎,提供高質量立體影像,投影面之間可以根據不同應用的需要以多種不同類型的方式進行組合,構成各種不同類型的虛擬環境.

沉浸感是指使用者的感知系統受到虛擬環境中的虛擬刺激程度,系統越能迷惑使用者的感官,則系統就越是沉浸式的.沉浸式虛擬現實系統的歷史可以追述到1965 年,由計算機圖形學界的先驅I.Sutherland 博士在他的Ultimate Display論文所發表的頭盔式顯示器(Head Mounted Display,HMD).論文中Sutherland 博士指出計算機屏幕像是一扇通往虛擬世界的窗戶,通過它我們可以觀察一個虛擬的世界; 但我們是否可以讓使用者直接沉浸在計算機生成的虛擬環境中:當使用者自然地轉動頭部,他所看到的計算機生成的虛擬場景也能夠實時地發生相應的改變; 使用者還能夠以自然的方式與虛擬世界交互.HMD 就是一種能夠實現上述功能的系統,兩個顯示屏幕處于用戶佩戴的頭盔中將分別覆蓋用戶雙眼的視野,使得用戶只能夠感知來自計算機所生成的圖像,當用戶視點移動時計算機所生成的圖像也將發生相應的變化,從而提供給用戶一種沉浸于計算機生成的虛擬世界的沉浸感.

但由于HMD 系統存在若干缺點,例如: 單用戶的局限性、顯示屏幕分辨率不高、因頭盔過于沉重帶給用戶的負擔以及屏幕過近帶給眼睛的不適感.于是在1991 年,Universityof Illinois 的DeFanti 和Sandin 針對HMD的缺點提出了一種改進的沉浸式虛擬顯示環境: 吊桿式虛擬環境(BOOM,Binocular Omni-Orientation Monitor),它的顯示器由吊桿支撐,能提供用戶高分辨率、高質量的影像而且對用戶無重量方面的負擔.但是該系統還是一種單用戶虛擬環境而且并不能解決屏幕過近對用戶眼睛所造成的不適感.

在1992 年DeFanti、Sandin 以及Cruz-Neira 提出了CAVE顯示系統,一種四面的沉浸式虛擬現實環境.系統在支持多用戶的同時解決了上述系統造成用戶眼睛不適感的問題.CAVE 顯示系統是由4 面以上環繞投影屏幕墻所組成的沉浸式虛擬現實系統.對于處在系統內的用戶來說,投影屏幕將分別覆蓋用戶的正面、左右以及底面視野,構成一個邊長為10 英尺的立方體.由于投影面幾乎能夠覆蓋用戶的所有視野,再配合聲效和用戶交互設備,CAVE 就能提供給使用者一種前所未有的帶有震撼性的沉浸感.

從CAVE 的提出開始,各種類型的基于投影的沉浸式虛擬現實環境相繼出現: 例如1993 年德國GMD的ResponsiveWorkbench 是一種單投影面的系統,立體影像將通過鏡子的折射投影到一個水平的投影平面,用戶可以在此工作平面上與虛擬物件進行交互.由University of Illinois 于1994 年提出的ImmersaDesk系統也是一種類似ResponsiveWorkbench 的單投影面沉浸式虛擬現實環境,整個系統類似于設計桌,它的投影平面與水平面成一個角度,這樣方便于用戶與虛擬物件進行交互.相對于單投影面系統來說,多投影面系統能夠涵蓋用戶更多的視野范圍提供更好的沉浸感,所以多投影面系統也成為沉浸式虛擬環境的主要發展方向. 德國GMD 對其Responsive Workbench 提出了雙投影面的改進,在水平投影面的基礎上增加了額外的垂直投影面,從而增加了用戶的虛擬視野范圍.University of Minnesota 在1994 年提出的PowerWall 系統是由多個投影面層疊或并排形成單個面積較大的投影平面,它能夠提供高解析度大面積范圍的影像,主要被應用于科學數據的可視化.University of Illinois 在1995 年提出的InfinityWall 也是一種類似于PowallWall 的多投影面沉浸式虛擬環境,以多個投影面構成一個較大的投影平面,主要應用于面向多用戶的展覽展示工作.

在CAVE 顯示系統的改進方面5 面甚至6 面的CAVE 顯示系統陸續被提出.例如: Iowa State University 的C6 以及日本岐阜VR Techno Plaza 的COSMOS 等系統.6 個投影面的CAVE 系統已經能夠完全覆蓋用戶的所有視野范圍,使用戶能夠完全沉浸于所生成的虛擬環境.另外也有投影到圓柱狀或環繞投影面的系統,主要應用于虛擬劇場,提供對大用戶的支持.例如韓國理工學院的Kyongju VR Theater[8]以及德國GMD 的iCone.

由于CAVE 顯示系統虛擬環境需要實時的生成高分辨率的立體影像,所以傳統的系統是由專業圖形工作站來驅動的,這造成了該類系統的造價過于昂貴.而PC 的性能正以前所未有的速度發展,目前高性能PC 在計算能力以及圖形處理能力已經能夠逐漸接近甚至超越專業圖形工作站.所以近期的一個研究方向是以聯網PC 驅動的多投影面沉浸式虛擬環境.以PC 代替較為昂貴的圖形工作站能使系統的造價大幅度的降低.這類相關研究工作有: 喬治亞理工學院的NAVE 系統[9]、德國Fraunhofer IAO 的HyPI-6 系統以及
實際運行情況:西南交通大學仿真中心針對鐵路應用和城市軌道交通開發了基于PC 集群的分布式列車仿真系統。該系統是計算機仿真技術和列車動力學相結合的產物，主要用來培訓司機和優化列車駕駛操作規范。通過圖形工作站或聯網PC 集群的視景系統生成的多通道場景，運動系統對虛擬駕駛環境中列車六自由度姿態的仿真，立體聲音仿真系統對列車運行中各種聲響的模擬，能給參與者提供極強的視覺、觸覺和聽覺上的沉浸感。

韓國理工學院為 2000 年慶州世界文化博覽會所設計的VR Theater 主要的目的是為面向大眾介紹有關慶州當地的歷史文化以及自然文物遺產的維護和保持. VR Theater 能領導著參觀者對古慶州城進行虛擬漫游,通過逼真的立體模型以及互動式的介紹,參觀者可近一步了解該城的歷史以及文物古績保護狀況.基于多投影的VR Theater 虛擬環境能夠容納651 用戶同時使用,其27x8 米的巨型環形屏幕由12 架投影機所驅動,以帶有六通道圖形輸出14 CPU 的SGI Onyx2工作站作為圖形與計算核心,采用被動式立體顯示模式并能夠提供立體聲輸出和地板震動感,用戶可通過帶有6 鍵的鍵盤參與虛擬環境的互動.在博覽會期間有將近一百萬人次參觀了VR Theater,這顯示了該類系統在教育、虛擬文物展示以及古績保護方面所擁有的應用潛力。

二、Vis3D-CAVE顯示系統構成

硬件系統的構成：

（1）Vis3D-CAVE投影系統基座
（2）Vis3D-CAVE投影屏幕框架
（3）Vis3D-CAVE立體投影系統背投屏幕
（4）主動立體投影顯示系統或背動立體投影顯示系統
（5）工業反射鏡
（6）Vis3D-CAVE三維實時立體圖形工作站集群（含三臺22寸顯示器）
（7）Vis3D-CAVE圖形拼接組件
（8）Vis3D-CAVE空間追蹤定位系統
（9）專業偏振玻璃鏡頭
（10）偏振立體眼鏡（被動偏光式）
（11）JBL音響系統
（12）雅馬哈專業調音系統
（13）無線麥克
（14）專業立式機柜
（15）專業控制臺