頭盔立體顯示器-全身心投入的視覺體驗(yàn)

    頭盔顯示器 (Helmet-Mounted Displays,HMD)由1968年哈佛大學(xué)的Ivan Sutherland首先提出,并設(shè)計(jì)出應(yīng)用CRT的名為達(dá)摩克里斯之劍的頭盔顯示器。經(jīng)過30年的發(fā)展,頭盔顯示器取得了巨大的進(jìn)步和廣泛的應(yīng)用。特別是在微型液晶顯示器、虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）、袖珍計(jì)算機(jī)、可視移動(dòng)電話以及現(xiàn)代數(shù)字化部隊(duì)的裝備中的逐漸普及,使得頭盔顯示器在這些領(lǐng)域中占據(jù)了重要的地位。

    無論是要求在現(xiàn)實(shí)世界的視場上同時(shí)看到需要的數(shù)據(jù)，還是要體驗(yàn)視覺圖像變化時(shí)全身心投入的臨場感，模擬訓(xùn)練、3D游戲、遠(yuǎn)程醫(yī)療和手術(shù)，或者是利用紅外、顯微鏡、電子顯微鏡來擴(kuò)展人眼的視覺能力，頭盔顯示器都得到了應(yīng)用。比如軍事上在車輛、飛機(jī)駕駛員以及單兵作戰(zhàn)時(shí)的命令傳達(dá)、戰(zhàn)場觀察、地形查看、夜視系統(tǒng)顯示、車輛和飛機(jī)的炮瞄系統(tǒng)等需要信息顯示的，都可以采用頭盔顯示器。在CAD/CAM 操作上，HMD使操作者可以遠(yuǎn)程查看數(shù)據(jù)，比如局部數(shù)據(jù)清單、工程圖紙、產(chǎn)品規(guī)格等。波音公司在采用VR技術(shù)進(jìn)行波音777飛機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，頭盔顯示器就得到了應(yīng)用。

    頭盔顯示器（HMD，Head Mounted Display）的原理是將小型2維顯示器所產(chǎn)生的影像藉由光學(xué)系統(tǒng)放大。具體而言，小型顯示器所發(fā)射的光線經(jīng)過凸?fàn)钔哥R使影像因折射產(chǎn)生類似遠(yuǎn)方效果。利用此效果將近處物體放大至遠(yuǎn)處觀賞而達(dá)到所謂的全像視覺（Hologram）。液晶顯示器（早期用小型陰極射線管，最近已有應(yīng)用有機(jī)電致發(fā)光顯示器件）的影像通過一個(gè)偏心自由曲面透鏡，使影像變成類似大銀幕畫面。由于偏心自由曲面透鏡為一傾斜狀凹面透鏡，因此在光學(xué)上它已不單是透鏡功能，基本上已成為自由面棱鏡。當(dāng)產(chǎn)生的影像進(jìn)入偏心自由曲面棱鏡面，再全反射至觀視者眼睛對(duì)向側(cè)凹面鏡面。側(cè)凹面鏡面涂有一層鏡面涂層，反射同時(shí)光線再次被放大反射至偏心自由曲面棱鏡面 ，并在該面補(bǔ)正光線傾斜，達(dá)到觀視者眼睛。 

    頭盔顯示器的光學(xué)技術(shù)設(shè)計(jì)和制造技術(shù)日趨完善，不僅作為個(gè)人應(yīng)用顯示器，它還是緊湊型大屏幕投影系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，可將小型LCD顯示器件的影像透過光學(xué)系統(tǒng)做成全像大屏幕。除了在現(xiàn)代先進(jìn)軍事電子技術(shù)中得到普遍應(yīng)用成為單兵作戰(zhàn)系統(tǒng)的必備裝備外，還拓展到民用電子技術(shù)中，虛擬現(xiàn)實(shí)電子技術(shù)系統(tǒng)首先應(yīng)用了頭盔顯示器。近期新一代家用仿真電子游戲機(jī)和步行者DVD影視系統(tǒng)的出現(xiàn)就是頭盔顯示器的普及推廣應(yīng)用的實(shí)例。

    VR環(huán)境下利用3D交互技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)工作會(huì)提高設(shè)計(jì)效率10-30倍。VR的應(yīng)用還使得高難度駕駛技術(shù)的培訓(xùn)效率大幅提高，成為必備手段。

　　軍用頭盔顯示器

　　1968年，世界上第一個(gè)頭盔顯示器，即如上所述的美國ARPA信息處理技術(shù)辦公室主任Ivan Sutherland開發(fā)的“達(dá)摩克里斯之劍”頭盔顯示器，就是軍用頭盔顯示器。新世紀(jì)，未來“理想單兵作戰(zhàn)武器平臺(tái)系統(tǒng)”的發(fā)展格外引人注目。新理念、新原理、新結(jié)構(gòu)、新功能、新工藝等交相輝映；夜視技術(shù)、激光技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、光學(xué)技術(shù)、新材料技術(shù)等廣泛運(yùn)用，使得傳統(tǒng)士兵作戰(zhàn)單元概念產(chǎn)生了質(zhì)的飛躍，作為終端顯示輸出的頭盔顯示器的地位顯得越發(fā)重要，它是不可缺少的重要部件之一。原先主要為戰(zhàn)機(jī)和戰(zhàn)車駕駛員配備，而未來，一個(gè)士兵就相當(dāng)于一個(gè)作戰(zhàn)平臺(tái)，而一個(gè)單兵武器作戰(zhàn)平臺(tái)就是一個(gè)“士兵作戰(zhàn)系統(tǒng)”。而今，世界一些發(fā)達(dá)國家都在緊鑼密鼓地制定和組織實(shí)施“士兵作戰(zhàn)系統(tǒng)”發(fā)展計(jì)劃。于是，適應(yīng)各自國情的單兵作戰(zhàn)武器系統(tǒng)平臺(tái)異軍突起。現(xiàn)在的頭盔系統(tǒng)已成為士兵的“外腦”。頭盔殼作為一個(gè)系統(tǒng)平臺(tái)，用以安裝通信裝置、聽力增強(qiáng)裝置、整體式夜視／夜間機(jī)動(dòng)性傳感器、高分辨率顯示器等裝備。士兵通過顯示器可對(duì)戰(zhàn)場進(jìn)行掃描，在各種復(fù)雜條件下都能捕捉到目標(biāo)圖像，并允許士兵從頭頂、掩體后方和建筑物周圍進(jìn)行"拐彎"射擊，不需暴露自己便可準(zhǔn)確攻擊目標(biāo)。目前，美、英、法等國家的綜合頭盔都有了很大突破，從而使單兵武器作戰(zhàn)平臺(tái)發(fā)揮出更大的威力。

　　民用頭盔顯示器

　　頭盔顯示器在虛擬技術(shù)應(yīng)用系統(tǒng)中的地位十分重要，統(tǒng)計(jì)表明，普通人從外部世界獲取信息的80％來自視覺，如何實(shí)時(shí)地生成大規(guī)模復(fù)雜虛擬環(huán)境的立體畫面仍然是當(dāng)前虛擬現(xiàn)實(shí)(virtual reality，簡稱VR)研究中亟待解決的問題。虛擬現(xiàn)實(shí)的三項(xiàng)指標(biāo)：實(shí)時(shí)性(real time)、沉浸性(immersion)和交互性(interactivity)。所謂實(shí)時(shí)性是指虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)能按用戶當(dāng)前的視點(diǎn)位置和視線方向，實(shí)時(shí)地改變呈現(xiàn)在用戶眼前的虛擬環(huán)境畫面，并在用戶耳邊和手上實(shí)時(shí)產(chǎn)生符合當(dāng)前情景的聽視和觸覺/力覺響應(yīng)。所謂沉浸性是指用戶所感知的虛擬環(huán)境是三維的、立體的，其感知的信息是多通道的。所謂交互性是指用戶可采取現(xiàn)實(shí)生活中習(xí)以為常的方式來操縱擬場景中的物體，并改變其方位、屬性或當(dāng)前的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

　　現(xiàn)有的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)按硬件組成可分成三類：頭盔式顯示器是最早的VR顯示器，它利用頭盔將人的對(duì)外界的視覺、聽覺封閉起來，引導(dǎo)用戶產(chǎn)生一種身在虛擬環(huán)境中的感覺。目前的頭盔式顯示器的分辨率已達(dá)到1024×768，可為用戶提供清晰的虛擬場景畫面。按應(yīng)用場合主要分為投資類和消費(fèi)娛樂類兩種。前者主要有汽車和飛機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)CAD設(shè)計(jì)系統(tǒng)，世界著名大廠商已經(jīng)廣泛采用，我國也在開發(fā)此系統(tǒng)。但用量有限，大量應(yīng)用主要還是消費(fèi)類娛樂視聽產(chǎn)品。自SONY于2000年推出新一代家用游樂器宿主機(jī)PlayStation 2（PS2）后，PS2挾強(qiáng)大的運(yùn)算功能和多方面的影音娛樂功能，立刻在市場上掀起旋風(fēng)，連帶許多周邊設(shè)備產(chǎn)品開發(fā)商也跟進(jìn)PS2的潮流。Olympus在CeBIT 2001展覽中，即推出其Eye-Trek頭盔顯示器的PS2專用版本。Olympus的Eye-Trek PS2專用版FMD-20P，除顏色采用和PS2一樣的黑底藍(lán)字配色外，最大的差異在于加入PS2專用的USB連機(jī)設(shè)計(jì)，未來可以結(jié)合游戲軟件的設(shè)計(jì)，增加可視圖文交互和控制的功能。