头盔显示器
概述
头盔显示器是虚拟现实应用中的3DVR图形显示与观察设备，可单独与主机相连以接受来自主机的3DVR图形信号。使用方式为头戴式，辅以三个自由度的空间跟踪定位器可进行VR输出效果观察，同时观察者可做空间上的自由移动，如；自由行走、旋转等，沉浸感极强，在VR效果的观察设备中，头盔显示器的沉浸感优于显示器的虚拟现实观察效果，逊于虚拟三维投影显示和观察效果，在投影式虚拟现实系统中，头盔显示器作为系统功能和设备的一种补充和辅助。
简介
头盔显示器（HMD，Head Mounted Display）的原理是将小型2维显示器所产生的影像藉由光学系统放大。具体而言，小型显示器所发射的光线经过凸状透镜使影像因折射产生类似远方效果。利用此效果将近处物体放大至远处观赏而达到所谓的全像视觉（Hologram）。液晶显示器（早期用小型阴极射线管，最近已有应用有机电致发光显示器件）的影像通过一个偏心自由曲面透镜，使影像变成类似大银幕画面。由于偏心自由曲面透镜为一倾斜状凹面透镜，因此在光学上它已不单是透镜功能，基本上已成为自由面棱镜。当产生的影像进入偏心自由曲面棱镜面，再全反射至观视者眼睛对向侧凹面镜面。侧凹面镜面涂有一层镜面涂层，反射同时光线再次被放大反射至偏心自由曲面棱镜面 ，并在该面补正光线倾斜，达到观视者眼睛。
设计
头盔显示器的光学技术设计和制造技术日趋完善，不仅作为个人应用显示器，它还是紧凑型大屏幕投影系统设计的基础，可将小型LCD显示器件的影像透过光学系统做成全像大屏幕。除了在现代先进军事电子技术中得到普遍应用成为单兵作战系统的必备装备外，还拓展到民用电子技术中，虚拟现实电子技术系统首先应用了头盔显示器。近期新一代家用仿真电子游戏机和步行者DVD影视系统的出现就是头盔显示器的普及推广应用的实例。
技术进展
早在1968年，美国ARPA信息处理技术办公室主任Ivan Sutherland建立了“达摩克里斯之剑”头盔显示器，它被认为是世界上第一个头盔显示器它能显现二维图像，没有浸沉感，用户只能看到的线框图叠加在真实环境之上。采用传统的轴对称光学系统，体积和重量都较大。1975年J.H.Clark利用Ivan Sutherland设计的头盔显示设备和Utah大学开发的机械Wand建立了一个曲面设计的交互环境。由于当时的相关技术还不成熟，并没有产生广泛的影响，但这已是3D交互技术的雏形。是进入虚拟技术(virtual reality，简称VR)应用的前奏。
1982年
Thomas Furness III 展示了带有6个自由度跟踪定位的头盔显示器（HMD），从而使用户完全脱离的周围环境。1984年，Michael McGreevy在NASA Ames创建了并不昂贵的三维立体HMD。1985年，Scott Fisher 在NASA继续三维立体HMD工程的发展，创建了由操作者位置、声音和手势控制，带有广角立体显示的头盔式显示系统。与之同时，VPL研究小组研制出了数据手套，能够用来测量每个手指关节的弯曲程度。1986年末，NASA的一个研究小组集成了一个VR 的3D环境，用户可以用手抓住某个虚拟物体并操纵它，可以用手势和系统进行初步交流。
1994年
加拿大Albert大学的M.Green教授重新在该方向上开展了研究，得到了各方面的高度重视。现在University of Wisconsion-Madison，Washington State University，Brigham Young University, SUNY at Buffalo, University of Clemenson均开始该方向的研究。
University of Wisconsion-Madison的初期研究表明，在VR环境下利用3D交互技术进行设计工作会提高设计效率10-30倍。VR的应用还使得高难度驾驶技术的培训效率大幅提高，成为必备手段。
军用头盔显示器
1968年，世界上第一个头盔显示器，即如上所述的美国ARPA信息处理技术办公室主任Ivan Sutherland开发的“达摩克里斯之剑”头盔显示器，就是军用头盔显示器。新世纪，未来“理想单兵作战武器平台系统”的发展格外引人注目。新理念、新原理、新结构、新功能、新工艺等交相辉映；夜视技术、激光技术、计算机技术、光学技术、新材料技术等广泛运用，使得传统士兵作战单元概念产生了质的飞跃，作为终端显示输出的头盔显示器的地位显得越发重要，它是不可缺少的重要部件之一。原先主要为战机和战车驾驶员配备，而未来，一个士兵就相当于一个作战平台，而一个单兵武器作战平台就是一个“士兵作战系统”。
而今，世界一些发达国家都在紧锣密鼓地制定和组织实施“士兵作战系统”发展计划。于是，适应各自国情的单兵作战武器系统平台异军突起。现在的头盔系统已成为士兵的“外脑”。头盔壳作为一个系统平台，用以安装通信装置、听力增强装置、整体式夜视/夜间机动性传感器、高分辨率显示器等装备。士兵通过显示器可对战场进行扫描，在各种复杂条件下都能捕捉到目标图像，并允许士兵从头顶、掩体后方和建筑物周围进行"拐弯"射击，不需暴露自己便可准确攻击目标。目前，美、英、法等国家的综合头盔都有了很大突破，从而使单兵武器作战平台发挥出更大的威力。
民用头盔显示器
头盔显示器在虚拟技术应用系统中的地位十分重要，统计表明，普通人从外部世界获取信息的80%来自视觉，如何实时地生成大规模复杂虚拟环境的立体画面仍然是当前虚拟现实(virtual reality，简称VR)研究中亟待解决的问题。虚拟现实的三项指标：实时性(real time)、沉浸性(Immersion)和交互性(interactivity)。所谓实时性是指虚拟现实系统能按用户当前的视点位置和视线方向，实时地改变呈现在用户眼前的虚拟环境画面，并在用户耳边和手上实时产生符合当前情景的听视和触觉/力觉响应。所谓沉浸性是指用户所感知的虚拟环境是三维的、立体的，其感知的信息是多通道的。所谓交互性是指用户可采取现实生活中习以为常的方式来操纵拟场景中的物体，并改变其方位、属性或当前的运动状态。
现有的虚拟现实系统按硬件组成可分成三类：头盔式显示器是最早的VR显示器，它利用头盔将人的对外界的视觉、听觉封闭起来，引导用户产生一种身在虚拟环境中的感觉。目前的头盔式显示器的分辨率已达到1024×768，可为用户提供清晰的虚拟场景画面。按应用场合主要分为投资类和消费娱乐类两种。前者主要有汽车和飞机虚拟现实CAD设计系统，世界著名大厂商已经广泛采用，我国也在开发此系统。但用量有限，大量应用主要还是消费类娱乐视听产品。
在2006年的CES展会上，eMagin发布了世界上第一款支持3D功能的头戴显示器“eMagin Z800 3D Visor”，这款产品通过左右眼分别显示的方式“制造”出立体的画面，由于左右画面分开不会相互影响，也不需要画面遮挡，所以可以营建出近乎完美的3D立体视觉效果。这款产品的售价为899美元，成熟度很高，如果要说缺憾，那便是只支持800×600的分辨率。
2008年，eMagin公司将小尺寸OLED面板的分辨率推高到SXGA级别（1280×1024），并于2008年10月22～23日在英国伦敦举行的“Night Vision 2008”上进行了展示。这款产品的物理尺寸为0.44英寸，亮度100c d/m2，各项指标都比较优秀。若采用这种面板，头戴式显示器便可以支持1280×1024分辨率。在当时，这是比较理想的指标。尽管产品林林总总，但并没有哪一款产品真正进入到大众的视野，除了自身的原因外，应用需求不足、产品缺乏配套支持也是一大主因。比如最早带来3 D显示功能的eMagin公司并非游戏厂商，这让它在产品推广时倍感困难，很难为用户所接受。
2011年底，在头戴式显示领域熄火良久的索尼卷土重来，这一次它带来的HMZ-T1堪称重量级产品：1280×720分辨率、3D显示功能，以及索尼PS3、索尼影业等诸多辅助支持，将共同打造一场头戴式显示器的应用革命。HMZ-T1的外观非常前卫，它的核心组件是眼镜式的显示系统，尽管这个显示系统看起来只是在方寸之间，左右眼的显示屏都是一块眼镜镜片的尺度，但当你戴上它时，它可以提供长达20米的视觉成像距离，而成像的画面尺寸高达750英寸，提供1280×720的分辨率。最让人幸福的还是它可以提供极其逼真且无闪烁的3D显示画面，视觉效果令人震撼，这款产品也因此被比喻为专属个人的3D IMAX影院。除了3D电影播放以外，HMZ-T1也是一款适合游戏的3D显示器，配合索尼PS3游戏机，玩家可以在角落里安然体验真实3D环绕的极致体验。
2012年1月底，美国Silicon Micro Display（SMD）公司发布了一款真正的1080p全高清3D头戴式显示器-ST1080。ST1080的显示屏并不是采用OLED，而是采用两块0.74英寸的LCOS硅基液晶来成像——这种技术在投影仪中广泛采用，它可以在很小的尺寸内做到超高分辨率。单从硬件上比，ST1080看来是完胜索尼的HMZ-T1，它同样是由佩戴眼镜和控制器构成，但头戴眼镜的重量只有惊人的180克，尺寸精悍、造型简约，相比之下，索尼HMZ-T1的重量达到420克，必须采取舒适的姿势才能够长时间佩戴。ST1080的控制器也十分紧凑，它的重量只有106克，采用U S B接口供电，外挂的电池包可以提供5小时的连续使用时间，这就意味着ST1080可以在移动环境下使用。ST1080的规格指标相当强劲，它的分辨率达到全高清的1920×1080标准，可以给用户提供3米距离观看100英寸图像的视觉效果；另外它的亮度指标达到120cd/m2，对比度达到1200：1，色彩十分艳丽。到目前为止，ST1080尚未出现在市场上，SMD公司只是在官网上预先发售，倘若产品与官方宣传的“效果完美”一样，那么799美元的价格的确富有吸引力。
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