1、CAVE 系统简介浙江大学 CAD&CG 国家重点实验室 金小刚 杭州 3100271 1 虚拟现实技术虚拟现实（VR-Virtual Reality）技术是当代信息科学的前沿研究领域,它综合运用计算机图形学、计算机视觉、心理学、传感器等多方面技术，在计算机中营造一个虚拟的环境，通过实时的、立体的三维图形显示、声音模拟、自然的人机交互界面来仿真现实世界中早已发生、正在发生或尚未发生的事件，并使用户产生身临其境的真实感觉。虚拟现实的一个突出特点是其虚拟和现实的二重性。虚拟现实是高技术的产物，从物理上来说，它是不存在的，但在用户的感官世界里，它是真实存在的，可以通过视觉、听觉、触觉、力觉来感知。在
2、虚拟环境中，所有的景物都按照现实世界中的客观规律运动和变化。因此，虚拟现实技术首先被用来模拟那些代价巨大或因种种条件限制在现实世界中难以实现的事件，如航天飞机的风洞试验、大坝的应力试验、核武器试验、大规模战争演习、飞行仿真等，通过虚拟环境来验证原有的设计是否合理，功能是否稳定，指标是否合格，战略战术的运用是否恰当。虚拟仿真的最大优点是无需建设专用的试验基地和设计专用的仿真设备，因而可以大大节省人力、物力和财力，缩短试验周期，它可以大大减少甚至取代实物试验。2 2 CAVE 虚拟现实系统CAVE(Cave Automatic Virtual Environment)是一种基于投影的虚拟现实系统，
3、它由围绕观察者的四个投影面组成，如图 1 所示。四个投影面组成一个立方体结构，其中三个墙面采用背投方式，地面采用正投方式。若放置 CAVE 系统的房间大小有限，可通过反射镜把投影图象投影到屏幕上以节省空间。观察者戴上液晶立体眼镜和一种六个自由度的头部跟踪设备，以便将观察者的视点位置实时反馈到计算机系统和体验身临其境的感觉。当观察者在 CAVE 中走动时，系统自动计算每个投影面正确的立体透视图象。同时，观察者手握一种称为 Wand 的传感器，与虚拟环境进行交互。CAVE 是世界上第一个虚拟现实系统，它把高分辨率的立体投影技术、三维计算机图形技术和音响技术等有机地结合在一起，产生一个完全沉浸式的虚
4、拟环境。3 3CAVE 虚拟现实系统的组成部分 高性能图形工作站。所需的计算机系统应具有很高的计算速度和图形处理能力。SGI ONYX2 Infinite Reality 图形工作站是虚拟现实和系统仿真的最佳计算机平台，它采用 S2MP 体系结构，不仅具有可扩性好、编程容易和计算能力强等优点，而且它的图形处理速度极快，具有多管道（Pipe） 、多通道（Channel）图形输出能力。SGI ONYX2 的每个图形管道可以驱动多达八个图形通道，每个图形通道输出一个画面到 CAVE 的一个投影面。 投影设备。从 CAVE 系统图示可以看出，四台三枪投影机分别接收来自 ONYX2 的图形信号，然后把信
5、号直接（或通过反射镜反射后）投影到 CAVE 的四个投影屏幕上。每个投影幕的大小可根据用户的需要进行调整，故 CAVE 是一个的立方体结构。若 CAVE 系统所在机房的空间不够，可使用反射镜。反射镜应具有很好的光学反射率和平面度。三枪投影机不仅要求可靠性好，而且要求具有投影距离长、图形分辨率高、亮度高、水平和垂直方向具有一定的光学可调整性等性能。BARCO 808S 和 Electrohome 8900 三枪投影机都比较适合在 CAVE 中使用。背投影幕要求具有较好的光学性能和视角范围，保证各投影光互不影响。整个 CAVE 中的图象应具有较高的完整性和清晰度。投影机反射镜投影幕的光程控制需要在
6、 3.73.8m 之间的范围内，投影机和反射镜放于每个投影幕的后面，反射镜与投影幕需调成一定的角度。投影机和投影幕之间的相对位置可由理论计算再辅以现场调试来完成。投影机的位置必须非常精确。若地面投影面采用正投，由于地面上的屏幕为反射型，与其余三个透过型屏幕的物理性能不一样，为了达到色调均匀一致，同时又要使地面上的屏幕能承受人体的重量，故需对地面上的这一面屏幕做特殊处理。为了保护地面屏幕，必须脱掉鞋子并穿上干净的袜子。屏幕的框架宜采用木质材料或铝质材料以防止磁性干扰传感器。 立体眼镜。为了看到虚拟环境中的三维立体图象，用户需戴上液晶立体眼镜（可采用 Stereographics 公司的 Crys
7、talEye Glass） 。 立体发射器(Stereo Emitters)。立体发射器是一种外形如白色小方盒的设备，它们放于 CAVE 的周围，目的是使立体眼镜和投影面上图象的刷新频率同步（120HZ 或 96HZ） 。 Wand 三维鼠标器 。Wand 是一种具有三个按扭的交互输入设备，它可看成是一种三维鼠标器，Wand 通常采用 Ascension Flock of Birds 公司的跟踪系统。新式的 Wand 具有三个按扭和一个具有压感的操纵杆，它通过一台连接于 ONYX2 串行口的微机与 CAVE 系统相连。微机上的一个服务程序读取按扭和操纵杆的数据并把他们传到 ONYX2 机器。 跟踪系统。CAVE 支持多种不同的跟踪系统，通常具有两套传感器，一套用于跟踪用户的头部，另一套用于 Wand。声音系统。由如下部分组成：一台 SGI Indy 图形工作站、一套音箱、一个 MIDI 用户界面和声音合成器。其中 Indy 图形工作站作为CAVE 系统的“声音服务器”。命令通过网络输入到 Indy 图形工作站，Indy 根据需要或者生成内部声音，或者控制声音合成器。音箱位于CAVE 的角落，它由声音合成器来控制。
