一、CAVE显示系统的概念

CAVE显示系统是沉浸式虚拟环境；是一种支持多用户的虚拟仿真环境,不同于一般的虚拟环境它能够提供给用户大范围视野的高分辨率、高质量立体影像.系统在各种用户交互设备的支持下拥有极佳的交互性并能提供给用户一种前所未有的沉浸感. CAVE显示系统是沉浸式虚拟环境以多台高分辨率专业工程投影系统为基础,提供高质量立体影像,投影面之间可以根据不同应用的需要以多种不同类型的方式进行组合,构成各种不同类型的虚拟环境.

沉浸感是指使用者的感知系统受到虚拟环境中的虚拟刺激程度,系统越能迷惑使用者的感官,则系统就越是沉浸式的.沉浸式虚拟现实系统的历史可以追述到1965 年,由计算机图形学界的先驱I.Sutherland 博士在他的Ultimate Display论文所发表的头盔式显示器(Head Mounted Display,HMD).论文中Sutherland 博士指出计算机屏幕像是一扇通往虚拟世界的窗户,通过它我们可以观察一个虚拟的世界; 但我们是否可以让使用者直接沉浸在计算机生成的虚拟环境中:当使用者自然地转动头部,他所看到的计算机生成的虚拟场景也能够实时地发生相应的改变; 使用者还能够以自然的方式与虚拟世界交互.HMD 就是一种能够实现上述功能的系统,两个显示屏幕处于用户佩戴的头盔中将分别覆盖用户双眼的视野,使得用户只能够感知来自计算机所生成的图像,当用户视点移动时计算机所生成的图像也将发生相应的变化,从而提供给用户一种沉浸于计算机生成的虚拟世界的沉浸感.

但由于HMD 系统存在若干缺点,例如: 单用户的局限性、显示屏幕分辨率不高、因头盔过于沉重带给用户的负担以及屏幕过近带给眼睛的不适感.于是在1991 年,Universityof Illinois 的DeFanti 和Sandin 针对HMD的缺点提出了一种改进的沉浸式虚拟显示环境: 吊杆式虚拟环境(BOOM,Binocular Omni-Orientation Monitor),它的显示器由吊杆支撑,能提供用户高分辨率、高质量的影像而且对用户无重量方面的负担.但是该系统还是一种单用户虚拟环境而且并不能解决屏幕过近对用户眼睛所造成的不适感.

在1992 年DeFanti、Sandin 以及Cruz-Neira 提出了CAVE显示系统,一种四面的沉浸式虚拟现实环境.系统在支持多用户的同时解决了上述系统造成用户眼睛不适感的问题.CAVE 显示系统是由4 面以上环绕投影屏幕墙所组成的沉浸式虚拟现实系统.对于处在系统内的用户来说,投影屏幕将分别覆盖用户的正面、左右以及底面视野,构成一个边长为10 英尺的立方体.由于投影面几乎能够覆盖用户的所有视野,再配合声效和用户交互设备,CAVE 就能提供给使用者一种前所未有的带有震撼性的沉浸感.

从CAVE 的提出开始,各种类型的基于投影的沉浸式虚拟现实环境相继出现: 例如1993 年德国GMD的ResponsiveWorkbench 是一种单投影面的系统,立体影像将通过镜子的折射投影到一个水平的投影平面,用户可以在此工作平面上与虚拟物件进行交互.由University of Illinois 于1994 年提出的ImmersaDesk系统也是一种类似ResponsiveWorkbench 的单投影面沉浸式虚拟现实环境,整个系统类似于设计桌,它的投影平面与水平面成一个角度,这样方便于用户与虚拟物件进行交互.相对于单投影面系统来说,多投影面系统能够涵盖用户更多的视野范围提供更好的沉浸感,所以多投影面系统也成为沉浸式虚拟环境的主要发展方向. 德国GMD 对其Responsive Workbench 提出了双投影面的改进,在水平投影面的基础上增加了额外的垂直投影面,从而增加了用户的虚拟视野范围.University of Minnesota 在1994 年提出的PowerWall 系统是由多个投影面层叠或并排形成单个面积较大的投影平面,它能够提供高解析度大面积范围的影像,主要被应用于科学数据的可视化.University of Illinois 在1995 年提出的InfinityWall 也是一种类似于PowallWall 的多投影面沉浸式虚拟环境,以多个投影面构成一个较大的投影平面,主要应用于面向多用户的展览展示工作.

在CAVE 显示系统的改进方面5 面甚至6 面的CAVE 显示系统陆续被提出.例如: Iowa State University 的C6 以及日本岐阜VR Techno Plaza 的COSMOS 等系统.6 个投影面的CAVE 系统已经能够完全覆盖用户的所有视野范围,使用户能够完全沉浸于所生成的虚拟环境.另外也有投影到圆柱状或环绕投影面的系统,主要应用于虚拟剧场,提供对大用户的支持.例如韩国理工学院的Kyongju VR Theater[8]以及德国GMD 的iCone.

由于CAVE 显示系统虚拟环境需要实时的生成高分辨率的立体影像,所以传统的系统是由专业图形工作站来驱动的,这造成了该类系统的造价过于昂贵.而PC 的性能正以前所未有的速度发展,目前高性能PC 在计算能力以及图形处理能力已经能够逐渐接近甚至超越专业图形工作站.所以近期的一个研究方向是以联网PC 驱动的多投影面沉浸式虚拟环境.以PC 代替较为昂贵的图形工作站能使系统的造价大幅度的降低.这类相关研究工作有: 乔治亚理工学院的NAVE 系统[9]、德国Fraunhofer IAO 的HyPI-6 系统以及
实际运行情况:西南交通大学仿真中心针对铁路应用和城市轨道交通开发了基于PC 集群的分布式列车仿真系统。该系统是计算机仿真技术和列车动力学相结合的产物，主要用来培训司机和优化列车驾驶操作规范。通过图形工作站或联网PC 集群的视景系统生成的多通道场景，运动系统对虚拟驾驶环境中列车六自由度姿态的仿真，立体声音仿真系统对列车运行中各种声响的模拟，能给参与者提供极强的视觉、触觉和听觉上的沉浸感。

韩国理工学院为 2000 年庆州世界文化博览会所设计的VR Theater 主要的目的是为面向大众介绍有关庆州当地的历史文化以及自然文物遗产的维护和保持. VR Theater 能领导着参观者对古庆州城进行虚拟漫游,通过逼真的立体模型以及互动式的介绍,参观者可近一步了解该城的历史以及文物古绩保护状况.基于多投影的VR Theater 虚拟环境能够容纳651 用户同时使用,其27x8 米的巨型环形屏幕由12 架投影机所驱动,以带有六通道图形输出14 CPU 的SGI Onyx2工作站作为图形与计算核心,采用被动式立体显示模式并能够提供立体声输出和地板震动感,用户可通过带有6 键的键盘参与虚拟环境的互动.在博览会期间有将近一百万人次参观了VR Theater,这显示了该类系统在教育、虚拟文物展示以及古绩保护方面所拥有的应用潜力。

二、Vis3D-CAVE显示系统构成

硬件系统的构成：

（1）Vis3D-CAVE投影系统基座
（2）Vis3D-CAVE投影屏幕框架
（3）Vis3D-CAVE立体投影系统背投屏幕
（4）主动立体投影显示系统或背动立体投影显示系统
（5）工业反射镜
（6）Vis3D-CAVE三维实时立体图形工作站集群（含三台22寸显示器）
（7）Vis3D-CAVE图形拼接组件
（8）Vis3D-CAVE空间追踪定位系统
（9）专业偏振玻璃镜头
（10）偏振立体眼镜（被动偏光式）
（11）JBL音响系统
（12）雅马哈专业调音系统
（13）无线麦克
（14）专业立式机柜
（15）专业控制台