CAVE沉浸式投影系統是一種基于投影的沉浸式虛擬現實(shí)大型顯示系統,是以計算機圖形學(xué)為基礎,把高分辨率的立體投影顯示技術(shù)、多通道視景同步技術(shù)、三維計算機圖形技術(shù)、音響技術(shù)、傳感器技術(shù)等完美地融合在一起,從而產(chǎn)生一個(gè)被三維立體投影畫(huà)面包圍的供多人使用的完全沉浸式的虛擬環(huán)境,其特點(diǎn)是分辨率高,沉浸感強,交互性好。

沉浸式CAVE虛擬現實(shí)系統是一種基于完全沉浸式的虛擬現實(shí)顯示系統、人機跟蹤交互系統是一種基于多通道視景同步技術(shù)、三維空間整形校正算法、立體顯示技術(shù)的洞穴式(CAVE)可視協(xié)同環(huán)境,系統提供一個(gè)房間大小的四面(或六面)立方體投影顯示空間,供多人參與交互,所有參與者均完全沉浸在一個(gè)被三維立體場(chǎng)景包圍的虛擬仿真環(huán)境中,借助相應的虛擬現實(shí)交互設備(如數據手套、力反饋裝置、位置跟蹤器等),參與者可獲得完全身臨其境的沉浸式三維交互式體驗。

CAVE沉浸式投影一種全新的視覺(jué)可視化并實(shí)時(shí)生成立體影像需要在大型UNIX圖形工作站的支持下才能完成,高性能PC在計算能力和圖形處理能力已經(jīng)能夠逐漸接近甚至超越專(zhuān)業(yè)UNIX圖形工作站.以多臺具有較高性能價(jià)格比的高性能PC作為圖形處理核心代替CAVE系統中的大型專(zhuān)業(yè)UNIX圖形工作站無(wú)疑是一個(gè)非常好的構思,基于高性能PC架構的CAVE系統正是在此背景下開(kāi)發(fā)的. 基于高性能PC架構的CAVE系統既能保持高性能的圖形處理能力,又能夠大幅度降低成本, 無(wú)疑為CAVE系統的更廣泛應用掃清了障礙。

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  CAVE沉浸式投影通常以4臺或6臺高性能連網(wǎng)PC作為一個(gè)并行計算集群系統來(lái)替代傳統CAVE配置中昂貴的UNIX圖形工作站,采用高性能的主動(dòng)或被動(dòng)式立體顯示技術(shù),每臺PC工作站分別負責CAVE系統中一個(gè)投影面的立體影像繪制工作. 并通過(guò)網(wǎng)絡(luò )同步控制技術(shù)和變形矯正算法,使每臺工作站繪制的場(chǎng)景分別同步無(wú)失真地顯示輸出,并投射在相應的立方體投影面上。從而產(chǎn)生一個(gè)完全沉浸式的體驗空間。

高性能圖形工作站計算機系統應具有很高的計算速度和圖形處理能力。系列圖形工作站是虛擬現實(shí)和系統仿真的最佳計算機平臺,它采用S2MP體系結構,不僅具有可擴性好、編程容易和計算能力強等優(yōu)點(diǎn),而且它的圖形處理速度極快,具有多管道、多通道圖形輸出能力。SGI ONYX2的每個(gè)圖形管道可以驅動(dòng)多達八個(gè)圖形通道,每個(gè)圖形通道輸出一個(gè)畫(huà)面到CAVE的一個(gè)投影面。多臺高清激光投影機分別接收來(lái)自ONYX2的圖形信號,然后把信號直接投影到CAVE的四個(gè)投影屏幕上。故CAVE是一個(gè) 的立方體結構。若CAVE系統所在機房的空間不夠,可使用反射鏡。反射鏡應具有很好的光學(xué)反射率和平面度,投影機不僅要求可靠性好,而且要求具有投影距離長(cháng)、圖形分辨率高、亮度高、水平和垂直方向具有一定的光學(xué)可調整性等性能,整個(gè)CAVE中的圖象應具有較高的完整性和清晰度。

投影機到投影幕的光程控制需要在3.7~5.8m之間的范圍內,投影機放于每個(gè)投影幕的后面,投影機和投影幕之間的相對位置可由理論計算再輔以現場(chǎng)調試來(lái)完成。投影機的位置必須非常精確。若地面投影面采用正投,由于地面上的屏幕為反射型,與其余三個(gè)透過(guò)型屏幕的物理性能不一樣,為了達到色調均勻一致,同時(shí)又要使地面上的屏幕能承受人體的重量,故需對地面上的這一面屏幕做特殊處理。為了保護地面屏幕,必須脫掉鞋子并穿上干凈的襪子。屏幕的框架宜采用木質(zhì)材料或鋁質(zhì)材料以防止磁性干擾傳感器。

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  CAVE是一種基于投影的沉浸式虛擬現實(shí)設備,它的沉浸感強,交互性好。如果你的空間縱深夠大,縱深感就越強,一個(gè)空間的布局,需要一支強大的影片制作團隊,構思和制作出一個(gè)好影片小型CAVE的畫(huà)面完整度、層次感、沉浸式交互體驗、全方位感受畫(huà)面和其身臨其境的效果已經(jīng)極好,大型CAVE是在足以完美的小型CAVE上帶來(lái)更強的視覺(jué)沖擊感,更震撼的沉浸式體驗,更立體的畫(huà)面。

沉浸就是讓人專(zhuān)注在當前的目標情境下感到愉悅和滿(mǎn)足,而忘記真實(shí)世界的情境。由于CAVE顯示環(huán)境能覆蓋的參與者全部視野,所以能提供給使用者一種前所未有的沉浸感。沉浸感是虛擬現實(shí)技術(shù)的內在要求,沉浸式顯示也是虛擬現實(shí)系統的高級形態(tài)。CAVE正是基于這一需求的高級別、沉浸式虛擬現實(shí)系統整體解決方案,旨在為專(zhuān)業(yè)用戶(hù)提供面向教學(xué)與科研的虛擬現實(shí)實(shí)驗室科技創(chuàng )新平臺,為行業(yè)用戶(hù)的可視化分析、驗證、決策提供最直觀(guān)的沉浸式體驗環(huán)境。
CAVE系統由硬件系統和軟件系統兩部分組成。
硬件包括立體投影系統、圖形渲染系統與中控系統,涵蓋投影機、分割器、融合機、圖形集群系統等。支持語(yǔ)音、文字、圖片和視頻圖像等多媒體展現形式。
軟件系統通過(guò)虛擬仿真,對原有系統進(jìn)行圖像分割、透視投影矩陣計算、四通道圖像生成及無(wú)縫拼接,達到視點(diǎn)變換的效果,配合硬件設備進(jìn)行多通道輸出,并完成同步計算,最終創(chuàng )建CAVE形式虛擬現實(shí)環(huán)境,營(yíng)造出逼真的沉浸感和裸眼立體觀(guān)賞體驗。

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  CAVE沉浸式投影相比普通的大屏幕投影主要有這些優(yōu)勢:
  1、視覺(jué)沖擊強:CAVE投影使用多臺投影機投射畫(huà)面,結合高質(zhì)量影片,營(yíng)造場(chǎng)景環(huán)境,通過(guò)視覺(jué)藝術(shù)直擊體驗者的視覺(jué)感官;
2、分辨率高:普通投影是將畫(huà)面通過(guò)一臺投影機投影到一塊固定的位置,而CAVE投影特點(diǎn)是每臺投影機投射畫(huà)面都是一個(gè)部分,場(chǎng)景由幾個(gè)畫(huà)面拼接而成,并不是將圖片進(jìn)行拉伸,所以畫(huà)質(zhì)還是很清晰。
3、畫(huà)面層次感強:由于采用了邊緣融合技術(shù),畫(huà)面的分辨率,亮度得到增加,同時(shí)配合高質(zhì)量的投影屏幕,就可以使得整個(gè)顯示系統的畫(huà)面層次感和表現力明顯增強。
4、沉浸式交互性體驗好:Cave沉浸式系統技術(shù)已十分成熟,可適應不同的展示環(huán)境,制造出最好的現場(chǎng)氛圍,給體驗者帶來(lái)100%的沉浸式體驗,是展示場(chǎng)所最好的吸睛神器。
CAVE系統是目前最先進(jìn)虛擬現實(shí)系統,能為用戶(hù)提供一個(gè)具有身臨其境感的完全沉浸的、1:1的仿真驗證分析的沉浸式體驗環(huán)境,對于驗證、分析、仿真數據的可視化等具有重要的輔助決策功能。

方案特點(diǎn):
  1、畫(huà)面完整
沉浸式投影使用多臺投影機投射畫(huà)面,并且通過(guò)投影融合軟件使得投影畫(huà)面更加完整,尺寸更大,帶來(lái)更強的視覺(jué)沖擊感。
2、分辨率高
多臺投影機投射的特點(diǎn)就是每臺投影機投射畫(huà)面都是一個(gè)部分,分辨率并沒(méi)有因為畫(huà)面的變大而變小,所以畫(huà)質(zhì)還是很清晰。
3、畫(huà)面層次感強
采用了邊緣融合技術(shù)后畫(huà)面的亮度以及分辨率都提高了,因此整個(gè)畫(huà)面的層次感都變強了。
4、沉浸式交互體驗
全方位的感受畫(huà)面和音效讓觀(guān)眾體驗身其境的觀(guān)影感。
5、核心虛擬現實(shí)引擎 兼容多種三維應用程序
系統內置核心虛擬現實(shí)軟件引擎,能無(wú)縫支持多種三維應用程序,快速獲取設計成果進(jìn)行展示與交互。
6、多通道技術(shù) 沉浸感
虛擬現實(shí)呈現技術(shù),實(shí)現畫(huà)面的無(wú)縫拼接和融合,呈現身臨其境的3D沉浸感。

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  應用領(lǐng)域
◎廣泛應用與對空間感和視覺(jué)效果要求較高的領(lǐng)域應用于科技館、博物館、多媒體展廳、房地產(chǎn)展廳、多功能會(huì )議室、指揮中心、建筑展示、室內裝修、設備結構研究、模擬訓練、科研、餐廳、KTV等等對城市規劃的展示
BIM環(huán)境行為研究虛擬仿真實(shí)驗室解決方案:建筑感性設計、環(huán)境行為、室內設計、人居環(huán)境研究等;
◎ 交互設計虛擬仿真實(shí)驗室解決方案:虛擬規劃、虛擬設計、虛擬裝配、虛擬評審、虛擬訓練、設備狀態(tài)可視化等;
◎軍工國防武器裝備人機環(huán)境虛擬仿真實(shí)驗室解決方案:武器裝備人機環(huán)境系統工程研究以及軍事心理學(xué)應用,軍事訓練、軍事教育、作戰指揮、武器研制與開(kāi)發(fā)等;
◎用戶(hù)體驗與可用性研究虛擬仿真實(shí)驗室方案:游戲體驗、體驗類(lèi)運動(dòng)項目、影視類(lèi)娛樂(lè )、多人參與的娛樂(lè )項目;
◎虛擬購物消費行為研究實(shí)驗室方案;
◎安全人機與不安全行為虛擬仿真實(shí)驗室方案;
◎駕駛行為虛擬仿真實(shí)驗室方案;
◎人因工程與作業(yè)研究虛擬仿真實(shí)驗室方案;
可以說(shuō),CAVE系統可以應用于任何具有沉浸式需求的專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域,它是一種全新的、高級的、完全沉浸式體驗效果。

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