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頭盔顯示器作為虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中重要的顯示設(shè)備，具有非常廣泛的應(yīng)用價(jià)值。本作品基于菲涅爾原理，采用透射與反射相結(jié)合的方式，構(gòu)建了一種新型立體顯示系統(tǒng)，并用于頭盔顯示器中。本作品突出“大視場(chǎng)”、“高分辨率”、“普及化”等特點(diǎn)，單目視場(chǎng)角達(dá)到36.8°(V)×47.9°(H)，分辨率為800×600，達(dá)到了同類(lèi)產(chǎn)品的世界先進(jìn)水平，同時(shí)將成本由數(shù)萬(wàn)元降低至兩千元左右。

一、選題背景與目的
頭盔顯示器（HMD）是虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中用于顯示和觀察虛擬環(huán)境的專(zhuān)用設(shè)備，可單獨(dú)與主機(jī)相連以接收和顯示來(lái)自主機(jī)的雙通道立體圖像，從而引導(dǎo)用戶產(chǎn)生一種身在三維虛擬環(huán)境中的感覺(jué)。
頭盔顯示器在虛擬技術(shù)應(yīng)用系統(tǒng)中的地位非常重要，是虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)必不可少的顯示和交互裝備。
當(dāng)前頭盔顯示器從性能上主要分兩種層次：專(zhuān)用級(jí)頭盔顯示器和民用級(jí)頭盔顯示器。專(zhuān)用級(jí)頭盔顯示器具有較大的視場(chǎng)角（一般在水平45°以上）和較高的分辨率（一般在800*600以上），同時(shí)集成有高精度的位姿跟蹤裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)良好的三維顯示效果，其性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于民用級(jí)頭盔顯示器。民用級(jí)頭盔顯示器分辨率和視場(chǎng)角等參數(shù)都遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于專(zhuān)業(yè)級(jí)頭盔顯示器，但是體積小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本較低，使用也較為方便。
隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)被用于越來(lái)越廣泛的領(lǐng)域，人們對(duì)于專(zhuān)業(yè)級(jí)頭盔顯示器的需求也在與日俱增，當(dāng)前急需一種能夠被大量生產(chǎn)的普及型頭盔顯示器。這種頭盔顯示器不但需要具有較大的視場(chǎng)角，較高的分辨率還需要具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作便捷、造價(jià)低廉等特性，以便其在具有廣泛需求的領(lǐng)域中得到應(yīng)用。
就目前國(guó)內(nèi)相關(guān)技術(shù)以及已知國(guó)外的現(xiàn)有相關(guān)設(shè)備的發(fā)展水平而言，頭盔顯示器存在的主要問(wèn)題如下：
1) 專(zhuān)業(yè)級(jí)頭盔顯示器的成像元件生產(chǎn)規(guī)模小、成本高。
對(duì)于專(zhuān)業(yè)級(jí)頭盔顯示器，其使用的高分辨率微型液晶顯示元件本身成本很高，而且產(chǎn)量較小，使得頭盔整體的成本也無(wú)法降低。諸如型號(hào)為NVISor SX60、NVISor ST50、Cybermind Visette45、VR1280、5DT HMD的產(chǎn)品，成本從四萬(wàn)到十幾萬(wàn)不等，而分辨率1280*1024的頭盔顯示器成本更是達(dá)到數(shù)十萬(wàn)，這在很大程度上限制了頭盔顯示器的廣泛應(yīng)用。
2) 專(zhuān)業(yè)級(jí)頭盔顯示器的目視光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、制作難度高，國(guó)內(nèi)加工困難。
由于專(zhuān)業(yè)級(jí)頭盔顯示器所使用的光學(xué)元件結(jié)構(gòu)精細(xì)復(fù)雜，往往使用具有復(fù)雜面型的自由曲面結(jié)構(gòu)，加工和裝配難度高，國(guó)內(nèi)尚不具備足夠的加工和裝配能力。所以專(zhuān)業(yè)級(jí)頭盔顯示器長(zhǎng)期為國(guó)外所壟斷，民族工業(yè)受到限制。
3) 民用級(jí)頭盔顯示器視場(chǎng)角小、沉浸感差。
對(duì)于民用級(jí)頭盔顯示器，國(guó)內(nèi)具有完備的加工能力，但是性能的不足使其無(wú)法滿足大眾對(duì)于高品質(zhì)畫(huà)面的需求。而且由于民用級(jí)頭盔顯示器視場(chǎng)角較小，缺乏沉浸感，其應(yīng)用領(lǐng)域也受到很大的限制。
針對(duì)上述問(wèn)題，本作品以高性能、普及型、低成本為出發(fā)點(diǎn)，綜合國(guó)內(nèi)外相關(guān)技術(shù)的發(fā)展情況，通過(guò)對(duì)當(dāng)前市場(chǎng)上的各種頭盔顯示器進(jìn)行了研究。在菲涅爾原理的基礎(chǔ)上，本作品實(shí)現(xiàn)了一種新穎的偏振濾光與透射反射相結(jié)合的立體顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并配以結(jié)構(gòu)精簡(jiǎn)的目視光學(xué)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)制作了一套可以推廣應(yīng)用的大視場(chǎng)普及型頭盔顯示器。該頭盔顯示器分辨率達(dá)到了800*600，視場(chǎng)角36.8°(V)×47.9°(H)，質(zhì)量?jī)H1080g，成本僅僅相當(dāng)于同類(lèi)產(chǎn)品的10%左右，達(dá)到了同類(lèi)產(chǎn)品的世界先進(jìn)水平。而且由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較為簡(jiǎn)單，所使用的全部零件都可在國(guó)內(nèi)進(jìn)行加工，突破了國(guó)外對(duì)于微型液晶顯示元件的限制，使得本作品所設(shè)計(jì)的頭盔顯示器具有巨大的市場(chǎng)推廣潛力。

二、基本思路
本作品主要針對(duì)高性能、低成本的普及型頭盔顯示器展開(kāi)研究，研究的目的是實(shí)現(xiàn)具有極高市場(chǎng)推廣價(jià)值的產(chǎn)品級(jí)頭盔顯示器，并配合相應(yīng)的軟件，實(shí)現(xiàn)一個(gè)完整的虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用系統(tǒng)，研究的具體內(nèi)容包括：
1) 基于菲涅爾原理的雙屏幕立體顯示系統(tǒng)研究
為了保證較高的性能和維持相對(duì)合理的成本，本作品采用2個(gè)3.5英寸、分辨率為800*600的液晶顯示屏作為顯示單元。由于顯示單元本身尺寸較大，如果直接采用傳統(tǒng)的雙目相互獨(dú)立的光學(xué)系統(tǒng)，會(huì)導(dǎo)致空間干涉而無(wú)法進(jìn)行安裝。本作品針對(duì)這一問(wèn)題，提出了一種基于半透半反玻璃的折反射融合光路，使得兩個(gè)光學(xué)系統(tǒng)能夠共享同一物理空間。但是由于本作品中設(shè)計(jì)的目視光學(xué)系統(tǒng)具有很大的視場(chǎng)角，用戶的一只眼睛有可能同時(shí)看到兩個(gè)顯示單元的圖像，為了消除這種光學(xué)干擾，本系統(tǒng)基于菲涅爾原理，通過(guò)使用偏振元件對(duì)上述光學(xué)干擾進(jìn)行了消除。

2) 用于頭盔顯示器的最簡(jiǎn)目視光學(xué)系統(tǒng)研究
為了減輕整體重量，減小安裝復(fù)雜度，本作品研究了針對(duì)上述立體顯示系統(tǒng)的最簡(jiǎn)目視光學(xué)系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)幾種方案的仿真模擬，本作品最終選擇了雙曲面透鏡組成的目視光學(xué)系統(tǒng)，并進(jìn)一步對(duì)該系統(tǒng)光學(xué)傳遞函數(shù)和像差等參數(shù)進(jìn)行了深入分析。

3) 基于慣性傳感器的頭部位姿跟蹤模塊開(kāi)發(fā)
為了滿足虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)對(duì)交互操作的要求，本作品設(shè)計(jì)的頭盔顯示器內(nèi)還集成有一個(gè)位姿跟蹤模塊。該模塊采用STM32微處理器，實(shí)現(xiàn)了三自由度慣性跟蹤系統(tǒng)，并最終完成了與軟件環(huán)境的集成。

4) 頭盔顯示器整體結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)
為了使最終完成的頭盔顯示器結(jié)構(gòu)更為精簡(jiǎn)，本作品還開(kāi)展了頭盔顯示器整體結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方面的工作。通過(guò)對(duì)各種元件的排布方式和走線方式進(jìn)行反復(fù)對(duì)比，實(shí)現(xiàn)了各模塊的有效集成，并最終加工完成了頭盔顯示器樣機(jī)。

5) 基于頭盔顯示器的典型應(yīng)用范例開(kāi)發(fā)
為展示所完成的頭盔顯示器的綜合性能，本作品還針對(duì)基于頭盔顯示器的典型應(yīng)用范例展開(kāi)了研究，并最終完成了一套立體漫游系統(tǒng)。通過(guò)該系統(tǒng)，用戶可以在一個(gè)虛擬的島嶼上漫游，并與島嶼上的動(dòng)物進(jìn)行交互。

三、創(chuàng)新點(diǎn)分析
本作品的主要?jiǎng)?chuàng)新之處體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：
1) 本作品基于菲涅爾原理，利用半透半反玻璃將透射型系統(tǒng)與反射型系統(tǒng)有效地結(jié)合在一起，實(shí)現(xiàn)了空間的重復(fù)利用，完成了一套新型立體顯示系統(tǒng)；
2) 本作品設(shè)計(jì)完成了一套針對(duì)大尺寸顯示單元的大視場(chǎng)目視光學(xué)系統(tǒng)，并配合偏振片解決了兩個(gè)圖像單元相互交疊引起的視覺(jué)干擾問(wèn)題，既避免了頭盔體積過(guò)大，又增大了視場(chǎng)角范圍，實(shí)現(xiàn)了良好的立體顯示效果；
3) 本作品采用了市場(chǎng)上普遍使用的3.5寸液晶顯示屏代替?zhèn)鹘y(tǒng)頭盔顯示器中的微型液晶，極大地降低了頭盔顯示器的成本，實(shí)現(xiàn)了清晰的成像效果；
4) 本作品采用慣性傳感器，實(shí)現(xiàn)了高精度的三自由度位姿跟蹤模塊，有效地提高了頭盔顯示器的交互性能。

四、作品主要技術(shù)指標(biāo)
分辨率（像素）：800×600（svga）
視場(chǎng)范圍（度）：36.87°(V)×47.92°(H)
立體效果：支持
設(shè)備重量：1080g
顯示器類(lèi)型：TFT—LCD
輸入方式：VGA輸入
亮度：4-5 fL（估測(cè)）
頭部尺寸：可調(diào)至任何尺寸

第十二屆“挑戰(zhàn)杯”作品 二等獎(jiǎng)
本系統(tǒng)于2011年3月10日獲得了國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局的專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)枺?01110057220.4。