CAVE沉浸式投影系統(tǒng)
什么是CAVE沉浸式投影系統(tǒng)
CAVE沉浸式投影系統(tǒng)是一種基于投影的沉浸式虛擬現(xiàn)實大型顯示系統(tǒng)，是以計算機圖形學為基礎(chǔ)，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)生一個被三維立體投影畫面包圍的供多人使用的完全沉浸式的虛擬環(huán)境，其特點是分辨率高，沉浸感強，交互性好。
沉浸式CAVE虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)是一種基于完全沉浸式的虛擬現(xiàn)實顯示系統(tǒng)、人機跟蹤交互系統(tǒng)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(tǒng)提供一個房間大小的四面（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被三維立體場景包圍的虛擬仿真環(huán)境中，借助相應(yīng)的虛擬現(xiàn)實交互設(shè)備（如數(shù)據(jù)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可視化并實時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業(yè)UNIX圖形工作站.以多臺具有較高性能價格比的高性能PC作為圖形處理核心代替CAVE系統(tǒng)中的大型專業(yè)UNIX圖形工作站無疑是一個非常好的構(gòu)思，基于高性能PC架構(gòu)的CAVE系統(tǒng)正是在此背景下開發(fā)的. 基于高性能PC架構(gòu)的CAVE系統(tǒng)既能保持高性能的圖形處理能力,又能夠大幅度降低成本, 無疑為CAVE系統(tǒng)的更廣泛應(yīng)用掃清了障礙。
CAVE沉浸式投影通常以4臺或6臺高性能連網(wǎng)PC作為一個并行計算集群系統(tǒng)來替代傳統(tǒng)CAVE配置中昂貴的UNIX圖形工作站，采用高性能的主動或被動式立體顯示技術(shù)，每臺PC工作站分別負責CAVE系統(tǒng)中一個投影面的立體影像繪制工作. 并通過網(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景分別同步無失真地顯示輸出，并投射在相應(yīng)的立方體投影面上。從而產(chǎn)生一個完全沉浸式的體驗空間。
高性能圖形工作站計算機系統(tǒng)應(yīng)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(xiàn)實和系統(tǒng)仿真的最佳計算機平臺，它采用S2MP體系結(jié)構(gòu)，不僅具有可擴性好、編程容易和計算能力強等優(yōu)點，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的每個圖形管道可以驅(qū)動多達八個圖形通道，每個圖形通道輸出一個畫面到CAVE的一個投影面。多臺高清激光投影機分別接收來自O(shè)NYX2的圖形信號，然后把信號直接投影到CAVE的四個投影屏幕上。故CAVE是一個 的立方體結(jié)構(gòu)。若CAVE系統(tǒng)所在機房的空間不夠，可使用反射鏡。反射鏡應(yīng)具有很好的光學反射率和平面度，投影機不僅要求可靠性好，而且要求具有投影距離長、圖形分辨率高、亮度高、水平和垂直方向具有一定的光學可調(diào)整性等性能，整個CAVE中的圖象應(yīng)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(nèi)，投影機放于每個投影幕的后面，投影機和投影幕之間的相對位置可由理論計算再輔以現(xiàn)場調(diào)試來完成。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，與其余三個透過型屏幕的物理性能不一樣，為了達到色調(diào)均勻一致，同時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。
CAVE是一種基于投影的沉浸式虛擬現(xiàn)實設(shè)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，一個空間的布局，需要一支強大的影片制作團隊，構(gòu)思和制作出一個好影片小型CAVE的畫面完整度、層次感、沉浸式交互體驗、全方位感受畫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上帶來更強的視覺沖擊感，更震撼的沉浸式體驗，更立體的畫面。
沉浸就是讓人專注在當前的目標情境下感到愉悅和滿足，而忘記真實世界的情境。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(xiàn)實技術(shù)的內(nèi)在要求，沉浸式顯示也是虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)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(xiàn)實系統(tǒng)整體解決方案，旨在為專業(yè)用戶提供面向教學與科研的虛擬現(xiàn)實實驗室科技創(chuàng)新平臺，為行業(yè)用戶的可視化分析、驗證、決策提供最直觀的沉浸式體驗環(huán)境。
CAVE系統(tǒng)由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩部分組成
硬件包括立體投影系統(tǒng)、圖形渲染系統(tǒng)與中控系統(tǒng)，涵蓋投影機、分割器、融合機、圖形集群系統(tǒng)等。支持語音、文字、圖片和視頻圖像等多媒體展現(xiàn)形式。
軟件系統(tǒng)通過虛擬仿真，對原有系統(tǒng)進行圖像分割、透視投影矩陣計算、四通道圖像生成及無縫拼接，達到視點變換的效果，配合硬件設(shè)備進行多通道輸出，并完成同步計算，最終創(chuàng)建CAVE形式虛擬現(xiàn)實環(huán)境，營造出逼真的沉浸感和裸眼立體觀賞體驗。
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、視覺沖擊強：CAVE投影使用多臺投影機投射畫面，結(jié)合高質(zhì)量影片，營造場景環(huán)境，通過視覺藝術(shù)直擊體驗者的視覺感官；
2、分辨率高：普通投影是將畫面通過一臺投影機投影到一塊固定的位置，而CAVE投影特點是每臺投影機投射畫面都是一個部分，場景由幾個畫面拼接而成，并不是將圖片進行拉伸，所以畫質(zhì)還是很清晰。
3、畫面層次感強：由于采用了邊緣融合技術(shù)，畫面的分辨率，亮度得到增加，同時配合高質(zhì)量的投影屏幕，就可以使得整個顯示系統(tǒng)的畫面層次感和表現(xiàn)力明顯增強。
4、沉浸式交互性體驗好：Cave沉浸式系統(tǒng)技術(shù)已十分成熟，可適應(yīng)不同的展示環(huán)境，制造出最好的現(xiàn)場氛圍，給體驗者帶來100%的沉浸式體驗，是展示場所最好的吸睛神器。
CAVE系統(tǒng)是目前最先進虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，能為用戶提供一個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(shù)據(jù)的可視化等具有重要的輔助決策功能。
應(yīng)用范圍
廣泛應(yīng)用與對空間感和視覺效果要求較高的領(lǐng)域應(yīng)用于科技館、博物館、多媒體展廳、房地產(chǎn)展廳、多功能會議室、指揮中心、建筑展示、室內(nèi)裝修、設(shè)備結(jié)構(gòu)研究、模擬訓練、科研、餐廳、KTV等等對城市規(guī)劃的展示。
BIM環(huán)境行為研究虛擬仿真實驗室解決方案：建筑感性設(shè)計、環(huán)境行為、室內(nèi)設(shè)計、人居環(huán)境研究等；
◎ 交互設(shè)計虛擬仿真實驗室解決方案：虛擬規(guī)劃、虛擬設(shè)計、虛擬裝配、虛擬評審、虛擬訓練、設(shè)備狀態(tài)可視化等；
◎軍工國防武器裝備人機環(huán)境虛擬仿真實驗室解決方案：武器裝備人機環(huán)境系統(tǒng)工程研究以及軍事心理學應(yīng)用，軍事訓練、軍事教育、作戰(zhàn)指揮、武器研制與開發(fā)等；
◎用戶體驗與可用性研究虛擬仿真實驗室方案：游戲體驗、體驗類運動項目、影視類娛樂、多人參與的娛樂項目；
◎虛擬購物消費行為研究實驗室方案；
◎安全人機與不安全行為虛擬仿真實驗室方案；
◎駕駛行為虛擬仿真實驗室方案；
◎人因工程與作業(yè)研究虛擬仿真實驗室方案；
可以說，CAVE系統(tǒng)可以應(yīng)用于任何具有沉浸式需求的專業(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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