一种VR与3D融合的仿真实验系统的制作方法

本发明属于教育信息化技术、vr虚拟现实和3d显示技术的交叉领域，具体涉及虚拟现实技术、3d显示技术和相关计算机仿真技术。

背景技术：

虚拟现实技术与3d显示技术(包括3d投影和3d液晶)，已经分别独立应用于教学当中。这两种技术各有优缺点。虚拟现实技术，沉浸感强，但是一般只能一个人进行操作，其他人只能以平面3d的方式以vr操作者的视角参与观察，观察者不但视角会产生眩晕，而且不能体验到场景的纵深与沉浸感，虽然通过多台vr系统联网的方式可以实现参与者的vr交互，但成本极高不易推广。3d显示技术，可以实现以较低的成本和第一/三人称视角(可切换)进行观察，但缺乏vr系统的高沉浸感。

本发明采用技术手段，把两种技术进行融合，充分发挥vr与3d技术的优势，结合小学科学、中学数学、物理、化学等学科的需求，研发出以vr第一人称视角操作，3d第一/三人称视角(可切换)参与观察为特征的，具有高度沉浸感、交互性和安全性的vr/3d融合仿真实验教学系统。

目前3d显示技术，都需要专用的3d显示设备，随着普通液晶显示屏刷新率的不断提高，本发明利用usb接口输出左右眼同步切换信号，配合可截止光液晶片，发明出适配于普通非3d专用显示器的主动式3d眼镜，在普通的显示器上实现3d效果。

技术实现要素：

本发明设计了一套完整的系统，用于仿真实验教学。本发明解决了vr系统3d系统在仿真实验教学中，由于各自的优缺点，而产生的实用性差，解决方案偏离需求的问题；本发明充分发挥vr与3d技术的优势，研发的以vr第一人称视角操作，3d第一/三人称视角(可切换)参与观察为特征的，具有高度沉浸感、交互性和安全性的vr/3d融合仿真实验教学系统。

本发明由五个部分组成，分别是：计算机主机及配套显示器、vr头盔及配套vr手柄、3d投影机或3d液晶屏、仿真实验软件、融合控制软件组成。计算机主机及配套显示器+vr头盔及配套手柄+仿真实验软件构成一套典型的vr仿真教学系统。融合控制软件把仿真实验软件中虚拟出的场景通过独立的第一/三人称视角(可切换)的两台虚拟摄像机获得虚拟场景中的第一/三人称视角(可切换)影像，采用两台虚拟摄像机是分别模拟左右眼所看到的影像；融合控制软件把以上两台虚拟摄像机获得的影像输出在3d液晶屏或3d投影上。这样没有佩戴vr头盔的教师和学生们就可以通过佩戴3d眼镜以第一/三人称视角(可切换)，对仿真实验的内容进行观察和参与。

本发明新增发明一种适配于普通液晶显示屏的主动式3d眼镜，利用普通显示器和usb接口，实现3d效果。通过usb接口，向眼镜输出左右帧的切换信号，该主动式3d眼镜，根据帧的切换信号，在用液晶片截止左眼时打开右眼、或截止右眼时打开左眼。usb的控制信号可以是电信号，或转换成红外光信号，3d眼镜对信号的识别与控制信号的类型向对应。

具体而言：

设置一种vr与3d融合的仿真实验系统，包括:带显示器的计算机系统、vr头盔及配套vr手柄、3d投影机或3d液晶屏、仿真实验模块、融合控制模块；

所述仿真实验模块存储在计算机系统中，所述vr头盔及配套vr手柄与计算机系统进行数据交互，融合控制模块把仿真实验模块中虚拟出的场景通过独立的可切换的第一/三人称视角的两台虚拟摄像机获得虚拟场景中的可切换的第一/三人称视角影像，分别模拟成左右眼所看到的影像；融合控制模块再把以上两台虚拟摄像机获得的影像输出在3d液晶屏或3d投影上，

所述分别模拟成左右眼所看到的影像是指：在虚拟场景中分别创建“左眼摄像机”和“右眼摄像机”，然后把这两个摄像机都设置为主摄像机的子对象，跟随主摄像机移动；

所述融合控制模块再把以上两台虚拟摄像机获得的影像输出在3d液晶屏或3d投影是指该计算机系统有连接第二块屏幕，该屏幕为3d屏，把左右眼摄像机动态捕获的虚拟场景图像，采用左右并排的方式输出到第二块屏上，实现vr和3d的融合输出。

融合控制模块再从两台虚拟摄像机获得的影像通过以下方式输出：

用于模拟左右眼的虚拟摄像机所获得的影像，通过左右格式或上下格式，组合在一起，通过一路数字视频接口对外输出信号。

支持的数字视频接口类型包括：dvi、hdmi、dp、mini-dp，该数字视频信号，作为支持左右或上下格式的3d液晶屏或3d投影机的输入信号，设置3d液晶屏或3d投影机的菜单到3d模式，配合对应的3d眼镜可看到3d效果的影像。

融合控制模块再从两台虚拟摄像机获得的影像通过以下方式输出：用于模拟左右眼的虚拟摄像机所获得的影像，单独输出数字视频信号，分别连接在两台独立的投影机上，两台独立的投影机以上下方式叠放在一起，投影机镜头前分别放置偏正角度相差90度的偏正片，调整输出位置和焦距，使两台投影机的输出完全重合，配合被动式偏正3d眼镜即可看到3d效果的影像。

支持的数字视频接口类型有：vga、dvi、hdmi、dp、mini-dp，计算机的显卡要支持3路以上输出，计算机的显卡或多显卡组合要求4路或以上信号输出能力，一路接与主机配套的显示屏，一路接vr头盔，一路接输出左眼图像的投影机、一路接输出右眼图像的投影机。

把具有更广视角的虚拟摄像机的影像，通过分段截取输出在多台支持3d信号的投影机上，多台投影机采用不同水平角度，把影像组合投影到120度或更大的弧面的荧幕上。

把具有更广视角的虚拟摄像机的影像，通过分段截取输出在以两台为一组的投影机上，多台投影机组采用不同水平角度，把影像组合投影到120度或更大的弧面的荧幕上。

本系统还包括一种主动式3d眼镜，通过usb接口，向眼镜输出左右帧的切换信号，该主动式3d眼镜，根据帧的切换信号，在用液晶片截止左眼时打开右眼、或截止右眼时打开左眼，实现3d效果。

usb的控制信号可以是电信号，或转换成红外光信号，3d眼镜对信号的识别与控制信号的类型向对应。

本发明由于充分发挥了vr虚拟现实技术和3d显示技术的优势，同时通过融合控制规避了两种技术在应用于仿真教学时的明显缺陷；因此，本发明具有很高的实用性和推广价值。

附图说明

图1：本专利实施例1结构图

图2：本专利实施例2结构图

图3：适配于普通液晶显示器的主动式3d眼镜的实现方式

具体实施方式

1.由计算机主机及配套显示器+vr头盔及配套手柄+仿真实验软件构成了典型的vr仿真教学系统，此类系统已基本成熟。本发明的关键，在于通过融合控制软件把仿真实验软件中虚拟出的场景通过独立的第一/三人称视角(可切换)的两台虚拟摄像机获得虚拟场景中的第一/三人称视角(可切换)影像，采用两台虚拟摄像机是分别模拟左右眼所看到的影像；融合控制软件把以上两台虚拟摄像机获得的影像输出在3d液晶屏或3d投影上。通过融合控制软件可以让用户选择，在3d设备上显示第一人称视角或第三人称视角；所述融合软件的控制逻辑在于：

所述分别模拟成左右眼所看到的影像是指：在虚拟场景中分别创建“左眼摄像机”和“右眼摄像机”，然后把这两个摄像机都设置为主摄像机的子对象，跟随主摄像机移动；

所述融合控制模块再把以上两台虚拟摄像机获得的影像输出在3d液晶屏或3d投影是指该计算机系统有连接第二块屏幕，该屏幕为3d屏，把左右眼摄像机动态捕获的虚拟场景图像，采用左右并排的方式输出到第二块屏上，此处创建的左右眼摄像机与vr的摄像机是并列关系，因此可以实现vr和3d的融合输出。

以下是上述逻辑其的一种代码实现方式，

2.融合控制软件的输出有几种不同的方式，以适应不同的3d液晶屏或3d投影及其组合。

(1)通过一路数字视频信号进行3d输出：该模式下，用于模拟左右眼的虚拟摄像机所获得的影像，通过左右格式或上下格式，组合在一起，通过一路数字视频接口对外输出信号。支持的数字视频接口类型有：dvi、hdmi、dp、mini-dp。该数字视频信号，可以作为支持左右或上下格式的3d液晶屏或3d投影机的输入信号，设置3d液晶屏或3d投影机的菜单到3d模式，配合对应的3d眼镜即可看到3d效果的影像。该模式下，计算机的显卡或多显卡组合要求3路(或以上)信号输出能力，一路接与主机配套的显示屏，一路接vr头盔，一路接3d输出设备。(见图1)

(2)通过两路数字视频信号进行3d输出。该模式下，用于模拟左右眼的虚拟摄像机所获得的影像，单独输出数字视频信号，分别连接在两台独立的投影机上。能接收数字视频信号的所有投影机均可适用。两台独立的投影机以上下方式叠放在一起，投影机镜头前分别放置偏正角度相差90度的偏正片。调整输出位置和焦距，使两台投影机的输出完全重合。配合被动式偏正3d眼镜即可看到3d效果的影像。支持的数字视频接口类型有：vga、dvi、hdmi、dp、mini-dp。该模式下，计算机的显卡要支持3路以上输出，该模式下，计算机的显卡或多显卡组合要求4路(或以上)信号输出能力，一路接与主机配套的显示屏，一路接vr头盔，一路接输出左眼图像的投影机、一路接输出右眼图像的投影机。(见图2)

(3)通过n路数字视频信号进行3d输出。该模式用于高端的vr与3d融合的仿真实验系统。在方式(1)的基础上，把具有更广视角的虚拟摄像机的影像，通过分段截取输出在多台支持3d信号的投影机上，多台投影机采用不同水平角度，把影像组合投影到120度或更大的弧面的荧幕上。

(4)通过n*2路数字视频信号进行3d输出。该模式用于更高端的vr与3d融合的仿真实验系统。在方式(2)的基础上，把具有更广视角的虚拟摄像机的影像，通过分段截取输出在以两台为一组的投影机上，多台投影机组采用不同水平角度，把影像组合投影到120度或更大的弧面的荧幕上。方式(4)比方式(3)通常具有更好的亮度和色彩表现。

3.发明适配于普通液晶显示器的主动式3d眼镜的实现方式如下(如图3)：

(1)把模拟左右眼的虚拟摄像机的视频输出改为时序左右帧切换的方式，即频幕实际得到的图像输出为：左帧-＞右帧-＞左帧-＞右帧-＞左帧-＞右帧，以此类推。无论是左帧还是右帧都是采用全屏幕的方式进行输出。

(2)虚拟摄像机在输出左帧时，让usb口上输出一个二进制编码例如：0000；输出右帧时，让usb口上输出另一个二进制编码例如：1111.

(3)主动式3d眼镜连接到usb接口上，通过内部简单的逻辑控制，在接收到0000时，打开左眼液晶片，同时截止右眼的液晶片；在接收到1111时，截止左眼液晶片，同时打开右眼的液晶片。