沉浸式全景自由立体显示技术研究

Through simulating sense of vision, auditory, tactile, etc., Virtual Reality(VR) technologies make users experience immersive virtual world. Thus, VR is very important in many fields of medicine, education , military, aerospace and industrial production. Vision is an important perceptual interface, and there are two display technologies for vision: head-mounted display and immersive stereo large screen, which both need to wear auxiliary equipments and weaken the sense of immersion to some extent. So far, the University of Tokyo has made a preliminary study on naked-eye immersive display in the early 20th Century, but there still are some problems of resolution, stablity, etc..Our team had some research about autostereoscopic displays, and recently the research on panoramic polarized stereo display based on small pitch LED is being carried out. We will do research on immersive panoramic autostereoscopic display utilizing small pitch LED and principle of binocular parallax. According to target mapping of different viewing position and viewing numbers, parameters model of the ring grating, which is sticked on ring screen, is established. Viewing zones and crosstalk of the model are calculated and simulated. Macro moire patterns in different positions are analyzed, which is used for error analysis and pricision adjustment of ring gratings. This study will provide new ideas and new methods for naked-eye VR displays.

虚拟现实（VR）技术通过模拟视觉、听觉、触觉等，让用户产生身临其境的虚拟世界体验，因此在医学、教育、军事、航空航天和工业生产等领域有重要作用。视觉是VR的重要感知接口，提供视觉体验的显示技术主要有头盔显示和沉浸式立体大屏幕，不过都需要佩带辅助设备，这在一定程度削弱了沉浸感。目前，东京大学在二十世纪初对裸眼沉浸式显示进行了初步探索，不过还有分辨率、稳定性等问题需要解决。本课题组在裸眼3D显示方面有一定研究积累，近期针对小间距LED开展了全景偏振式立体显示研究。我们将进一步利用360度环形小间距LED显示屏，结合双目视差原理，进行沉浸式全景自由立体显示技术研究，以不同视点位置和视点数为目标映射，建立耦合在环形屏幕表面的环形光栅参数模型；同时计算仿真该模型的视点视区和串扰等因素；分析不同观察位置的宏观莫尔条纹现象，并应用于环形光栅的误差分析和精密装调。此研究将为裸眼VR显示提供新思路和新方法。

目前，虚拟现实技术以其想象性、沉浸性和交互性等特点引起了人们的广泛关注。为了建立一个虚拟场景，让人们感觉就像在现实世界中一样，虚拟现实显示器需要提供沉浸感的立体图像。以往关于虚拟现实显示的报道主要是头戴显示器（HMD）和曲面投影屏，头戴显示器会带来严重的辐辏-调节冲突，而曲面投影屏会在屏幕的顶部或底部出现去极化效果，因此会失去一定的立体感。除上述问题外，无论是头戴显示器还是曲面投影屏都需要特殊的眼镜装置，往往不适合近视患者和长时间使用者。. 为了改善这些问题，自由立体显示是一个良好的解决方案，它不需要任何形式的特殊眼镜或其他头戴设备。传统的自由立体显示方法是利用视差光栅，左右眼图像列交替排布在显示面板上，视差光栅可以控制光仅通过到期望区域并形成多个离散视点。由于视角是严格固定的，人们不能自由旋转或移动头部，导致了缺乏沉浸感的观看体验。自由度低也是目前应用于虚拟现实领域的自由立体显示报道较少的主要原因，因此需要开发一种沉浸式的自由立体显示系统。. 本项目提出了一种基于曲面屏和视差光栅的显示系统，并从理论上详细研究了该显示系统的显示原理和特点。它可以在不戴任何眼镜的情况下提供360°的水平视场立体图像，以获取沉浸式的自由立体效果。利用曲面屏上的三个连续像素和视差光栅构成一个显示单元，从而产生针对左右眼的两个独立可视区域。仿真和实验结果表明，该显示系统在观察区域内可获得无串扰的显示效果。本研究为自由立体显示技术的改进和虚拟现实技术的应用提供了一些新的思路。