多投影沉浸式虛擬環境按系統結構來劃分主要可以分成三大部分: 投影系統、用戶交互系統以及圖形與計算系統.

1.1 投影系統

    投影系統主要包括多臺支持高分辨率影像的投影機以及投影屏幕.虛擬環境的立體影像將通過投影機投影到投影屏幕上,投影屏幕可根據應用的需要組合成各種不同最終投影,例如CAVE 的各投影屏幕相互垂直構成一個立方體,PowerWall 的各投影平面相互并排層疊形成一個較大的投影平面.

    為了滿足虛擬環境對實時性的要求,投影機必須有較快的響應時間,否則可能會造成運動重影.投影機的選擇與系統所使用的立體影像生成技術也有關.立體影像生成技術主要有兩種: 主動式立體模式與被動式立體模式.在主動式模式下,用戶的左、右眼影像將依幀順序顯示,用戶使用LCD 立體眼鏡保持與立體影像的同步,這種模式可以產生高質量的立體效果.而被動式系統則需要使用兩套顯示設備以及投影設備分別生成左右眼影像并進行投影,不同的投影機分別使用不同角度的偏振光以區別左右眼影像,用戶使用偏振光眼鏡保持立體影像的同步.

    在主動式立體顯示模式下,由于高分辨率影像需要以120Hz 的刷新率進行刷新,因此對投影機的帶寬以及響應速度上都有比較高的要求.對于被動式立體模式來說,每個投影面需要兩臺投影機分別對左右兩眼的影像進行投影,不過對與投影機的要求就相對來說比較低,但投影屏幕則需要專門材料以保證光的偏振角度不在屏幕上發生變化.

1.2 用戶交互系統

    用戶交互系統可包括多種交互設備:例如跟蹤器、數據手套、操縱桿、力反饋設備以及立體聲音像設備等.通過這些設備用戶能夠與虛擬環境及其物件進行交互,使用戶能夠更深入地溶入到虛擬環境中.

    跟蹤設備在大部分沉浸式虛擬環境是必不可少的.跟蹤設備將跟蹤使用者及其頭部的實時運動信息,根據這些信息系統可以計算出用戶雙眼視點的位置,并由此為基礎生成正確的立體影像.

1.3 圖形與計算系統

    圖形與計算系統負責生成虛擬環境并對用戶的交互信息進行處理,它是驅動整個系統的核心.為了讓虛擬環境能夠達到一定的沉浸感并維持其實時性,圖形與計算系統必須根據用戶的視點實時地生成各個投影面相對于用戶視點位置的立體影像,并且需要實時地對用戶的交互信息以及數據進行處理和計算,盡可能地降低系統地相應延遲,所以系統在圖形能力以及計算能力方面來說有比較高的要求.圖形與計算系統可根據實際應用需要進行配置.

    傳統的多投影沉浸式虛擬環境一般采用專業圖形工作站例如SGI Onyx2 驅動,這一類工作站可支持多處理器并行計算、高帶寬的內部數據傳輸率以及高性能圖形處理能力,可實時地生成處理大量的數據并實時的生成高質量的立體影像,同時可通過其多通道輸出的配置同時驅動多臺投影機對多個投影面進行投影[12].

圖 1 以專業圖形工作站驅動的多投影面沉浸式虛擬環境

    傳統系統專業圖形工作站的昂貴價已成為近一步推廣該類系統的最大阻礙.一直以來,PC 無論是在圖形或是計算能力上都有飛速的發展,近年來,以PC 驅動的多投影沉浸式系統已成為一個熱門的研究方向.與圖形工作站不同,目前一般的PC 只能提供一個圖形通道輸出,所以由PC 架構的系統將由多臺連網的高性能PC 驅動.每一臺PC 或是每兩臺PC負責一個投影面的投影,這取決于立體影像生成模式.各PC將并行地生成虛擬環境中的不同投影面,所以在PC 之間需要有多層次的同步機制來進行協調,以確保由各個投影面所構成的虛擬環境最終的正確性.

    軟件系統的設計是基于聯網PC 驅動的多投影面沉浸式虛擬環境非常重要而具有挑戰性的工作。目前比較成熟的開發工具有：Stanford University 的WireGL[13]及其后續計劃Chromium[14]、Princeton University 的DGL[15]、Universityof Illinois 的Syzygy[16]、Iowa State University 的VR Juggler及其VR Juggler 的兩個擴展工具Net Juggler[17]和ClusterJuggler[18]以及浙江大學CAD&CG 國家重點實驗室的PCCAVELib[11]。

圖 2 以聯網PC 驅動的多投影面沉浸式虛擬環境