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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 大視場(chǎng)低成本頭盔顯示器
- 來(lái)源：
- 第十二屆“挑戰(zhàn)杯”省賽作品
- 小類：
- 信息技術(shù)
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡(jiǎn)介：
- 頭盔顯示器對(duì)于建立理想單兵作戰(zhàn)武器平臺(tái)系統(tǒng)和改進(jìn)醫(yī)療設(shè)備，以及實(shí)現(xiàn)3D游戲、3D電影的家庭普及化和文化遺址的復(fù)原再現(xiàn)，都發(fā)揮著不可替代的重要作用。 與價(jià)格高昂的國(guó)外高端頭盔顯示器相比，本作品主要突出“大視場(chǎng)”、“高分辨率”、“低成本”的高性價(jià)比優(yōu)勢(shì)，單目視場(chǎng)角達(dá)到28°(V)×37°(H)，分辨率至少達(dá)到800×600，同時(shí)將成本由數(shù)十萬(wàn)元大幅度降低至2000元以內(nèi)。
- 詳細(xì)介紹：
- 一、選題背景與目的 “十二五”指出：國(guó)防和軍隊(duì)現(xiàn)代化建設(shè)要進(jìn)一步加強(qiáng)，醫(yī)療技術(shù)水平要進(jìn)一步提高?！侗本┏鞘锌傮w規(guī)劃》指出：文化創(chuàng)意產(chǎn)業(yè)要實(shí)現(xiàn)快速發(fā)展，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中所占比重逐步提高。此外，我國(guó)擁有的豐富文化遺存，面臨展出數(shù)量少、陳列手段落后等嚴(yán)峻形勢(shì)。 頭盔顯示器（HMD）作為重要的虛擬現(xiàn)實(shí)顯示器，可以引導(dǎo)用戶產(chǎn)生一種身在虛擬環(huán)境中的感覺(jué)。無(wú)論對(duì)于建立理想的單兵作戰(zhàn)武器平臺(tái)系統(tǒng)和改進(jìn)醫(yī)療設(shè)備，還是通過(guò)技術(shù)手段再現(xiàn)文化遺址和實(shí)現(xiàn)3D游戲、3D電影的家庭普及化，頭盔顯示器都發(fā)揮著不可替代的重要作用。 二、市場(chǎng)分析 現(xiàn)今世界范圍內(nèi)HMD主要分為兩種：高端主流HMD和低端HMD。高端主流HMD價(jià)格高昂但性能優(yōu)良，其分辨率一般在800×600以上，視場(chǎng)達(dá)到25°(V)×40°(H)以上；低端HMD價(jià)錢(qián)低廉但性能較差，其分辨率較低，同時(shí)視場(chǎng)角僅為22°(V)×29°(H)左右。兩款HMD分別在價(jià)格和性能上的劣勢(shì)使得它們不能推廣應(yīng)用到人們的生活當(dāng)中。 高端主流HMD應(yīng)用超微型顯示器作為成像顯示系統(tǒng)，復(fù)雜的自由曲面棱鏡作為目視光學(xué)系統(tǒng)，無(wú)論在設(shè)計(jì)還是加工上難度都很大，因此極大地提高了主流HMD的價(jià)格。而低端HMD由于成本較低且設(shè)計(jì)不合理，無(wú)論是顯示器件還是光學(xué)系統(tǒng)性能都較差，分辨率和視場(chǎng)角都無(wú)法滿足高沉浸感的需求。 本作品利用斜45°放置的半透半反玻璃將直射型系統(tǒng)與反射型系統(tǒng)相結(jié)合，增大了視場(chǎng)角范圍，同時(shí)分別用3.5寸液晶顯示屏和平凸透鏡取代高端頭盔顯示器的成像顯示系統(tǒng)和目視光學(xué)系統(tǒng)，降低了加工裝配的難度，將成本由數(shù)十萬(wàn)元大幅度降低至2000元以內(nèi)。 三、關(guān)鍵技術(shù)與創(chuàng)新點(diǎn)（見(jiàn)圖1） （1）成像顯示系統(tǒng)：采用普通的3.5寸液晶屏代替昂貴的微型液晶顯示器，制作透射型和反射型相結(jié)合的成像顯示系統(tǒng)，從而解決了顯示系統(tǒng)的高分辨大視場(chǎng)問(wèn)題，降低了成本。 （2）目視光學(xué)系統(tǒng)：借鑒“立體觀片器”的光學(xué)系統(tǒng)，從根本上降低了加工制作的難度和成本，提高了人眼的舒適度。 （3）內(nèi)部結(jié)構(gòu)裝配：采用市場(chǎng)上常見(jiàn)的元器件和泡沫表層涂抹碳纖維來(lái)定型的方法，很好地設(shè)計(jì)了前部結(jié)構(gòu)并解決了內(nèi)部器件與外部頭盔的合理裝配問(wèn)題，降低了裝配難度。 （4）外部材料選用：高科技含量的碳纖維材料使得系統(tǒng)質(zhì)量大減。 （5）可擴(kuò)展性強(qiáng)：隨著液晶行業(yè)技術(shù)的迅速發(fā)展，采用寬屏液晶時(shí)系統(tǒng)性能會(huì)因?yàn)樵O(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)進(jìn)一步得到提升，分辨率和視場(chǎng)角都會(huì)大幅度提高。 （6）跟蹤定位：采用的頭部定位系統(tǒng)采集位置和指向六個(gè)自由度的信息，可隨時(shí)根據(jù)頭部的轉(zhuǎn)動(dòng)匹配人眼的場(chǎng)景變化。 四、經(jīng)濟(jì)價(jià)值及推廣前景 （1）市場(chǎng)容量大，擴(kuò)大受益群體的范圍； （2）符合實(shí)際需求，緊跟國(guó)家政策導(dǎo)向； （3）應(yīng)用領(lǐng)域廣闊，可以在家庭生活中普及； （4）經(jīng)濟(jì)效益可觀，打破國(guó)外壟斷，發(fā)展民族產(chǎn)業(yè)。 五、作品主要技術(shù)指標(biāo) 分辨率（像素）：800×600（svga） 視場(chǎng)范圍（度）：28°(V)×37°(H) 立體效果：支持 設(shè)備重量：1.2kg 顯示器類型：TFT—LCD 輸入方式：VGA輸入 亮度：4-5 fL（估測(cè)） 眼睛間隙：25mm 焦距：90mm 頭部尺寸：可調(diào)至任何尺寸
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 一、作品設(shè)計(jì)目的 頭盔顯示器對(duì)于建立理想單兵作戰(zhàn)武器平臺(tái)系統(tǒng)和改進(jìn)醫(yī)療設(shè)備，以及實(shí)現(xiàn)3D游戲、3D電影的家庭普及化和文化遺址的復(fù)原再現(xiàn)，都發(fā)揮著不可替代的重要作用。與價(jià)格高昂的國(guó)外高端頭盔顯示器相比，本作品主要突出“大視場(chǎng)”、“高分辨率”、“低成本”的高性價(jià)比優(yōu)勢(shì)。 二、作品設(shè)計(jì)思路 本作品利用斜45°放置的半透半反玻璃將直射型與反射型系統(tǒng)相結(jié)合，借鑒“立體觀片器”的目視光學(xué)系統(tǒng)，增大了視場(chǎng)角范圍，降低加工裝配難度，將成本由數(shù)十萬(wàn)元大幅度降低至2000元以內(nèi)。 三、作品創(chuàng)新點(diǎn)及技術(shù)關(guān)鍵（見(jiàn)圖1） （1）成像顯示系統(tǒng)：采用3.5寸液晶屏代替昂貴的微型液晶屏，制作透射型和反射型相結(jié)合的成像顯示系統(tǒng)，從而解決了顯示系統(tǒng)的高分辨大視場(chǎng)問(wèn)題，降低了成本。 （2）目視光學(xué)系統(tǒng)：借鑒“立體觀片器”的光學(xué)系統(tǒng)，從根本上降低了加工制作的難度和成本，提高了人眼的舒適度。 （3）內(nèi)部結(jié)構(gòu)裝配：采用市場(chǎng)上常見(jiàn)的元器件，設(shè)計(jì)前部結(jié)構(gòu)并解決了內(nèi)部器件與外部頭盔的合理裝配問(wèn)題，降低了裝配難度。 （4）外部材料選用：高科技含量的碳纖維材料使得系統(tǒng)質(zhì)量大減。 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）：28°(V)×37°(H) 設(shè)備重量：1.2kg 亮度：4-5 fL（估測(cè)） 眼睛間隙：25mm
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 現(xiàn)今世界范圍內(nèi)HMD主要分為兩種：高端主流HMD和低端HMD。高端主流HMD價(jià)格高昂但性能優(yōu)良，其分辨率一般在800×600以上，視場(chǎng)達(dá)到25°(V)×40°(H)以上；低端HMD價(jià)錢(qián)低廉但性能較差，其分辨率較低，視場(chǎng)角僅為22°(V)×29°(H)左右。 本作品在保證主流HMD性能（分辨率至少達(dá)到800×600，單目視場(chǎng)角達(dá)到28°(V)×37°(H)）的前提下，使成本控制在2000元以內(nèi)。與現(xiàn)有技術(shù)相比實(shí)質(zhì)性進(jìn)步體現(xiàn)在如下幾個(gè)方面： （1）利用半透半反玻璃將直射型與反射型系統(tǒng)有效結(jié)合在一起，配合偏振片解決了圖像相互交疊引起的視覺(jué)干擾問(wèn)題，增大了視場(chǎng)角范圍。 （2）在大視場(chǎng)得到保證和考慮人眼可接受分辨率（800×600）的前提下，用3.5寸液晶屏代替主流HMD中的超微型液晶屏。 （3）借鑒“立體觀片器”的光學(xué)系統(tǒng)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該光學(xué)系統(tǒng)的可行性，避免了傳統(tǒng)自由曲面棱鏡的復(fù)雜設(shè)計(jì)。 （4）采用市場(chǎng)上常見(jiàn)元器件，容易購(gòu)買裝配，降低了加工難度和成本。
獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果
- 2011年5月獲北京理工大學(xué)第八屆“世紀(jì)杯”課外學(xué)術(shù)科技作品競(jìng)賽 第一名、特等獎(jiǎng)
作品所處階段
- 中試階段，正在向生產(chǎn)階段過(guò)渡。
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 無(wú)
作品可展示的形式
- 實(shí)物、產(chǎn)品、圖紙、模型、現(xiàn)場(chǎng)演示、圖片、樣品
使用說(shuō)明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說(shuō)明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)
- 一、作品使用說(shuō)明 將頭盔顯示器戴在使用者頭部，通過(guò)旋轉(zhuǎn)頭上部和后部棘輪固定頭盔；通過(guò)物理調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)液晶屏圖像位置的微調(diào)；進(jìn)行虛擬場(chǎng)景的3D體驗(yàn)。 二、作品技術(shù)特點(diǎn)及推廣前景 本作品成本低廉、視場(chǎng)角大、裝配簡(jiǎn)單、質(zhì)量輕便，具有廣泛的推廣價(jià)值和巨大的應(yīng)用潛力。 （1）市場(chǎng)容量大 隨著世界范圍內(nèi)3D電影的普及和網(wǎng)絡(luò)游戲玩家的激增，HMD的低成本化將很大程度擴(kuò)大受益群體的范圍。 （2）符合國(guó)家中短期規(guī)劃需求 “十二五”規(guī)劃指出，我國(guó)要培育發(fā)展戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)。《北京城市總體規(guī)劃》指出：文化創(chuàng)意產(chǎn)業(yè)要在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中所占比重逐步提高。本作品符合國(guó)家規(guī)劃需求，必將促進(jìn)我國(guó)文化創(chuàng)意產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。 （3）應(yīng)用領(lǐng)域廣闊 對(duì)于3D網(wǎng)游、3D電影及文化遺址再現(xiàn)等技術(shù)熱點(diǎn)問(wèn)題，本作品極具實(shí)用價(jià)值和開(kāi)發(fā)潛力，有助于家庭生活普及化。 （4）經(jīng)濟(jì)效益可觀 高端HMD由于價(jià)格高昂，且長(zhǎng)期為國(guó)外技術(shù)壟斷，國(guó)內(nèi)民族產(chǎn)業(yè)受到極大限制。本作品更加符合我國(guó)市場(chǎng)需求，性能高，成本低，必將受到更多民眾青睞。
同類課題研究水平概述
- 頭盔顯示器一般由以下幾部分組成：圖像信息顯示源、圖像成像的光學(xué)系統(tǒng)、定位傳感系統(tǒng)、電路控制及連接系統(tǒng)、頭盔及配重裝置。其中最重要也最能決定優(yōu)劣的是圖像顯示源和光學(xué)系統(tǒng)。 一、顯示元器件 圖像信息顯示源是指頭盔的顯示器件，一般采用微型高分辨率CRT或LCD、EL、VFD、LED、FED、PDP等平板顯示器件。 早期頭盔顯示器一般都采用微型高分辨率CRT，由于其技術(shù)起步較早，且具有分辨率低成本的優(yōu)勢(shì)，得到了廣泛的應(yīng)用。但其功耗較大，體積大，重量重，需要高壓，這些因素極大地限制了CRT在頭盔顯示中的應(yīng)用。 近年來(lái)，隨著平板顯示器技術(shù)的發(fā)展，微型高分辨率液晶顯示屏成為現(xiàn)實(shí)，其小重量、低功耗等優(yōu)點(diǎn)使得它在頭盔顯示器中的應(yīng)用越來(lái)越多，已逐漸取代了CRT型顯示原件，目前主流HMD均采用微型液晶為其顯示元件。 但微型液晶生產(chǎn)困難，目前核心技術(shù)仍被國(guó)外所壟斷，造價(jià)極高，這一點(diǎn)直接導(dǎo)致頭盔顯示器整體價(jià)格十分高昂。因此尋找微型液晶的替代顯示設(shè)備，又保證頭盔體積、重量、顯示效果均在可合適的范圍內(nèi)便成為一大難題。 二、光學(xué)系統(tǒng) 按照光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的不同，可將頭盔分為普通折射型、投影式、折/衍混合式、反射式等。 普通折射式和反射式HMD光路十分復(fù)雜，需要多個(gè)光學(xué)元件配合使影像因折射產(chǎn)生類似遠(yuǎn)方效果。利用此效果將近處物體放大至遠(yuǎn)處觀賞而達(dá)到所謂的全像視覺(jué)。 折/衍混合式系統(tǒng)利用衍射元件的負(fù)色散及對(duì)波面進(jìn)行任意整形的特點(diǎn)，有效地平衡了系統(tǒng)色差和波前像差，同時(shí)使系統(tǒng)的體積和重量下降。 投影式系統(tǒng)中，投影物鏡形成的物體像被與光軸成45°放置的分光棱鏡反射到投影屏幕上,人眼不僅可以觀察到投影像，還能觀察到處于分光棱鏡與投影屏幕之間的外界真實(shí)景物。 這些光學(xué)系統(tǒng)所采用的自由曲面棱鏡不管是設(shè)計(jì)還是加工都十分困難。國(guó)內(nèi)在這方面的技術(shù)水平與國(guó)外還存在很大的差距，這直接導(dǎo)致了目前市場(chǎng)上的主流頭盔顯示器大多數(shù)來(lái)自國(guó)外。因此有必要在保證出瞳、成像要求的前提下，對(duì)光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)一步簡(jiǎn)化。 綜上所述，當(dāng)前主流頭盔顯示器存在著設(shè)計(jì)困難，加工難度大，元器件成本高，總體價(jià)格過(guò)于昂貴等問(wèn)題，這些問(wèn)題直接導(dǎo)致其無(wú)法得到普及應(yīng)用。我們的作品從設(shè)計(jì)思路、元件選擇、加工方式等方面著手解決這些問(wèn)題。
