游戲業(yè)發(fā)展到今天，無論是從聲音還是畫面都力圖使玩家真正感受到身臨其境的效果，在追求高品質(zhì)畫面和環(huán)境音效的同時(shí)，操作、顯示的真實(shí)感也開始受到玩家們的廣泛關(guān)注，對(duì)于那些射擊、賽車、飛行類游戲，傳統(tǒng)顯示設(shè)備已經(jīng)不能很好的滿足要求了。
放眼電視游戲市場(chǎng)，眾多的仿真外設(shè)孕育而生，回膛光槍、力回饋方向盤、超真實(shí)飛行模擬控制臺(tái)……這些已經(jīng)說明操作的真實(shí)感更可以讓人融入到心愛的游戲當(dāng)中。除了電視游戲，目前的電腦游戲也在追求強(qiáng)烈的真實(shí)感，并且推出了一系列專門的游戲操作設(shè)備。
虛像顯示、立體顯示技術(shù)的引入勢(shì)必提升游戲顯示的真實(shí)感。
1、技術(shù)背景——虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)
虛像顯示系統(tǒng)作為虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的視景顯示子系統(tǒng)應(yīng)用于飛行模擬系統(tǒng)中，圖1所示。
圖1 虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)例 —— 飛行模擬系統(tǒng)
虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，最早起源于20世紀(jì)50年代的美國(guó)，90年代為科學(xué)界和工程界所關(guān)注，發(fā)展至今還處于不斷探索的階段。它的興起，為人機(jī)交互界面的發(fā)展開創(chuàng)了新的研究領(lǐng)域；為智能工程的應(yīng)用提供了新的界面工具；為各類工程的大規(guī)模的數(shù)據(jù)可視化提供了新的描述方法。
虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是一種綜合應(yīng)用各種技術(shù)制造逼真的人工模擬環(huán)境，并能有效的模擬人在自然環(huán)境中的各種感知系統(tǒng)行為的高級(jí)人機(jī)交互技術(shù)。虛擬環(huán)境通常是由計(jì)算機(jī)生成并控制的，使用戶身臨其境的感知虛擬環(huán)境中的物體，通過虛擬現(xiàn)實(shí)的三維設(shè)備與物體接觸，從而真正的實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。
構(gòu)成虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的技術(shù)包括計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)圖形圖像生成技術(shù)、圖像處理與模式識(shí)別技術(shù)、視景顯示技術(shù)、運(yùn)動(dòng)模擬技術(shù)、智能接口技術(shù)、人工智能技術(shù)、多傳感器技術(shù)、語音處理與音響技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、并行處理技術(shù)和高性能計(jì)算機(jī)系統(tǒng)集成技術(shù)等等。
2、視景顯示技術(shù) 視景顯示技術(shù)是飛行模擬系統(tǒng)的主要組成部分，飛行視景模擬的逼真程度直接關(guān)系到操作人員能否做出正確的響應(yīng)。視景顯示系統(tǒng)由景象發(fā)生系統(tǒng)和景象顯示系統(tǒng)兩部分組成。 景象顯示系統(tǒng)按技術(shù)原理可分為實(shí)像顯示技術(shù)和虛像顯示技術(shù)兩類。2.1 實(shí)像顯示技術(shù)
根據(jù)物理學(xué)定義，實(shí)像是由實(shí)際光線匯合在一起所成的影像，可以顯現(xiàn)在實(shí)際的屏幕（如背投屏幕）上。實(shí)像顯示系統(tǒng)一般光路比較簡(jiǎn)單，直接通過投影設(shè)備將圖像投射到顯示屏上即可，其最大的缺點(diǎn)就是缺乏立體縱深感。
目前，在視景系統(tǒng)中比較常見的實(shí)像顯示方式有平面窗口式、球形幕顯示、模擬球視景顯示三種類型，如圖2、3所示。
圖2 平面窗口式實(shí)像顯示 圖3 模擬球視景實(shí)像顯示 2.2 虛像顯示技術(shù)
虛像顯示，即對(duì)于一個(gè)正屈光度的光學(xué)系統(tǒng)，當(dāng)物體放在焦點(diǎn)以內(nèi)時(shí)，在物體的同側(cè)，可形成一正立的位于遠(yuǎn)處的放大虛像，當(dāng)物體漸漸趨近于焦點(diǎn)時(shí)，像距越來越大，最后當(dāng)物體就在焦點(diǎn)或焦平面上時(shí)，從理論上講，像即成在光學(xué)無窮遠(yuǎn)處，這種效應(yīng)即虛像顯示或準(zhǔn)直顯示原理，它的效果是使觀察者“確實(shí)”看到物體位于遠(yuǎn)處，達(dá)到再現(xiàn)真實(shí)世界的目的，所以又可稱為無限遠(yuǎn)顯示系統(tǒng)，其物象關(guān)系可由高斯公式表示：
虛像是光的反向延長(zhǎng)線會(huì)聚而成的像，不能用顯示屏幕承接，只能用人眼觀察，具有縱深感強(qiáng)的特點(diǎn)。目前，無限遠(yuǎn)顯示系統(tǒng)主要有兩種類型，透射式和反射式無限遠(yuǎn)顯示系統(tǒng)（n'=-n）。透射式系統(tǒng)采用透鏡作為成像器件，其本身具有固有的像差缺陷和大口徑透鏡制造困難等特點(diǎn)，而反射式系統(tǒng)克服了像差缺陷，只有少量球差，因此，在國(guó)內(nèi)外得到了廣泛應(yīng)用。
二、技術(shù)特點(diǎn)
顯示技術(shù)的任務(wù)是根據(jù)人的心理和生理特點(diǎn)，采用適當(dāng)?shù)姆椒ǜ淖児獾膹?qiáng)弱、光的波長(zhǎng)（即顏色）和光的其他特征，組成不同形式的視覺信息。視覺信息的表現(xiàn)形式一般為字符、圖形和圖像。
對(duì)于視景顯示技術(shù)中的景象顯示系統(tǒng)大致有以下幾項(xiàng)性能要求：
·觀察者所看到的圖像視角，即眼睛對(duì)顯示視景的張角，應(yīng)與景象發(fā)生系統(tǒng)的視角一致；（仿真眼睛調(diào)節(jié)和視差效果）
·觀察者所看到的圖像應(yīng)位于光學(xué)無窮遠(yuǎn)處；（產(chǎn)生縱深感）
·顯示系統(tǒng)的出瞳距應(yīng)適合觀察者的眼睛位置，且出瞳的大小不妨礙觀察者正常的頭部運(yùn)動(dòng)；(眼球位置的容差)
·圖像有足夠的亮度。通常認(rèn)為圖像亮度不低于（1 footlamberts=3.43nt 或 cd/m2）
·色彩復(fù)原良好；
有足夠的分辨率。1、透射式虛像顯示技術(shù)
上世紀(jì)70年代，美國(guó)NASA AMES研究中心的Bruce C.Ganzler等對(duì)此進(jìn)行了研究。
飛行員在飛行模擬器中觀察到的目視窗外飛行景象應(yīng)當(dāng)表示真實(shí)的世界。在這種真實(shí)的世界中，飛行員一般看到距離為30米或更遠(yuǎn)的物體，即用光學(xué)詞匯來說是無窮遠(yuǎn)處的物體。如果景象是由近距離觀看的，那么就不能得到真實(shí)的模擬飛行景象。前述的實(shí)像顯示方式通過顯示器或投影屏幕看到的圖像通常只有幾米距離，因此不能真實(shí)的模擬飛行視景。 當(dāng)飛行景象的像超過12米時(shí)，眼睛就聚焦在無窮遠(yuǎn)，此時(shí)晶狀體處于松弛狀態(tài)。當(dāng)視場(chǎng)從外部的目視景象變化到模擬儀器的儀表盤時(shí)就需要眼睛晶狀體重新調(diào)焦，晶狀體從松弛到調(diào)焦?fàn)顟B(tài)，或相反的變化是眼睛對(duì)真實(shí)世界的反應(yīng)，也是虛像顯示系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵性能。 透射式虛像顯示由于顯示器或其他成像屏幕相當(dāng)大，需要的透鏡也必然很大。一般這種透鏡是用PMMA塑料制成的菲涅爾透鏡，它比玻璃透鏡輕而便宜，且易于切割加工。
如前述圖4所示，平凸透鏡與眼睛組合構(gòu)成一個(gè)目視光學(xué)系統(tǒng)。眼瞳是孔徑光闌，又是出瞳。透鏡框式視場(chǎng)光闌，又是出、入射窗；同時(shí)透鏡本身又是漸暈光闌。
如果物體位于透鏡的焦點(diǎn)上，則
在此情況下，如果眼睛的位置不超過透鏡的后焦點(diǎn)，則觀察者就能以相同大小看到象的任何部分，而與眼睛在光軸上的位置無關(guān)，因?yàn)橥哥R角放大率將以正確的比例來變化象的大小以保持象的張角為一常數(shù)（圖7）。
像的缺陷和光學(xué)限制
簡(jiǎn)單的、未經(jīng)校正的透鏡存在影響成像質(zhì)量的多種像差。彗差和球差隨孔徑的二次方而變換，象散和場(chǎng)曲隨像高的二次方變化。彗差和發(fā)達(dá)率色差隨像高的一次方變化，畸變則隨像高的三次方變化。
并不是一切的光學(xué)系統(tǒng)都要對(duì)所有像差進(jìn)行校正，而是根據(jù)使用條件提出適當(dāng)?shù)南癫钊莶钜蟆４祟惔笠晥?chǎng)大孔徑光學(xué)系統(tǒng)，除考慮球差、軸向色差等軸上點(diǎn)像差外，還要考慮彗差、象散、場(chǎng)曲、畸變和垂軸色差等軸外色差，否則只能在系統(tǒng)光軸附近看到清晰無失真的像。 將物體移近透鏡將減小許多透鏡像差，但物距的改變?nèi)Q于要求的視場(chǎng)和像距。因此，將物體移近透鏡會(huì)使角放大率減小，并大大的減小像距。還有，因?yàn)闇p小了角放大率，像的尺寸也要變小；結(jié)果，上述的某幾種像差將會(huì)減小。
目前，此種系統(tǒng)并未得到普遍應(yīng)用，主要原因在于結(jié)構(gòu)縱向尺寸太大，以及像差，特別是色差的影響。但這一研究結(jié)果表明虛像顯示技術(shù)的成功，從而導(dǎo)致尋求各種虛像顯示方法的進(jìn)一步研究。
準(zhǔn)直性的好壞決定了最終顯示清晰像的遠(yuǎn)近，立體縱深感的強(qiáng)弱，是評(píng)價(jià)此類系統(tǒng)的關(guān)鍵指標(biāo)。其準(zhǔn)直性取決于球面反射鏡的球差，越靠近光軸，準(zhǔn)直性越好。如圖6所示，準(zhǔn)直性的優(yōu)劣是通過人眼所接受的某物點(diǎn)發(fā)出的寬度為雙目距離的兩條光束的不平行性來評(píng)價(jià)，即兩條光線的夾角Δθ。
理論上到達(dá)人眼只有原亮度的22.5%，而實(shí)際上光效更低，這就是分光鏡式虛像顯示系統(tǒng)的致命缺陷。
2.2 離軸球面全反射虛像顯示技術(shù)
該系統(tǒng)如圖7、8所示，由高清投影儀、球面散射屏及球面準(zhǔn)直鏡（反射鏡）組成。
原理類同分光鏡式虛像顯示，只是減少了透射率和反射率均為50%的分光鏡處的損失，提高了光效。 只需保證投影儀亮度達(dá)到83nt以上即可滿足最終需要的15nt以上亮度。
2.3 離軸高次非球面全反射虛像顯示技術(shù)
該系統(tǒng)如圖7、9所示，與離軸球面全反射虛像顯示類似，只是將球面反射鏡變?yōu)楦叽畏乔蛎娣瓷溏R，校正球差，改善系統(tǒng)的準(zhǔn)直性。
初步校正后系統(tǒng)的最大雙目不平行性為14.5’ ，小于球面全反射系統(tǒng)的19.7’
離軸球面和非球面全反射系統(tǒng)在視場(chǎng)、光效方面能夠滿足要求，且有較好的準(zhǔn)直性，所以是飛行模擬視景顯示系統(tǒng)的最佳方案。
三、市場(chǎng)應(yīng)用
由于視景顯示系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、昂貴，多數(shù)用于軍隊(duì)或民航部門，用于模擬作戰(zhàn)或飛行員的訓(xùn)練。隨著技術(shù)的進(jìn)步，各組件制造成本的下降，以及游戲領(lǐng)域?qū)τ螒蛘鎸?shí)感的需求，此類系統(tǒng)逐步向游戲領(lǐng)域拓展。如飛行、射擊、賽車等對(duì)視景真實(shí)感有需求的模擬游戲具有很好的發(fā)展前景。
景象顯示系統(tǒng)引入游戲領(lǐng)域，還需得到景象生成系統(tǒng)的配合，包括游戲軟件內(nèi)容、圖像處理設(shè)備等。
