新技術(shù)的結(jié)晶：頭盔顯示器

頭盔顯示器 (Helmet-Mounted Displays，HMD)由1968年哈佛大學的Ivan Sutherland首先提出，并設(shè)計出應(yīng)用CRT的名為達摩克里斯之劍的頭盔顯示器。經(jīng)過30年的發(fā)展，頭盔顯示器取得了巨大的進步和廣泛的應(yīng)用。特別是在微型液晶顯示器、虛擬現(xiàn)實（VR）、袖珍計算機、可視移動電話以及現(xiàn)代數(shù)字化部隊的裝備中的逐漸普及，使得頭盔顯示器在這些領(lǐng)域中占據(jù)了重要的地位。

頭盔顯示器應(yīng)用

無論是要求在現(xiàn)實世界的視場上同時看到需要的數(shù)據(jù)，還是要體驗視覺圖像變化時全身心投入的臨場感，模擬訓練、3D游戲、遠程醫(yī)療和手術(shù)，或者是利用紅外、顯微鏡、電子顯微鏡來擴展人眼的視覺能力，HMD 都得到了應(yīng)用。比如軍事上在車輛、飛機駕駛員以及單兵作戰(zhàn)時的命令傳達、戰(zhàn)場觀察、地形查看、夜視系統(tǒng)顯示、車輛和飛機的炮瞄系統(tǒng)等需要信息顯示的，都可以采用HMD。在CAD/CAM 操作上，HMD使操作者可以遠程查看數(shù)據(jù)，比如局部數(shù)據(jù)清單、工程圖紙、產(chǎn)品規(guī)格等。波音公司在采用VR技術(shù)進行波音777飛機設(shè)計時，HMD就得到了應(yīng)用。

頭盔顯示器組成

HMD一般由以下幾部分組成：圖像信息顯示源、圖像成像的光學系統(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。

圖像顯示信息源是指圖像信息顯示器件，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。由于CRT具有高分辨率、高亮度、快的響應(yīng)速度和低成本，目前在軍事上較為常用，但一般為0.6~1英寸高亮度、高分辨率單色投影顯示。為了實現(xiàn)彩色CRT顯示，可采用光閥技術(shù)進行調(diào)制或用光纖傳導的方法。CRT的不足之處是功耗較大，體積大、重量重，需要高壓，在頭盔顯示中，重量是影響視野和眼睛運動的重要因素之一，同時由于頭盔顯示大多應(yīng)用于單獨供電的環(huán)境，因此，這些因素限制了CRT在頭盔顯示中的應(yīng)用。

近年來平板顯示器件的發(fā)展，特別是高分辨率視頻顯示用平板顯示器件的長足進步，對減輕頭盔的重量和功耗、降低工作電壓方面起到了促進作用。目前已有采用 1024×768 的高分辨率微型LCD制作的頭盔顯示出售，價格在1.5萬美元左右。采用LCD的HMD的不足之處是亮度較低、響應(yīng)速度較慢，對有快速響應(yīng)要求的場合目前還不適用。EL和VFD顯示在驅(qū)動、彩色等方面尚有需要完善之處，在HMD中的應(yīng)用還有待發(fā)展。

在頭盔顯示器件中，觀察者是通過眼前的目鏡看清圖像的，因此在HMD中，光學系統(tǒng)的設(shè)計是十分重要的，它影響著圖像顯示的質(zhì)量。HMD可以根據(jù)需要，設(shè)計成全投入式或半投入式。全投入式將顯示器件的圖像經(jīng)放大、畸變等像差的校正以及中繼等光學系統(tǒng)在觀察者眼前呈放大的虛像；半投入式是將經(jīng)過校正放大的虛像投射到觀察者眼前的半反半透的光學玻璃上，這樣顯示的圖像就疊加在透過玻璃的外界環(huán)境圖像之上，觀察者可以同時得到顯示的信息和外部環(huán)境的信息。圖1為投入和半投入式頭盔顯示器光學系統(tǒng)的示意圖。圖2為 Kaiser公司的雙目投入和半投入式頭盔顯示器，將頭盔改為頭帶，減輕了重量。

光學系統(tǒng)的設(shè)計不僅關(guān)系到成像質(zhì)量的好壞，還影響到頭盔顯示的體積和重量，以及觀察者在長時間觀看時是否疲勞，因此光學系統(tǒng)和視覺感受是HMD研究的重要部分。國外HMD公司一般采用商用的光學設(shè)計軟件進行光學系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計，如目前較好的有ORA 的CODE V和Light Tools，是常用的可視化光學系統(tǒng)優(yōu)化、光軌跡計算軟件。但是，它們的價格也比較昂貴，如CODE V 在6萬美元左右，一般用于航天航空系統(tǒng)中的光學設(shè)計。根據(jù)應(yīng)用的層次的不同，也有一些價格相對較低的軟件，如 ZEMAX，價格在4千美元左右。

光學系統(tǒng)的設(shè)計還應(yīng)考慮觀察者的視力、瞳孔間距等因素，設(shè)計成可調(diào)整結(jié)構(gòu)。頭盔的定位傳感系統(tǒng)是與光學系統(tǒng)同等重要的一部分。它包括頭部的定位和眼球的定位。

眼球的定位主要應(yīng)用在瞄準系統(tǒng)上，一般采用紅外圖像的識別處理跟蹤來獲得眼球的運動信息。頭部定位采用的方法比較多，如超聲波、磁、紅外、發(fā)光二極管等的定位系統(tǒng)，頭部的定位提供位置和指向六個自由度的信息。對定位傳感系統(tǒng)的要求是靈敏度高、延遲小。靈敏度低易受外界環(huán)境影響，延遲時間長除在給出不正確的位置信息外，還將引起觀察者的頭昏、惡心。目前適用于頭盔顯示器的磁定位傳感器已經(jīng)有售，Polhemus Inc. 的Istrak、3Space跟蹤器和FASTRAK是交流磁定位傳感器，它的設(shè)計概念是快速和短延遲，通過數(shù)字信號處理和A/D轉(zhuǎn)換階段的并行實現(xiàn)了這一設(shè)想，其延遲時間僅為4ms，而無任何形式的濾波；Ascension 公司的Bird, Flock of Bird和擴展范圍發(fā)射器（ERT）是直流磁定位傳感器，其中Flock of Bird為多個單元，可在相同的環(huán)境下共同工作以擴展操作范圍的直流磁定位傳感器。直流磁定位系統(tǒng)與交流磁定位系統(tǒng)相比，一個優(yōu)點是在使用中受外界導磁金屬在交變磁場中產(chǎn)生的渦流的影響較小，更適用于存在金屬的環(huán)境中。據(jù)報道，Bird有一個24ms的延遲。

電路控制系統(tǒng)一般與頭盔顯示器分開放置以減輕頭盔重量，其連接系統(tǒng)在機載時的設(shè)計要考慮在緊急情況下能夠迅速使頭盔和飛機上的控制系統(tǒng)脫離，保證飛行員的安全。

頭盔是顯示器的固定部件，在機載或車載應(yīng)用時可直接把駕駛員頭盔進行改進制作，在其他應(yīng)用中可采用吊帶將顯示器固定在頭部。由于顯示器的重量在頭的前部，使頭部的重心發(fā)生了變化，容易發(fā)生疲勞，因此應(yīng)在頭后部加配重保持重心不變。但頭盔的重量應(yīng)盡可能輕，特別是在機載情況下，頭盔的重量在飛行員脫離飛機的彈射時將產(chǎn)生很大的沖力，容易使頸椎骨折。

頭盔顯示器的基本參數(shù)

HMD的基本標參數(shù)主要包括：顯示模式、顯示視野(FOV)、視野雙目重疊、顯示分辨率、眼到虛擬圖象的距離、眼到目鏡距離、物面距離、目標域半徑（最大）、視軸間夾角、瞳孔間距（IPD）、焦距、出射光瞳（exit pupil）、圖象象差、視覺扭曲校正、重量、視頻輸出等。

頭盔顯示器的價格和市場

影響HMD價格的主要因素是圖像信息顯示源和光學系統(tǒng)，高分辨率、高亮度、高對比度和掃描頻率的圖像顯示器，其價格是普通顯示器的價格的數(shù)十倍、上百倍。光學系統(tǒng)根據(jù)成像質(zhì)量、成像形式和視野的大小，價格也有很大的不同。例如：Kaiser公司的ProView系列的幾種頭盔顯示器的性能價格如表一所示。從表一可以看出，高分辨率、透過式的頭盔顯示器的價格較高，這主要由其圖像信息源和光學系統(tǒng)所決定。一些特殊用途的更高分辨率的頭盔顯示器價格就更高，而一些普通的消費者應(yīng)用的頭盔顯示器的價格只要幾百美元就可以了，但顯示的圖象質(zhì)量就不很令人滿意。

表1幾種頭盔顯示器的性能價格比較

HMD的市場隨著虛擬顯示技術(shù)和無線互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展正日趨擴大，低價格高性能的微型液晶等顯示器的市場化，使其成為普通娛樂、通信消費的可能性越來越大，相信在幾年內(nèi)其應(yīng)用將有大的發(fā)展。