虛像顯示系統(tǒng)作為虛擬現(xiàn)實系統(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。 

 

    虛擬現(xiàn)實技術(shù)，最早起源于20世紀50年代的美國，90年代為科學界和工程界所關(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)行為的高級人機交互技術(shù)。虛擬環(huán)境通常是由計算機生成并控制的，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)實的三維設(shè)備與物體接觸，從而真正的實現(xiàn)人機交互。 

    構(gòu)成虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的技術(shù)包括計算機實時圖形圖像生成技術(shù)、圖像處理與模式識別技術(shù)、視景顯示技術(shù)、運動模擬技術(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)和高性能計算機系統(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)原理可分為實像顯示技術(shù)和虛像顯示技術(shù)兩類。

2.1 實像顯示技術(shù) 

    根據(jù)物理學定義，實像是由實際光線匯合在一起所成的影像，可以顯現(xiàn)在實際的屏幕（如背投屏幕）上。實像顯示系統(tǒng)一般光路比較簡單，直接通過投影設(shè)備將圖像投射到顯示屏上即可，其最大的缺點就是缺乏立體縱深感。 

    目前，在視景系統(tǒng)中比較常見的實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  平面窗口式實像顯示              圖3  模擬球視景實像顯示  

2.2 虛像顯示技術(shù) 

    虛像顯示，即對于一個正屈光度的光學系統(tǒng)，當物體放在焦點以內(nèi)時，在物體的同側(cè)，可形成一正立的位于遠處的放大虛像，當物體漸漸趨近于焦點時，像距越來越大，最后當物體就在焦點或焦平面上時，從理論上講，像即成在光學無窮遠處，這種效應(yīng)即虛像顯示或準直顯示原理，它的效果是使觀察者“確實”看到物體位于遠處，達到再現(xiàn)真實世界的目的，所以又可稱為無限遠顯示系統(tǒng)，其物象關(guān)系可由高斯公式表示：

    虛像是光的反向延長線會聚而成的像，不能用顯示屏幕承接，只能用人眼觀察，具有縱深感強的特點。目前，無限遠顯示系統(tǒng)主要有兩種類型，透射式和反射式無限遠顯示系統(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，而反射式系統(tǒng)克服了像差缺陷，只有少量球差，因此，在國內(nèi)外得到了廣泛應(yīng)用。

  

二、技術(shù)特點 

    顯示技術(shù)的任務(wù)是根據(jù)人的心理和生理特點，采用適當?shù)姆椒ǜ淖児獾膹娙?、光的波長（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。
    對于視景顯示技術(shù)中的景象顯示系統(tǒng)大致有以下幾項性能要求：
    ·觀察者所看到的圖像視角，即眼睛對顯示視景的張角，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)位于光學無窮遠處；（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動；(眼球位置的容差)   
    ·圖像有足夠的亮度。通常認為圖像亮度不低于（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70年代，美國NASA AMES研究中心的Bruce C.Ganzler等對此進行了研究。 

    飛行員在飛行模擬器中觀察到的目視窗外飛行景象應(yīng)當表示真實的世界。在這種真實的世界中，飛行員一般看到距離為30米或更遠的物體，即用光學詞匯來說是無窮遠處的物體。如果景象是由近距離觀看的，那么就不能得到真實的模擬飛行景象。前述的實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，因此不能真實的模擬飛行視景。 

    當飛行景象的像超過12米時，眼睛就聚焦在無窮遠，此時晶狀體處于松弛狀態(tài)。當視場從外部的目視景象變化到模擬儀器的儀表盤時就需要眼睛晶狀體重新調(diào)焦，晶狀體從松弛到調(diào)焦狀態(tài)，或相反的變化是眼睛對真實世界的反應(yīng)，也是虛像顯示系統(tǒng)需要實現(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)成一個目視光學系統(tǒng)。眼瞳是孔徑光闌，又是出瞳。透鏡框式視場光闌，又是出、入射窗；同時透鏡本身又是漸暈光闌。

 
如果物體位于透鏡的焦點上，則

                                
在此情況下，如果眼睛的位置不超過透鏡的后焦點，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)，因為透鏡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）。 

    像的缺陷和光學限制 

    簡單的、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，象散和場曲隨像高的二次方變化。彗差和發(fā)達率色差隨像高的一次方變化，畸變則隨像高的三次方變化。 

    并不是一切的光學系統(tǒng)都要對所有像差進行校正，而是根據(jù)使用條件提出適當?shù)南癫钊莶钜?。此類大視場大孔徑光學系統(tǒng)，除考慮球差、軸向色差等軸上點像差外，還要考慮彗差、象散、場曲、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于要求的視場和像距。因此，將物體移近透鏡會使角放大率減小，并大大的減小像距。還有，因為減小了角放大率，像的尺寸也要變??；結(jié)果，上述的某幾種像差將會減小。 

    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一步研究。

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2、反射式虛像顯示技術(shù)

2.1 分光鏡式虛像顯示技術(shù) 

    該系統(tǒng)如圖5所示，由顯示器、分光鏡及球面準直鏡（反射鏡）組成，它利用光束分光鏡將顯示器面板圖像偏折到等效的準直鏡焦面上，從而達到視景無限遠光學顯示的目的。

    準直性的好壞決定了最終顯示清晰像的遠近，立體縱深感的強弱，是評價此類系統(tǒng)的關(guān)鍵指標。其準直性取決于球面反射鏡的球差，越靠近光軸，準直性越好。如圖6所示，準直性的優(yōu)劣是通過人眼所接受的某物點發(fā)出的寬度為雙目距離的兩條光束的不平行性來評價，即兩條光線的夾角Δθ。

    理論上到達人眼只有原亮度的22.5%，而實際上光效更低，這就是分光鏡式虛像顯示系統(tǒng)的致命缺陷。
 

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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、光效方面能夠滿足要求，且有較好的準直性，所以是飛行模擬視景顯示系統(tǒng)的最佳方案。

  

三、市場應(yīng)用 \(5Bi3PA}  
 
    由于視景顯示系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、昂貴，多數(shù)用于軍隊或民航部門，用于模擬作戰(zhàn)或飛行員的訓練。隨著技術(shù)的進步，各組件制造成本的下降，以及游戲領(lǐng)域?qū)τ螒蛘鎸嵏械男枨?，此類系統(tǒng)逐步向游戲領(lǐng)域拓展。如飛行、射擊、賽車等對視景真實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。