一种用于五面LED-CAVE的信号同步显示系统

摘要

本发明公开一种用于五面LED‑CAVE的信号同步显示系统，包括五面LED‑CAVE显示屏、光学定位跟踪系统以及1+N集群渲染同步显示管理系统；所述1+N集群渲染同步显示管理系统包括1个主控机以及与所述主控机连接的N个图形渲染工作站和3D信号发射器；所述光学定位跟踪系统用于获取3D眼镜及操作手柄的空间位姿信息，所述主控机根据3D眼镜及操作手柄的空间位姿信息生成两组画面图像，并通过局域网发送启动配置指令至N个图形渲染工作站，所述主控机控制N个图形渲染工作站同时启动虚拟现实程序，将所述两组画面图像同步地在五面LED‑CAVE显示屏上交替显示；从而实现五面LED‑CAVE显示屏的同步显示，提升了用户的沉浸式虚拟体验感。

权利要求

1.一种用于五面LED‑CAVE的信号同步显示系统，其特征在于，包括五面LED‑CAVE显示屏、光学定位跟踪系统以及1+N集群渲染同步显示管理系统；所述五面LED‑CAVE显示屏由正幕、左幕、右幕、地幕以及顶幕合围组成；所述1+N集群渲染同步显示管理系统包括1个主控机以及与所述主控机连接的N个图形渲染工作站和3D信号发射器；所述N个图形渲染工作站分别用于控制所述五面LED‑CAVE显示屏5个屏幕的画面显示；所述N个图形渲染工作站均配置有显卡和同步卡，所述N个图形渲染工作站的同步卡通过网线串联；所述主控机与光学定位跟踪系统的主机通过局域网连接，所述主控机作为计时主节点用于控制N个图形渲染工作站的画面同步输出；

所述光学定位跟踪系统用于获取3D眼镜及操作手柄的空间位姿信息，并将所述空间位姿信息发送给主控机；

所述主控机根据3D眼镜及操作手柄的空间位姿信息生成两组画面图像，并通过局域网发送启动配置指令至N个图形渲染工作站，由所述N个图形渲染工作站将两组画面图像交替同步发送给五面LED‑CAVE显示屏；所述N个图形渲染工作站根据五面LED‑CAVE显示屏每个屏幕的尺寸配置好每个图形渲染工作站的分辨率及渲染面积大小，由所述主控机控制N个图形渲染工作站同时启动虚拟现实程序，将所述两组画面图像同步地在五面LED‑CAVE显示屏上交替显示，所述N个图形渲染工作站根据显卡设置的刷新率刷新画面；所述主控机根据两组画面图像交替显示的频率控制所述3D信号发射器发射控制信号，所述3D眼镜根据所述控制信号控制左右两个镜片切换显示，所述3D眼镜两个镜片切换显示的频率与两组画面图像交替显示的频率保持同步。

2.根据权利要求1所述的一种用于五面LED‑CAVE的信号同步显示系统，其特征在于，所述1+N集群渲染同步显示管理系统根据N个图形渲染工作站的渲染反馈进行画面的同步，当所述N个图形渲染工作站均完成渲染工作后，所述主控机即控制N个图形渲染工作站将各自渲染的画面推送至五面LED‑CAVE显示屏上进行显示。

3.根据权利要求1所述的一种用于五面LED‑CAVE的信号同步显示系统，其特征在于，所述3D眼镜及操作手柄上设有多个定位反光球，用于所述光学定位跟踪系统对3D眼镜及操作手柄的空间位姿进行定位。

4.根据权利要求1所述的一种用于五面LED‑CAVE的信号同步显示系统，其特征在于，所述3D眼镜内部设有无线信号接收器和控制器；所述3D眼镜的两个镜片内部均设有液晶层；

所述无线信号接收器用于接收所述3D信号发射器发送的控制信号，所述控制器用于根据所述控制信号控制3D眼镜的两个镜片切换显示。

5.根据权利要求1所述的一种用于五面LED‑CAVE的信号同步显示系统，其特征在于，所述3D信号发射器为射频信号发射器。

6.根据权利要求1所述的一种用于五面LED‑CAVE的信号同步显示系统，其特征在于，所述光学定位跟踪系统包括光学跟踪计算机和光学跟踪相机；所述光学跟踪相机安装在五面LED‑CAVE显示屏内，用于捕捉3D眼镜及操作手柄在空间中的位置信息；所述光学跟踪计算机根据光学跟踪相机的姿态信息并结合3D眼镜及操作手柄的位置信息，得到3D眼镜及操作手柄在虚拟空间中的位姿信息。

7.根据权利要求1所述的一种用于五面LED‑CAVE的信号同步显示系统，其特征在于，所述显卡设置的刷新率不低于96Hz。

说明书

一种用于五面LED‑CAVE的信号同步显示系统

技术领域

[0001] 本发明属于沉浸式虚拟现实显示技术领域，具体是一种用于五面LED‑CAVE的信号同步显示系统。

背景技术

[0002] CAVE系统可以应用于任何具有沉浸感需求的虚拟仿真应用领域，例如，虚拟设计与制造、虚拟演示、协同规划等等，应用十分广泛；现有的大部分CAVE系统中，CAVE沉浸式虚
拟现实显示系统是采用的立体投影机作为显示主设备，配合光学跟踪系统、音响系统、信号
同步系统等构成，投影方式的CAVE系统效果比较柔和，画面较平滑，但由于投影机的安装一
般分为正投、背投两种，如果受场地空间限制，可采用正投方式，但是正投的CAVE系统没有
办法实现五面沉浸式，即左面、正面、右面、地面、顶幕五个方向均有渲染画面；因此需要采
用背投的方式安装，从幕布的后方离幕布约2.5米处将渲染画面投射在幕布上，而此种方式
对场景要求非常高，需要楼层空高为三层楼的纵向空间，以便让顶幕、地幕的背投式投影机
安装，即顶幕投影机由上而下安装输出画面，地幕投影机由下而上安装输出画面。由此可
见，投影方式的五面CAVE沉浸式虚拟现实显示系统对场地空间的限制很大，并且市面上先
进的立体工程投影机价格昂贵，成本较高，维护难度较大。

[0003] 随着技术的发展，也出现了由LCD 3D拼接屏或大尺寸LCD 3D屏代替投影显示的技术，但在实际应用中，如何根据屏幕的尺寸选取合适数量的图形渲染工作站，如何配置相关
的显卡参数，以及如何对各图形渲染工作站进行同步控制，来实现屏幕上画面的无缝拼接，
这些问题还亟待进一步解决。

[0004] 公开号为CN107147899A的中国专利公开了一种采用LED 3D屏幕的CAVE显示系统及方法，该方法包括以下步骤：采集3D眼镜上红外标记点的坐标位置；利用所述坐标位置估
算出用户双眼的位置；根据所述位置计算得到相对所述3D眼镜显示的两组画面；在LED 3D
屏幕上交替显示所述两组画面；对所述3D眼镜进行左、右镜片开关切换，切换频率与所述两
组画面交替显示的切换频率相配合。该发明可实际应用在明亮的室内环境，甚至室外环境；
虚拟现实空间画面色彩饱和度高，显示屏间拼接无缝，给用户很好的观看效果，使用寿命
长。

发明内容

[0005] 本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种用于五面LED‑CAVE的信号同步显示系统，通过1+N集群渲染同步显示管理系统对五面LED‑CAVE显示屏进行同步显示，避
免显示屏间出现拼缝，提高显示质量，增强用户的沉浸式虚拟现实体验感。

[0006] 为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

[0007] 一种用于五面LED‑CAVE的信号同步显示系统，其特征在于，包括五面LED‑CAVE显示屏、光学定位跟踪系统以及1+N集群渲染同步显示管理系统；所述五面LED‑CAVE显示屏由
正幕、左幕、右幕、地幕以及顶幕合围组成；所述1+N集群渲染同步显示管理系统包括1个主
控机以及与所述主控机连接的N个图形渲染工作站和3D信号发射器；所述N个图形渲染工作
站分别用于控制所述五面LED‑CAVE显示屏5个屏幕的画面显示；所述N个图形渲染工作站均
配置有显卡和同步卡，所述N个图形渲染工作站的同步卡通过网线串联；所述主控机与光学
定位跟踪系统的主机通过局域网连接，所述主控机作为计时主节点用于控制N个图形渲染
工作站的画面同步输出；

[0008] 所述光学定位跟踪系统用于获取3D眼镜及操作手柄的空间位姿信息，并将所述空间位姿信息发送给主控机；

[0009] 所述主控机根据3D眼镜及操作手柄的空间位姿信息生成两组画面图像，并通过局域网发送启动配置指令至N个图形渲染工作站，由所述N个图形渲染工作站将两组画面图像
交替同步发送给五面LED‑CAVE显示屏；所述N个图形渲染工作站根据五面LED‑CAVE显示屏
每个屏幕的尺寸配置好每个图形渲染工作站的分辨率及渲染面积大小，由所述主控机控制
N个图形渲染工作站同时启动虚拟现实程序，将所述两组画面图像同步地在五面LED‑CAVE
显示屏上交替显示，所述N个图形渲染工作站根据显卡设置的刷新率(不低于96Hz)刷新画
面；所述主控机根据两组画面图像交替显示的频率控制所述3D信号发射器发射控制信号，
所述3D眼镜根据所述控制信号控制左右两个镜片切换显示，所述3D眼镜两个镜片切换显示
的频率与两组画面图像交替显示的频率保持同步。

[0010] 具体地，由于每个图形渲染工作站的画面渲染性能取决于某时刻浏览虚拟场景的模型量的大小，因此，当某个图形渲染工作站在某个虚拟场景下的模型较多时，该图形渲染
工作站的渲染效率就会比较低；故本发明的1+N集群渲染同步显示管理系统根据N个图形渲
染工作站的渲染反馈进行画面的同步，当所述N个图形渲染工作站均完成渲染工作后，所述
主控机即控制N个图形渲染工作站将各自渲染的画面推送至五面LED‑CAVE显示屏上进行显
示，从而提高整体显示效果，使得每个图形渲染工作站渲染的画面能同步显示。

[0011] 具体地，所述3D眼镜及操作手柄上设有多个定位反光球，用于所述光学定位跟踪系统对3D眼镜及操作手柄的空间位姿进行定位。

[0012] 具体地，所述3D眼镜内部设有无线信号接收器和控制器；所述3D眼镜的两个镜片内部均设有液晶层；所述无线信号接收器用于接收所述3D信号发射器发送的控制信号，所
述控制器用于根据所述控制信号控制3D眼镜的两个镜片切换显示。

[0013] 具体地，所述3D信号发射器为射频信号发射器，采用射频信号发射器作为信号发射源是为了避免采用红外信号发射器对光学跟踪定位系统光路的干扰。

[0014] 具体地，所述光学定位跟踪系统包括光学跟踪计算机和光学跟踪相机；所述光学跟踪相机安装在五面LED‑CAVE显示屏内，用于捕捉3D眼镜及操作手柄在空间中的位置信
息；所述光学跟踪计算机根据光学跟踪相机的姿态信息并结合3D眼镜及操作手柄的位置信
息，得到3D眼镜及操作手柄在虚拟空间中的位姿信息。

[0015] 进一步地，所述光学跟踪相机包括4个主摄像头、2个辅助摄像头；所述主摄像头/辅助摄像头内部配置有低噪音CCD芯片以及对操作者的动作数据进行优化的FPGA芯片；所
述光学跟踪相机还包括用于二维计算的内部PC机。

[0016] 进一步地，所述4个主摄像头分别设置在左幕的前上方、前下方以及右幕的前上方、前下方4个位置；所述2个辅助摄像头分别设置在所述顶幕的后方两侧；所述主摄像头、
辅助摄像头均为红外发射摄像头。

[0017] 进一步地，进一步地，所述左幕的前上方、前下方以及右幕的前上方、前下方分别设有4个用于安装所述主摄像头的安装孔；所述安装孔为斜锥形安装孔，通过设置所述斜锥
形安装孔，便于调节摄像头的拍摄角度。

[0018] 进一步地，所述2个辅助摄像头通过云台安装在所述顶幕后方，所述云台通过焊接方式安装在所述顶幕上，所述云台为方向可调节的云台。

[0019] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明的1+N集群渲染同步显示管理系统根据每个屏幕的尺寸设计屏幕搭配的图形渲染工作站的台数以及每个图形渲染工作站的
分辨率和渲染面积，并将多个图形渲染工作站的同步卡串联实现对多个图形渲染工作站的
同步控制；同时本发明的1+N集群渲染同步显示管理系统根据N个图形渲染工作站的渲染反
馈进行画面的同步，当所述N个图形渲染工作站均完成渲染工作后，所述主控机即控制N个
图形渲染工作站将各自渲染的画面推送至五面LED‑CAVE显示屏上进行显示，从而实现五面
LED‑CAVE显示屏的无缝拼接同步显示，提高了用户的沉浸式虚拟现实体验感。

附图说明

[0020] 图1为本发明一种用于五面LED‑CAVE的信号同步显示系统的整体架构示意框图；

[0021] 图2为本发明实施例中主控机与7台图形工作站的同步连接示意框图；

[0022] 图3为本发明实施例中光学定位跟踪系统的安装结构示意图；

[0023] 图4为本发明实施例中一种用于五面LED‑CAVE的信号同步显示方法的流程示意框图；

[0024] 图中：1、正幕；2、左幕；3、右幕；4、顶幕；5、地幕；6、主摄像头；7、辅助摄像头；8、斜锥形安装孔；9、云台；10、定位反光球。

具体实施方式

[0025] 下面将结合本发明中的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施
例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动条件下所获得的所有其它实施例，都属于
本发明保护的范围。

[0026] 如图1、2所示，本实施例提供了一种用于五面LED‑CAVE的信号同步显示系统，其特征在于，包括五面LED‑CAVE显示屏、光学定位跟踪系统以及1+7集群渲染同步显示管理系
统；所述五面LED‑CAVE显示屏由正幕1、左幕2、右幕3、地幕5以及顶幕4合围组成；所述1+7集
群渲染同步显示管理系统包括1个主控机以及与所述主控机连接的7个图形渲染工作站和
3D信号发射器；所述7个图形渲染工作站分别用于控制所述五面LED‑CAVE显示屏5个屏幕的
画面显示；所述7个图形渲染工作站均配置有显卡和同步卡，所述7个图形渲染工作站的同
步卡通过网线串联；所述主控机与光学定位跟踪系统的主机通过局域网连接，所述主控机
作为计时主节点用于控制7个图形渲染工作站的画面同步输出；

[0027] 所述光学定位跟踪系统用于获取3D眼镜及操作手柄的空间位姿信息，并将所述空间位姿信息发送给主控机；

[0028] 所述主控机根据3D眼镜及操作手柄的空间位姿信息生成两组画面图像，并通过局域网发送启动配置指令至7个图形渲染工作站，由所述7个图形渲染工作站将两组画面图像
交替同步发送给五面LED‑CAVE显示屏；所述7个图形渲染工作站根据五面LED‑CAVE显示屏
每个屏幕的尺寸配置好每个图形渲染工作站的分辨率及渲染面积大小，由所述主控机控制
7个图形渲染工作站同时启动虚拟现实程序，将所述两组画面图像同步地在五面LED‑CAVE
显示屏上交替显示，所述7个图形渲染工作站根据显卡设置的刷新率(不低于96Hz)刷新画
面；所述主控机根据两组画面图像交替显示的频率控制所述3D信号发射器发射控制信号，
所述3D眼镜根据所述控制信号控制左右两个镜片切换显示，所述3D眼镜两个镜片切换显示
的频率与两组画面图像交替显示的频率保持同步。

[0029] 具体地，由于每个图形渲染工作站的画面渲染性能取决于某时刻浏览虚拟场景的模型量的大小，因此，当某个图形渲染工作站在某个虚拟场景下的模型较多时，该图形渲染
工作站的渲染效率就会比较低；故本发明的1+7集群渲染同步显示管理系统根据7个图形渲
染工作站的渲染反馈进行画面的同步，当所述7个图形渲染工作站均完成渲染工作后，所述
主控机即控制7个图形渲染工作站将各自渲染的画面推送至五面LED‑CAVE显示屏上进行显
示，从而提高整体显示效果，使得每个图形渲染工作站渲染的画面能同步显示。

[0030] 具体地，所述3D眼镜及操作手柄上设有多个定位反光球10，用于所述光学定位跟踪系统对3D眼镜及操作手柄的空间位姿进行定位；所述两个定位反光球10对应眼部的位
置。

[0031] 具体地，所述3D眼镜内部设有无线信号接收器和控制器；所述3D眼镜的两个镜片内部均设有液晶层；所述无线信号接收器用于接收所述3D信号发射器发送的控制信号，所
述控制器用于根据所述控制信号控制3D眼镜的两个镜片切换显示。

[0032] 所述液晶层有黑、白两种显示状态，当所述液晶层通电后为黑色不透明状态，断电后恢复为白色的透明状态，通过控制器可以控制左右眼镜片的显示状态，从而交替地显示
左右眼的画面；当显示屏幕上播放左眼画面时，通过控制器控制左眼镜片断电，右眼镜片通
电，用户就可以通过左眼看到左眼的画面，而右眼被遮挡了；当显示屏幕上播放右眼画面
时，通过控制器控制左眼镜片通电，右眼镜片断电，用户就可以通过右眼看到右眼的画面，
而左眼被遮挡了，从而让左右眼分别看到各自的画面，从而实现3D立体显示效果；为了保证
3D显示的效果，避免画面抖动，画面刷新率最低为96HZ，即左、右眼镜片各自画面的刷新率
最低为48HZ。

[0033] 具体地，所述3D信号发射器为射频信号发射器，采用射频信号发射器作为信号发射源是为了避免采用红外信号发射器对光学跟踪定位系统光路的干扰。

[0034] 具体地，所述光学定位跟踪系统包括光学跟踪计算机和光学跟踪相机；所述光学跟踪相机安装在五面LED‑CAVE显示屏内，用于捕捉3D眼镜及操作手柄在空间中的位置信
息；所述光学跟踪计算机根据光学跟踪相机的姿态信息并结合3D眼镜及操作手柄的位置信
息，得到3D眼镜及操作手柄在虚拟空间中的位姿信息。

[0035] 进一步地，所述光学跟踪相机包括4个主摄像头6、2个辅助摄像头7；所述主摄像头6/辅助摄像头7内部配置有低噪音CCD芯片以及对操作者的动作数据进行优化的FPGA芯片；
所述光学跟踪相机还包括用于二维计算的内部PC机；所述主摄像头6/辅助摄像头7还配置
有红外闪光灯，用于对3D眼镜进行补光，便于捕捉3D眼镜的位置。

[0036] 进一步地，如图3所示，所述4个主摄像头6分别设置在左幕2的前上方、前下方以及右幕3的前上方、前下方4个位置；所述2个辅助摄像头7分别设置在所述顶幕4的后方两侧；
所述主摄像头6、辅助摄像头7均为红外发射摄像头。所述光学发射摄像头的有效捕捉距离
为4.5米以内，最佳捕捉距离为3.5～4.5米，经过光学跟踪光路图模拟试验证明，这种安装
结构既能保证画面的完整性，又能保证最大限度的操作者的有效活动范围。

[0037] 进一步地，所述左幕2的前上方、前下方以及右幕3的前上方、前下方分别设有4个用于安装所述主摄像头6的安装孔；所述安装孔为斜锥形安装孔8，通过设置所述斜锥形安
装孔8，便于调节摄像头的拍摄角度；其中，前上方定义为靠近正幕1的一边的上方，前下方
定义为靠近正幕1的一边的下方；所述正幕1、左幕2、右幕3、顶幕4和地幕5均安装在用于承
载屏体的钢结构架上，所述钢结构架的正面用于安装屏体，所述钢结构架的背面通过木板
封装。开孔时，所述斜锥形安装孔8的开孔方向始终对着操作者佩戴的标记设备(即主摄像
头6始终对着操作者的双眼方位)，操作者站在与正幕1距离2m左右的位置；所述斜锥形安装
孔8占据了约30*30个像素点。

[0038] 所述斜锥形安装孔8位于屏幕正面的圆孔直径为45mm，位于屏幕背面的圆孔直径可根据摄像头可调节角度灵活设定，角度越大，该圆孔直径越大；位于左幕2/右幕3上方的
斜锥形安装孔8朝向下开孔，位于左幕2/右幕3下方的斜锥形安装孔8朝向上开孔，方便调节
摄像头的方向更好的捕捉到目标标记设备。

[0039] 所述2个辅助摄像头7通过云台9安装在所述顶幕4后方，所述云台9通过焊接方式安装在所述顶幕4上，所述云台9为方向可调节的云台9；其中，顶幕4后方定义为顶幕4上远
离正幕1的一端；所述2个辅助摄像头7用于在操作者侧身或者转身动作时，对操作者的动作
进行捕捉。

[0040] 如图4所示，与上述一种用于五面LED‑CAVE的信号同步显示系统相对应的，本实施例还提供了一种用于五面LED‑CAVE的信号同步显示方法，具体包括以下步骤：

[0041] S1，根据五面LED‑CAVE显示屏的尺寸选用8台高性能图形渲染工作站，并将其中7台图形渲染工作站分配给5个屏幕，将剩下的一台图形渲染工作站作为主控机；

[0042] S2，将8台图形渲染工作站的同步卡通过网线串联，并将主控机与光学跟踪定位系统的主机连接；

[0043] S3，根据5个屏幕的尺寸大小，在主控机上配置各个图形渲染工作站的分辨率及渲染面积大小；

[0044] S4，通过光学定位跟踪系统获取3D眼镜及操作手柄的空间位姿信息；

[0045] S5，主控机根据3D眼镜及操作手柄的空间位姿信息生成两组画面图像，并控制7台图形渲染工作站同时启动虚拟现实程序，将两组画面图像同步地在五面LED‑CAVE显示屏上
交替显示；

[0046] S6，主控机根据两组画面图像交替显示的频率控制3D信号发射器发射控制信号；

[0047] S7，3D眼镜根据所述控制信号控制左右两个镜片切换显示，所述3D眼镜两个镜片切换显示的频率与两组画面图像交替显示的频率保持同步，用户即可体验到沉浸式虚拟现
实场景。

[0048] 具体地，本实施例中，所述正幕1尺寸为4200*2700mm，所述左幕2尺寸为2400*2700mm，所述右幕3尺寸为2400*2700mm，所述地幕5尺寸为4500*2500mm，所述顶幕4尺寸为
4200*2362.5mm；根据所述正幕1的尺寸可以计算出所述正幕1的分辨率为2688*1728，同理
可计算出左幕2、右幕3的分辨率为1536*1728；所述顶幕4的分辨率为2688*1512，所述地幕5
的分辨率为1536*1728；所述正幕1采用两台HPZ840高性能图形渲染工作站，所述左幕2和右
幕3各采用一台HPZ840高性能图形渲染工作站，所述顶幕4采用两台HPZ840高性能图形渲染
工作站，所述地幕5采用一台HPZ840高性能图形渲染工作站。所述正幕1、顶幕4、左幕2、右幕
3的像素间距为1.562mm，所述地幕5的像素间距为4.8mm。

[0049] 尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换
和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。