眼睛是人类接收外部信息最直接、最重要的感觉器官，特别是对周围环境的感知。人在虚拟世界中获得的沉浸感主要依赖于人类的视觉效应，而要产生和模拟现实世界的环境，专业的立体图像显示设备无疑可以直接增强参与者在虚拟环境中视觉沉浸感的逼真程度。
为了构建视觉三维环境，虚拟现实硬件系统需要采用立体图像显示设备。作为立体显示设备，目前有固定式、头盔式和手持式三大类。此外，随着科技创新，全息投影技术也快速崭露头角，更是给人耳目一新的感觉。
1.固定式立体显示设备
固定式立体显示设备通常会被安装在某一位置，具有不可移动性或不必要移动的特点。
(1)台式VR显示设备。台式VR显示设备一般使用标准的计算机监视器，配合双目立体眼镜组成。这种立体显示器＋辅助眼镜的组合模式属于一种低成本、单用户、非沉浸式的立体显示形式，一般不适合多用户的协同工作模式。根据监视器的数量多少，台式VR显示设备可以分为单屏式和多屏式两类，如图7-11所示。工作时，监视器屏幕以2倍于正常扫描的速度刷新频率，计算机交替显示左、右眼两幅视图，计算机传送的左、右眼两幅视图之间存有轻微偏差，如果用户裸眼观看，会有重影的感觉，而佩戴立体眼镜之后，左、右眼只能看到屏幕上显示的对应视图，最终在人眼视觉系统中形成立体图像。此外，还可以使用放置在监视器上的视频摄像机或直接嵌入眼镜中的跟踪设备来跟踪用户的头部，通过图像处理确定其方位，由此改变绘制的场景进行显示。
图7-11 台式VR显示设备
台式VR显示设备是最简单、最便宜的VR视觉显示模式，是一种早期的技术。用户只有面向视屏时才能看见三维世界，而周围的真实环境会不断影响用户的观察效果，因此缺乏沉浸感。另外，如果长时间观看，容易使人眼产生疲劳。
(2)投影式VR显示设备。投影式VR显示设备使用的屏幕比台式VR显示设备大得多，一般可以通过并排放置多个显示器创建大型显示墙，或通过多台投影仪以背投的形式投影在环幕上，各屏幕同时显示从某一固定观察点看到的所有视像，由此提供一种全景式的环境。
典型的投影式VR显示设备包括墙式、响应工作台式和洞穴式3种。
①墙式投影显示设备。墙为投影面的墙式投影显示设备在工作形式上类似于背投式的放映电影模式，可以多人共享虚拟环境。墙式投影显示设备可分为单通道立体投影系统和多通道立体投影系统。
单通道立体投影系统一般以一台图形工作站为实时驱动平台，两台叠加的立体专业LCD投影仪作为投影主体，在显示屏上显示一幅高分辨率的立体投影影像。系统是一种具有极好性价比的小型虚拟三维投影显示系统，被广泛应用于高等院校和科研院所的虚拟现实实验室中。
多通道立体投影系统用巨幅平面投影结构来增强沉浸感，配备了完善的多通道声响及多维感知性交互系统，充分满足虚拟现实技术的视、听、触等多感知应用需求，是理想的设计、协同和展示平台。在多通道立体投影技术支撑下，目前墙式投影拥有平面、柱面和球面的屏幕形式。
②响应工作台式显示设备。响应工作台一般由投影仪、反射镜和显示屏组成。投影仪将立体图像投射到反射镜面上，再由反射镜将图像反射到显示屏上。显示屏同时也用作桌面，可以将虚拟对象或各种控制工具成像在上面，用户通过佩戴立体眼镜和其他交互设备即可观看和控制立体的虚拟对象。
从技术特点看，该系统由计算机通过多传感器交互通道向用户提供视觉、听觉，触觉等多模态信息，站在显示器周围的多个用户佩戴立体眼镜，可以同时在立体显示屏中看到三维对象悬浮在工作台上面，虚拟景象具有较强的立体感。适合于辅助教学、产品演示等场景。
③洞穴式投影显示设备。洞穴式虚拟现实展示系统简称CAVE(Cave Automatic Virtual Environment)，最早在美国的伊利诺伊大学芝加哥分校的一项研究课题中提出，其后逐渐发展成沉浸式VR系统中一种典型的立体显示技术，CAVE作为一种先进的可视化系统，具有清晰度高、沉浸感强、立体感强等特点。如图7-12所示为洞穴式投影显示设备。
从技术上看，CAVE就是由投影显示屏包围而成的一个立体空间(洞穴)。由于CAVE投影面几乎覆盖了用户的所有视野，CAVE能提供给用户一种前所未有的极具震撼效果的、身临其境的沉浸感受。用户在洞穴空间中不仅感受到周围环境的影响，还可以获得高仿真的三维立体视听的声音，同时，更可以利用相应的跟踪器和交互设备实现6个自由度的交互感受。
总体来说，投影式VR系统价格较昂贵，安装和维护成本较高，对跟踪器的跟踪范围要求较高，且屏幕的无缝拼接技术也是一个关键问题，也需要佩戴特制眼镜辅助观看。但是它非常适合各种模拟与仿真、游戏等，更可满足科研方面的VR实现。
(3)三维立体眼镜。即3D眼镜，采用了先进的“时分法”，通过3D眼镜与显示器同步的信号来实现。当显示器输出左眼图像时，左眼镜片为透光状态，而右眼为不透光状态，而输出右眼图像时，右眼镜片透光而左眼不透光，这样两只眼睛就看到了不同的画面，从而可以实现三维模拟场景VR效果的观察，增加沉浸感。
图7-12 洞穴式投影显示设备(CAVE)(www.xing528.com)
(4)三维显示器。三维显示器指的是直接显示虚拟三维影像的显示设备，用户无须佩戴立体眼镜等装置就可以看到立体影像，因此它又有“裸眼立体显示”或真3D技术的名称，如图7-13所示。实质上，它是建立人眼立体视觉机制上的新一代自由立体显示设备。它能够出色地利用多通道自动立体实现技术，不需要借助任何助视设备(如3D眼镜、头盔显示器等)，即可获得具有较完整深度信息的图像。
图7-13 三维显示器示意图
人类天生的平行双眼观察世界时提供了两幅具有位差的图像，映入双眼后即形成了立体视觉所需的视差，这样经视神经中枢的融合反射以及视觉心理认同，便产生了三维立体感觉。利用这个原理，如果显示器将两幅具有位差的左图像和右图像分别呈现给左眼和右眼，就能获是3D的感觉。
为了突破早期的佩戴补色眼镜的传统模式，自由立体显示已经成为现代显示技术的发展方向。
2.头盔显示器
头盔显示器(Head Mounted Display，HMD)简称头显，是沉浸式虚拟现实系统中最主要的硬件设备之一。通过头盔设备，用户可以很好地体验到三维视觉场景效果。HMD通常是固定于用户的头部，随头部的运动而运动，并装有位置跟踪器，能够实时检测出头部的位置和朝向，并输入到计算机中。计算机根据这些数据的反馈控制用两个LCD或CRT显示，分别向左右眼睛传递虚拟现实中的场景图像。因屏幕上的两幅图像存在差异，类似人类的双眼视差，大脑最终合成这两幅图像后获得三维立体效果。
头盔显示器主要分为外接式VR头显、一体式VR头显和移动端头显设备。外接式VR头显依靠外接电脑、主机等设备为运行系统的VR显示头盔。平台内容的技术含量高。产品有Oculus Rift，HTC Vive等。如图7-14所示为HTC Vive和Oculus Rift两款头盔显示器。一体式VR头显即VR一体机，是将内容平台与显示设备融合制作在一起的VR独立平台。平台兼顾了便携性与功能性。
移动端头显设备主要是依靠镜片为技术核心，借助手机这一外部设备，让用户的眼睛处在一个黑色的封闭空间里即可进行视觉体验。产品有Google Cardboard等。
图7-14 头盔显示器
自从1968年Ivan Sutherland率先提出了头盔显示器的概念以来，人们已经陆续开发了一系列通用和专用产品。虽然在形状、大小、结构、显示方式、性能及用途等方面存在很大的不同，但其原理类似，主要由显示屏和特殊的光学透镜这两部分组成。此外，VR系统的实时显示特性要求计算机根据用户头部的运动位置，相应地改变视野中的三维场景。因而，头部位置跟踪定位器也经常被安装在HMD上，其性能的好坏将直接影响到实时图像的生成。
3.手持式立体显示设备
手持式VR立体显示设备通常屏幕较小，只能展示小型的3D视频动画，目前常见的设备如智能手机、平板电脑等。它利用某种跟踪定位器和图像传输技术实现立体图像的显示和交互作用，可以将额外的数据添加到真实世界的视图中，用户可以选择观看这些信息，也可以忽略它们而直接观察真实世界，一般适用于增强式VR系统中。
手持式VR立体显示设备目前还处于实验研究阶段，存在着许多实际的技术难题，但其应用价值非常高。
4.全息投影显示设备
全息摄像的概念很早就被提出，但是发展到数字全息投影则是最近的科技成果。全息投影展现的3D场景效果不同于VR投影墙技术，全息投影所营造的场景3D视觉更好，观众可以360度环绕3D场景周围，从各个角度观看。同时，观众即使只用一只眼睛观看，也有很好的3D效果。
杭州G20晚会美轮美奂的《梁祝》，2015年春晚上《蜀绣》等类似魔术表演的舞台效果，这些都是全息投影技术应用的结果。如图7-15所示为杭州G20晚会表演节目《梁祝》。
图7-15 杭州G20晚会《梁祝》的全息投影技术应用
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