概述
頭盔顯示器是虛擬現(xiàn)實應用中的3DVR圖形顯示與觀察設備，可單獨與主機相連以接受來自主機的3DVR圖形信號。使用方式為頭戴式，輔以三個自由度的空間跟蹤定位器可進行VR輸出效果觀察，同時觀察者可做空間上的自由移動，如；自由行走、旋轉等，沉浸感極強，在VR效果的觀察設備中，頭盔顯示器的沉浸感優(yōu)于顯示器的虛擬現(xiàn)實觀察效果，遜于虛擬三維投影顯示和觀察效果，在投影式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中，頭盔顯示器作為系統(tǒng)功能和設備的一種補充和輔助。
簡介
頭盔顯示器（HMD，Head Mounted Display）的原理是將小型2維顯示器所產生的影像藉由光學系統(tǒng)放大。具體而言，小型顯示器所發(fā)射的光線經過凸狀透鏡使影像因折射產生類似遠方效果。利用此效果將近處物體放大至遠處觀賞而達到所謂的全像視覺（Hologram）。液晶顯示器（早期用小型陰極射線管，最近已有應用有機電致發(fā)光顯示器件）的影像通過一個偏心自由曲面透鏡，使影像變成類似大銀幕畫面。由于偏心自由曲面透鏡為一傾斜狀凹面透鏡，因此在光學上它已不單是透鏡功能，基本上已成為自由面棱鏡。當產生的影像進入偏心自由曲面棱鏡面，再全反射至觀視者眼睛對向側凹面鏡面。側凹面鏡面涂有一層鏡面涂層，反射同時光線再次被放大反射至偏心自由曲面棱鏡面 ，并在該面補正光線傾斜，達到觀視者眼睛。
設計
頭盔顯示器的光學技術設計和制造技術日趨完善，不僅作為個人應用顯示器，它還是緊湊型大屏幕投影系統(tǒng)設計的基礎，可將小型LCD顯示器件的影像透過光學系統(tǒng)做成全像大屏幕。除了在現(xiàn)代先進軍事電子技術中得到普遍應用成為單兵作戰(zhàn)系統(tǒng)的必備裝備外，還拓展到民用電子技術中，虛擬現(xiàn)實電子技術系統(tǒng)首先應用了頭盔顯示器。近期新一代家用仿真電子游戲機和步行者DVD影視系統(tǒng)的出現(xiàn)就是頭盔顯示器的普及推廣應用的實例。
技術進展
早在1968年，美國ARPA信息處理技術辦公室主任Ivan Sutherland建立了“達摩克里斯之劍”頭盔顯示器，它被認為是世界上第一個頭盔顯示器它能顯現(xiàn)二維圖像，沒有浸沉感，用戶只能看到的線框圖疊加在真實環(huán)境之上。采用傳統(tǒng)的軸對稱光學系統(tǒng)，體積和重量都較大。1975年J.H.Clark利用Ivan Sutherland設計的頭盔顯示設備和Utah大學開發(fā)的機械Wand建立了一個曲面設計的交互環(huán)境。由于當時的相關技術還不成熟，并沒有產生廣泛的影響，但這已是3D交互技術的雛形。是進入虛擬技術(virtual reality，簡稱VR)應用的前奏。
1982年
Thomas Furness III 展示了帶有6個自由度跟蹤定位的頭盔顯示器（HMD），從而使用戶完全脫離的周圍環(huán)境。1984年，Michael McGreevy在NASA Ames創(chuàng)建了并不昂貴的三維立體HMD。1985年，Scott Fisher 在NASA繼續(xù)三維立體HMD工程的發(fā)展，創(chuàng)建了由操作者位置、聲音和手勢控制，帶有廣角立體顯示的頭盔式顯示系統(tǒng)。與之同時，VPL研究小組研制出了數(shù)據(jù)手套，能夠用來測量每個手指關節(jié)的彎曲程度。1986年末，NASA的一個研究小組集成了一個VR 的3D環(huán)境，用戶可以用手抓住某個虛擬物體并操縱它，可以用手勢和系統(tǒng)進行初步交流。
1994年
加拿大Albert大學的M.Green教授重新在該方向上開展了研究，得到了各方面的高度重視。現(xiàn)在University of Wisconsion-Madison，Washington State University，Brigham Young University, SUNY at Buffalo, University of Clemenson均開始該方向的研究。
University of Wisconsion-Madison的初期研究表明，在VR環(huán)境下利用3D交互技術進行設計工作會提高設計效率10-30倍。VR的應用還使得高難度駕駛技術的培訓效率大幅提高，成為必備手段。
軍用頭盔顯示器
1968年，世界上第一個頭盔顯示器，即如上所述的美國ARPA信息處理技術辦公室主任Ivan Sutherland開發(fā)的“達摩克里斯之劍”頭盔顯示器，就是軍用頭盔顯示器。新世紀，未來“理想單兵作戰(zhàn)武器平臺系統(tǒng)”的發(fā)展格外引人注目。新理念、新原理、新結構、新功能、新工藝等交相輝映；夜視技術、激光技術、計算機技術、光學技術、新材料技術等廣泛運用，使得傳統(tǒng)士兵作戰(zhàn)單元概念產生了質的飛躍，作為終端顯示輸出的頭盔顯示器的地位顯得越發(fā)重要，它是不可缺少的重要部件之一。原先主要為戰(zhàn)機和戰(zhàn)車駕駛員配備，而未來，一個士兵就相當于一個作戰(zhàn)平臺，而一個單兵武器作戰(zhàn)平臺就是一個“士兵作戰(zhàn)系統(tǒng)”。
而今，世界一些發(fā)達國家都在緊鑼密鼓地制定和組織實施“士兵作戰(zhàn)系統(tǒng)”發(fā)展計劃。于是，適應各自國情的單兵作戰(zhàn)武器系統(tǒng)平臺異軍突起。現(xiàn)在的頭盔系統(tǒng)已成為士兵的“外腦”。頭盔殼作為一個系統(tǒng)平臺，用以安裝通信裝置、聽力增強裝置、整體式夜視/夜間機動性傳感器、高分辨率顯示器等裝備。士兵通過顯示器可對戰(zhàn)場進行掃描，在各種復雜條件下都能捕捉到目標圖像，并允許士兵從頭頂、掩體后方和建筑物周圍進行"拐彎"射擊，不需暴露自己便可準確攻擊目標。目前，美、英、法等國家的綜合頭盔都有了很大突破，從而使單兵武器作戰(zhàn)平臺發(fā)揮出更大的威力。
民用頭盔顯示器
頭盔顯示器在虛擬技術應用系統(tǒng)中的地位十分重要，統(tǒng)計表明，普通人從外部世界獲取信息的80%來自視覺，如何實時地生成大規(guī)模復雜虛擬環(huán)境的立體畫面仍然是當前虛擬現(xiàn)實(virtual reality，簡稱VR)研究中亟待解決的問題。虛擬現(xiàn)實的三項指標：實時性(real time)、沉浸性(immersion)和交互性(interactivity)。所謂實時性是指虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)能按用戶當前的視點位置和視線方向，實時地改變呈現(xiàn)在用戶眼前的虛擬環(huán)境畫面，并在用戶耳邊和手上實時產生符合當前情景的聽視和觸覺/力覺響應。所謂沉浸性是指用戶所感知的虛擬環(huán)境是三維的、立體的，其感知的信息是多通道的。所謂交互性是指用戶可采取現(xiàn)實生活中習以為常的方式來操縱擬場景中的物體，并改變其方位、屬性或當前的運動狀態(tài)。
現(xiàn)有的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)按硬件組成可分成三類：頭盔式顯示器是最早的VR顯示器，它利用頭盔將人的對外界的視覺、聽覺封閉起來，引導用戶產生一種身在虛擬環(huán)境中的感覺。目前的頭盔式顯示器的分辨率已達到1024×768，可為用戶提供清晰的虛擬場景畫面。按應用場合主要分為投資類和消費娛樂類兩種。前者主要有汽車和飛機虛擬現(xiàn)實CAD設計系統(tǒng)，世界著名大廠商已經廣泛采用，我國也在開發(fā)此系統(tǒng)。但用量有限，大量應用主要還是消費類娛樂視聽產品。
在2006年的CES展會上，eMagin發(fā)布了世界上第一款支持3D功能的頭戴顯示器“eMagin Z800 3D Visor”，這款產品通過左右眼分別顯示的方式“制造”出立體的畫面，由于左右畫面分開不會相互影響，也不需要畫面遮擋，所以可以營建出近乎完美的3D立體視覺效果。這款產品的售價為899美元，成熟度很高，如果要說缺憾，那便是只支持800×600的分辨率。
2008年，eMagin公司將小尺寸OLED面板的分辨率推高到SXGA級別（1280×1024），并于2008年10月22～23日在英國倫敦舉行的“Night Vision 2008”上進行了展示。這款產品的物理尺寸為0.44英寸，亮度100c d/m2，各項指標都比較優(yōu)秀。若采用這種面板，頭戴式顯示器便可以支持1280×1024分辨率。在當時，這是比較理想的指標。盡管產品林林總總，但并沒有哪一款產品真正進入到大眾的視野，除了自身的原因外，應用需求不足、產品缺乏配套支持也是一大主因。比如最早帶來3 D顯示功能的eMagin公司并非游戲廠商，這讓它在產品推廣時倍感困難，很難為用戶所接受。
2011年底，在頭戴式顯示領域熄火良久的索尼卷土重來，這一次它帶來的HMZ-T1堪稱重量級產品：1280×720分辨率、3D顯示功能，以及索尼PS3、索尼影業(yè)等諸多輔助支持，將共同打造一場頭戴式顯示器的應用革命。HMZ-T1的外觀非常前衛(wèi)，它的核心組件是眼鏡式的顯示系統(tǒng)，盡管這個顯示系統(tǒng)看起來只是在方寸之間，左右眼的顯示屏都是一塊眼鏡鏡片的尺度，但當你戴上它時，它可以提供長達20米的視覺成像距離，而成像的畫面尺寸高達750英寸，提供1280×720的分辨率。最讓人幸福的還是它可以提供極其逼真且無閃爍的3D顯示畫面，視覺效果令人震撼，這款產品也因此被比喻為專屬個人的3D IMAX影院。除了3D電影播放以外，HMZ-T1也是一款適合游戲的3D顯示器，配合索尼PS3游戲機，玩家可以在角落里安然體驗真實3D環(huán)繞的極致體驗。
2012年1月底，美國Silicon Micro Display（SMD）公司發(fā)布了一款真正的1080p全高清3D頭戴式顯示器-ST1080。ST1080的顯示屏并不是采用OLED，而是采用兩塊0.74英寸的LCOS硅基液晶來成像——這種技術在投影儀中廣泛采用，它可以在很小的尺寸內做到超高分辨率。單從硬件上比，ST1080看來是完勝索尼的HMZ-T1，它同樣是由佩戴眼鏡和控制器構成，但頭戴眼鏡的重量只有驚人的180克，尺寸精悍、造型簡約，相比之下，索尼HMZ-T1的重量達到420克，必須采取舒適的姿勢才能夠長時間佩戴。ST1080的控制器也十分緊湊，它的重量只有106克，采用U S B接口供電，外掛的電池包可以提供5小時的連續(xù)使用時間，這就意味著ST1080可以在移動環(huán)境下使用。ST1080的規(guī)格指標相當強勁，它的分辨率達到全高清的1920×1080標準，可以給用戶提供3米距離觀看100英寸圖像的視覺效果；另外它的亮度指標達到120cd/m2，對比度達到1200：1，色彩十分艷麗。到目前為止，ST1080尚未出現(xiàn)在市場上，SMD公司只是在官網上預先發(fā)售，倘若產品與官方宣傳的“效果完美”一樣，那么799美元的價格的確富有吸引力。
主要代表品牌
Fakespace、Sensics、Rockwell、Daeyang、Cybermind、5DT、NVIS等等。
