虚拟装配是虚拟现实技术在工业领域的重要应用之一,为解决复杂产品的装配工艺设计问题提供了经济有效的解决途径。虚拟装配的沉浸性能直接影响其实际应用效果。然而,传统虚拟装配系统的沉浸感不足,难以反映实际装配过程中的问题。随着科学技术的发展,人们开发出具有高度沉浸式虚拟装配环境,但是由于系统的构建耗资巨大,且多种关键技术尚不完善,无法满足装配设计的实际需求。因此,迫切需要引入新的方法和手段,建立具有高度沉浸感的、低成本的虚拟装配环境系统,以获得具有实际指导意义的装配方案。本文建立了一个新型的具有高度沉浸感的虚拟装配系统,设计了系统的总体硬件结构,并对相关功能模块的关键技术进行研究。该系统通过多个投影机和所研制的大型球面屏幕组成的投影系统为操作者提供360°全景展示画面,具有高度的沉浸感和广阔的操作空间,能够满足产品虚拟装配设计的要求。研制出一种低成本的立体图像分配器,通过基于低端硬件的立体投影显示系统,实现了球面屏幕的立体投影显示。在该系统中,首先建立立体像对生成的数学模型,并采用Off-axis算法实现立体场景源图像的获取,经过立体图像分配器的处理后生成满足投影显示的立体视对图像,以增强虚拟装配系统的沉浸感。针对平面图像投影到球面屏幕上发生变形的情况,提出了一种非线性几何拼接校正方法。该方法建立球面投影的数学模型,求解投影机在球幕上的最大显示区域,并利用相机获取最大区域内的标准网格图案,确定投影机与显示屏幕之间的几何关系,由双向曲线法逆运算求解双三次NURBS曲面的控制点阵,初步获得满足多投影显示的几何校正图像,再通过NURBS曲面的局部可修改特性进行图像重叠部分的拼接校正,实现了高精度、无缝的球面多投影显示。在分析球面屏幕多投影显示图像之间颜色差异原因的基础上,提出了一种适用于球面多投影显示的全局颜色校正方法。该方法采用基于相机的HDR图像处理技术重建所有投影机显示图像的亮度响应值,并针对球面背投显示模式的特点,从人对颜色视觉感知的角度出发,进行三个方面的全局颜色校正处理,包括全局的亮度均匀化、边缘亮度融合和色彩度的公共ITF匹配,实现了在视觉感知上统一的球面多投影显示效果。研究了球面投影图像的场景显示技术,在并行绘制环境下建立球面图像分割模型,根据球面多投影空间的实际布局情况,设计出满足球面多投影拼接显示的分割方案,通过球面投影图像的区域划分设计,使得经过几何拼接校正后的显示图像具有良好的连续性。基于sort-first并行绘制系统实现场景的并行渲染,并实现系统视觉显示各功能模块的集成处理,考虑到三维交互操作和场景漫游的同步显示要求,采用有效的同步控制技术实现场景动态显示的逻辑统一。最后开发了卫星虚拟装配系统,将本文所研究的关键技术用于系统的场景显示中,通过实际的投影验证了所提出理论方法的合理性和有效性。实验结果表明所建立的球面虚拟装配系统具有高度的沉浸性能,可用于产品的虚拟装配设计。