2016年虛擬現(xiàn)實系列項目可行性分析報告

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)專心-專注-專業(yè)精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)2016年虛擬現(xiàn)實系列項目可行性分析報告【本文為WORD格式，下載后可自由編輯】提要：本分析報告較全面地介紹了目前國內(nèi)外虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r、應(yīng)用前景和市場現(xiàn)狀，著重分析了虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的核心技術(shù)及其實現(xiàn)方案，并做出了幾個較為可行的應(yīng)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)的項目策劃題案。本文的結(jié)論是：目前是投入虛擬現(xiàn)實技術(shù)產(chǎn)業(yè)的最佳時機，這是一個可以大展宏圖的產(chǎn)業(yè)。誰能抓住這個機會，將開辟一個嶄新的產(chǎn)業(yè)和市場，并有可能成為國內(nèi)這個未來最具前景行業(yè)的領(lǐng)頭企業(yè)。目 錄1虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)簡介2虛擬現(xiàn)實在

2、國內(nèi)外的發(fā)展概況2. 1美國的研究狀況2. 2日本的研究狀況2. 3英國的研究與開發(fā)2. 4國內(nèi)研究狀況3 虛擬現(xiàn)實技術(shù)和產(chǎn)品的應(yīng)用前景3. 1軍事訓(xùn)練3. 2教育應(yīng)用3. 3工程應(yīng)用3. 4商業(yè)應(yīng)用3. 5游戲娛樂3. 6其他應(yīng)用4 市場分析5 虛擬現(xiàn)實技術(shù)和產(chǎn)品的實現(xiàn)方案5. 1頭盔顯示器（或3D目鏡）5. 2數(shù)據(jù)手套5. 3力（觸覺）反饋裝置6虛擬現(xiàn)實項目策劃6. 1世界風(fēng)景主題餐廳6. 2遙控虛擬飛行旅游系統(tǒng)6.3虛擬現(xiàn)實健身器材7 投資分析一 虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)簡介虛擬現(xiàn)實，英文稱為Virtual Reality(VR)，即利用計算機發(fā)展中的高科技手段構(gòu)造出一個虛擬的境界，使參與者獲得與現(xiàn)

3、實一樣的感覺。虛擬現(xiàn)實是一個在當(dāng)今國際上倍受關(guān)注的課題。如果真正實現(xiàn)了虛擬現(xiàn)實，那么對整個人類的生活與發(fā)展將會發(fā)生很大的變革。我們可以設(shè)想這樣一幅情景：當(dāng)你戴上特制的頭盔與手套后，你就發(fā)現(xiàn)你已置身于一個不受時空限制的歷史的博物館中，當(dāng)你向前行走或者轉(zhuǎn)頭時，你所看見的景象也會隨之改變，你可穿過大廳，推開前面的大門；而當(dāng)你看見一件精美的展品時，你甚至可以上上下下、里里外外仔細(xì)地觀摩.這就是虛擬現(xiàn)實技術(shù)給你帶來地一切近乎完美的真實感覺。虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的最大特點在于它與用戶的直接交互性。在系統(tǒng)中，用戶可以直接控制對象的各種參數(shù)，如：運動方向、速度等，而系統(tǒng)也可以向用戶反饋信息，如：模擬駕駛系統(tǒng)中兩車相撞

4、，用戶會感覺到震顫，車在抖動。經(jīng)過不平路面時，汽車會顛簸。這種交互性粗看只是一個技術(shù)上的變化，但它出現(xiàn)以后，“以計算機為主體”的看法逐漸被人們所拋棄，大多數(shù)人開始接受“人是信息環(huán)境的主體”這一思想。虛擬現(xiàn)實技術(shù)具有以下三個基本特征：1沉浸性。虛擬現(xiàn)實技術(shù)是根據(jù)人類的視覺、聽覺的生理心理特點，由計算機產(chǎn)生逼真的三維立體圖像使用者戴上頭盔顯示器和數(shù)據(jù)手套等交互設(shè)備，便可將自己置身于虛擬環(huán)境中，成為虛擬環(huán)境中的一員。使用者與虛擬環(huán)境中的各種對象的相互作用，就如同在現(xiàn)實世界中的一樣。當(dāng)使用者移動頭部時，虛擬環(huán)境中的圖像也實時地跟隨變化，拿起物體可使物體隨著手的移動而運動，而且還可以聽到三維仿真聲音。使

5、用者在虛擬環(huán)境中，一切感覺都是那么逼真，有一種身臨其境的感覺。2交互性。虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中的人機交互是一種近乎自然的交互，使用者不僅可以利用電腦鍵盤、鼠標(biāo)進行交互，而且能夠通過特殊頭盔、數(shù)據(jù)手套等傳感設(shè)備進行交互。計算機能根據(jù)使用者的頭、手、眼、語言及身體的運動，來調(diào)整系統(tǒng)呈現(xiàn)的圖像及聲音。使用者通過自身的語言、身體運動或動作等自然技能，就能對虛擬環(huán)境中的對象進行考察或操作。3多感知性。由于虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中裝有視、聽、觸、動覺的傳感及反應(yīng)裝置，因此，使用者在虛擬環(huán)境中可獲得視覺、聽覺、觸覺、動覺等多種感知，從而達到身臨其境的感受。虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)按其功能不同，可分成三種類型。1沉浸型虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)。沉浸型

6、虛擬系統(tǒng)是一套比較復(fù)雜的系統(tǒng)。使用者必須頭戴頭盔、手帶數(shù)據(jù)手套等傳感跟蹤裝置，才能與虛擬世界進行交互。由于這種系統(tǒng)可以將使用者的視覺、聽覺與外界隔離，因此，用戶可排除外界干擾，全身心地投入到虛擬現(xiàn)實中去。這種系統(tǒng)的優(yōu)點是用戶可完全沉浸到虛擬世界中去，缺點是系統(tǒng)設(shè)備價格昂貴，難以普及推廣。2簡易型虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)。簡易型虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)由一臺普通的計算機系統(tǒng)組成，使用者通過鍵盤、鼠標(biāo)便可與虛擬環(huán)境進行交互。例如蘋果公司推出的快速虛擬系統(tǒng)(Quick Time VR)，是采用360度全景拍攝來生成逼真的虛擬情景，用戶在普通的電腦上，利用鼠標(biāo)和鍵盤，就能真實地感受到所虛擬的情景。這種系統(tǒng)的特點是結(jié)構(gòu)簡單、價

7、格低廉，易于普及推廣，是一套經(jīng)濟實用的系統(tǒng)。3共享型虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)。共享型虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)是利用遠程網(wǎng)絡(luò)，將異地的不同用戶聯(lián)結(jié)起來，共享一個虛擬空間，多個用戶通過網(wǎng)絡(luò)對同一虛擬世界進行觀察和操作，達到協(xié)同工作的目的。例如，異地的醫(yī)科學(xué)生，可以通過網(wǎng)絡(luò)，對虛擬手術(shù)室中的病人進行外科手術(shù)。關(guān)于從技術(shù)角度來認(rèn)識以人為主的信息環(huán)境，美國科學(xué)家柏迪有一個精辟的論述，他在1993年的世界電子學(xué)年會上所發(fā)表的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)及其應(yīng)用一文中，提出一個“虛擬現(xiàn)實技術(shù)的三角形”，它簡明地表示了虛擬現(xiàn)實技術(shù)的特征，即：三個“I”(Immersion沉浸感、Interaction交互操作、Imagination思維構(gòu)想)。這三

8、個“I”是虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的三個基本特征,其中人的感受在整個系統(tǒng)中是最重要的，強調(diào)了人在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中的主導(dǎo)作用。二 虛擬現(xiàn)實在國內(nèi)外的發(fā)展概況1美國的研究狀況美國是VR技術(shù)的發(fā)源地。美國VR研究技術(shù)的水平基本上就代表國際VR發(fā)展的水平。目前美國在該領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究主要集中在感知、用戶界面、后臺軟件和硬件四個方面。美國宇航局 （NASA）的Ames實驗室完善了頭盔顯示器（HMD）；并將VPL的數(shù)據(jù)手套工程化，使其成為可用性較高的產(chǎn)品。NASA研究的重點放在對空間站操縱的實時仿真上，大多數(shù)研究是在NASA的約翰遜空間中心完成的。他們大量運用了面向座艙的飛行模擬技術(shù)。NASA完成的一項著名的工作是對哈勃

9、太空望遠鏡的仿真。NASA的Ames現(xiàn)在正致力于一個叫“虛擬行星探索”（VPE）的試驗計劃，這一項目能使“虛擬探索者”（Virtual Explorer）利用虛擬環(huán)境來考察遙遠的行星，他們的第一個目標(biāo)是火星。現(xiàn)在NASA己經(jīng)建立了航空、衛(wèi)星維護VR訓(xùn)練系統(tǒng)，空間站VR訓(xùn)練系統(tǒng)，并且已經(jīng)建立了可供全國使用的VR教育系統(tǒng)。在科技和民用方面，他們主要研究：分子建模、航空駕駛、外科手術(shù)仿真、建筑仿真等。在顯示技術(shù)上，UNC開發(fā)了一個幫助用戶在復(fù)雜視景中建立實時動態(tài)顯示的并行處理系統(tǒng)，叫做像素飛機（Pixel planes）。大學(xué)醫(yī)學(xué)中心成功地將計算機圖形及VR的設(shè)備用于探討與神經(jīng)疾病相關(guān)的問題。他們以

10、數(shù)據(jù)手套為工具，將手的運動實時地在計算機上用圖形表示出來；SRI研究中心建立了“視覺感知計劃”，研究現(xiàn)有VR技術(shù)的進一步發(fā)展。1991年后，SRI進行了利用VR技術(shù)對軍用飛機或車輛駕駛的訓(xùn)練研究，試圖通過仿真來減少飛行事故。另外，SRI還利用遙控技術(shù)進行外科手術(shù)仿真的研究。華盛頓大學(xué)華盛頓技術(shù)中心的人機界面技術(shù)實驗室（HIT Lab）在新概念的研究中起著領(lǐng)先作用，同時也在進行感覺、知覺、認(rèn)知和運動控制能力的研究。HIT將VR研究引入了教育、設(shè)計、娛樂和制造領(lǐng)域。例如，波音公司的V22運輸機就是先在實驗室中造出虛擬機后再投入生產(chǎn)的。2日本的研究狀況在當(dāng)前實用虛擬現(xiàn)實技術(shù)的研究與開發(fā)中日本是居于領(lǐng)

11、先位置的國家之一，主要致力于建立大規(guī)模VR知識庫的研究。另外在虛擬現(xiàn)實的游戲方面的研究也做了很多工作。但日本大部分虛擬現(xiàn)實硬件是從美國進口的。NEC公司計算機和通信分部中的系統(tǒng)研究實驗室開發(fā)了一種虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，它能讓操作者都使用“代用手”去處理三維CAD中的形體模型，該系統(tǒng)通過VPL公司的數(shù)據(jù)手套把對模型的處理與操作者手的運動聯(lián)系起來。日本國際工業(yè)和商業(yè)部的工業(yè)科學(xué)和技術(shù)代辦處經(jīng)營的產(chǎn)品科學(xué)研究院開發(fā)了一種采用X、Y記錄器的受力反饋裝置。他們把這種裝置應(yīng)用于一個虛擬現(xiàn)實的“游戲棒”中。東京大學(xué)的廣瀨研究室重點研究虛擬現(xiàn)實的可視化問題。為了克服當(dāng)前顯示和交互作用技術(shù)的局限性，他們正在開發(fā)一種虛擬

12、全息系統(tǒng)?，F(xiàn)在他們已經(jīng)有了4項成果：一個類似CAVE的系統(tǒng)、用HIMD在建筑群中漫游、人體測量和模型隨動、飛行仿真器。筑波大學(xué)工程機械學(xué)院研究了一些力反饋顯示方法。他們開發(fā)了九自由度的觸覺輸入器：開發(fā)了虛擬行走原型系統(tǒng)，步行者只要腳上穿上全方向的滑動裝置，他就能交替邁動左腳和右腳。3. 英國的研究與開發(fā)在VR開發(fā)的某些方面，特別是在分布并行處理、輔助設(shè)備 （包括觸覺反饋）設(shè)計和應(yīng)用研究方面，在歐洲英國是領(lǐng)先的。到1991年底，英國已有從事VR的六個主要中心，它們是WIndustries（工業(yè)集團公司），British Aerospace（英國航空公司），Dimension Internatio

13、nal，Division Ltd,Advanced Robotics Research Center和Virtual Presence Ltd（主要從事VR職產(chǎn)品銷售）。正在開發(fā)一系列VR產(chǎn)品,主要是娛樂業(yè)方面的。正在計劃推出新型輕量顯示頭盔和功能強大的圖形引擎 （graphics engine）。VR多媒體集成系統(tǒng)、醫(yī)學(xué)可視化以及納米技術(shù)（nanotechnology）。從矯形術(shù)到信息技術(shù)，從電子和航空工程到納米技術(shù)，以及高級顯微學(xué)等領(lǐng)域。4. 國內(nèi)研究狀況和發(fā)達國家相比，我國VR技術(shù)還有一定的差距，但已引起政府有關(guān)部門和科學(xué)家們的高度重視。根據(jù)我國的國情，制定了開展VR技術(shù)的研究，例如，九

14、五規(guī)劃、國家自然科學(xué)基金會、國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃等都把VR列入了研究項目。 在緊跟國際新技術(shù)的同時，國內(nèi)一些重點院校，已積極投入到了這一領(lǐng)域的研究工作。北京航空航天大學(xué)計算機系是國內(nèi)最早進行VR研究、最有權(quán)威的單位之一，他們首先進行了一些基礎(chǔ)知識方面的研究，并著重研究了虛擬環(huán)境中物體物理特性的表示與處理；在虛擬現(xiàn)實中的視覺接口方面開發(fā)出了部分硬件，并提出了有關(guān)算法及實現(xiàn)方法；實現(xiàn)了分布式虛擬環(huán)境網(wǎng)絡(luò)設(shè)計，建立了網(wǎng)上虛擬現(xiàn)實研究論壇，可以提供實時三維動態(tài)數(shù)據(jù)庫，提供虛擬現(xiàn)實演示環(huán)境，提供用于飛行員訓(xùn)練的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，提供開發(fā)虛擬現(xiàn)實應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)平臺，并將要實現(xiàn)與有關(guān)單位的遠程連接。中國科技開

15、發(fā)院威海分院主要研究虛擬現(xiàn)實中視覺接口技術(shù)，完成了虛擬現(xiàn)實中的體視圖象對算法回顯及軟件接口。他們在硬件開發(fā)上己經(jīng)完成了LCD紅外立體眼鏡，并且已經(jīng)實現(xiàn)商品化。三 虛擬現(xiàn)實技術(shù)和產(chǎn)品的應(yīng)用前景虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展，向人們展示了誘人的前景，近幾年，虛擬現(xiàn)實在許多領(lǐng)域都得到了開發(fā)和應(yīng)用，現(xiàn)將其主要的應(yīng)用領(lǐng)域簡介如下：1 軍事訓(xùn)練虛擬現(xiàn)實技術(shù)一出現(xiàn)，就受到各國軍界的青睞。從90年代初起，美國率先將虛擬現(xiàn)實技術(shù)用于軍事領(lǐng)域，主要用于以下四個方面：一是虛擬戰(zhàn)場環(huán)境。即通過相應(yīng)的三維戰(zhàn)場環(huán)境圖形圖像庫，包括作戰(zhàn)背景、戰(zhàn)地場景、各種武器裝備和作戰(zhàn)人員等，為使用者創(chuàng)造一種險象環(huán)生、幾近真實的立體戰(zhàn)場環(huán)境。以增強其

16、臨場感覺，提高訓(xùn)練質(zhì)量。二是進行單兵模擬訓(xùn)練。讓士兵穿上數(shù)據(jù)服，戴上頭盔顯示器和數(shù)據(jù)手套，通過操作傳感裝置選擇不同的戰(zhàn)場背景，輸入不同的處置方案，體味不同的作戰(zhàn)效果，進而像參加實戰(zhàn)一樣，鍛煉和提高技術(shù)水平、快速反應(yīng)能力和心理承受力。如美空軍用虛擬現(xiàn)實技術(shù)研制的飛行訓(xùn)練模擬器，能產(chǎn)生視覺控制，能處理三維實時交互圖形，且有圖形以外的聲音和觸感，不但能以正常方式操縱和控制飛行器，還能處理虛擬現(xiàn)實中飛機以外的各種情況，如氣球的威脅、導(dǎo)彈的發(fā)射軌跡等。三是實施諸軍兵種聯(lián)合演習(xí)，建立一個“虛擬戰(zhàn)場”，使參戰(zhàn)雙方同處其中，根據(jù)虛擬環(huán)境中的各種情況及其變化，“調(diào)兵遣將”、“斗智斗勇”，實施“真實的”對抗演習(xí)。

17、四是進行指揮員訓(xùn)練。利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，根據(jù)偵察情報資料合成出戰(zhàn)場全景圖，讓受訓(xùn)指揮員通過傳感裝置觀察敵我兵力部署和戰(zhàn)場情況，以便判斷敵情，定下正確決心。美國海軍開發(fā)的“虛擬艦艇作戰(zhàn)指揮中心”就能逼真地摸擬與真的艦艇作戰(zhàn)指揮中心幾乎完全相似的環(huán)境，生動的視覺、聽覺和觸覺效果，使受訓(xùn)軍官沉浸于“真實的”戰(zhàn)場之上。2教育應(yīng)用用VR技術(shù)可以建造人體模型、電腦太空旅行、化合物分子結(jié)構(gòu)顯示等。由于形象真實，大大提高了人們的想象力、激發(fā)了受教育者的學(xué)習(xí)興趣， 學(xué)習(xí)效果十分顯著。對于許多不能失誤的高難度儀器訓(xùn)練或是需要不斷反復(fù)練習(xí)的操作訓(xùn)練，如外科手術(shù)、開飛機、滑雪、開挖土機、開拖吊機、核子潛艇操作等，利用虛

18、擬現(xiàn)實來作為新進人員的訓(xùn)練是一個趨勢。虛擬現(xiàn)實技術(shù)在遠程教學(xué)中的作用彌補遠程教學(xué)條件的不足。在遠程教學(xué)中，往往會因為實驗設(shè)備、實驗場地、教學(xué)經(jīng)費等方面的原因，而使一些應(yīng)該開設(shè)的教學(xué)實驗無法進行。利用虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，可以彌補這些方面的不足，學(xué)生足不出戶便可以做各種各樣的實驗，獲得與真實實驗一樣的體會，從而豐富感性認(rèn)識，加深對教學(xué)內(nèi)容的理解。避免真實實驗或操作所帶來的各種危險以往對于危險的或?qū)θ梭w健康有危害的實驗，一般采用電視錄像的方式來取代實驗，學(xué)生無法直接參與實驗，獲得感性認(rèn)識。利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)進行虛擬實驗則可以免除這種顧慮。學(xué)生在虛擬實驗環(huán)境中，可以放心地去做各種危險的或危害人體的實驗。例如，

19、虛擬的化學(xué)實驗，可以避免化學(xué)反應(yīng)所產(chǎn)生的燃燒、爆炸所帶來的危險；虛擬的外科手術(shù)，可避免由于學(xué)生操作失誤，而造成“病人”死亡的醫(yī)療事故；虛擬的飛機駕駛教學(xué)系統(tǒng)，可免除學(xué)員操作失誤而造成飛機墜毀的嚴(yán)重事故。徹底打破空間、時間的限制利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，可以徹底打破空間的限制。大到宇宙天體，小至原子粒子，學(xué)生都可以進入這些物體的內(nèi)部進行觀察。例如學(xué)生可以進入虛擬發(fā)電廠內(nèi)，考察發(fā)電機的每個部件的工作情況以及每個部件之間的相互聯(lián)系，了解整個發(fā)電過程，這是電視錄像媒體和實物媒體所無法比擬的。虛擬技術(shù)還可以突破時間的限制，一些需要幾十年甚至上百年才能觀察的變化過程，通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)，可以在很短的時間內(nèi)呈現(xiàn)給學(xué)生

20、觀察。例如，生物中的孟德爾遺傳定律，用果蠅做實驗往往要幾個月的時間，而虛擬技術(shù)在一堂課內(nèi)就可以實現(xiàn)。虛擬歷史人物可以用VR系統(tǒng)塑造偉人、名人、教師、學(xué)生、醫(yī)生等各種人物形象，創(chuàng)設(shè)一個人性化的學(xué)習(xí)環(huán)境，使遠教學(xué)生能夠在自然、親切的氣氛中進行學(xué)習(xí)。例如，在虛擬的課堂學(xué)習(xí)氣氛中，遠教學(xué)生可以與虛報的教師、學(xué)生一起交流、討論，共同探討學(xué)習(xí)中的各種問題，進行協(xié)作化學(xué)習(xí)。例如，在思想品德課教學(xué)中，學(xué)生可以與虛擬的歷史人物如岳飛、楊家將、孫中山等一起座談、交流，通過先進人物的言行來感化學(xué)生，從而達到思想品德教育的目的。再如，在外語教學(xué)中，可以通過計算機虛擬學(xué)生到國外旅游的情境，讓學(xué)生與人交談，達到訓(xùn)練學(xué)生口

21、語的目的。技能訓(xùn)練虛擬現(xiàn)實的沉浸性和交互性，使學(xué)生能夠在虛擬的學(xué)習(xí)環(huán)境中扮演一個角色，全身心地投入到學(xué)習(xí)環(huán)境中去，這非常有利于學(xué)生的技能訓(xùn)練。利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，可以做各種各樣的技能訓(xùn)練。例如軍事作戰(zhàn)技能、外科手術(shù)技能、教學(xué)技能、體育技能、汽車駕駛技能、果樹栽培技能、電器維修技能等各種職業(yè)技能的訓(xùn)練。由于這些虛擬的訓(xùn)練系統(tǒng)無任何危險，學(xué)生可以不厭其煩地反復(fù)練習(xí)，直至掌握操作技能為止。例如：在虛擬的飛機駕駛訓(xùn)練系統(tǒng)中，學(xué)員可以反復(fù)操作控制設(shè)備，學(xué)習(xí)在各種天氣情況下駕駛飛機起飛、降落，通過反復(fù)訓(xùn)練，達到熟練掌握駕駛技術(shù)的目的。3工程應(yīng)用工程很大程度上依賴于圖形工具，以便直觀地顯示各種產(chǎn)品，目前CAD

22、/CAM已經(jīng)成為機械、建筑 等領(lǐng)域必不可少的軟件工具。VRML使工程人員能通過Internet/Intranet 按協(xié)作方式進行三維模型的設(shè) 計、交流和發(fā)布，進一步提高生產(chǎn)率并削減成本。4商業(yè)應(yīng)用隨著電子商務(wù)的日益普及，Internet對各個公司和商家具有特別的吸引力。VRML有可能大幅度改善顧客購買商品的經(jīng)歷。顧客可以訪問虛擬世界中的商店，在那里挑選商品，然后通過Internet辦理付款手續(xù)，商店則及時把商品送到顧客手中。在不動產(chǎn)、移動不便大型貴重產(chǎn)品的業(yè)務(wù)推廣與銷售，它可使得客戶在購買前先看產(chǎn)品的外貌與內(nèi)在，甚至于在虛擬世界中使用這產(chǎn)品，對房屋、土地、鍋爐、大型機具、家具、醫(yī)療材、健身器材

23、、設(shè)計公司等方面都很有幫助。5游戲娛樂娛樂是VR的一個重要應(yīng)用領(lǐng)域。VR為我們提供了一個功能十分強大的在計算機網(wǎng)絡(luò)上創(chuàng)造各種環(huán)境 的平臺，它能提供更好的多人之間的交互，提供更加逼真的虛擬環(huán)境，從而使人們能夠享受其中的樂趣，帶來更好的娛樂感覺。VRML目前正朝著實時通信、大規(guī)模用戶交互的方向發(fā)展。Microsoft公司預(yù)估，未來大部分的個人電腦游戲都是在Windows上，而且都是虛擬現(xiàn)實的游戲。現(xiàn)在已有許多虛擬現(xiàn)實環(huán)境電腦游戲。例如毀滅戰(zhàn)士（DOOM）、天旋地轉(zhuǎn)（Descent）等。6其他應(yīng)用對于股市行情顯示、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控、人機界面、物體理論模擬、車禍現(xiàn)場重現(xiàn)等許多題目，都可以把數(shù)據(jù)與理論訴諸于三度

24、空間的虛擬顯示來表現(xiàn)。 虛擬現(xiàn)實具有最高的效率，隨著技術(shù)的不斷完善，成本的逐步下降以后的市場展望是相當(dāng)樂觀的。四 市場分析目前，虛擬現(xiàn)實技術(shù)已取得引人注目的成果，在國內(nèi)也引起了廣泛的重視。虛擬現(xiàn)實技術(shù)能夠在計算機中構(gòu)造出一個形象逼真的模型，人與該模型可以進行交互操作，并產(chǎn)生與現(xiàn)實世界中相同的反饋信息，使人們得到與在現(xiàn)實世界中同樣的感受。當(dāng)人們需要構(gòu)造當(dāng)前不存在的環(huán)境、人類不可能到達的環(huán)境或構(gòu)造虛擬環(huán)境以代替耗資巨大的現(xiàn)實環(huán)境時，虛擬現(xiàn)實技術(shù)是必不可少的。1）從心理學(xué)上講，人是一種社會動物，總是有一種親和心理，總是渴望溝通的。按照馬斯洛的需要層次論來說，人類滿足了生理需求、安全需求，對社交需求、

25、尊敬需求后，對自我實現(xiàn)的需求有著強烈的欲望，他們渴望在這個虛擬的網(wǎng)絡(luò)社會滿足他們的欲望?，F(xiàn)實社會和虛擬的網(wǎng)絡(luò)社會是緊密聯(lián)系但又完全不同的兩個實體，人們在現(xiàn)實社會中的諸多不平可以在虛擬的網(wǎng)絡(luò)世界得以實現(xiàn)。既然用戶有這種強烈的需求，所以我們的產(chǎn)品基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)世界在用戶需求方面是有著很大的市場的。2）從現(xiàn)實應(yīng)用角度來分析，虛擬現(xiàn)實（VR）的生動性和交互性是文字信息所無法比擬的，而推出這一產(chǎn)品的公司就是擁有了一家電視臺，它的媒體價值是無法估量的。3）從市場前景及利潤角度來分析：VR目前最大的問題，即如何利用這一新興媒體來贏利。一個一直浮動在桌面上的客戶端，其廣告位是有限的?；谔摂M現(xiàn)實技術(shù)的

26、網(wǎng)絡(luò)社會不存在這一問題，用戶在做好的三維場景里漫游、交流，如同現(xiàn)實社會一樣，他會不經(jīng)意地發(fā)現(xiàn)一些廣告牌，他甚至?xí)苡信d趣地參加由我們推出的一些廣告活動。因此我們的虛擬網(wǎng)絡(luò)世界的媒體價值遠遠大于目前的ICQ，解決了它的最大問題（如何贏利）。4）虛擬現(xiàn)實的網(wǎng)絡(luò)社會將是一個開放的系統(tǒng)，我們可找各方合作開發(fā)。而且網(wǎng)絡(luò)社會是一個不斷完善的系統(tǒng)，我們可以允許任何有興趣的人添加他自己的模型和場景，當(dāng)然這是要交由我們來審批的，也由我們來發(fā)布。家電巨頭SONY已洞悉到市場的發(fā)展需求，在1996年率先開發(fā)并推出頭盔式監(jiān)視器HMD，型號為PLM-5。戴上它能使人感覺在眼前兩三米處，形成不受任何環(huán)境影響的大屏幕投影般

27、的大畫面，這也是此頭盔魅力之所在。之后日本寶制所（TAKA）也跟著推出了名為Dynovisor的HMD，售價不及前者一半，較前者更具競爭力。不過在廣東的各大電器城的貨架上只見SONY的PLM-5而暫時還不見TAKA 的Dynovisor的影蹤。2000年7月，美國cyberedge信息服務(wù)公司信息服務(wù)部公布了其關(guān)于虛擬現(xiàn)實市場的第三次年度調(diào)查。全球虛擬現(xiàn)實市場現(xiàn)在每年的規(guī)模為240億美元，而且，還在以每年50%的速度快速增長。虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)被用于醫(yī)療培訓(xùn)、制作原型產(chǎn)品、建筑和產(chǎn)品設(shè)計以及電子游戲等領(lǐng)域。在國內(nèi)，虛擬現(xiàn)實產(chǎn)品的市場，基本上還處于空白狀態(tài)。只有個別的代理商從國外進口一些不成套的產(chǎn)品，

28、如三D目鏡等。完整的虛擬現(xiàn)實產(chǎn)品尚未遇見。這主要是因為，一方面，國內(nèi)的虛擬現(xiàn)實技術(shù)和產(chǎn)品還處于研制開發(fā)階段，還不成熟；另一方面，國外進口的產(chǎn)品，價格太高。因此，這個具有廣泛用途的、最具錢景的產(chǎn)品和巨大的市場，至今還沒有人去做。初步估計僅娛樂應(yīng)用方面，如果，國內(nèi)10%的家庭擁有虛擬現(xiàn)實娛樂設(shè)備（如虛擬現(xiàn)實運動器材），就有500億人民幣的市場。我們認(rèn)為，隨著技術(shù)的完善和成本的不斷降低，虛擬現(xiàn)實娛樂設(shè)備將逐步取代高級音箱、家庭影院、VCD、DVD等目前流行的家庭娛樂設(shè)施，成為每個家庭不可缺少的生活用品。五（1） 虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)技術(shù)和產(chǎn)品的實現(xiàn)方案 一個真正的虛擬現(xiàn)實程序必須包括以下兩個基本要素： 用戶

29、具有身臨其境的感覺，并有實時隨意活動的自由；（2） 能夠?qū)崟r地操縱和改變該虛擬境界。因此，虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的核心技術(shù)包括1 硬件方面：頭盔顯示器、數(shù)據(jù)手套、力反饋及熱反饋裝置、頭部運動跟蹤器等。2 軟件方面：虛擬現(xiàn)實建模系統(tǒng)（軟件）、聲音識別和語音合成等?？傮w來說，虛擬現(xiàn)實技術(shù)分為實物虛化、虛物實化和計算處理技術(shù)三個方面。實物虛化是將現(xiàn)實世界的多維信息通過力、觸覺、聲音、熱等傳感器將光電能量轉(zhuǎn)換映射到計算機的數(shù)字空間生成相應(yīng)的虛擬世界。虛物實化通過各種計算和仿真技術(shù)使計算機生成的虛擬世界中的事物所產(chǎn)生的各種刺激以盡可能自然的方式反饋給用戶?，F(xiàn)對虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的各個硬件部分簡要介紹如下：1 頭盔顯示器

30、（或3D目鏡）：用于與計算機、電視、游戲機相連，佩帶者可直接觀看立體影視場景或立體計算機場景，立體效果極佳，可觀看3維動態(tài)畫面。目前主要在美國、日本等少數(shù)發(fā)達國家生產(chǎn)，最近臺灣業(yè)開發(fā)出具有18萬像素的顯示能力、集成5.1聲道耳機音效輸出功能的頭盔顯示器（HMD）。2 數(shù)據(jù)手套：實際上是一種能量轉(zhuǎn)換器，與計算機相連，操作者帶上手套后，可代替鼠標(biāo) 操作計算機軟件，并可以產(chǎn)生觸摸虛擬環(huán)境中物體的感覺和抓放動作。3 力（觸覺）反饋裝置：觸覺是人們從外界獲取信息的重要傳感渠道之一，它由觸摸反饋和力量反饋組成。雖然它們是兩種不同形式的力量感知，但在虛擬環(huán)境中，它們都是使用戶具有臨境體驗的交互手段，也是改善

31、虛擬環(huán)境的一種重要方式。用以增強VR系統(tǒng)的真實感、沉浸感，提高虛擬任務(wù)執(zhí)行成功的機率。觸覺感知是指人與物體對象接觸所得到的全部感覺，是觸摸覺、壓覺、振動覺、刺痛覺等等皮膚感覺的統(tǒng)稱。所以觸摸反饋代表了作用在您皮膚上的力，它反映了人類觸摸的感覺，或者是皮膚上受到壓力的感覺；而力反饋是作用在您的肌肉、關(guān)節(jié)和筋腱上的力。與視覺和聲音反饋相比，觸摸反饋分析比較復(fù)雜。因為觸摸傳感器提供的是關(guān)于接觸表面的幾何性質(zhì)、表面平滑度、溫度、幾何構(gòu)造等信息。而力量反饋提供的是關(guān)于全部接觸力量的信息，還有表面的硬度或被抓物體的重量信息。4 頭部運動跟蹤器：人體重要的感覺之一是方位感，即獲知自己到底是在空間中的什么位置

32、。頭部運動跟蹤器就是解決這個問題的裝置，有了這種裝置，你的環(huán)境就會根據(jù)你身體的運動產(chǎn)生相應(yīng)的變化?，F(xiàn)有的頭部運動跟蹤器基本上可分為四大類：機械式、光學(xué)式、超聲波式和磁場式。目前美國已有一些公司將頭部運動跟蹤器固化到頭盔顯示器或三D目鏡中，如I-Glasses（價格：2000美元）。虛擬現(xiàn)實的軟件系統(tǒng)比較多，目前使用較廣的是 VRML、Cult3D、Viewpoint、WorldToolKit和World Up等。在此不作詳細(xì)討論。下面，我們主要介紹頭盔顯示器、數(shù)據(jù)手套和力反饋裝置的實現(xiàn)方案。（一）娛樂型頭盔顯示器實現(xiàn)方案對娛樂型頭盔顯示器的主要功能要求：（1） 較高的逼真度（沉浸感）；（2）

33、三維成像；（3） 價格較低。頭盔顯示器與目前流行的游戲機在視景方面最大的不同是：后者多為卡通式動畫，缺乏真實感，而頭盔顯示器的視景則要求高度逼真，有時甚至由三維成像構(gòu)成的畫面仍不夠真實，還要使用拍攝的自然景觀，兩者合成在一起。這將增加一定的技術(shù)難度。如果考慮在視景中再出現(xiàn)真實活動的人物和動物時，則將是三種不同方法生成的視景的合成，技術(shù)難度將更大。但這是今后虛擬現(xiàn)實發(fā)展的方向。頭盔顯示器（HMD）的原理是將小型2維顯示器所產(chǎn)生的影像借助光學(xué)系統(tǒng)放大。具體而言，小型顯示器所發(fā)射的光線經(jīng)過凸透鏡使影像因折射產(chǎn)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。小型液晶顯示器（LC

34、D，Liquid Crystal Display）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(xué)上它已不單是透鏡功能，基本上已成為自由面棱鏡。當(dāng)LCD產(chǎn)生的影像穿透A面進入偏心自由曲面棱鏡C面，再全反射至觀視者眼睛對向側(cè)凹面鏡B面。B面涂有一層鏡面涂層，反射同時光線再次被放大反射至C面 ，并在C面補正光線傾斜，達到觀視者眼睛。偏心自由曲面棱鏡自由曲面透鏡應(yīng)用于HMD由以下幾項關(guān)鍵技術(shù)：1.自由曲面棱鏡；2.偏心；3.自由曲面。棱鏡 光學(xué)面的折射力是由面曲率決定 ，曲率愈大（曲率半徑愈小）該面的折射力則愈強，利用此特性可得到較大的折射

35、力，然而相對的收差也隨之變大。折射面的折射力可由媒質(zhì)的折射率n，曲率半徑R，依下式求得：=（n-1）/R（1）。由于折射面的光路中可并排設(shè)置數(shù)個元件，因此可利用復(fù)數(shù)面作收差補正。要注意的是，該光學(xué)面的光軸必須是直線狀。由于此類光學(xué)是由反射面所構(gòu)成，因此即使很小的面曲率亦可獲得同等折射力。=2/R （2）。表面反射鏡常用于類似望遠鏡之系統(tǒng)，由于它不會發(fā)生色收差，因此一般的口徑都很大。若是由背面鏡構(gòu)成反射面則變成：=2n/R （3）。例如折射率為1.5時與上述穿透面式（1）比較，1/6的曲率即可獲得同等折射力。偏心 回轉(zhuǎn)對稱光軸光學(xué)中若發(fā)生偏心便會產(chǎn)生單邊光暈，不論如何調(diào)整Lens光軸都無法得到有

36、效改善，對光學(xué)而言偏心乃是最大忌諱。然而對內(nèi)面鏡光學(xué)而言，它反而是處理光路折返不得不采用的技巧，主要原因是一旦發(fā)生偏心，相對的偏心收差會變大，如此一來會產(chǎn)生更為頭疼的問題。如上所述結(jié)偏心方式乃是取出光線最佳手段，但是偏心卻有造成收差變大的副作用。正確方法應(yīng)該是先決定評估面 ，并令該面的中心上各面的軸上主光線形成曲折交叉狀，如此才能作收差評估。偏心的優(yōu)點 偏心最大優(yōu)點是可使光學(xué)結(jié)構(gòu)變的非常簡潔、小型。傳統(tǒng)光學(xué)若要進行微型化，除了縮短系統(tǒng)長度或口徑外沒有其它方法。然而對于回轉(zhuǎn)對稱光學(xué)而言它的光軸成為一條直線，若改為偏心光學(xué)便可大幅壓縮體積。由于軸上光的長度與光學(xué)系統(tǒng)大小不再互動 ，因此理論上可輕易

37、達成微型化。例如設(shè)計3片Triplet 透鏡，傳統(tǒng)的回轉(zhuǎn)對稱光學(xué)除了將3片透鏡長度縮小之外沒有其它方法可使光學(xué)系統(tǒng)微型化。不過若是偏心光學(xué)便可將光路折疊，相當(dāng)于3片透鏡的各面皆可作相當(dāng)程度的分離設(shè)計且各面互不干涉，同時更可因這種結(jié)構(gòu)大幅削弱各面的折射力。偏心棱鏡乃是刻意使光學(xué)面偏離光軸（簡稱離軸），傾斜結(jié)構(gòu)可使光路在無任何衰減情況下折疊，此外各面相互保持一定間隔，因此各光學(xué)面的折射力可大幅降低。自由曲面 棱鏡所構(gòu)成的內(nèi)面鏡光學(xué)可取出偏心時的光路，形成低收差之光學(xué)系統(tǒng)。不過若是偏心過大造成大偏心收差時，便無法構(gòu)成回轉(zhuǎn)對稱面之偏心光學(xué)，此時需設(shè)法改變面的形狀作成所謂的自由曲面，藉由自由曲面補正偏心

38、收差。自由曲面之設(shè)計 設(shè)計上若能把握以下幾項原則，基本上它與傳統(tǒng)的回轉(zhuǎn)對稱光學(xué)完全相同。 面對稱 若只考慮Y-Z面內(nèi)的偏心則Y軸的正負(fù)方向為大偏心。有關(guān)X-Z軸的正負(fù)方向則為同樣形狀。換言之Y-Z面必需是對稱面的面對稱。該對稱面若是Y-Z平面，則X軸方向便不需非對稱，因此自由曲面系數(shù)的X不用奇數(shù)次項。近軸量 一般而言，由物體中心射出并通過中心與像面交叉之光線會有一條存在。在回轉(zhuǎn)對稱光學(xué)時此光線變成光軸。然而偏心光學(xué)的光線是曲折前進，因此上述光線不易變成光軸。為了作業(yè)上方便統(tǒng)稱此光線為軸上主光線。有關(guān)各面的定義座標(biāo)與軸上主光線的關(guān)系，由于軸上主光線并不限定非要通過各面定義座標(biāo)的中心不可，因此即使

39、求出定義座標(biāo)原點附近的曲率 ，依此定義座標(biāo)所求得之近軸量實際上毫無意義。此外目前的光學(xué)設(shè)計軟體不易作有關(guān)近軸計算。主要原因是設(shè)計前必需先獲得入射瞳徑或物體側(cè)之NA等基礎(chǔ)資料。同樣道理若無法求出焦距便無法計算像高，如果焦距無法成為直接補正對象就必需以像高作為補正對象進行收差補正。收差補正 如上所述由于無法求得近軸量，因此依式以像高作為補正對象再配合焦距計算。h=f?tan （7）h：像高；f：焦距；：畫角；由于X、Y方向各具自由度，因此需以各別像高作為補正對象。這有點類似X、Y方向兩狀態(tài)之設(shè)計。此外Y軸亦具正負(fù)自由度，Y像高的正負(fù)都需成為補正對象。具體設(shè)計方案如下：1 選擇合適的液晶顯示屏（LC

40、D）可以采用2個0.7彩色液晶顯示器，每個尺寸在2.22.7英寸之間，分辨率在18萬像素以上。可考慮用Casio 470型彩色液晶電視機，它的液晶線示屏尺寸是2.2英寸，拆去電視機的其它部分，只保留液晶平和驅(qū)動電路板即可（入下圖所示）。2選擇合適的光學(xué)系統(tǒng)在確定液晶顯示器之后，就該開始光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計了。圖816示意了把22英寸LCD放置在眼睛前方合適位置的準(zhǔn)確尺寸。液晶屏應(yīng)該位于眼睛的正前方，兩屏之間保留2毫米的間隔。為了確定液晶屏的位置，水平地測量屏邊緣到中心的距離，如果這個距離大于16毫米，那么把顯示屏放置在眼睛正前方是不可行的。采用64毫米的標(biāo)準(zhǔn)瞳距以便大多數(shù)人都可以試用我們設(shè)計的頭盔顯

41、示器。因為顯示屏比可用空間要大一些；所以就必須解決散視問題。如果上述測量距離小于16毫米，64毫米減去顯示屏水平尺寸的2倍就是所需的間隙大小，例如，顯示屏的水平尺寸是20毫米，正確的間隙為：642X20：24mm。散視如果顯示屏的上述測量距離小于16毫米，您可以跳過這一節(jié)內(nèi)容。然而，如果大于16毫米，它們的放置方式就必須使我們易于把視線折向顯示屏的中心。這聽起來似乎很容易，但要迫使人眼視線偏折并不是一件日常小事。我們準(zhǔn)備甩棱鏡來使從液晶顯示展出射的光線偏折，從而使光線能以合適的角度人射到眼睛中?，F(xiàn)在不能簡單地把顯示屏相互盡可能靠近地放置，并僅用棱鏡實現(xiàn)視線偏折。不是什么角度的棱鏡都有現(xiàn)成的可以

42、買到。首先，我們需要找到足以偏折視線的最小角度，可以使兩個液晶屏相互盡可能靠近來測量這個角度。圖817示意了如何用光路中的一塊棱鏡把視線偏向顯示屏的中心。如果用量角器來測量正入射視線和斜入射視線之間的夾角，就可以得到實現(xiàn)光線偏折所需要的最小角度。然后就需要找到呷塊合適的棱鏡，它的角度盡可能接近上述測量角，而且必須正好等于或是大于測量角。如果不得不買一塊角度比測得角要大的棱鏡，就必須把兩塊顯示屏拉開一點來補償角度偏差。既然已經(jīng)確定了顯示屏的水平位置，就需要進一步確定垂直位置了。前面已經(jīng)提及過，眼睛的視場形狀很像一個圓錐面。的地方；22英寸的顯示屏距離眼睛就該是1.1英寸，依次類推。然而，液晶屏的

43、實際位置會根據(jù)放大鏡系統(tǒng)要求的調(diào)焦距離不同而改變。放大鏡片距離眼睛應(yīng)該保留1英寸的空間，這僅是留給戴眼鏡的使用者留出的空間。在前面已經(jīng)討論過，鏡片的口徑必須大約為2英寸。美國有關(guān)專家的研究指出，一個平凸透鏡系統(tǒng)能提供以下三個不同的放大倍率：45mm口徑X78mm焦距可產(chǎn)生60視場57mm口徑X110mm焦距可產(chǎn)生35視場40mm口徑X92mm焦距可產(chǎn)生45視場很顯然，這些數(shù)據(jù)隨著使用的顯示屏不同而改變。透鏡系統(tǒng)的價格并不便宜，每塊平均8美元，我們需要兩套系統(tǒng)。而且還必須買幾套光學(xué)系統(tǒng)來做實驗，進一步增大了頭盔顯示器的造價。另一個麻煩是，放大率太大時會使我們看清LCD的單個象元。下面會討論如何減

44、小這種影響，但我們也必須像所有頭盔顯示器的制造商們那樣做一些必要的妥協(xié)：要想獲得大的視場角和浸沒感，就必須犧牲一部分清晰度。視場越小，獲得的浸沒感就越差。所以如何解決這個問題的確取決于個人選擇。光學(xué)系統(tǒng)定位放大鏡片應(yīng)該位于棱鏡和液晶顯示屏之間，這就需要有一個支撐物來固定顯示屏和透鏡系統(tǒng)?？蛇x用高檔工程塑料或鋁合金做框架（因為有些部件用電，所以采用金屬框時一定要當(dāng)心）。如果使用工程塑料做框架，可以用膠來固定所有的元件。膠很容易變干，所以能很快裝配好整個單元。上述方法可以制作出一個很緊湊的部件，然后固定到一個類似于棒球頭盔的外殼上。選擇散射元件除了兩個問題有待解決外，光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計已基本就緒。其一

45、就是散射器。如果買到的透鏡系統(tǒng)有較大的視場，就很可能看得見LCD的單個象元，但用散射元件使象元模糊就能解決這一難題。可以用l蠟紙做散射器，也可以用網(wǎng)目狀打印紙，如100線，點數(shù)越多而且點越小。把這種紙直接放置在液晶屏之前或是屏上，用各種線數(shù)的紙試驗，找到一種最滿意的線數(shù)。會聚調(diào)節(jié)最后需要解決的是會聚問題。我們需要確定的是當(dāng)同時注視顯示屏上的兩幅圖象時，它們是否會融合為一幅圖象。判斷方法是，給每一個顯示屏輸入相同的信號，在通過頭盔顯示器觀察圖象，如果看到的是單幅圖象，則該顯示器是會聚的；如果看到并排兩幅圖象，則需要水平向左或向右移動其中一個顯示屏，直到看到的是單幅圖象。頭盔顯示器經(jīng)過優(yōu)化后，對于

46、瞳距范圍在60至80mm之間的大約90%的人是適合的，而對瞳距較大或較小的人而言就有些問題。因此可以做一個調(diào)節(jié)旋鈕。3制作頭盔顯示器的外殼現(xiàn)在該開始有創(chuàng)造性的實踐了。想一想把顯示屏和透鏡固定在哪兒才使您能戴在頭上?您必須考慮的主要問題是抵消顯示器重量的配重。通常配重的最佳位置是外殼后部證對顯示器的地方?；陬^盔的外殼是最容易制作的方法之一。在體育用品商店里買一個很耐用的棒球頭盔，用尼龍帶子把裝有液晶屏和透鏡系統(tǒng)的白塞木框架固定到頭盔的帽沿上，圖818示意了把透鏡液晶屏組件固定到頭盔上的例子。然后把配重用尼龍帶像圖819所示那樣固定到頭盔上。不管用什么樣的框架，都希望能罩在眼睛的前方和周圍，使光

47、線不會照在顯示器上。另一種頭盔外殼是開放型的，如圖820所示，這種頭盔由幾個部件組成，第一部分是把整個單元固定的用戶頭上的帽圈，是用硬塑料做成的，如圖821所示。一個像圖822所示的塑料框架被固定到帽圈上，這個框狀物由14英寸的ABS型厚塑料做成，可以在塑料公司買到這種塑料。制作這個框架時，需要把原材料切成兩片，一片尺寸是2”X 37”X14”，另一片是2”X155”X14”。把長片塑料彎成圖823所示的形狀(最容易的彎曲方法是用加熱槍加熱)，一旦塑料變?nèi)彳洠杆購澢狡谕男螤?，再對加熱區(qū)吹風(fēng)使其迅速變涼。，把另一片塑料彎成圖824所示的形狀，并且把它像圖825所示的那樣固定到前一片上。下一

48、步是把帽圈的頂部固定到塑料框內(nèi)側(cè)頂部，如圖826所示。和第一種外殼一樣，也需要有一塊配重，為此，直接把一金屬物用螺栓固定到塑料框的后部。在上述兩種外殼形式中，液晶顯示屏和光學(xué)系統(tǒng)都是被裝在一個盒子里，盒子的前部看上去像圖827所示的那樣。制作這個盒子的第一步是為放大鏡系統(tǒng)開兩個足夠大但又不能太大的孔，并用膠把放大系統(tǒng)固定在這兩個孔內(nèi)。光學(xué)系統(tǒng)應(yīng)該被放在盒子的底部，而LCD應(yīng)被固定在盒子的蓋子上，LCD上有個小孔可做此用?？梢岳煤猩w和液晶屏背部之間的隔圈(spacer)來調(diào)節(jié)光學(xué)系統(tǒng)和液晶屏之間的間隔。圖828是整個顯示盒的切面圖。把這個顯示盒固定在塑料框的前部，并如前所述，與棒球頭盔相連。為

49、頭盔顯示器提供良好的視頻信號為了能有效地使用頭盔顯示器，就必須給它提供視頻信號輸入，但因為是把電視機的部件用作顯示屏，所以我們就必須遷就它的要求。通常，這種電視機通過天線來接收信號，整個單元有一個獨立的插孔，允許用一個分離效果更好的天線作接收器。在使用過程中，我們不得不利用這個天線插孔，這也就意味著，不管是什么信號，我們都必須把視頻信號轉(zhuǎn)換成普通的電視信號，再進一步轉(zhuǎn)換成天線插孔能接收的信號形式。（二）數(shù)據(jù)手套的設(shè)計方案數(shù)據(jù)手套(Data glove)作為虛擬現(xiàn)實技術(shù)中的一種重要輸入設(shè)備，一直受到極大關(guān)注，國外先后已有許多產(chǎn)品出現(xiàn)，如VPL公司的Data glove、Mattel公司的Powe

50、r glove以及Exos手控器等。國內(nèi)這方面的研究剛剛開始 ，目前正在研究的有北京科技大學(xué)的FSR(Force sensoring resistor，力敏電阻)數(shù)據(jù)手套和北京理工大學(xué)的超聲波數(shù)據(jù)手套。我們在研制面向靈巧手遙操作的3指5自由度簡易手套基礎(chǔ)上，利用機械連桿機構(gòu)運動確定性的原理來檢測手指關(guān)節(jié)運動狀態(tài)，設(shè)計研制了一種新型機械電子式的5指11自由度的數(shù)據(jù)手套，該數(shù)據(jù)手套具有良好的適應(yīng)性和可靠性，而且成本低、精度較高，可以廣泛地應(yīng)用于虛擬制造和裝配等方面。數(shù)據(jù)手套的原理、結(jié)構(gòu)和功能1手的模型 人的手具有27自由度，其中6個為臂部自由度，表示手的位置和方向，掌部有21自由度。每個手指(V)

51、有4自由度，其中手指基部(MP)有2自由度。中間關(guān)節(jié)(PIP)和末端關(guān)節(jié)(DIP)只有1自由度。大拇指有5自由度。手的模型及其關(guān)節(jié)定義如圖1所示，并建立如圖2所示的坐標(biāo)系統(tǒng)。圖1 手的模型及其關(guān)節(jié) 圖2 定義關(guān)節(jié)局部坐標(biāo)系手指關(guān)節(jié)的運動約束主要是為了避免出現(xiàn)不切實際的動作。約束可做如下分類：關(guān)節(jié)運動角度限制運動類型。即V手指除MP關(guān)節(jié)外，其他關(guān)節(jié)(PIP和DIP)只有同一方向上的彎曲及伸展運動，而MP關(guān)節(jié)可能有彎曲、外展或內(nèi)收運動。PIP關(guān)節(jié)的彎曲約束，即DIP的運動都要引起PIP關(guān)節(jié)的運動。MP的彎曲約束。即一般MP關(guān)節(jié)的90彎曲范圍，食指()的略小，按V的順序，關(guān)節(jié)范圍依次有少量的增加。M

52、P關(guān)節(jié)的內(nèi)收、外展約束。即手指的內(nèi)收和外展是以中指()的MP指骨作為參考軸來進行的。2方案提出數(shù)據(jù)手套作為手的數(shù)字化輸入設(shè)備，用來檢測手指關(guān)節(jié)間的相對轉(zhuǎn)角和手指間的相對轉(zhuǎn)角。它的測量機制直接影響了數(shù)據(jù)手套的性能。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)手套采用光纖、導(dǎo)電油墨或FSR(導(dǎo)電橡膠)作為介質(zhì)依附在手套上作為傳感裝置的方法有3點不足：手套的大小限制了手套的戴用者范圍。傳感介質(zhì)在任何部位的變形都會累積為關(guān)節(jié)運動。手套同手之間會發(fā)生滑移，影響精度。同時，為了使數(shù)據(jù)手套的操作符合人的習(xí)慣，希望關(guān)節(jié)之間運動解耦且傳感信息與手指關(guān)節(jié)運動成線性關(guān)系。因此，我們設(shè)計了機械連桿機構(gòu)用于檢測關(guān)節(jié)運動。3檢測原理依據(jù)手的模型的討論，我

53、們認(rèn)為巧妙的機構(gòu)設(shè)計可以極大地簡化傳感器和檢測算法，作為手控制裝置的理想數(shù)據(jù)手套應(yīng)具有以下特點：各關(guān)節(jié)之間的運動是解耦的。手指關(guān)節(jié)角度的變化與傳感器輸出為線性關(guān)系。BHG采用機械連桿檢測手指關(guān)節(jié)運動，其中包括檢測單自由度的平面四桿機構(gòu)和檢測2自由度的空間六桿機構(gòu)。1）單自由度機構(gòu)檢測原理分析單自由度機構(gòu)安裝在手指末端(DIP)和中間關(guān)節(jié)(PIP)，機構(gòu)簡圖見圖3。顯然，該機構(gòu)只有1自由度，是平面四桿機構(gòu)。圖3 單自由度關(guān)節(jié)運動分析如下：a=L1+h1 1=arcsin(h1/a)b2=L22+h22 2=arcsin(h2/a)由余弦定理 c2=x21+x22-2x1x2cos式中為電位計的測

54、量角度，可求得關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角 222=360-1-2 (1)式中關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角計算用變量，隨關(guān)節(jié)角變化1，2計算用量，戴用手套時確定，運動過程中保持不變對于控制算法，通常采用增量對虛擬手進行驅(qū)動，于是可得到如下增量式可見，關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角與測量角的增量之間具有嚴(yán)格的函數(shù)關(guān)系，適用于測量手指關(guān)節(jié)的相對轉(zhuǎn)角。在手指的運動范圍內(nèi)，對式(2)進行仿真，可得到一近似線形的曲線。在采樣頻率較高時，很小，電位計轉(zhuǎn)角與關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角之間可視為線性關(guān)系，與的這種線性關(guān)系為檢測帶來了很大的好處：操作者對自己動作的結(jié)果有直觀的印象，符合人的習(xí)慣；使數(shù)據(jù)手套操作簡單；簡化了傳感器結(jié)構(gòu)；簡化了檢測算法。同時，也為簡化數(shù)據(jù)處理和進行線性標(biāo)定提供了

55、重要的理論依據(jù)。2）自由度機構(gòu)檢測原理分析檢測2自由度的空間六桿機構(gòu)裝在指根處(MP關(guān)節(jié))，機構(gòu)簡圖見圖4。圖4中G為用來檢測MP關(guān)節(jié)內(nèi)收及外展運動的電位計；A為G上方鉸鏈；B為檢測MP關(guān)節(jié)彎曲運動電位計；C、D是戴在P1指骨處的支座立軸及其上方鉸鏈；E為MP關(guān)節(jié)位置。該機構(gòu)以掌肢骨為機架，以指肢骨為原動件。對手指運動分析可知，指跟處可以擺動(外展、內(nèi)收)和轉(zhuǎn)動，即有2自由度；對機構(gòu)自由度分析可知，該機構(gòu)具有2自由度。設(shè)計使一個電位計位于手背關(guān)節(jié)后(G點)，檢測手指的擺動，檢測分析如下(參見圖5)。圖4 自由度關(guān)節(jié) 圖5 計算用圖通過解算有運動約束的非同心圓周運動得到手指關(guān)節(jié)的位置。設(shè)當(dāng)關(guān)節(jié)角

56、度為、電位計轉(zhuǎn)角為時，若關(guān)節(jié)有微小轉(zhuǎn)動，電位計因此得到微小轉(zhuǎn)動。通過計算，可解得。另一個電位計位于該關(guān)節(jié)上方，檢測關(guān)節(jié)的彎曲，檢測原理與單關(guān)節(jié)檢測原理相同。由于檢測擺動的電位計與所測關(guān)節(jié)不同軸，造成這2自由度的運動耦合。盡管如此，由于這兩個傳感器檢測的關(guān)節(jié)運動正交，我們還是可以將耦合的運動人為地分配給對應(yīng)關(guān)節(jié)，使之在符合人習(xí)慣的同時不造成過大的誤差。數(shù)據(jù)手套的可視化研究1數(shù)據(jù)采集和標(biāo)定數(shù)據(jù)采集是將電位計的模擬信號通過A/D轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，該數(shù)據(jù)用于表示手部的彎曲運動。本系統(tǒng)采用中斷工作方式，采集頻率設(shè)定為100Hz。在數(shù)據(jù)處理模塊中，我們將信號濾波，并把信號電壓值轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角。由于關(guān)節(jié)

57、轉(zhuǎn)動的輸入與信號的輸出存在近似線性的映射關(guān)系，所以可以用簡化的線性插值代替復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理工作，即(3)標(biāo)定是數(shù)據(jù)手套的初始化，確定數(shù)據(jù)手套的邊界條件6。在前面所述的式(2)中，a、b為未知量，標(biāo)定即確定a、b。若采用簡化的線性標(biāo)定，即確定式(3)中的Umax、Umin。在標(biāo)定時，操作者應(yīng)作兩個手勢7，使手指基本處于自然運動的極限位置。這樣分別做3次，可減小標(biāo)定誤差。仿真前必須先進行數(shù)據(jù)手套的標(biāo)定，統(tǒng)計操作者的手部信息，提供仿真時使用。2.圖形仿真為了使手部的數(shù)據(jù)信息可視化，我們在Visual C+平臺利用OpenGL (Open graphic library)開發(fā)了相應(yīng)的圖形仿真軟件，建立手

58、的實體模型。模型包括5個手指、17個關(guān)節(jié)。該仿真軟件包括A/D檢測模塊、標(biāo)定模塊、數(shù)據(jù)采集模塊和圖形顯示模塊等，提供一個虛擬的操作環(huán)境。操作者可直接對虛擬三維手的模型進行操作，同時圖形仿真可實時地跟蹤、顯示手指的復(fù)雜運動。所以借助于數(shù)據(jù)手套，可增加與虛擬世界復(fù)雜數(shù)據(jù)交互作用的真實感，使人機交流更加自然、有效。3試驗數(shù)據(jù)表中列出了標(biāo)定試驗的一些檢測數(shù)據(jù)，其中平均差值為差值欄的平均值；某兩次張(或握)手時檢測值的差稱為漂移。平均漂移為某手指漂移值的均方差。表中-DIP表示指(拇指)DIP關(guān)節(jié)，而-MP-B指指(食指)MP關(guān)節(jié)彎曲數(shù)據(jù)，-MP-W指指MP關(guān)節(jié)內(nèi)收及外展數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)為實時采集到的電位計電

59、壓信號?？梢园l(fā)現(xiàn)DIP的運動范圍約為PIP的3/52/3。BHG的最大漂移為該關(guān)節(jié)運動范圍的9.52%，發(fā)生在指的MP-W(彎曲)關(guān)節(jié)。試驗數(shù)據(jù)列表略。由試驗數(shù)據(jù)，計算各列差值并假設(shè)手指運動范圍為-20+90，當(dāng)A/D檢測精度為0.01V時，檢測分辨率為1.160.22，平均分辨率為0.49，漂移1.1612.00，平均漂移4.8。這在機器人遙操作或虛擬設(shè)計及裝配等方面應(yīng)用中，是滿足精度要求的。另外根據(jù)試驗分析，引起上述漂移的主要以下3個因素：機械零件之間裝配間隙及運動回差；支座與手指之間相對滑移；手指復(fù)位的準(zhǔn)確性。（三）力反饋裝置的實現(xiàn)方案關(guān)于觸覺和力反饋設(shè)備的研究還不多見，特別是國內(nèi)，基本

60、上還處于空白。隨著人機交互接口智能化的進一步發(fā)展，特別是關(guān)于視覺、聽覺的研究已經(jīng)取得一定成果之后，為了更真實地體現(xiàn)虛擬環(huán)境，提高人在虛擬環(huán)境中的“沉浸感”，觸覺就成為了一個重要的研究項目。一般說來，只有增加力的反饋，實現(xiàn)了觸覺的模擬，人機交互才能更加真實、自然。目前國內(nèi)還沒有自行研制的虛擬現(xiàn)實力反饋設(shè)備的產(chǎn)品，大多科研機構(gòu)在進行虛擬現(xiàn)實觸覺研究時所需的設(shè)備大都從國外購買，使研究工作受到限制。這類產(chǎn)品除了價格昂貴之外，獲取技術(shù)支持也很困難。另外國外產(chǎn)品只提供設(shè)備的接口，而對技術(shù)細(xì)節(jié)保密。我們的目標(biāo)是在觸覺模擬外部設(shè)備的研究開發(fā)上作一些嘗試，為以后進一步的研究提供資料。設(shè)計的要求1 力反饋設(shè)備的總