虛擬現(xiàn)實(shí)系列項(xiàng)目可行性分析報(bào)告

虛擬現(xiàn)實(shí)系列工程可行性分析報(bào)告提要：本分析報(bào)告較全面地介紹了目前國(guó)內(nèi)外虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的進(jìn)展?fàn)顩r、應(yīng)用前景和市場(chǎng)現(xiàn)狀，著重分析了虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的核心技術(shù)及其實(shí)現(xiàn)方案，并做出了幾個(gè)較為可行的應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的工程籌劃題案。本文的結(jié)論是：目前是投入虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)產(chǎn)業(yè)的最正確時(shí)機(jī)，這是一個(gè)可以大展宏圖的產(chǎn)業(yè)。誰(shuí)能抓住這個(gè)時(shí)機(jī)，將開(kāi)拓一個(gè)嶄的產(chǎn)業(yè)和市場(chǎng)，并有可能成為國(guó)內(nèi)這個(gè)將來(lái)最具前景行業(yè)的領(lǐng)頭企業(yè)。名目虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)簡(jiǎn)介虛擬現(xiàn)實(shí)在國(guó)內(nèi)外的進(jìn)展概況2.1美國(guó)的爭(zhēng)辯狀況2.2日本的爭(zhēng)辯狀況2.3英國(guó)的爭(zhēng)辯與開(kāi)發(fā)4國(guó)內(nèi)爭(zhēng)辯狀況虛擬現(xiàn)實(shí)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玩耍消遣6其他應(yīng)用市場(chǎng)分析虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和產(chǎn)品的實(shí)現(xiàn)方案5.1頭盔顯示器〔3D目鏡〕5.2數(shù)據(jù)手套3力〔觸覺(jué)〕反響裝置虛擬現(xiàn)實(shí)工程籌劃6.1世界風(fēng)景主題餐廳2遙控虛擬飛行旅游系統(tǒng)6.3虛擬現(xiàn)實(shí)健身器材投資分析一．虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)簡(jiǎn)介虛擬現(xiàn)實(shí)，英文稱為VirtualReality(VR)，即利用計(jì)算機(jī)進(jìn)展中的高科技手段構(gòu)造出一個(gè)虛擬的境地，使參與者獲得與現(xiàn)實(shí)一樣的感覺(jué)。虛擬現(xiàn)實(shí)是一個(gè)在當(dāng)今國(guó)際上倍受關(guān)注的課題。假設(shè)真正實(shí)現(xiàn)了虛擬現(xiàn)實(shí)，那么對(duì)整個(gè)人類的生活與進(jìn)展將會(huì)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，你就覺(jué)察你已置身于一個(gè)不受時(shí)空限制的歷史的博物館中，當(dāng)你向前行走或者轉(zhuǎn)頭時(shí)，你所觀察的景象也會(huì)隨之轉(zhuǎn)變，你可穿過(guò)大廳，推開(kāi)前面的大門(mén)；而當(dāng)你觀察一件精巧的展品時(shí)，你甚至可以上上下下、里里外外認(rèn)真地觀摩 這就是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)給你帶來(lái)地一切——近乎完善的真實(shí)感覺(jué)。如：運(yùn)動(dòng)方向、速度等，而系統(tǒng)也可以向用戶反響信息，如：模擬駕駛系統(tǒng)中兩車相撞，用戶會(huì)感覺(jué)到震顫，車在抖動(dòng)。經(jīng)過(guò)不平路面時(shí)，汽車會(huì)顛簸。這種交互性粗看只是一個(gè)技術(shù)上的變化，但它消滅以后，“以計(jì)算機(jī)為主體”的看法漸漸被人們所拋棄，大多數(shù)人開(kāi)頭承受“人是信息環(huán)境的主體”這一思想。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)具有以下三個(gè)根本特征：沉醉性。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是依據(jù)人類的視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)的生理心理特點(diǎn)，由計(jì)算機(jī)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(duì)象的相互作用，就如同在現(xiàn)實(shí)世界中的一樣。當(dāng)使用者移動(dòng)頭部時(shí)，聲音。使用者在虛擬環(huán)境中，一切感覺(jué)都是那么逼真，有一種身臨其境的感覺(jué)。交互性。虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中的人機(jī)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(pán)、鼠就能對(duì)虛擬環(huán)境中的對(duì)象進(jìn)展考察或操作。多感知性。由于虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中裝有視、聽(tīng)、觸、動(dòng)覺(jué)的傳感及反響裝置，因此，使用者在虛擬環(huán)境中可獲得視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)、動(dòng)覺(jué)等多種感知，從而到達(dá)身臨其境的感受。虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)按其功能不同，可分成三種類型。1．沉醉型虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。沉醉型虛擬系統(tǒng)是一套比較簡(jiǎn)單的系統(tǒng)。使用者必需頭戴頭盔、手帶數(shù)據(jù)手套等傳感跟蹤裝置，才能與虛擬世界進(jìn)展交互。由于這種系統(tǒng)可以將使用者的視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)與外界隔離，因此，用戶可排解外界干擾，全身心地投入到虛擬現(xiàn)實(shí)中去。這種系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是用戶可完全沉醉到虛擬世界中去，缺點(diǎn)是系統(tǒng)設(shè)備價(jià)格昂貴，難以普及推廣。簡(jiǎn)易型虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。簡(jiǎn)易型虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)由一臺(tái)一般的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成，使用者通過(guò)鍵盤(pán)、鼠標(biāo)便可與虛擬環(huán)境進(jìn)展交互。例如蘋(píng)果公司推出的快速虛擬系統(tǒng)(QuickTimeVR360攝來(lái)生成逼真的虛擬情景，用戶在一般的電腦上，利用鼠標(biāo)和鍵盤(pán)，就能真實(shí)地感受到所虛擬的情景。這種系統(tǒng)的特點(diǎn)是構(gòu)造簡(jiǎn)潔、價(jià)格低廉，易于普及推廣，是一套經(jīng)濟(jì)有用的系統(tǒng)。共享型虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。共享型虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)是利用遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)，將異地的不同用戶聯(lián)結(jié)起來(lái)，共享一個(gè)虛擬空間，多個(gè)用戶通過(guò)網(wǎng)絡(luò)對(duì)同一虛擬世界進(jìn)展觀看和操作，到達(dá)協(xié)同工作的目的。例如，異地的醫(yī)科學(xué)生，可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)，對(duì)虛擬手術(shù)室中的病人進(jìn)展外科手術(shù)。1993電子學(xué)年會(huì)上所發(fā)表的《虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)及其應(yīng)用》一文中，提出一個(gè)“虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的三角形”，它簡(jiǎn)明“I”(ImmersionInteractionImagination思維設(shè)想)。這三個(gè)“I”在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中的主導(dǎo)作用。二．虛擬現(xiàn)實(shí)在國(guó)內(nèi)外的進(jìn)展概況美國(guó)的爭(zhēng)辯狀況VRVRVR領(lǐng)域的根底爭(zhēng)辯主要集中在感知、用戶界面、后臺(tái)軟件和硬件四個(gè)方面。美國(guó)宇航局〔NASA〕Ames〔HMD〕；VPL成為可用性較高的產(chǎn)品。NASA爭(zhēng)辯的重點(diǎn)放在對(duì)空間站操縱的實(shí)時(shí)仿真上，大多數(shù)爭(zhēng)辯是在NASA的約翰遜空間中心完成的。他們大量運(yùn)用了面對(duì)座艙的飛行模擬技術(shù)。NASA完成的一項(xiàng)著名的工作是對(duì)哈勃太空望遠(yuǎn)鏡的仿真。NASAAmes”〔VPE〕的試驗(yàn)打算，這一工程能使“虛擬探究者”〔VirtualExplorer〕利用虛擬環(huán)境來(lái)考察遙遠(yuǎn)的行星，他們的第一個(gè)目標(biāo)是火星?，F(xiàn)在NASAVRVRVR教育系統(tǒng)。在科技和民用方面，他們主要爭(zhēng)辯：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〔Pixelplanes〕。大學(xué)醫(yī)學(xué)中心成功地將計(jì)算機(jī)圖形及VR的設(shè)備用于探討與神經(jīng)疾病相關(guān)的問(wèn)題。他們以數(shù)據(jù)手套為工具，將手的運(yùn)動(dòng)實(shí)時(shí)地在計(jì)算機(jī)上用圖形表示出來(lái)；SRI爭(zhēng)辯中心建立了“視覺(jué)感知打算”，爭(zhēng)辯VR1991SRIVR圖通過(guò)仿真來(lái)削減飛行事故。另外，SRI華盛頓大學(xué)華盛頓技術(shù)中心的人機(jī)界面技術(shù)試驗(yàn)室〔HITLab〕在概念的爭(zhēng)辯中起著領(lǐng)先作用，同時(shí)也在進(jìn)展感覺(jué)、知覺(jué)、認(rèn)知和運(yùn)動(dòng)把握力量的爭(zhēng)辯。HIT將VR爭(zhēng)辯引入了教育、設(shè)計(jì)、消遣和制造V22日本的爭(zhēng)辯狀況在當(dāng)前有用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的爭(zhēng)辯與開(kāi)發(fā)中日本是居于領(lǐng)先位置的國(guó)家之一，主要致力于建立大規(guī)模VR學(xué)問(wèn)庫(kù)的爭(zhēng)辯。另外在虛擬現(xiàn)實(shí)的玩耍方面的爭(zhēng)辯也做了很多工作。但日本大局部虛擬現(xiàn)實(shí)硬件是從美國(guó)進(jìn)口的。NEC公司計(jì)算機(jī)和通信分部中的系統(tǒng)爭(zhēng)辯試驗(yàn)室開(kāi)發(fā)了一種虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，它能讓操作者都使CADVPLX、Y東京大學(xué)的廣瀨爭(zhēng)辯室重點(diǎn)爭(zhēng)辯虛擬現(xiàn)實(shí)的可視化問(wèn)題。為了抑制當(dāng)前顯示和交互作用技術(shù)的局限性，他們正在開(kāi)發(fā)一種虛擬全息系統(tǒng)?，F(xiàn)在他們已經(jīng)有了4項(xiàng)成果：一個(gè)類似CAVE的系統(tǒng)、用HIMD在建筑群中漫游、人體測(cè)量和模型隨動(dòng)、飛行仿真器。行走原型系統(tǒng)，步行者只要腳上穿上全方向的滑動(dòng)裝置，他就能交替邁動(dòng)左腳和右腳。英國(guó)的爭(zhēng)辯與開(kāi)發(fā)VR開(kāi)發(fā)的某些方面，特別是在分布并行處理、關(guān)心設(shè)備〔包括觸覺(jué)反響〕設(shè)計(jì)和應(yīng)用爭(zhēng)辯方面，1991年底，英國(guó)已有從事VR的六個(gè)主要中心，它們是WIndustries〔工業(yè)集團(tuán)公司BritishAerospac〔英國(guó)航空公司DimensionInternationalDivisionLtd,AdvancedRoboticsResearchCenterVirtualPresenceLtd〔VR〕VR是消遣業(yè)方面的。正在打算推出型輕量顯示頭盔和功能強(qiáng)大的圖形引擎〔graphicsengine〕。VR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(jí)顯微學(xué)等領(lǐng)域。國(guó)內(nèi)爭(zhēng)辯狀況和興旺國(guó)家相比，我國(guó)VR技術(shù)還有肯定的差距，但已引起政府有關(guān)部門(mén)和科學(xué)家們的高度重視。依據(jù)我國(guó)的國(guó)情，制定了開(kāi)展VR技術(shù)的爭(zhēng)辯，例如，九五規(guī)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金會(huì)、國(guó)家高技術(shù)爭(zhēng)辯進(jìn)展VR列入了爭(zhēng)辯工程。在緊跟國(guó)際技術(shù)的同時(shí)，國(guó)內(nèi)一些重點(diǎn)院校，已樂(lè)觀投入到了這一領(lǐng)域的爭(zhēng)辯工作。北京航空航天大學(xué)計(jì)算機(jī)系是國(guó)內(nèi)最早進(jìn)展VR爭(zhēng)辯、最有權(quán)威的單位之一，他們首先進(jìn)展了一些根底開(kāi)發(fā)出了局部硬件，并提出了有關(guān)算法及實(shí)現(xiàn)方法；實(shí)現(xiàn)了分布式虛擬環(huán)境網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，建立了網(wǎng)上虛擬現(xiàn)實(shí)爭(zhēng)辯論壇，可以供給實(shí)時(shí)三維動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)，供給虛擬現(xiàn)實(shí)演示環(huán)境，供給用于飛行員訓(xùn)練的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，供給開(kāi)發(fā)虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)平臺(tái)，并將要實(shí)現(xiàn)與有關(guān)單位的遠(yuǎn)程連接。LCD三．虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和產(chǎn)品的應(yīng)用前景虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的進(jìn)展，向人們呈現(xiàn)了迷人的前景，近幾年，虛擬現(xiàn)實(shí)在很多領(lǐng)域都得到了開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，現(xiàn)將其主要的應(yīng)用領(lǐng)域簡(jiǎn)介如下：軍事訓(xùn)練虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)一消滅，就受到各國(guó)軍界的青睞。從90年月初起，美國(guó)領(lǐng)先將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)用于軍事領(lǐng)域，主要用于以下四個(gè)方面：一是虛擬戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境。即通過(guò)相應(yīng)的三維戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境圖形圖像庫(kù)，包括作戰(zhàn)背景、戰(zhàn)地場(chǎng)景、各種武器裝備和作戰(zhàn)人員等，為使用者制造一種險(xiǎn)象環(huán)生、幾近真實(shí)的立體戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境。以增加其臨場(chǎng)感覺(jué)，提高訓(xùn)練質(zhì)量。二是進(jìn)展單兵模擬訓(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(guò)操作傳感裝置選擇不同的戰(zhàn)場(chǎng)背景，輸入不同的處置方案，體會(huì)不同的作戰(zhàn)效果，進(jìn)而像參與實(shí)戰(zhàn)一樣，熬煉和提高技術(shù)水平、快速反應(yīng)力量和心理承受力。如美空軍用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)研制的飛行訓(xùn)練模擬器，能產(chǎn)生視覺(jué)把握，能處理三維實(shí)時(shí)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把握飛行器，還能處理虛擬現(xiàn)實(shí)中飛機(jī)以外的各種狀況，如氣球的威逼、的放射軌跡等。三是實(shí)施諸軍兵種聯(lián)合演習(xí)，建立一個(gè)“虛擬戰(zhàn)場(chǎng)”，使參戰(zhàn)雙方同處其中，依據(jù)虛擬環(huán)境中的各種狀況及其變化，“調(diào)兵遣將”、“斗智斗勇”，實(shí)施“真實(shí)的”對(duì)抗演習(xí)。四是進(jìn)展指揮員訓(xùn)練。利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，依據(jù)偵察情報(bào)資料合成出戰(zhàn)場(chǎng)全景圖，讓受訓(xùn)指揮員通過(guò)傳感裝置觀看敵我兵力部署和戰(zhàn)場(chǎng)狀況，以便推斷敵情，定下正確決心。美國(guó)海軍開(kāi)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“真實(shí)的”戰(zhàn)場(chǎng)之上。教育應(yīng)用用VR技術(shù)可以建筑人體模型、電腦太空旅行、化合物分子構(gòu)造顯示等。由于形象真實(shí)，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)效果格外顯著。對(duì)于很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(kāi)飛機(jī)、滑雪、開(kāi)挖土機(jī)、開(kāi)拖吊機(jī)、核子潛艇操作等，利用虛擬現(xiàn)實(shí)來(lái)作為進(jìn)人員的訓(xùn)練是一個(gè)趨勢(shì)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在遠(yuǎn)程教學(xué)中的作用彌補(bǔ)遠(yuǎn)程教學(xué)條件的缺乏。在遠(yuǎn)程教學(xué)中，往往會(huì)由于試驗(yàn)設(shè)備、試驗(yàn)場(chǎng)地、教學(xué)經(jīng)費(fèi)等方面的緣由，而使一些應(yīng)當(dāng)開(kāi)設(shè)的教學(xué)試驗(yàn)無(wú)法進(jìn)展。利用虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，可以彌補(bǔ)這些方面的缺乏，學(xué)生足不出戶便可以做各種各樣的試驗(yàn)，獲得與真實(shí)試驗(yàn)一樣的體會(huì)，從而豐富感性生疏，加深對(duì)教學(xué)內(nèi)容的理解。避開(kāi)真實(shí)試驗(yàn)或操作所帶來(lái)的各種危急以往對(duì)于危急的或?qū)θ梭w安康有危害的試驗(yàn)，一般承受電視錄像的方式來(lái)取代試驗(yàn)，學(xué)生無(wú)法直接參與實(shí)驗(yàn)，獲得感性生疏。利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)展虛擬試驗(yàn)．則可以免除這種顧慮。學(xué)生在虛擬試驗(yàn)環(huán)境中，可以放心地去做各種危急的或危害人體的試驗(yàn)。例如，虛擬的化學(xué)試驗(yàn)，可以避開(kāi)化學(xué)反響所產(chǎn)生的燃燒、爆炸所帶來(lái)的危急；虛擬的外科手術(shù)，可避開(kāi)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(jī)駕駛教學(xué)系統(tǒng)，可免除學(xué)員操作失誤而造成飛機(jī)墜毀的嚴(yán)峻事故。徹底打破空間、時(shí)間的限制利用虛擬現(xiàn)實(shí)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(jìn)入這些物體的內(nèi)部進(jìn)展觀看。例如學(xué)生可以進(jìn)入虛擬發(fā)電廠內(nèi)，考察發(fā)電機(jī)的每個(gè)部件的工作狀況以及每個(gè)部件之間的相互聯(lián)系，了解整個(gè)發(fā)電過(guò)程，這是電視錄像媒體和實(shí)物媒體所無(wú)法比較的。虛擬技術(shù)還可以突破時(shí)間的限制，一些需要幾十年甚至上百年才能觀看的變化過(guò)程，通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，可以在很短的時(shí)間內(nèi)呈現(xiàn)給學(xué)生觀看。例如，生物中的孟德?tīng)栠z傳定律，用果蠅做試驗(yàn)往往要幾個(gè)月的時(shí)間，而虛擬技術(shù)在一堂課內(nèi)就可以實(shí)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(gè)人性化的學(xué)習(xí)環(huán)境，使遠(yuǎn)教學(xué)生能夠在自然、親切的氣氛中進(jìn)展學(xué)習(xí)。例如，在虛擬的課堂學(xué)習(xí)氣氛中，遠(yuǎn)教學(xué)生可以與虛報(bào)的教師、學(xué)生一起溝通、爭(zhēng)辯，共同探討學(xué)習(xí)中的各種問(wèn)題，進(jìn)展協(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、溝通，通過(guò)先進(jìn)人物的言行來(lái)感化學(xué)生，從而到達(dá)思想品德教育的目的。再如，在外語(yǔ)教學(xué)中，可以通過(guò)計(jì)算機(jī)虛擬學(xué)生到國(guó)外旅游的情境，讓學(xué)生與人交談，達(dá)到訓(xùn)練學(xué)生口語(yǔ)的目的。技能訓(xùn)練虛擬現(xiàn)實(shí)的沉醉性和交互性，使學(xué)生能夠在虛擬的學(xué)習(xí)環(huán)境中扮演一個(gè)角色，全身心地投入到學(xué)習(xí)環(huán)境中去，這格外有利于學(xué)生的技能訓(xùn)練。利用虛擬現(xiàn)實(shí)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(shù)栽培技能、電器修理技能等各種職業(yè)技能的訓(xùn)練。由于這些虛擬的訓(xùn)練系統(tǒng)無(wú)任何危急，學(xué)生可以不厭其煩地反復(fù)練習(xí)，直至把握操作技能為止。例如：在虛擬的飛機(jī)駕駛訓(xùn)練系統(tǒng)中，學(xué)員可以反復(fù)操作把握設(shè)備，學(xué)習(xí)在各種天氣狀況下駕駛飛機(jī)起飛、降落，通過(guò)反復(fù)訓(xùn)練，到達(dá)嫻熟把握駕駛技術(shù)的目的。工程應(yīng)用工程很大程度上依靠于圖形工具，以便直觀地顯示各種產(chǎn)品，目前CAD/CAM已經(jīng)成為機(jī)械、建筑等領(lǐng)域必不行少的軟件工具。VRML使工程人員能通過(guò)Internet/Intranet按協(xié)作方式進(jìn)展三維模型的設(shè)計(jì)、溝通和公布，進(jìn)一步提高生產(chǎn)率并削減本錢(qián)。商業(yè)應(yīng)用Internet對(duì)各個(gè)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(gòu)置商品的經(jīng)受。顧客可以訪問(wèn)虛擬世界中的商店，在那里選擇商品，然后通過(guò)Internet辦理付款手續(xù)，商店則準(zhǔn)時(shí)把商品送到顧客手中。在不動(dòng)產(chǎn)、移動(dòng)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(gòu)置前先看產(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(duì)房屋、土地、鍋爐、大型機(jī)具、家具、醫(yī)療材、健身器材、設(shè)計(jì)公司等方面都很有幫助。玩耍消遣消遣是VR的一個(gè)重要應(yīng)用領(lǐng)域。VR為我們供給了一個(gè)功能格外強(qiáng)大的在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)上制造各種環(huán)境的平臺(tái)，它能供給更好的多人之間的交互，供給更加逼真的虛擬環(huán)境，從而使人們能夠享受其中的樂(lè)趣，帶來(lái)更好的消遣感覺(jué)。VRML目前正朝著實(shí)時(shí)通信、大規(guī)模用戶交互的方向進(jìn)展。MicrosoftWindows上，而且都是虛擬現(xiàn)實(shí)的玩?！，F(xiàn)在已有很多虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境電腦玩耍。例如消滅戰(zhàn)士〔DOOM〕、天旋地轉(zhuǎn)〔Descent〕等。其他應(yīng)用對(duì)于股市行情顯示、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控、人機(jī)界面、物體理論模擬、車禍現(xiàn)場(chǎng)重現(xiàn)等很多題目，都可以把數(shù)據(jù)與理論訴諸于三度空間的虛擬顯示來(lái)表現(xiàn)。虛擬現(xiàn)實(shí)具有最高的效率，隨著技術(shù)的不斷完善，本錢(qián)的逐步下降以后的市場(chǎng)展望是相當(dāng)樂(lè)觀的。四． 市場(chǎng)分析目前，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已取得引人注目的成果，在國(guó)內(nèi)也引起了廣泛的重視。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能夠在計(jì)算機(jī)中構(gòu)造出一個(gè)形象逼真的模型，人與該模型可以進(jìn)展交互操作，并產(chǎn)生與現(xiàn)實(shí)世界中一樣的反響信息，使人們得到與在現(xiàn)實(shí)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、人類不行能到達(dá)的環(huán)境或構(gòu)造虛擬環(huán)境以代替耗資巨大的現(xiàn)實(shí)環(huán)境時(shí)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是必不行少的。從心理學(xué)上講，人是一種社會(huì)動(dòng)物，總是有一種親和心理，總是渴望溝通的。依據(jù)馬斯洛的需要層次論來(lái)說(shuō)，人類滿足了生理需求、安全需求，對(duì)社交需求、敬重需求后，對(duì)自我實(shí)現(xiàn)的需求有著猛烈的欲望，他們渴望在這個(gè)虛擬的網(wǎng)絡(luò)社會(huì)滿足他們的欲望。現(xiàn)實(shí)社會(huì)和虛擬的網(wǎng)絡(luò)社會(huì)是嚴(yán)密聯(lián)系但又完全不同的兩個(gè)實(shí)體，人們?cè)诂F(xiàn)實(shí)社會(huì)中的諸多不平可以在虛擬的網(wǎng)絡(luò)世界得以實(shí)現(xiàn)。既然用戶有這種猛烈的需求，所以我們的產(chǎn)品——基于虛擬現(xiàn)實(shí)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(chǎng)的。從現(xiàn)實(shí)應(yīng)用角度來(lái)分析，虛擬現(xiàn)實(shí)〔VR〕的生動(dòng)性和交互性是文字信息所無(wú)法比較的，而推出這一產(chǎn)品的公司就是擁有了一家電視臺(tái)，它的媒體價(jià)值是無(wú)法估量的。從市場(chǎng)前景及利潤(rùn)角度來(lái)分析：VR目前最大的問(wèn)題，即如何利用這一興媒體來(lái)贏利。一個(gè)始終浮動(dòng)在桌面上的客戶端，其廣告位是有限的?；谔摂M現(xiàn)實(shí)技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)社會(huì)不存在這一問(wèn)題，用戶在做好的三維場(chǎng)景里漫游、溝通，如同現(xiàn)實(shí)社會(huì)一樣，他會(huì)不經(jīng)意地覺(jué)察一些廣告牌，他甚至?xí)苡信d趣地參與由我們推出的一些廣告活動(dòng)。因此我們的虛擬網(wǎng)絡(luò)世界的媒體價(jià)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于目前的ICQ，解決了它的最大問(wèn)題〔如何贏利〕。虛擬現(xiàn)實(shí)的網(wǎng)絡(luò)社會(huì)將是一個(gè)開(kāi)放的系統(tǒng)，我們可找各方合作開(kāi)發(fā)。而且網(wǎng)絡(luò)社會(huì)是一個(gè)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(chǎng)景，固然這是要交由我們來(lái)審批的，也由我們來(lái)發(fā)布。SONY已洞悉到市場(chǎng)的進(jìn)展需求，在1996年領(lǐng)先開(kāi)發(fā)并推出頭盔式監(jiān)視器——HMD，型號(hào)為PLM-5。戴上它能使人感覺(jué)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的大畫(huà)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(jià)不及前者一半，較前者更具SONY的PLM-5而臨時(shí)還不見(jiàn)TAKA的Dynovisor的影蹤。2022年7月，美國(guó)cyberedge信息效勞公司信息效勞部公布了其關(guān)于虛擬現(xiàn)實(shí)市場(chǎng)的第三次年度調(diào)查。全球虛擬現(xiàn)實(shí)市場(chǎng)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(zhǎng)。虛擬現(xiàn)實(shí)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(jì)以及電子玩耍等領(lǐng)域。如三D目鏡等。完整的虛擬現(xiàn)實(shí)產(chǎn)品尚未遇見(jiàn)。這主要是由于，一方面，國(guó)內(nèi)的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和產(chǎn)品還處于研制開(kāi)發(fā)階段，還不成熟；另一方面，國(guó)外進(jìn)口的產(chǎn)品，價(jià)格太高。因此，這個(gè)具有廣泛用途的、最具錢(qián)景的產(chǎn)品和巨大的市場(chǎng)，至今還沒(méi)有人去做。初步估量?jī)H消遣應(yīng)用方面，假設(shè)，國(guó)內(nèi)10%的家庭擁有虛擬現(xiàn)實(shí)消遣設(shè)備〔如虛擬現(xiàn)實(shí)運(yùn)動(dòng)器材〕，就有500億人民幣的市場(chǎng)。我們認(rèn)為，隨著技術(shù)的完善和本錢(qián)的不斷降低，虛擬現(xiàn)實(shí)消遣設(shè)備將逐步取代高級(jí)音箱、家庭影院、VCD、DVD等目前流行的家庭消遣設(shè)施，成為每個(gè)家庭不行缺少的生活用品。五． 虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)技術(shù)和產(chǎn)品的實(shí)現(xiàn)方案一個(gè)真正的虛擬現(xiàn)實(shí)程序必需包括以下兩個(gè)根本要素：用戶具有身臨其境的感覺(jué)，并有實(shí)時(shí)任憑活動(dòng)的自由；能夠?qū)崟r(shí)地操縱和轉(zhuǎn)變?cè)撎摂M境地。因此，虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的核心技術(shù)包括硬件方面：頭盔顯示器、數(shù)據(jù)手套、力反響及熱反響裝置、頭部運(yùn)動(dòng)跟蹤器等。軟件方面：虛擬現(xiàn)實(shí)建模系統(tǒng)〔軟件〕、聲音識(shí)別和語(yǔ)音合成等。總體來(lái)說(shuō)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)分為實(shí)物虛化、虛物實(shí)化和計(jì)算處理技術(shù)三個(gè)方面。實(shí)物虛化是將現(xiàn)實(shí)世界的多維信息通過(guò)力、觸覺(jué)、聲音、熱等傳感器將光電能量轉(zhuǎn)換映射到計(jì)算機(jī)的數(shù)字空間生成相應(yīng)的虛擬世界。虛物實(shí)化通過(guò)各種計(jì)算和仿真技術(shù)使計(jì)算機(jī)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響給用戶?，F(xiàn)對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的各個(gè)硬件局部簡(jiǎn)要介紹如下：頭盔顯示器〔3D目鏡〕：用于與計(jì)算機(jī)、電視、玩耍機(jī)相連，佩帶者可直接觀看立體影視場(chǎng)景或立體3維動(dòng)態(tài)畫(huà)面。目前主要在美國(guó)、日本等少數(shù)興旺國(guó)家生產(chǎn)，最近臺(tái)灣業(yè)開(kāi)發(fā)出185.1〔HMD〕。VirtualI-GlassesPC、TV、Video3D立體影視效果。VirtualRealities,Inc.公司生產(chǎn)。售價(jià)：750VR4HMD1.3“diagonalActiveMatrixLiquidCrystalDisplaysResolutionpereye:170,660colorelements(742x230)equivalentto56,887triadsAdjustments:R,G,Bgain,brightnessandcontrast(forRS-170Ainput);hue,contrast,andbrightness(forS-VHSinput)5DTHMDThe5DTHeadMountedDisplayseriesofferstheuseraffordablequality,highresolution,acrispimageandsuperiorsoundqualitypackaged sleek,comfortableandextremelylightheadmountdesign.(3DVersion-DuelInput)-$4950.00Cy-Visor

isanultra-durableheadsetdesignedformostanyapplication.Itprovidesfullcolor,SVGAresolutionat800x600(1.4millionpixels)andoffersqualityviewing,deliveringcleartextandgraphics.WithD-Sub15pin,RCAandS-Videoconnections,itwillrunwithanyPCandVideoSourceforanimmersivebig-screenviewingexperience.售價(jià)：$1200.00由美國(guó)VirtualResearchSystems,Inc公司生產(chǎn)。V8setsanewstandardinhighperformance,professionalHMDs.NewactivematrixLCDswithtrueVGA((640x3)x480)pixelresolutionprovidebright,vibrantcolorandaCRTqualityimage.PowerGlove〔能量手套〕parallelPowerGlove〔能量手套〕parallelport-keyboardinterfaceandsoftware/manual.Buildyourownrealityonyour386,486,orPentium-basedcomputerandmanipulateit.Includes2MorrowWorldBuilder,conversionutilities,sampleworldsandsourcecode.售價(jià)：$150.005DTGlove〔5維數(shù)據(jù)手套〕The new 5DT Glove features advanced fiber-optic sensorstogeneratefinger-benddata.Moveeasilythroughyourvirtualworldbycombininghandgestureswiththepitchandrollofyourhand.Breakthroughpricing,newfeatures,openarchitectureandsoftwaresupporthavemadeitthegloveofchoice.售價(jià)：右手$485.00；左手$585.00CyberGlove用于虛擬現(xiàn)實(shí)、遠(yuǎn)程機(jī)器人學(xué)、作業(yè)訓(xùn)練、CAD、語(yǔ)言識(shí)別署名、電視玩耍、用圖表示特性動(dòng)畫(huà)片制作、音樂(lè)產(chǎn)生、手-功能分析等。WiredLCDshutterglasses,PowerGlove,MicroprocessorWiredLCDshutterglasses,PowerGlove,MicroprocessorcontrolledserialportinterfaceforApplecomputersand3DSoftware.售價(jià)：$450.00WiredLCDshutterglasses,PowerGlove,parallelportinterface,parallelportY-adapter,2MorrowWorldBuilder,conversionutilities,sampleworlds,sourcecodeandgames.售價(jià)：$395.00力〔觸覺(jué)〕反響裝置：觸覺(jué)是人們從外界獵取信息的重要傳感渠道之一，它由觸摸反響和力氣反響組成。雖然它們是兩種不同形式的力氣感知，但在虛擬環(huán)境中，它們都是使用戶具有臨境體驗(yàn)的交互手段，也是改VR系統(tǒng)的真實(shí)感、沉醉感，提高虛擬任務(wù)執(zhí)行成功的機(jī)率。觸覺(jué)感知是指人與物體對(duì)象接觸所得到的全部感覺(jué)，是觸摸覺(jué)、壓覺(jué)、振動(dòng)覺(jué)、刺痛覺(jué)等等皮膚感覺(jué)的統(tǒng)稱。所以觸摸反響代表了作用在您皮膚上的力，它反映了人類觸摸的感覺(jué)，或者是皮膚上受到壓力的感覺(jué)；而力反響是作用在您的肌肉、關(guān)節(jié)和筋腱上的力。 與視覺(jué)和聲音反響相比，觸摸反響分析比較簡(jiǎn)單。由于觸摸傳感器供給的是關(guān)于接觸外表的幾何性質(zhì)、外表平滑度、溫度、幾何構(gòu)造等信息。而力氣反響供給的是關(guān)于全部接觸力氣的信息，還有外表的硬度或被抓物體的重量信息。FORCEFXTheFORCEFXisguaranteedtoknockyoursocksoffwithsixbuilt-ineffectsyoucanexperiencethroughthestickinmanyvariationsofmagnitude,direction,durationandrepetitiveness.EachvariationisdeterminedthroughyourfavoriteI-Force-supportedgame.售價(jià)：$185.006-DOFHumanInterfaceDeviceThe6-DOFHIDprovidescompletesixdegreesoffreedomthatletyoumoveforward/backward,strafeleft/right,jump/crouch,lookup/down,watchleft/rightortumbleleft/rightatthesametime.The6-DOFHIDoffers256degreesofresolutionineachdegreeoffreedomandallowsalternatespeed/accelerationineachdirection.售價(jià)：$150.00FormulaT2Experiencethethrillofrealracingactionin3D!TheFormulaT2VRRacingSystemputsyouinthedriver”sseatofahigh-speedIndycar.Withit”srealisticfeelandfeatures,allyou”llbemissingisthesmellofburningrubberandracingfuel.售價(jià)：$285.00R&RVirtualRealityChairTheR&RVirtualRealityChairispoweredbycompressedairthatissuppliedbyasmallaircompressorthatistypicallyusedforairbrushpaintguns.TheR&Rusesyourmonitor(Upto35lbs.,ormoreifyoucounterbalancetheweight)andaPCcompatiblejoystick.售價(jià)：$1550.00〔InteractorVestNotonlydoestheInteractoraddtothevirtualrealityofyourPCgames,youcanalsofeeltheactionfromyourfavoriteTVshows,movies,CD,stereo,gameconsoleandmore...thebestwaytogetyourkicksfromyourfavoritetoys.Theinteractorisdesignedtowearontheback,adjuststofitallsizes,andisguaranteednottohitbelowthebeltoryourmoneyback..Adaptersareincludedforconnectiontovariousaudioandvideosources,includingPCandGameConsoles.售價(jià)：$85.00頭部運(yùn)動(dòng)跟蹤器：人體重要的感覺(jué)之一是方位感，即獲知自己到底是在空間中的什么位置。頭部運(yùn)動(dòng)跟蹤器就是解決這個(gè)問(wèn)題的裝置，有了這種裝置，你的環(huán)境就會(huì)依據(jù)你身體的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生相應(yīng)的變化?，F(xiàn)有的頭部運(yùn)動(dòng)跟蹤器根本上可分為四大類：機(jī)械式、光學(xué)式、超聲波式和磁場(chǎng)式。目前美國(guó)已有一些公司將頭部運(yùn)動(dòng)跟蹤器固化到頭盔顯示器或三D目鏡中，如I-Glasses〔價(jià)格：2022美元〕。虛擬現(xiàn)實(shí)的軟件系統(tǒng)比較多，目前使用較廣的是WorldToolKitWorldUp等。在此不作具體爭(zhēng)辯。下面，我們主要介紹頭盔顯示器、數(shù)據(jù)手套和力反響裝置的實(shí)現(xiàn)方案?！惨弧诚残皖^盔顯示器實(shí)現(xiàn)方案對(duì)消遣型頭盔顯示器的主要功能要求：較高的逼真度〔沉醉感〕；三維成像；價(jià)格較低。頭盔顯示器與目前流行的玩耍機(jī)在視景方面最大的不同是：后者多為卡通式動(dòng)畫(huà)，缺乏真實(shí)感，而頭盔顯示器的視景則要求高度逼真，有時(shí)甚至由三維成像構(gòu)成的畫(huà)面仍不夠真實(shí)，還要使用拍攝的自然景觀，兩者合成在一起。這將增加肯定的技術(shù)難度。假設(shè)考慮在視景中再消滅真實(shí)活動(dòng)的人物和動(dòng)物時(shí)，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(shí)進(jìn)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，小型顯示器所放射的光線經(jīng)過(guò)凸透鏡使影像因折射產(chǎn)生類似遠(yuǎn)方效果。利用此效果將近處物體放大至遠(yuǎn)處欣賞而到達(dá)所謂的全像視覺(jué)。小型液晶顯示器〔LCD，LiquidCrystalDisplay〕的影像通過(guò)一個(gè)偏心自由曲面透鏡，使影像變成類似大銀幕畫(huà)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，根本上已成為自由面棱鏡。當(dāng)LCD產(chǎn)生的影像穿透A面進(jìn)入偏心自由曲面棱鏡C面，再全反射至觀視者眼睛對(duì)向側(cè)凹面鏡B面。B面涂有一層鏡面涂層，反射同時(shí)間線再次被放大反射至C面，并在C面補(bǔ)正光線傾斜，到達(dá)觀視者眼睛。偏心自由曲面棱鏡自由曲面透鏡應(yīng)用于HMD1.自由曲面棱鏡；2.偏心；3.自由曲面。光學(xué)面的折射力是由面曲率打算，曲率愈大〔曲率半徑愈小〕該面的折射力則愈強(qiáng)，利用此特性可得到較大的折射力，然而相對(duì)的收差也隨之變大。折射面的折射力Φ可由媒質(zhì)的折射率n，曲率半徑R，依下式求得：Φ=〔n-1〕/R〔1〕。由于折射面的光路中可并排設(shè)置數(shù)個(gè)元件，因此可利用復(fù)數(shù)面作收差補(bǔ)正。要留意的是，該光學(xué)面的光軸必需是直線狀。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。Φ=2/R〔2〕。外表反射鏡常用于類似望遠(yuǎn)鏡之系統(tǒng)，由于它不會(huì)發(fā)生色收差，因此一般的口徑都很大。假設(shè)是由反面鏡構(gòu)成反射面則變成：Φ=2n/R〔3〕。例如折射率為1.5時(shí)與上述穿透面式〔1〕比較，1/6的曲率即可獲得同等折射力。回轉(zhuǎn)對(duì)稱光軸光學(xué)中假設(shè)發(fā)生偏心便會(huì)產(chǎn)生單邊光暈，不管如何調(diào)整Lens光軸都無(wú)法得到有效改善，對(duì)光學(xué)而言偏心乃是最大忌諱。然而對(duì)內(nèi)面鏡光學(xué)而言，它反而是處理光路折返不得不承受的技巧，主要緣由是一旦發(fā)生偏心，相對(duì)的偏心收差會(huì)變大，如此一來(lái)會(huì)產(chǎn)生更為頭疼的問(wèn)題。如上所述結(jié)偏心方式乃是取出光線最正確手段，但是偏心卻有造成收差變大的副作用。正確方法應(yīng)當(dāng)是先決定評(píng)估面，并令該面的中心上各面的軸上主光線形成曲折穿插狀，如此才能作收差評(píng)估。偏心的優(yōu)點(diǎn)偏心最大優(yōu)點(diǎn)是可使光學(xué)構(gòu)造變的格外簡(jiǎn)潔、小型。傳統(tǒng)光學(xué)假設(shè)要進(jìn)展微型化，除了縮短系統(tǒng)長(zhǎng)度或口徑外沒(méi)有其它方法。然而對(duì)于回轉(zhuǎn)對(duì)稱光學(xué)而言它的光軸成為一條直線，假設(shè)改為偏心光學(xué)便可大幅3片Triplet透鏡，傳統(tǒng)的回轉(zhuǎn)對(duì)稱光學(xué)除了將3片透鏡長(zhǎng)度縮小之外沒(méi)有其它方法可使光學(xué)系統(tǒng)微型化。不過(guò)假設(shè)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)程度的分別設(shè)計(jì)且各面互不干預(yù)，同時(shí)更可因這種構(gòu)造大幅減弱各面的折射力。偏心棱鏡乃是刻意使光學(xué)面偏離光軸〔簡(jiǎn)稱離軸〕，傾斜構(gòu)造可使光路在無(wú)任何衰減狀況下折疊，此外各面相互保持肯定間隔，因此各光學(xué)面的折射力可大幅降低。棱鏡所構(gòu)成的內(nèi)面鏡光學(xué)可取出偏心時(shí)的光路，形成低收差之光學(xué)系統(tǒng)。不過(guò)假設(shè)是偏心過(guò)大造成大偏心收差時(shí)，便無(wú)法構(gòu)成回轉(zhuǎn)對(duì)稱面之偏心光學(xué)，此時(shí)需設(shè)法轉(zhuǎn)變面的外形作成所謂的自由曲面，藉由自由曲面補(bǔ)正偏心收差。設(shè)計(jì)上假設(shè)能把握以下幾項(xiàng)原則，根本上它與傳統(tǒng)的回轉(zhuǎn)對(duì)稱光學(xué)完全一樣。面對(duì)稱假設(shè)只考慮Y-Z面內(nèi)的偏心則Y軸的正負(fù)方向?yàn)榇笃?。有關(guān)X-Z軸的正負(fù)方向則為同樣外形。換言之Y-Z面必需是對(duì)稱面的面對(duì)稱。該對(duì)稱面假設(shè)是Y-Z平面，則X軸方向便不需非對(duì)稱，因此自由曲面系數(shù)X不用奇數(shù)次項(xiàng)。一般而言，由物體中心射出并通過(guò)中心與像面穿插之光線會(huì)有一條存在。在回轉(zhuǎn)對(duì)稱光學(xué)時(shí)此光線變成光軸。然而偏心光學(xué)的光線是曲折前進(jìn)，因此上述光線不易變成光軸。為了作業(yè)上便利統(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(guò)各面定義座標(biāo)的中心不行，因此即使求出定義座標(biāo)原點(diǎn)四周的曲率，依此定義座標(biāo)所求得之近軸量實(shí)際上毫無(wú)意義。此外目前的光學(xué)設(shè)計(jì)軟體不易作有關(guān)近軸計(jì)算。主要緣由是設(shè)計(jì)前必需先獲得入射瞳徑或物體側(cè)之NA等根底資料。同樣道理假設(shè)無(wú)法求出焦距便無(wú)法計(jì)算像高，假設(shè)焦距無(wú)法成為直接補(bǔ)正對(duì)象就必需以像高作為補(bǔ)正對(duì)象進(jìn)展收差補(bǔ)正。如上所述由于無(wú)法求得近軸量，因此依式以像高作為補(bǔ)正對(duì)象再協(xié)作焦距計(jì)算。h=f?tanθ〔7〕h：像高；f：焦距；θX、Y方向各具自由度，因此需以各別像高作為補(bǔ)正對(duì)X、YYY像高的正負(fù)都需成為補(bǔ)正對(duì)象。具體設(shè)計(jì)方案如下：選擇適宜的液晶顯示屏〔LCD〕可以承受2個(gè)0.7△彩色液晶顯示器，每個(gè)尺寸在2.2~2.7英寸之間，區(qū)分率在18萬(wàn)像素以上?？煽紤]用Casio470型彩色液晶電視機(jī)，它的液晶線示屏尺寸是2.2英寸，拆去電視機(jī)的其它局部，只保存液晶平和驅(qū)動(dòng)電路板即可〔入以下圖所示〕。選擇適宜的光學(xué)系統(tǒng)在確定液晶顯示器之后，就該開(kāi)頭光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)了。圖8．16示意了把2．2英寸LCD放置在眼睛前方2毫米的間隔。為了確定液晶屏的位置，水平地測(cè)量屏邊緣到中心的距離，假設(shè)這個(gè)距離大于16毫米，那么把顯示屏放置在眼睛正前方是不行行的。承受64毫米的標(biāo)準(zhǔn)瞳距以便大多數(shù)人都可以試用我們?cè)O(shè)計(jì)的頭盔顯示器。由于顯示屏比可用空間要大一些；所以就必需解決散視問(wèn)題。假設(shè)上述測(cè)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2064—2X20：24mm。散視假設(shè)顯示屏的上述測(cè)量距離小于16毫米，您可以跳過(guò)這一節(jié)內(nèi)容。然而，假設(shè)大于16毫米，它們的放置方式就必需使我們易于把視線折向顯示屏的中心。這聽(tīng)起來(lái)好似很簡(jiǎn)潔，但要迫使人眼視線偏折并不是一件日常小事。我們預(yù)備甩棱鏡來(lái)使從液晶顯示展出射—的光線偏折，從而使光線能以適宜的角度人射到眼睛中。現(xiàn)在不能簡(jiǎn)潔地把顯示屏相互盡可能靠近地放置，并僅用棱鏡實(shí)現(xiàn)視線偏折。不是什么角度的棱鏡都有現(xiàn)成的可以買(mǎi)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(gè)液晶屏相互盡可能靠近來(lái)測(cè)量這個(gè)8．17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。假設(shè)用量角器來(lái)測(cè)量正入射視線和斜入射視線之間的夾角，就可以得到實(shí)現(xiàn)光線偏折所需要的最小角度。然后就需要找到呷塊適宜的棱鏡，它的角度盡可能接近上述測(cè)量角，而且必需正好等于或是大于測(cè)量角。假設(shè)不得不買(mǎi)一塊角度比測(cè)得角要大的棱鏡，就必需把兩塊顯示屏拉開(kāi)一點(diǎn)來(lái)補(bǔ)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(jìn)一步確定垂直位置了。前面已經(jīng)提及過(guò)，眼睛的視場(chǎng)外形很像一個(gè)圓錐面。的地方；2．2英寸的顯示屏距離眼睛就該是1.1英寸，依次類推。然而，液晶屏的實(shí)際位置會(huì)依據(jù)放大鏡系統(tǒng)要求的調(diào)焦距離不同而轉(zhuǎn)變。放大鏡片距離眼睛應(yīng)當(dāng)保存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)爭(zhēng)辯過(guò)，鏡片的口徑必需大約為245mmX78mm60~視場(chǎng)57mmX110mm35~視場(chǎng)40mmX92mm45~視場(chǎng)8美元，我們需要兩套系統(tǒng)。而且還必需買(mǎi)幾套光學(xué)系統(tǒng)來(lái)做試驗(yàn)，進(jìn)一步增大了頭盔顯示器的造價(jià)。另一個(gè)麻煩是，放大率太大時(shí)會(huì)使我們看清LCD的單個(gè)象元。下面會(huì)爭(zhēng)辯如何減小這種影響，但我們也必需像全部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(chǎng)角和浸沒(méi)感，就必需犧牲一局部清楚度。視場(chǎng)越小，獲得的浸沒(méi)感就越差。所以如何解決這個(gè)問(wèn)題確實(shí)取決于個(gè)人選擇。光學(xué)系統(tǒng)定位放大鏡片應(yīng)當(dāng)位于棱鏡和液晶顯示屏之間，這就需要有一個(gè)支撐物來(lái)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〔由于有些部件用電，所以承受金屬框時(shí)肯定要留神〕。假設(shè)使用工程塑料做框架，可以用膠來(lái)固定全部的元件。膠很簡(jiǎn)潔變干，所以能很快裝配好整個(gè)單元。上述方法可以制作出一個(gè)很緊湊的部件，然后固定到一個(gè)類似于棒球頭盔的外殼上。選擇散射元件除了兩個(gè)問(wèn)題有待解決外，光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)已根本就緒。其一就是散射器。假設(shè)買(mǎi)到的透鏡系統(tǒng)有較大的l蠟紙做散射器，也可以用網(wǎng)目狀打印紙，如100線，點(diǎn)數(shù)越多而且點(diǎn)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?jiān)囼?yàn)，找到一種最滿足的線數(shù)。會(huì)聚調(diào)整最終需要解決的是會(huì)聚問(wèn)題。我們需要確定的是當(dāng)同時(shí)注視顯示屏上的兩幅圖象時(shí)，它們是否會(huì)融合為一幅圖象。推斷方法是，給每一個(gè)顯示屏輸入一樣的信號(hào)，在通過(guò)頭盔顯示器觀看圖象，假設(shè)看到的是單幅圖象，則該顯示器是會(huì)聚的；假設(shè)看到并排兩幅圖象，則需要水平向左或向右移動(dòng)其中一個(gè)顯示屏，直到看到的是單幅圖象。頭盔顯示器經(jīng)過(guò)優(yōu)化后，對(duì)于瞳距范圍在60至80mm之間的大約90%的人是適合的，而對(duì)瞳距較大或較小的人而言就有些問(wèn)題。因此可以做一個(gè)調(diào)整旋鈕。制作頭盔顯示器的外殼現(xiàn)在該開(kāi)頭有制造性的實(shí)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?您必需考慮的主要問(wèn)題是抵消顯示器重量的配重。通常配重的最正確位置是外殼后部證對(duì)顯示器的地方。基于頭盔的外殼是最簡(jiǎn)潔制作的方法之一。在體育用品商店里買(mǎi)一個(gè)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．8．18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8．19所示那樣固定到頭盔上。不管用什么樣的框架，都期望能罩在眼睛的前方和四周，使光線不會(huì)照在顯示器上。另一種頭盔外殼是開(kāi)放型的，如圖8．20所示，這種頭盔由幾個(gè)部件組成，第一局部是把整個(gè)單元固定的用戶頭上的帽圈，是用硬塑料做成的，如圖8．21所示。一個(gè)像圖8．22所示的塑料框架被固定到帽圈上，這1／4ABS型厚塑料做成，可以在塑料公司買(mǎi)到這種塑料。制作這個(gè)框架時(shí)，需要把原材料切成兩片，一片尺寸是2”X37”X．1／4”，另一片是2”X15．5”X1／4”。把長(zhǎng)片塑料彎成圖8．23所示的外形(最簡(jiǎn)潔的彎曲方法是用加熱槍加熱)，一旦塑料變松軟，快速?gòu)澢狡谕耐庑危賹?duì)加熱區(qū)吹風(fēng)使其快速變涼。，把另一片塑料彎成圖8．24所示的外形，并且把它像圖8．258．26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(gè)盒子里，盒子的前部看上去像圖 8．27所示的那樣。制作這個(gè)盒子的第一步是為放大鏡系統(tǒng)開(kāi)兩個(gè)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(gè)孔內(nèi)。光學(xué)系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)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(gè)小孔可做此用?？梢岳煤猩w和液晶屏背部之間的隔圈(spacer)來(lái)調(diào)整光學(xué)系統(tǒng)和液晶屏之間的間隔。圖8．28是整個(gè)顯示盒的切面圖。把這個(gè)顯示盒固定在塑料框的前部，并如前所述，與棒球頭盔相連。為頭盔顯示器供給良好的視頻信號(hào)為了能有效地使用頭盔顯示器，就必需給它供給視頻信號(hào)輸入，但由于是把電視機(jī)的部件用作顯示屏，所以我們就必需遷就它的要求。通常，這種電視機(jī)通過(guò)天線來(lái)接收信號(hào)，整個(gè)單元有一個(gè)獨(dú)立的插孔，允許用一個(gè)分別效果更好的天線作接收器。在使用過(guò)程中，我們不得不利用這個(gè)天線插孔，這也就意味著，不管是什么信號(hào)，我們都必需把視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成一般的電視信號(hào)，再進(jìn)一步轉(zhuǎn)換成天線插孔能接收的信號(hào)形式?！捕硵?shù)據(jù)手套的設(shè)計(jì)方案數(shù)據(jù)手套(Dataglove)作為虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)中的一種重要輸入設(shè)備，始終受到極大關(guān)注，國(guó)外先后已有很多產(chǎn)品消滅，如VPL公司的Dataglove、Mattel公司的Powerglove以及Exos手控器等。國(guó)內(nèi)這方面的爭(zhēng)辯剛剛開(kāi)頭，目前正在爭(zhēng)辯的有北京科技大學(xué)的FSR(Forcesensoringresistor，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?cè)谘兄泼鎸?duì)靈活手遙操作的3指5自由度簡(jiǎn)易手套根底上，利用機(jī)械連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)確定性的原理來(lái)檢測(cè)手指關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，設(shè)計(jì)研制了一種型機(jī)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)性和牢靠性，而且本錢(qián)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、構(gòu)造和功能手的模型人的手具有27自由度，其中6個(gè)為臂部自由度，表示手的位置和方向，掌部有21自由度。每個(gè)手指(Ⅱ—V)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(yùn)動(dòng)約束主要是為了避開(kāi)消滅不切實(shí)際的動(dòng)作。約束可做如下分類：①關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)角度限制運(yùn)動(dòng)類型。即Ⅱ—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(yùn)動(dòng)，而MP關(guān)節(jié)可能PIP關(guān)節(jié)的彎曲約束，即DIP的運(yùn)動(dòng)都要引起PIP關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)。③MP的彎曲約束。即一般MP關(guān)節(jié)的90°彎曲范圍，食指(Ⅱ)的略小，按Ⅲ—V的挨次，關(guān)節(jié)范圍依次有少量的增加。④MP(Ⅲ)MP指骨作為參考軸來(lái)進(jìn)展的。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(lái)檢測(cè)手指關(guān)節(jié)間的相對(duì)轉(zhuǎn)角和手指間的相對(duì)轉(zhuǎn)角。它的測(cè)量機(jī)制直接影響了數(shù)據(jù)手套的性能。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)手套承受光纖、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(diǎn)缺乏：①手套的大小限制了手套的戴用者范圍。②傳感介質(zhì)在任何部位的變形都會(huì)累積為關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)。③手套同手之間會(huì)發(fā)生滑移，影響精度。同時(shí)，為了使數(shù)據(jù)手套的操作符合人的習(xí)慣，期望關(guān)節(jié)之間運(yùn)動(dòng)解耦且傳感信息與手指關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)成線性關(guān)系。因此，我們?cè)O(shè)計(jì)了機(jī)械連桿機(jī)構(gòu)用于檢測(cè)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)。3．檢測(cè)原理依據(jù)手的模型的爭(zhēng)辯，我們認(rèn)為奇異的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)可以極大地簡(jiǎn)化傳感器和檢測(cè)算法，作為手把握裝置的抱負(fù)BHG—2自由度的空間六桿(3)機(jī)構(gòu)。(3)單自由度機(jī)構(gòu)檢測(cè)原理分析單自由度機(jī)構(gòu)安裝在手指末端(DIP)和中間關(guān)節(jié)(PIP)，機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖3。明顯，該機(jī)構(gòu)只有1自由度，是平面四桿機(jī)構(gòu)。圖3 單自由度關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)分析如下：a2=L2+h2 γ=arcsin(h/a)1 1 1 1b2=L2+h2 γ=arcsin(h/a)2 2 2 2由余弦定理c2=x2+x2-2xxcosα1 2 12式中α為電位計(jì)的測(cè)量角度，可求得關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角ββ=360°-θ-γ-γ (1)1 2式中β——關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角θ——計(jì)算用變量，隨關(guān)節(jié)角變化γ，γ1 2對(duì)于把握算法，通常承受增量對(duì)虛擬手進(jìn)展驅(qū)動(dòng)，于是可得到如下增量式可見(jiàn)，關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角Δβ與測(cè)量角的增量Δα之間具有嚴(yán)格的函數(shù)關(guān)系，適用于測(cè)量手指關(guān)節(jié)的相對(duì)轉(zhuǎn)角。在手指的運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)，對(duì)式(2)進(jìn)展仿真，可得到一近似線形的曲線。在采樣頻率較高時(shí)，Δα很小，電位計(jì)轉(zhuǎn)角Δα與關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角Δβ之間可視為線性關(guān)系，Δβ與Δα的這種線性關(guān)系為檢測(cè)帶來(lái)了很大的好處：操作者對(duì)自己動(dòng)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(jiǎn)潔；簡(jiǎn)化了傳感器構(gòu)造；簡(jiǎn)化了檢測(cè)算法。同時(shí)，也為簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)處理和進(jìn)展線性標(biāo)定供給了重要的理論依據(jù)。2〕自由度機(jī)構(gòu)檢測(cè)原理分析2自由度的空間六桿機(jī)構(gòu)裝在指根處(MP關(guān)節(jié))，機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖44G為用來(lái)檢測(cè)MP關(guān)節(jié)內(nèi)收及外展運(yùn)動(dòng)的電位計(jì)；AG上方鉸鏈；B為檢測(cè)MP關(guān)節(jié)彎曲運(yùn)動(dòng)電位計(jì)；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(jī)構(gòu)以掌肢骨為機(jī)架，以指肢骨為原動(dòng)件。對(duì)手指運(yùn)動(dòng)分析可知，指跟處可以搖擺(外展、內(nèi)收)和轉(zhuǎn)動(dòng)，即有2自由度；對(duì)機(jī)構(gòu)自由度分析可知，該機(jī)構(gòu)具有2自由度。設(shè)計(jì)使一個(gè)電位計(jì)位于手背關(guān)節(jié)后(G點(diǎn))，檢測(cè)手指的搖擺，檢測(cè)分析如下(5)。圖4自由度關(guān)節(jié) 圖5計(jì)算用圖通過(guò)解算有運(yùn)動(dòng)約束的非同心圓周運(yùn)動(dòng)得到手指關(guān)節(jié)的位置。設(shè)當(dāng)關(guān)節(jié)角度為β、電位計(jì)轉(zhuǎn)角為α?xí)r，假設(shè)關(guān)節(jié)有微小轉(zhuǎn)動(dòng)Δβ，電位計(jì)因此得到微小轉(zhuǎn)動(dòng)Δα。通過(guò)計(jì)算，可解得Δβ。另一個(gè)電位計(jì)位于該關(guān)節(jié)上方，檢測(cè)關(guān)節(jié)的彎曲，檢測(cè)原理與單關(guān)節(jié)檢測(cè)原理一樣。由于檢測(cè)搖擺的電位計(jì)與所測(cè)關(guān)節(jié)不同軸，造成這2自由度的運(yùn)動(dòng)耦合。盡管如此，由于這兩個(gè)傳感器檢測(cè)的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)正交，我們還是可以將耦合的運(yùn)動(dòng)人為地安排給對(duì)應(yīng)關(guān)節(jié)，使之在符合人習(xí)慣的同時(shí)不造成過(guò)大的誤差。數(shù)據(jù)手套的可視化爭(zhēng)辯1．?dāng)?shù)據(jù)采集和標(biāo)定數(shù)據(jù)采集是將電位計(jì)的模擬信號(hào)通過(guò)A/D轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，該數(shù)據(jù)用于表示手部的彎曲運(yùn)動(dòng)。本系統(tǒng)承受中斷工作方式，采集頻率設(shè)定為100Hz。在數(shù)據(jù)處理模塊中，我們將信號(hào)濾波，并把信號(hào)電壓值轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角。由于關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)的輸入與信號(hào)的輸出存在近似線性的映射關(guān)系，所以可以用簡(jiǎn)化的線性插值代替簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)處理工作，即標(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。假設(shè)承受簡(jiǎn)化的線性標(biāo)定，即確定式(3)中的Umax、Umin。在標(biāo)定時(shí)，操作者應(yīng)作兩個(gè)手勢(shì)［7］，使手指根本處于自然運(yùn)動(dòng)的極限位置。這樣分別做3次，可減小標(biāo)定誤差。仿真前必需先進(jìn)展數(shù)據(jù)手套的標(biāo)定，統(tǒng)計(jì)操作者的手部信息，供給仿真時(shí)使用。2.圖形仿真VisualC+OpenGL(Opengraphiclibrary)開(kāi)發(fā)了517A/D塊、標(biāo)定模塊、數(shù)據(jù)采集模塊和圖形顯示模塊等，供給一個(gè)虛擬的操作環(huán)境。操作者可直接對(duì)虛擬三維手的模型進(jìn)展操作，同時(shí)圖形仿真可實(shí)時(shí)地跟蹤、顯示手指的簡(jiǎn)單運(yùn)動(dòng)。所以借助于數(shù)據(jù)手套，可增加與虛擬世界簡(jiǎn)單數(shù)據(jù)交互作用的真實(shí)感，使人機(jī)溝通更加自然、有效。試驗(yàn)數(shù)據(jù)的差稱為漂移。平均漂移為某手指漂移值的均方差。表中Ⅰ-DIP表示Ⅰ指(拇指)DIP關(guān)節(jié)，而Ⅱ-MP-B指Ⅱ指(食指)MP，Ⅱ-MP-WMPDIPPIP3/5～2/3。BHG—Ⅱ的最大漂移為該關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)范圍的9.52%，MP-W(彎曲)關(guān)節(jié)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)列表略。由試驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算各列差值并假設(shè)手指運(yùn)動(dòng)范圍為-20°～+90°，當(dāng)A/D0.01V區(qū)分率為1.16°～0.22°，平均區(qū)分率為0.49°，漂移1.16°～12.00°，平均漂移4.8°。這在機(jī)器人遙操作或虛擬設(shè)計(jì)及裝配等方面應(yīng)用中，是滿足精度要求的。另外依據(jù)試驗(yàn)分析，引起上述漂移的主要以3〔三〕力反響裝置的實(shí)現(xiàn)方案關(guān)于觸覺(jué)和力反響設(shè)備的爭(zhēng)辯還不多見(jiàn)，特別是國(guó)內(nèi)，根本上還處于空白。隨著人機(jī)交互接口智能化的進(jìn)一步進(jìn)展，特別是關(guān)于視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)的爭(zhēng)辯已經(jīng)取得肯定成果之后，為了更真實(shí)地表達(dá)虛擬環(huán)境，提高人在虛擬環(huán)境中的“沉醉感”，觸覺(jué)就成為了一個(gè)重要的爭(zhēng)辯工程。一般說(shuō)來(lái)，只有增加力的反響，實(shí)現(xiàn)了觸覺(jué)的模擬，人機(jī)交互才能更加真實(shí)、自然。目前國(guó)內(nèi)還沒(méi)有自行研制的虛擬現(xiàn)實(shí)力反響設(shè)備的產(chǎn)品，大多科研機(jī)構(gòu)在進(jìn)展虛擬現(xiàn)實(shí)觸覺(jué)爭(zhēng)辯時(shí)所需的設(shè)備大都從國(guó)外購(gòu)置，使?fàn)庌q工作受到限制。這類產(chǎn)品除了價(jià)格昂貴之外，獵取技術(shù)支持也很困難。另外國(guó)外產(chǎn)品只供給設(shè)備的接口，而對(duì)技術(shù)細(xì)節(jié)保密。我們的目標(biāo)是在觸覺(jué)模擬外部設(shè)備的爭(zhēng)辯開(kāi)發(fā)上作一些嘗試，為以后進(jìn)一步的爭(zhēng)辯供給資料。設(shè)計(jì)的要求力反響設(shè)備的總體構(gòu)造整個(gè)力反響設(shè)備的構(gòu)造可以用圖1表示。嵌入式把握器驅(qū)動(dòng)機(jī)械設(shè)備，同時(shí)測(cè)量位置、力等參數(shù)。這些參數(shù)將上傳到虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)依據(jù)參數(shù)計(jì)算出反響力，將反響力矢量下傳至嵌入式系統(tǒng)，由嵌入式系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)該矢量力。其中機(jī)械局部對(duì)整個(gè)設(shè)備的性能影響格外大，它確定了設(shè)備的可達(dá)空間，把握方法的效率、反響力的效果等。1虛擬現(xiàn)實(shí)力反響設(shè)備的構(gòu)造框圖由于人的觸覺(jué)對(duì)動(dòng)態(tài)物體的感覺(jué)比視覺(jué)靈敏，這要求設(shè)備要有比視覺(jué)高很多的侍服頻率。要到達(dá)比較好的觸覺(jué)模擬效果，并保持系統(tǒng)的魯棒性，嵌入式系統(tǒng)最好有1k到5k的伺服頻率p1。這要求第一級(jí)把握器對(duì)碰撞檢測(cè)和反響力的計(jì)算要快速、和其次級(jí)把握器之間的通訊要有肯定的帶寬。力反響設(shè)備的運(yùn)作狀況在模擬觸覺(jué)的過(guò)程中，設(shè)備的運(yùn)作可以分為以下兩種狀況：1〕用戶在虛擬空間中任意移動(dòng)，沒(méi)有接觸虛擬物體。在這種狀況下，用戶在設(shè)備所設(shè)定的自由移動(dòng)空間內(nèi)移動(dòng)必需感覺(jué)自由，即設(shè)備不給用戶施加額外的力，用戶感覺(jué)不到設(shè)備的存在。這要求設(shè)備能抑制本身的重力、慣性、摩擦力等給用戶運(yùn)動(dòng)帶來(lái)的阻礙?？梢砸罁?jù)人感覺(jué)的靈敏度來(lái)設(shè)計(jì)設(shè)備的各項(xiàng)指標(biāo)。依據(jù)國(guó)外的一些相關(guān)爭(zhēng)辯，設(shè)備工程設(shè)計(jì)要求如下：小回差〔back-drive)：電機(jī)在減速器上的輸出回差最好小于0．5小摩擦力：最好小于0．1N小慣性：最好小于50未平衡的重力??；最好小于0．5N。這些要求都與設(shè)備的設(shè)計(jì)嚴(yán)密相關(guān)。用戶和虛擬物體接觸，虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)通過(guò)計(jì)算，實(shí)現(xiàn)肯定的反響力。軟物體的模擬涉及到物體的變形，這首先需要修改虛擬環(huán)境中虛擬物體數(shù)據(jù)庫(kù)，再進(jìn)展虛擬反響力的計(jì)算，同時(shí)也要同步顯示虛擬物體的變形。軟物體的模擬關(guān)系到虛擬物體的構(gòu)造模型，無(wú)論是物體的顯示還是反響力的計(jì)算都格外簡(jiǎn)單，它需要各種感覺(jué)模擬的協(xié)作。評(píng)價(jià)虛擬現(xiàn)實(shí)力反響設(shè)備的一個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn)是硬的虛擬物體必需感覺(jué)到堅(jiān)硬。實(shí)際上任何物體都不行能是硬度無(wú)窮大的，也沒(méi)有一種構(gòu)造和把握算法能夠到達(dá)抱負(fù)的硬度。所以設(shè)備只能盡量提高虛擬物體所能到達(dá)的硬度。每個(gè)虛擬物體表現(xiàn)出來(lái)的硬度不但和機(jī)械構(gòu)造本身、硬件傳感器的區(qū)分率、執(zhí)行器侍服頻率等)有關(guān)，而且與把握方法很有關(guān)系。一般來(lái)說(shuō)，要使用戶感覺(jué)到一個(gè)硬的、不動(dòng)的虛擬墻壁外表，設(shè)備必需能供給20牛／厘米的力。機(jī)械構(gòu)造設(shè)計(jì)的要求首先，設(shè)備的機(jī)械構(gòu)造關(guān)系到系統(tǒng)的質(zhì)量大小和分布、重力、摩擦力和硬度等重要參數(shù)，這些參數(shù)都和前面所提到的系統(tǒng)性能有著重要的關(guān)系。因此機(jī)械構(gòu)造要到達(dá)盡量大的硬度，減小設(shè)備的質(zhì)量和摩擦力，并且重心盡量接近基座。其次，設(shè)備應(yīng)盡量使摩擦力和慣性在各個(gè)方向上都幾乎為常數(shù)，從而減小用戶在不同方向上運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換的不適應(yīng)。另外，構(gòu)造設(shè)計(jì)還與坐標(biāo)的計(jì)算有關(guān)。好的機(jī)械設(shè)計(jì)使得電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度和機(jī)械構(gòu)造末端位置的轉(zhuǎn)換矩陣簡(jiǎn)潔明白，簡(jiǎn)潔計(jì)算。設(shè)備設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問(wèn)題1．運(yùn)動(dòng)空間確實(shí)定運(yùn)動(dòng)空間是設(shè)備的最根本特性，設(shè)備的其他全部特性的設(shè)計(jì)都取決于肯定的運(yùn)動(dòng)空間p1。在確定設(shè)備的可達(dá)虛擬空間的時(shí)候，可以從人體的構(gòu)造入手。用戶的手在運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，可以分為三個(gè)層次。第一個(gè)層次為手腕的運(yùn)動(dòng)；其次個(gè)層次為小臂和手腕的運(yùn)動(dòng)；第三個(gè)層次為整個(gè)手臂的運(yùn)動(dòng)。依據(jù)這三個(gè)層次，可以制訂設(shè)備的運(yùn)動(dòng)空間。在小型的力反響設(shè)備中，設(shè)備供給能讓用戶手腕自由運(yùn)動(dòng)的虛擬空間?？紤]手腕在不同方向上的可達(dá)范16cm*l2cm*12cm；在中型的力反響設(shè)備中，要使小臂自由運(yùn)動(dòng)而無(wú)阻礙，一般需要80cm*50cm*80cm的空間；一般來(lái)說(shuō)，人的臂長(zhǎng)為60—70cm。同理，設(shè)備要有半徑70cm的半球自由運(yùn)動(dòng)空間。機(jī)械構(gòu)造確實(shí)定機(jī)械構(gòu)造確實(shí)定主要從重力方面考慮，即減小電機(jī)所需平衡的重力。這樣在選擇電機(jī)的時(shí)候，可以選用功率比較小的電機(jī)，從而減小設(shè)備的體積和價(jià)格。另外，重力的平衡還有利于減小摩擦力、慣性等。依據(jù)以上的要求，比較抱負(fù)的機(jī)械構(gòu)造有兩種：直角坐標(biāo)式和水平多關(guān)節(jié)式。這兩種形式的機(jī)械構(gòu)造都不需要平衡水平方向上的機(jī)械部件的重力。這兩種構(gòu)造各有優(yōu)缺點(diǎn)，他們的主要性能的比較如表1。這兩種機(jī)械構(gòu)造都可以應(yīng)用在力反響設(shè)備中，可以依據(jù)實(shí)際狀況選用其中一種。直角坐標(biāo)式構(gòu)造比較固定，而水平多關(guān)節(jié)式構(gòu)造可以有多種選擇。在設(shè)計(jì)中承受了如圖2所示的一種水平多關(guān)節(jié)構(gòu)造。設(shè)備的前兩臂構(gòu)成運(yùn)動(dòng)空間的水平平面〔X，Y軸〕，第三臂平行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)Z軸方向上的運(yùn)動(dòng)。在垂直方向的運(yùn)動(dòng)把握承受平行構(gòu)造實(shí)現(xiàn)。2一種水平多關(guān)節(jié)式機(jī)械構(gòu)造傳感器的選用傳感器是機(jī)械構(gòu)造中的關(guān)鍵組成局部。在把握過(guò)程中需要測(cè)量位置和力兩組參數(shù)，這兩組參數(shù)的測(cè)量狀況將直接關(guān)系到把握效果。實(shí)際上虛擬環(huán)境對(duì)這兩個(gè)參數(shù)精度的要求并不高，選擇傳感器的時(shí)候主要考慮為把握器留出比較大的把握余量，這有利于提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和改善把握效果。例如要求設(shè)備的位置精度為0．5mm，0．1mm。位置傳感器的選擇比較多，其中比較常用的是兩種編碼器：電磁編碼器和光學(xué)編碼器。而力傳感器的選擇和安裝則比較困難，這是由于被測(cè)量的力比較小、設(shè)備的尺寸比較小而材料硬度比較高，這些都給力傳搏器的設(shè)計(jì)帶來(lái)困難。解決這個(gè)問(wèn)題有兩種方案。一種方案是在設(shè)備的末端添加一個(gè)三維的傳感器。這種方法比較便利，但是價(jià)格高，而且需要電機(jī)平衡其重量，增加了電機(jī)的負(fù)擔(dān)。另外一種方案是把傳感器安裝在機(jī)械設(shè)備上，例如把電阻應(yīng)變片貼在機(jī)械設(shè)備上組成電壓橋，通過(guò)測(cè)量電路讀出應(yīng)變量從而計(jì)算出力的大小。這種方案對(duì)原機(jī)械設(shè)備影響小，但是需要解決不同方向的力在應(yīng)變片上的耦合問(wèn)題。下面主要爭(zhēng)辯其次種方案。3設(shè)備中的平衡機(jī)構(gòu)水平平面的二維力的測(cè)量比較簡(jiǎn)潔。如圖3的平衡機(jī)構(gòu)，只需在設(shè)備的筆狀末端的根部貼上兩組力應(yīng)變片橋就可以測(cè)量出水平力。而且只要電阻應(yīng)變片貼得對(duì)稱，根本上沒(méi)有力的耦合。(1)在水平方向上，機(jī)械構(gòu)造的應(yīng)變率(1)由于受到電阻式應(yīng)變片的靈敏度限制，一般來(lái)說(shuō)要求被測(cè)桿件的應(yīng)變率大于0．001。在圖2這個(gè)設(shè)備中。通過(guò)調(diào)整桿件的寬度和長(zhǎng)度，這是很簡(jiǎn)潔到達(dá)的。(2)(3)(2)(3)其中：l為泊松比，依據(jù)不同材料取不同的值，一般可取0．3估算，最終通過(guò)試驗(yàn)整定。在垂直方向上，桿件受到垂直方向拉伸的力，應(yīng)變率(4)(4)(5)其中9為桿件末端受到的力；S由于桿件的硬度和水平力傳感器的安裝要求，垂直方向上的力傳感應(yīng)變率很小，不能直接貼片?？梢园蚜?yīng)變片安裝在平行機(jī)構(gòu)上。這樣力的測(cè)量與平行機(jī)構(gòu)的角度，即桿件的垂直高度有關(guān)。在計(jì)算的過(guò)程中，把垂直方向的力分解為平行于平行機(jī)構(gòu)和垂直于平行機(jī)構(gòu)的兩個(gè)力。由4(2)式直接計(jì)算。以圖2為機(jī)械構(gòu)造的設(shè)備能到達(dá)三個(gè)自由度的位置測(cè)量和力反響。假設(shè)在設(shè)備第三臂的末端添加姿勢(shì)傳感器，那么就能增加設(shè)備位置傳感的自由度。實(shí)際上在原有設(shè)備的根底上，這是很簡(jiǎn)潔做到的。材料的選擇設(shè)備的設(shè)計(jì)要求材料的硬度比較高，但又要求重量比較小。實(shí)際上在材料選擇方面，這兩項(xiàng)要求是沖突的，所以只能在這兩項(xiàng)要求上折衷。結(jié)合以上的爭(zhēng)辯，作者認(rèn)為比較適宜的材料是鋁合金。電機(jī)的安裝位置在水平多關(guān)節(jié)式機(jī)械構(gòu)造中，電機(jī)的安裝有兩種方案，一種是安裝在軸上，直接驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂；另一種是把電機(jī)安裝在基座上，通過(guò)肯定的傳動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂。電機(jī)安裝在軸上有利于驅(qū)動(dòng)，但臂的慣性增大；電機(jī)安裝在基座上能減小慣性，但由于傳動(dòng)裝置的損耗，驅(qū)動(dòng)力矩減小，同時(shí)設(shè)備的響應(yīng)速度也減小了。選用哪一種方案可依據(jù)設(shè)備所應(yīng)用的環(huán)境要求打算。虛擬現(xiàn)實(shí)中的觸覺(jué)模擬效果與設(shè)備的構(gòu)造關(guān)系親熱。人的觸覺(jué)對(duì)動(dòng)態(tài)物體的感覺(jué)比視覺(jué)靈敏，這要求設(shè)備要有比視覺(jué)高得多的侍服頻率。另外由于設(shè)備所模擬的反響力比較小，與機(jī)械構(gòu)造本身的重力、摩擦力相比，差異不是很大，這對(duì)構(gòu)造的設(shè)計(jì)提出更高的要求。特別是比較簡(jiǎn)潔的摩擦力和紋理的模擬，其效果與機(jī)械構(gòu)造和把握算法的選擇有很大的關(guān)系。在機(jī)械構(gòu)造的選擇上，垂直方向運(yùn)動(dòng)時(shí)所要平衡的機(jī)械構(gòu)造本身的重力是不行避開(kāi)的，所能做的就是盡量減小它。另外這個(gè)問(wèn)題也會(huì)引起用戶在水平方向運(yùn)動(dòng)和在垂直方向運(yùn)動(dòng)時(shí)感覺(jué)的不全都。這需要良好的把握算法去彌補(bǔ)。在完成小型力反響設(shè)備后，作者將連續(xù)爭(zhēng)辯中型的力反響設(shè)備。隨著虛擬空間的擴(kuò)大，虛擬環(huán)境對(duì)設(shè)備的輸出力矩和跟隨速度也有了更高的要求，這是在下一步設(shè)計(jì)中所要解決的。六．虛擬現(xiàn)實(shí)工程籌劃上述的虛擬現(xiàn)實(shí)產(chǎn)品實(shí)施方案，假設(shè)要直接投入開(kāi)發(fā)研制，需要較大的人力和資金，運(yùn)作起來(lái)有肯定的風(fēng)險(xiǎn)。為了盡快啟動(dòng)虛擬現(xiàn)實(shí)的遠(yuǎn)大打算，同時(shí)避開(kāi)冒太大的風(fēng)險(xiǎn)，逐步開(kāi)發(fā)國(guó)內(nèi)的虛擬現(xiàn)實(shí)產(chǎn)品市場(chǎng)，我們?cè)O(shè)計(jì)了一系列較為可行的與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)相關(guān)的工程，以便由簡(jiǎn)到難地實(shí)施我們的方案，盡快實(shí)現(xiàn)盈利，以短養(yǎng)長(zhǎng)。世界風(fēng)景主題餐廳打算要點(diǎn)：世界風(fēng)景主題餐廳是一種全的集餐飲、消遣、虛擬旅游于一體的現(xiàn)代主題餐廳。它運(yùn)用了目前最的虛擬現(xiàn)實(shí)概念、寬帶網(wǎng)技術(shù)和投影技術(shù)?？梢宰龅阶層^眾在品嘗美味佳肴的同時(shí)，欣賞世界各國(guó)風(fēng)光，體驗(yàn)異國(guó)風(fēng)情，通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備，與當(dāng)?shù)氐娜嗣駵贤?，仿佛置身于世界名勝美景之中。主要賣點(diǎn)：主題餐廳，體驗(yàn)經(jīng)濟(jì)的進(jìn)展方向，集高科技與傳統(tǒng)經(jīng)濟(jì)于一堂，集餐飲、消遣、休閑、虛擬旅游于一體。廣告主題：“讓人人都能周游世界”“到世界風(fēng)光主題餐廳，享受環(huán)球美景”〔一〕工程背景隨著全球性的產(chǎn)品過(guò)剩，世界經(jīng)濟(jì)正在從工業(yè)經(jīng)濟(jì)向效勞經(jīng)濟(jì)和體驗(yàn)經(jīng)濟(jì)過(guò)渡，休閑、旅游等體驗(yàn)經(jīng)濟(jì)正在從原來(lái)的附屬產(chǎn)業(yè)向支柱產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移。工作時(shí)間的縮短，使人們有更多的時(shí)機(jī)用于休閑和旅游。而“體驗(yàn)經(jīng)濟(jì)”在歐美興旺國(guó)家已初現(xiàn)端倪，并越來(lái)越多地成為媒體和網(wǎng)絡(luò)上的熱門(mén)話題?！爸黝}餐廳”正是近幾年在美國(guó)消滅的型體驗(yàn)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)之一，短短幾年時(shí)間，就已經(jīng)進(jìn)展成具有幾十億美元的大產(chǎn)業(yè)。進(jìn)展之迅猛，令人嘡目。在國(guó)內(nèi)，上海、北京等大城市從2022年開(kāi)頭消滅以“主題餐廳”為招牌的酒家，生意都格外火爆。不需要作廣告就人滿為患了。可見(jiàn)“主題餐廳”的市場(chǎng)前景，進(jìn)展空間無(wú)法估量。廣州，素來(lái)以美食著稱。廣州人對(duì)吃比較講究，也經(jīng)常在餐廳會(huì)客接友。近幾年來(lái)，人們生活漸漸富有，周末和節(jié)假日一家?guī)卓谝黄鹕喜蛷d改善一下口味，是常有的事?，F(xiàn)在吃飯不僅僅是生理的需要，也是一種休閑?！俺浴闭凉u漸演化成一種文化消費(fèi)。在保證“色、香、味”的根底上，人們?cè)絹?lái)越關(guān)注用餐環(huán)境的文化性與共性化。而“主題餐廳”則留意營(yíng)造就餐的氣氛，表現(xiàn)肯定的文化內(nèi)涵。在一個(gè)具有異國(guó)風(fēng)情的環(huán)境里，既有吃又能巡游他鄉(xiāng)的風(fēng)土、人情和文化，這無(wú)疑滿足了人們“吃出文化、吃出共性、吃出品位”的需要。 “主題餐廳”的各種穎另類的“主題”，將成為最大的賣點(diǎn)?！笆澜顼L(fēng)光主題餐廳”在享受美食的同時(shí)，還能體驗(yàn)到巡游世界各國(guó)的風(fēng)光和美景。信任更是人們樂(lè)意承受的好事?！捕持黝}餐廳的特色及效勞功能顧名思義，“世界風(fēng)光主題餐廳”是以世界各國(guó)的風(fēng)景名勝為主題的餐廳。設(shè)有一個(gè)主大廳和多個(gè)以世界各國(guó)有名旅游勝地命名的高檔主題包間。其大廳和每個(gè)包間內(nèi)墻，都至少有2面墻是整體的銀幕。用投影機(jī)打出風(fēng)景片，客戶進(jìn)入包間內(nèi)就有身臨其境的感覺(jué)。每一個(gè)包件都可以設(shè)計(jì)一個(gè)獨(dú)特的主題。世界名勝主題：吃出身臨其境以世界各國(guó)的風(fēng)景名勝和風(fēng)土人情及原始森林動(dòng)植物等為主題的專題投影是餐廳最大的賣點(diǎn)。從巴黎的塞納河風(fēng)光、秀麗的西班牙海灘、奇特的復(fù)活節(jié)島到印尼早哇熱帶雨林、非洲的原始叢林，應(yīng)有盡有。叢叢的灌木、奇花異草點(diǎn)綴在一派蔥綠之中，還不時(shí)地看到大象、大猩猩、鸚鵡、樹(shù)蛙等熱帶雨林動(dòng)物，并聽(tīng)到它們發(fā)出聲音。立體投影音像等科技效果，顯得栩栩如生。這種超現(xiàn)實(shí)的感覺(jué)所帶來(lái)的嶄用餐體驗(yàn)，正是世界風(fēng)光主題餐廳獨(dú)到的“體驗(yàn)環(huán)球美景”的理念。品牌主題：讓吃的記憶延長(zhǎng)餐廳附帶一個(gè)購(gòu)物場(chǎng)，均是以“世界名勝”為主題和標(biāo)志的時(shí)尚商品，如旅游紀(jì)念品、小食品、服裝、文具、玩具等，而這些商品只有在世界風(fēng)光餐廳的各連鎖店才能買(mǎi)到。用餐后買(mǎi)一些紀(jì)念品，使一次消費(fèi)賜予了難忘的記憶，餐廳的品牌得以延長(zhǎng)。時(shí)尚主題：環(huán)保以情動(dòng)人餐廳另外一大經(jīng)營(yíng)特色是盡力提倡環(huán)保。進(jìn)入餐廳，中心一處遮天蔽日的茂盛森林里，野生動(dòng)物的社會(huì)公益活動(dòng)。創(chuàng)主題：挖掘各國(guó)美食組合不斷挖掘創(chuàng)世界各國(guó)的“美食文化”是“世界風(fēng)景”經(jīng)營(yíng)上的又一大特點(diǎn)。“亞瑪遜火焰串燒”奇特的原始?xì)庀?lái)自南美洲茂盛的原始森林，隱居在印第安人部落的主廚在當(dāng)?shù)赝林募で樯钪杏X(jué)察了原始，也頗具吸引力的燒烤隱秘，一個(gè)布滿濃郁印第安土著風(fēng)情的原始烤架，掛滿鮮嫩欲滴的迷人美食，大串雞翅、大串的大蝦、牛肉、鮮魚(yú)、牛蛙……并用世界萬(wàn)種風(fēng)情和富有消遣刺激氣氛的同時(shí)，也讓人浮想聯(lián)翩。遙控虛擬飛行旅游系統(tǒng)打算要點(diǎn)：自由飛行是每一個(gè)人的夢(mèng)想，但現(xiàn)實(shí)中，真實(shí)的飛行，由于技術(shù)、本錢(qián)和危險(xiǎn)性等因素，目前還不是平民群眾能夠承受的，而虛擬飛行旅游系統(tǒng)則消退了真實(shí)飛行的這些不利因素，能夠讓寬闊民眾享受到