2016年虚拟现实系列项目可行性分析报告

1、精选优质文档-倾情为你奉上精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业专心-专注-专业精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业2016年虚拟现实系列项目可行性分析报告【本文为WORD格式，下载后可自由编辑】提要：本分析报告较全面地介绍了目前国内外虚拟现实技术的发展状况、应用前景和市场现状，着重分析了虚拟现实系统的核心技术及其实现方案，并做出了几个较为可行的应用虚拟现实技术的项目策划题案。本文的结论是：目前是投入虚拟现实技术产业的最佳时机，这是一个可以大展宏图的产业。谁能抓住这个机会，将开辟一个崭新的产业和市场，并有可能成为国内这个未来最具前景行业的领头企业。目 录1虚拟现实系统简介2虚拟现实在

2、国内外的发展概况2. 1美国的研究状况2. 2日本的研究状况2. 3英国的研究与开发2. 4国内研究状况3 虚拟现实技术和产品的应用前景3. 1军事训练3. 2教育应用3. 3工程应用3. 4商业应用3. 5游戏娱乐3. 6其他应用4 市场分析5 虚拟现实技术和产品的实现方案5. 1头盔显示器（或3D目镜）5. 2数据手套5. 3力（触觉）反馈装置6虚拟现实项目策划6. 1世界风景主题餐厅6. 2遥控虚拟飞行旅游系统6.3虚拟现实健身器材7 投资分析一 虚拟现实系统简介虚拟现实，英文称为Virtual Reality(VR)，即利用计算机发展中的高科技手段构造出一个虚拟的境界，使参与者获得与现

3、实一样的感觉。虚拟现实是一个在当今国际上倍受关注的课题。如果真正实现了虚拟现实，那么对整个人类的生活与发展将会发生很大的变革。我们可以设想这样一幅情景：当你戴上特制的头盔与手套后，你就发现你已置身于一个不受时空限制的历史的博物馆中，当你向前行走或者转头时，你所看见的景象也会随之改变，你可穿过大厅，推开前面的大门；而当你看见一件精美的展品时，你甚至可以上上下下、里里外外仔细地观摩.这就是虚拟现实技术给你带来地一切近乎完美的真实感觉。虚拟现实系统的最大特点在于它与用户的直接交互性。在系统中，用户可以直接控制对象的各种参数，如：运动方向、速度等，而系统也可以向用户反馈信息，如：模拟驾驶系统中两车相撞

4、，用户会感觉到震颤，车在抖动。经过不平路面时，汽车会颠簸。这种交互性粗看只是一个技术上的变化，但它出现以后，“以计算机为主体”的看法逐渐被人们所抛弃，大多数人开始接受“人是信息环境的主体”这一思想。虚拟现实技术具有以下三个基本特征：1沉浸性。虚拟现实技术是根据人类的视觉、听觉的生理心理特点，由计算机产生逼真的三维立体图像使用者戴上头盔显示器和数据手套等交互设备，便可将自己置身于虚拟环境中，成为虚拟环境中的一员。使用者与虚拟环境中的各种对象的相互作用，就如同在现实世界中的一样。当使用者移动头部时，虚拟环境中的图像也实时地跟随变化，拿起物体可使物体随着手的移动而运动，而且还可以听到三维仿真声音。使

5、用者在虚拟环境中，一切感觉都是那么逼真，有一种身临其境的感觉。2交互性。虚拟现实系统中的人机交互是一种近乎自然的交互，使用者不仅可以利用电脑键盘、鼠标进行交互，而且能够通过特殊头盔、数据手套等传感设备进行交互。计算机能根据使用者的头、手、眼、语言及身体的运动，来调整系统呈现的图像及声音。使用者通过自身的语言、身体运动或动作等自然技能，就能对虚拟环境中的对象进行考察或操作。3多感知性。由于虚拟现实系统中装有视、听、触、动觉的传感及反应装置，因此，使用者在虚拟环境中可获得视觉、听觉、触觉、动觉等多种感知，从而达到身临其境的感受。虚拟现实系统按其功能不同，可分成三种类型。1沉浸型虚拟现实系统。沉浸型

6、虚拟系统是一套比较复杂的系统。使用者必须头戴头盔、手带数据手套等传感跟踪装置，才能与虚拟世界进行交互。由于这种系统可以将使用者的视觉、听觉与外界隔离，因此，用户可排除外界干扰，全身心地投入到虚拟现实中去。这种系统的优点是用户可完全沉浸到虚拟世界中去，缺点是系统设备价格昂贵，难以普及推广。2简易型虚拟现实系统。简易型虚拟现实系统由一台普通的计算机系统组成，使用者通过键盘、鼠标便可与虚拟环境进行交互。例如苹果公司推出的快速虚拟系统(Quick Time VR)，是采用360度全景拍摄来生成逼真的虚拟情景，用户在普通的电脑上，利用鼠标和键盘，就能真实地感受到所虚拟的情景。这种系统的特点是结构简单、价

7、格低廉，易于普及推广，是一套经济实用的系统。3共享型虚拟现实系统。共享型虚拟现实系统是利用远程网络，将异地的不同用户联结起来，共享一个虚拟空间，多个用户通过网络对同一虚拟世界进行观察和操作，达到协同工作的目的。例如，异地的医科学生，可以通过网络，对虚拟手术室中的病人进行外科手术。关于从技术角度来认识以人为主的信息环境，美国科学家柏迪有一个精辟的论述，他在1993年的世界电子学年会上所发表的虚拟现实系统及其应用一文中，提出一个“虚拟现实技术的三角形”，它简明地表示了虚拟现实技术的特征，即：三个“I”(Immersion沉浸感、Interaction交互操作、Imagination思维构想)。这三

8、个“I”是虚拟现实系统的三个基本特征,其中人的感受在整个系统中是最重要的，强调了人在虚拟现实系统中的主导作用。二 虚拟现实在国内外的发展概况1美国的研究状况美国是VR技术的发源地。美国VR研究技术的水平基本上就代表国际VR发展的水平。目前美国在该领域的基础研究主要集中在感知、用户界面、后台软件和硬件四个方面。美国宇航局 （NASA）的Ames实验室完善了头盔显示器（HMD）；并将VPL的数据手套工程化，使其成为可用性较高的产品。NASA研究的重点放在对空间站操纵的实时仿真上，大多数研究是在NASA的约翰逊空间中心完成的。他们大量运用了面向座舱的飞行模拟技术。NASA完成的一项著名的工作是对哈勃

9、太空望远镜的仿真。NASA的Ames现在正致力于一个叫“虚拟行星探索”（VPE）的试验计划，这一项目能使“虚拟探索者”（Virtual Explorer）利用虚拟环境来考察遥远的行星，他们的第一个目标是火星。现在NASA己经建立了航空、卫星维护VR训练系统，空间站VR训练系统，并且已经建立了可供全国使用的VR教育系统。在科技和民用方面，他们主要研究：分子建模、航空驾驶、外科手术仿真、建筑仿真等。在显示技术上，UNC开发了一个帮助用户在复杂视景中建立实时动态显示的并行处理系统，叫做像素飞机（Pixel planes）。大学医学中心成功地将计算机图形及VR的设备用于探讨与神经疾病相关的问题。他们以

10、数据手套为工具，将手的运动实时地在计算机上用图形表示出来；SRI研究中心建立了“视觉感知计划”，研究现有VR技术的进一步发展。1991年后，SRI进行了利用VR技术对军用飞机或车辆驾驶的训练研究，试图通过仿真来减少飞行事故。另外，SRI还利用遥控技术进行外科手术仿真的研究。华盛顿大学华盛顿技术中心的人机界面技术实验室（HIT Lab）在新概念的研究中起着领先作用，同时也在进行感觉、知觉、认知和运动控制能力的研究。HIT将VR研究引入了教育、设计、娱乐和制造领域。例如，波音公司的V22运输机就是先在实验室中造出虚拟机后再投入生产的。2日本的研究状况在当前实用虚拟现实技术的研究与开发中日本是居于领

11、先位置的国家之一，主要致力于建立大规模VR知识库的研究。另外在虚拟现实的游戏方面的研究也做了很多工作。但日本大部分虚拟现实硬件是从美国进口的。NEC公司计算机和通信分部中的系统研究实验室开发了一种虚拟现实系统，它能让操作者都使用“代用手”去处理三维CAD中的形体模型，该系统通过VPL公司的数据手套把对模型的处理与操作者手的运动联系起来。日本国际工业和商业部的工业科学和技术代办处经营的产品科学研究院开发了一种采用X、Y记录器的受力反馈装置。他们把这种装置应用于一个虚拟现实的“游戏棒”中。东京大学的广濑研究室重点研究虚拟现实的可视化问题。为了克服当前显示和交互作用技术的局限性，他们正在开发一种虚拟

12、全息系统。现在他们已经有了4项成果：一个类似CAVE的系统、用HIMD在建筑群中漫游、人体测量和模型随动、飞行仿真器。筑波大学工程机械学院研究了一些力反馈显示方法。他们开发了九自由度的触觉输入器：开发了虚拟行走原型系统，步行者只要脚上穿上全方向的滑动装置，他就能交替迈动左脚和右脚。3. 英国的研究与开发在VR开发的某些方面，特别是在分布并行处理、辅助设备 （包括触觉反馈）设计和应用研究方面，在欧洲英国是领先的。到1991年底，英国已有从事VR的六个主要中心，它们是WIndustries（工业集团公司），British Aerospace（英国航空公司），Dimension Internatio

13、nal，Division Ltd,Advanced Robotics Research Center和Virtual Presence Ltd（主要从事VR职产品销售）。正在开发一系列VR产品,主要是娱乐业方面的。正在计划推出新型轻量显示头盔和功能强大的图形引擎 （graphics engine）。VR多媒体集成系统、医学可视化以及纳米技术（nanotechnology）。从矫形术到信息技术，从电子和航空工程到纳米技术，以及高级显微学等领域。4. 国内研究状况和发达国家相比，我国VR技术还有一定的差距，但已引起政府有关部门和科学家们的高度重视。根据我国的国情，制定了开展VR技术的研究，例如，九

14、五规划、国家自然科学基金会、国家高技术研究发展计划等都把VR列入了研究项目。 在紧跟国际新技术的同时，国内一些重点院校，已积极投入到了这一领域的研究工作。北京航空航天大学计算机系是国内最早进行VR研究、最有权威的单位之一，他们首先进行了一些基础知识方面的研究，并着重研究了虚拟环境中物体物理特性的表示与处理；在虚拟现实中的视觉接口方面开发出了部分硬件，并提出了有关算法及实现方法；实现了分布式虚拟环境网络设计，建立了网上虚拟现实研究论坛，可以提供实时三维动态数据库，提供虚拟现实演示环境，提供用于飞行员训练的虚拟现实系统，提供开发虚拟现实应用系统的开发平台，并将要实现与有关单位的远程连接。中国科技开

15、发院威海分院主要研究虚拟现实中视觉接口技术，完成了虚拟现实中的体视图象对算法回显及软件接口。他们在硬件开发上己经完成了LCD红外立体眼镜，并且已经实现商品化。三 虚拟现实技术和产品的应用前景虚拟现实技术的发展，向人们展示了诱人的前景，近几年，虚拟现实在许多领域都得到了开发和应用，现将其主要的应用领域简介如下：1 军事训练虚拟现实技术一出现，就受到各国军界的青睐。从90年代初起，美国率先将虚拟现实技术用于军事领域，主要用于以下四个方面：一是虚拟战场环境。即通过相应的三维战场环境图形图像库，包括作战背景、战地场景、各种武器装备和作战人员等，为使用者创造一种险象环生、几近真实的立体战场环境。以增强其

16、临场感觉，提高训练质量。二是进行单兵模拟训练。让士兵穿上数据服，戴上头盔显示器和数据手套，通过操作传感装置选择不同的战场背景，输入不同的处置方案，体味不同的作战效果，进而像参加实战一样，锻炼和提高技术水平、快速反应能力和心理承受力。如美空军用虚拟现实技术研制的飞行训练模拟器，能产生视觉控制，能处理三维实时交互图形，且有图形以外的声音和触感，不但能以正常方式操纵和控制飞行器，还能处理虚拟现实中飞机以外的各种情况，如气球的威胁、导弹的发射轨迹等。三是实施诸军兵种联合演习，建立一个“虚拟战场”，使参战双方同处其中，根据虚拟环境中的各种情况及其变化，“调兵遣将”、“斗智斗勇”，实施“真实的”对抗演习。

17、四是进行指挥员训练。利用虚拟现实技术，根据侦察情报资料合成出战场全景图，让受训指挥员通过传感装置观察敌我兵力部署和战场情况，以便判断敌情，定下正确决心。美国海军开发的“虚拟舰艇作战指挥中心”就能逼真地摸拟与真的舰艇作战指挥中心几乎完全相似的环境，生动的视觉、听觉和触觉效果，使受训军官沉浸于“真实的”战场之上。2教育应用用VR技术可以建造人体模型、电脑太空旅行、化合物分子结构显示等。由于形象真实，大大提高了人们的想象力、激发了受教育者的学习兴趣， 学习效果十分显著。对于许多不能失误的高难度仪器训练或是需要不断反复练习的操作训练，如外科手术、开飞机、滑雪、开挖土机、开拖吊机、核子潜艇操作等，利用虚

18、拟现实来作为新进人员的训练是一个趋势。虚拟现实技术在远程教学中的作用弥补远程教学条件的不足。在远程教学中，往往会因为实验设备、实验场地、教学经费等方面的原因，而使一些应该开设的教学实验无法进行。利用虚拟现实系统，可以弥补这些方面的不足，学生足不出户便可以做各种各样的实验，获得与真实实验一样的体会，从而丰富感性认识，加深对教学内容的理解。避免真实实验或操作所带来的各种危险以往对于危险的或对人体健康有危害的实验，一般采用电视录像的方式来取代实验，学生无法直接参与实验，获得感性认识。利用虚拟现实技术进行虚拟实验则可以免除这种顾虑。学生在虚拟实验环境中，可以放心地去做各种危险的或危害人体的实验。例如，

19、虚拟的化学实验，可以避免化学反应所产生的燃烧、爆炸所带来的危险；虚拟的外科手术，可避免由于学生操作失误，而造成“病人”死亡的医疗事故；虚拟的飞机驾驶教学系统，可免除学员操作失误而造成飞机坠毁的严重事故。彻底打破空间、时间的限制利用虚拟现实技术，可以彻底打破空间的限制。大到宇宙天体，小至原子粒子，学生都可以进入这些物体的内部进行观察。例如学生可以进入虚拟发电厂内，考察发电机的每个部件的工作情况以及每个部件之间的相互联系，了解整个发电过程，这是电视录像媒体和实物媒体所无法比拟的。虚拟技术还可以突破时间的限制，一些需要几十年甚至上百年才能观察的变化过程，通过虚拟现实技术，可以在很短的时间内呈现给学生

20、观察。例如，生物中的孟德尔遗传定律，用果蝇做实验往往要几个月的时间，而虚拟技术在一堂课内就可以实现。虚拟历史人物可以用VR系统塑造伟人、名人、教师、学生、医生等各种人物形象，创设一个人性化的学习环境，使远教学生能够在自然、亲切的气氛中进行学习。例如，在虚拟的课堂学习气氛中，远教学生可以与虚报的教师、学生一起交流、讨论，共同探讨学习中的各种问题，进行协作化学习。例如，在思想品德课教学中，学生可以与虚拟的历史人物如岳飞、杨家将、孙中山等一起座谈、交流，通过先进人物的言行来感化学生，从而达到思想品德教育的目的。再如，在外语教学中，可以通过计算机虚拟学生到国外旅游的情境，让学生与人交谈，达到训练学生口

21、语的目的。技能训练虚拟现实的沉浸性和交互性，使学生能够在虚拟的学习环境中扮演一个角色，全身心地投入到学习环境中去，这非常有利于学生的技能训练。利用虚拟现实技术，可以做各种各样的技能训练。例如军事作战技能、外科手术技能、教学技能、体育技能、汽车驾驶技能、果树栽培技能、电器维修技能等各种职业技能的训练。由于这些虚拟的训练系统无任何危险，学生可以不厌其烦地反复练习，直至掌握操作技能为止。例如：在虚拟的飞机驾驶训练系统中，学员可以反复操作控制设备，学习在各种天气情况下驾驶飞机起飞、降落，通过反复训练，达到熟练掌握驾驶技术的目的。3工程应用工程很大程度上依赖于图形工具，以便直观地显示各种产品，目前CAD

22、/CAM已经成为机械、建筑 等领域必不可少的软件工具。VRML使工程人员能通过Internet/Intranet 按协作方式进行三维模型的设 计、交流和发布，进一步提高生产率并削减成本。4商业应用随着电子商务的日益普及，Internet对各个公司和商家具有特别的吸引力。VRML有可能大幅度改善顾客购买商品的经历。顾客可以访问虚拟世界中的商店，在那里挑选商品，然后通过Internet办理付款手续，商店则及时把商品送到顾客手中。在不动产、移动不便大型贵重产品的业务推广与销售，它可使得客户在购买前先看产品的外貌与内在，甚至于在虚拟世界中使用这产品，对房屋、土地、锅炉、大型机具、家具、医疗材、健身器材

23、、设计公司等方面都很有帮助。5游戏娱乐娱乐是VR的一个重要应用领域。VR为我们提供了一个功能十分强大的在计算机网络上创造各种环境 的平台，它能提供更好的多人之间的交互，提供更加逼真的虚拟环境，从而使人们能够享受其中的乐趣，带来更好的娱乐感觉。VRML目前正朝着实时通信、大规模用户交互的方向发展。Microsoft公司预估，未来大部分的个人电脑游戏都是在Windows上，而且都是虚拟现实的游戏。现在已有许多虚拟现实环境电脑游戏。例如毁灭战士（DOOM）、天旋地转（Descent）等。6其他应用对于股市行情显示、网络监控、人机界面、物体理论模拟、车祸现场重现等许多题目，都可以把数据与理论诉诸于三度

24、空间的虚拟显示来表现。 虚拟现实具有最高的效率，随着技术的不断完善，成本的逐步下降以后的市场展望是相当乐观的。四 市场分析目前，虚拟现实技术已取得引人注目的成果，在国内也引起了广泛的重视。虚拟现实技术能够在计算机中构造出一个形象逼真的模型，人与该模型可以进行交互操作，并产生与现实世界中相同的反馈信息，使人们得到与在现实世界中同样的感受。当人们需要构造当前不存在的环境、人类不可能到达的环境或构造虚拟环境以代替耗资巨大的现实环境时，虚拟现实技术是必不可少的。1）从心理学上讲，人是一种社会动物，总是有一种亲和心理，总是渴望沟通的。按照马斯洛的需要层次论来说，人类满足了生理需求、安全需求，对社交需求、

25、尊敬需求后，对自我实现的需求有着强烈的欲望，他们渴望在这个虚拟的网络社会满足他们的欲望。现实社会和虚拟的网络社会是紧密联系但又完全不同的两个实体，人们在现实社会中的诸多不平可以在虚拟的网络世界得以实现。既然用户有这种强烈的需求，所以我们的产品基于虚拟现实技术的网络世界在用户需求方面是有着很大的市场的。2）从现实应用角度来分析，虚拟现实（VR）的生动性和交互性是文字信息所无法比拟的，而推出这一产品的公司就是拥有了一家电视台，它的媒体价值是无法估量的。3）从市场前景及利润角度来分析：VR目前最大的问题，即如何利用这一新兴媒体来赢利。一个一直浮动在桌面上的客户端，其广告位是有限的。基于虚拟现实技术的

26、网络社会不存在这一问题，用户在做好的三维场景里漫游、交流，如同现实社会一样，他会不经意地发现一些广告牌，他甚至会很有兴趣地参加由我们推出的一些广告活动。因此我们的虚拟网络世界的媒体价值远远大于目前的ICQ，解决了它的最大问题（如何赢利）。4）虚拟现实的网络社会将是一个开放的系统，我们可找各方合作开发。而且网络社会是一个不断完善的系统，我们可以允许任何有兴趣的人添加他自己的模型和场景，当然这是要交由我们来审批的，也由我们来发布。家电巨头SONY已洞悉到市场的发展需求，在1996年率先开发并推出头盔式监视器HMD，型号为PLM-5。戴上它能使人感觉在眼前两三米处，形成不受任何环境影响的大屏幕投影般

27、的大画面，这也是此头盔魅力之所在。之后日本宝制所（TAKA）也跟着推出了名为Dynovisor的HMD，售价不及前者一半，较前者更具竞争力。不过在广东的各大电器城的货架上只见SONY的PLM-5而暂时还不见TAKA 的Dynovisor的影踪。2000年7月，美国cyberedge信息服务公司信息服务部公布了其关于虚拟现实市场的第三次年度调查。全球虚拟现实市场现在每年的规模为240亿美元，而且，还在以每年50%的速度快速增长。虚拟现实系统被用于医疗培训、制作原型产品、建筑和产品设计以及电子游戏等领域。在国内，虚拟现实产品的市场，基本上还处于空白状态。只有个别的代理商从国外进口一些不成套的产品，

28、如三D目镜等。完整的虚拟现实产品尚未遇见。这主要是因为，一方面，国内的虚拟现实技术和产品还处于研制开发阶段，还不成熟；另一方面，国外进口的产品，价格太高。因此，这个具有广泛用途的、最具钱景的产品和巨大的市场，至今还没有人去做。初步估计仅娱乐应用方面，如果，国内10%的家庭拥有虚拟现实娱乐设备（如虚拟现实运动器材），就有500亿人民币的市场。我们认为，随着技术的完善和成本的不断降低，虚拟现实娱乐设备将逐步取代高级音箱、家庭影院、VCD、DVD等目前流行的家庭娱乐设施，成为每个家庭不可缺少的生活用品。五（1） 虚拟现实系统技术和产品的实现方案 一个真正的虚拟现实程序必须包括以下两个基本要素： 用户

29、具有身临其境的感觉，并有实时随意活动的自由；（2） 能够实时地操纵和改变该虚拟境界。因此，虚拟现实系统的核心技术包括1 硬件方面：头盔显示器、数据手套、力反馈及热反馈装置、头部运动跟踪器等。2 软件方面：虚拟现实建模系统（软件）、声音识别和语音合成等。总体来说，虚拟现实技术分为实物虚化、虚物实化和计算处理技术三个方面。实物虚化是将现实世界的多维信息通过力、触觉、声音、热等传感器将光电能量转换映射到计算机的数字空间生成相应的虚拟世界。虚物实化通过各种计算和仿真技术使计算机生成的虚拟世界中的事物所产生的各种刺激以尽可能自然的方式反馈给用户。现对虚拟现实系统的各个硬件部分简要介绍如下：1 头盔显示器

30、（或3D目镜）：用于与计算机、电视、游戏机相连，佩带者可直接观看立体影视场景或立体计算机场景，立体效果极佳，可观看3维动态画面。目前主要在美国、日本等少数发达国家生产，最近台湾业开发出具有18万像素的显示能力、集成5.1声道耳机音效输出功能的头盔显示器（HMD）。2 数据手套：实际上是一种能量转换器，与计算机相连，操作者带上手套后，可代替鼠标 操作计算机软件，并可以产生触摸虚拟环境中物体的感觉和抓放动作。3 力（触觉）反馈装置：触觉是人们从外界获取信息的重要传感渠道之一，它由触摸反馈和力量反馈组成。虽然它们是两种不同形式的力量感知，但在虚拟环境中，它们都是使用户具有临境体验的交互手段，也是改善

31、虚拟环境的一种重要方式。用以增强VR系统的真实感、沉浸感，提高虚拟任务执行成功的机率。触觉感知是指人与物体对象接触所得到的全部感觉，是触摸觉、压觉、振动觉、刺痛觉等等皮肤感觉的统称。所以触摸反馈代表了作用在您皮肤上的力，它反映了人类触摸的感觉，或者是皮肤上受到压力的感觉；而力反馈是作用在您的肌肉、关节和筋腱上的力。与视觉和声音反馈相比，触摸反馈分析比较复杂。因为触摸传感器提供的是关于接触表面的几何性质、表面平滑度、温度、几何构造等信息。而力量反馈提供的是关于全部接触力量的信息，还有表面的硬度或被抓物体的重量信息。4 头部运动跟踪器：人体重要的感觉之一是方位感，即获知自己到底是在空间中的什么位置

32、。头部运动跟踪器就是解决这个问题的装置，有了这种装置，你的环境就会根据你身体的运动产生相应的变化。现有的头部运动跟踪器基本上可分为四大类：机械式、光学式、超声波式和磁场式。目前美国已有一些公司将头部运动跟踪器固化到头盔显示器或三D目镜中，如I-Glasses（价格：2000美元）。虚拟现实的软件系统比较多，目前使用较广的是 VRML、Cult3D、Viewpoint、WorldToolKit和World Up等。在此不作详细讨论。下面，我们主要介绍头盔显示器、数据手套和力反馈装置的实现方案。（一）娱乐型头盔显示器实现方案对娱乐型头盔显示器的主要功能要求：（1） 较高的逼真度（沉浸感）；（2）

33、三维成像；（3） 价格较低。头盔显示器与目前流行的游戏机在视景方面最大的不同是：后者多为卡通式动画，缺乏真实感，而头盔显示器的视景则要求高度逼真，有时甚至由三维成像构成的画面仍不够真实，还要使用拍摄的自然景观，两者合成在一起。这将增加一定的技术难度。如果考虑在视景中再出现真实活动的人物和动物时，则将是三种不同方法生成的视景的合成，技术难度将更大。但这是今后虚拟现实发展的方向。头盔显示器（HMD）的原理是将小型2维显示器所产生的影像借助光学系统放大。具体而言，小型显示器所发射的光线经过凸透镜使影像因折射产生类似远方效果。利用此效果将近处物体放大至远处观赏而达到所谓的全像视觉。小型液晶显示器（LC

34、D，Liquid Crystal Display）的影像通过一个偏心自由曲面透镜，使影像变成类似大银幕画面。由于偏心自由曲面透镜为一倾斜状凹面透镜，因此在光学上它已不单是透镜功能，基本上已成为自由面棱镜。当LCD产生的影像穿透A面进入偏心自由曲面棱镜C面，再全反射至观视者眼睛对向侧凹面镜B面。B面涂有一层镜面涂层，反射同时光线再次被放大反射至C面 ，并在C面补正光线倾斜，达到观视者眼睛。偏心自由曲面棱镜自由曲面透镜应用于HMD由以下几项关键技术：1.自由曲面棱镜；2.偏心；3.自由曲面。棱镜 光学面的折射力是由面曲率决定 ，曲率愈大（曲率半径愈小）该面的折射力则愈强，利用此特性可得到较大的折射

35、力，然而相对的收差也随之变大。折射面的折射力可由媒质的折射率n，曲率半径R，依下式求得：=（n-1）/R（1）。由于折射面的光路中可并排设置数个元件，因此可利用复数面作收差补正。要注意的是，该光学面的光轴必须是直线状。由于此类光学是由反射面所构成，因此即使很小的面曲率亦可获得同等折射力。=2/R （2）。表面反射镜常用于类似望远镜之系统，由于它不会发生色收差，因此一般的口径都很大。若是由背面镜构成反射面则变成：=2n/R （3）。例如折射率为1.5时与上述穿透面式（1）比较，1/6的曲率即可获得同等折射力。偏心 回转对称光轴光学中若发生偏心便会产生单边光晕，不论如何调整Lens光轴都无法得到有

36、效改善，对光学而言偏心乃是最大忌讳。然而对内面镜光学而言，它反而是处理光路折返不得不采用的技巧，主要原因是一旦发生偏心，相对的偏心收差会变大，如此一来会产生更为头疼的问题。如上所述结偏心方式乃是取出光线最佳手段，但是偏心却有造成收差变大的副作用。正确方法应该是先决定评估面 ，并令该面的中心上各面的轴上主光线形成曲折交叉状，如此才能作收差评估。偏心的优点 偏心最大优点是可使光学结构变的非常简洁、小型。传统光学若要进行微型化，除了缩短系统长度或口径外没有其它方法。然而对于回转对称光学而言它的光轴成为一条直线，若改为偏心光学便可大幅压缩体积。由于轴上光的长度与光学系统大小不再互动 ，因此理论上可轻易

37、达成微型化。例如设计3片Triplet 透镜，传统的回转对称光学除了将3片透镜长度缩小之外没有其它方法可使光学系统微型化。不过若是偏心光学便可将光路折叠，相当于3片透镜的各面皆可作相当程度的分离设计且各面互不干涉，同时更可因这种结构大幅削弱各面的折射力。偏心棱镜乃是刻意使光学面偏离光轴（简称离轴），倾斜结构可使光路在无任何衰减情况下折叠，此外各面相互保持一定间隔，因此各光学面的折射力可大幅降低。自由曲面 棱镜所构成的内面镜光学可取出偏心时的光路，形成低收差之光学系统。不过若是偏心过大造成大偏心收差时，便无法构成回转对称面之偏心光学，此时需设法改变面的形状作成所谓的自由曲面，藉由自由曲面补正偏心

38、收差。自由曲面之设计 设计上若能把握以下几项原则，基本上它与传统的回转对称光学完全相同。 面对称 若只考虑Y-Z面内的偏心则Y轴的正负方向为大偏心。有关X-Z轴的正负方向则为同样形状。换言之Y-Z面必需是对称面的面对称。该对称面若是Y-Z平面，则X轴方向便不需非对称，因此自由曲面系数的X不用奇数次项。近轴量 一般而言，由物体中心射出并通过中心与像面交叉之光线会有一条存在。在回转对称光学时此光线变成光轴。然而偏心光学的光线是曲折前进，因此上述光线不易变成光轴。为了作业上方便统称此光线为轴上主光线。有关各面的定义座标与轴上主光线的关系，由于轴上主光线并不限定非要通过各面定义座标的中心不可，因此即使

39、求出定义座标原点附近的曲率 ，依此定义座标所求得之近轴量实际上毫无意义。此外目前的光学设计软体不易作有关近轴计算。主要原因是设计前必需先获得入射瞳径或物体侧之NA等基础资料。同样道理若无法求出焦距便无法计算像高，如果焦距无法成为直接补正对象就必需以像高作为补正对象进行收差补正。收差补正 如上所述由于无法求得近轴量，因此依式以像高作为补正对象再配合焦距计算。h=f?tan （7）h：像高；f：焦距；：画角；由于X、Y方向各具自由度，因此需以各别像高作为补正对象。这有点类似X、Y方向两状态之设计。此外Y轴亦具正负自由度，Y像高的正负都需成为补正对象。具体设计方案如下：1 选择合适的液晶显示屏（LC

40、D）可以采用2个0.7彩色液晶显示器，每个尺寸在2.22.7英寸之间，分辨率在18万像素以上。可考虑用Casio 470型彩色液晶电视机，它的液晶线示屏尺寸是2.2英寸，拆去电视机的其它部分，只保留液晶平和驱动电路板即可（入下图所示）。2选择合适的光学系统在确定液晶显示器之后，就该开始光学系统的设计了。图816示意了把22英寸LCD放置在眼睛前方合适位置的准确尺寸。液晶屏应该位于眼睛的正前方，两屏之间保留2毫米的间隔。为了确定液晶屏的位置，水平地测量屏边缘到中心的距离，如果这个距离大于16毫米，那么把显示屏放置在眼睛正前方是不可行的。采用64毫米的标准瞳距以便大多数人都可以试用我们设计的头盔显

41、示器。因为显示屏比可用空间要大一些；所以就必须解决散视问题。如果上述测量距离小于16毫米，64毫米减去显示屏水平尺寸的2倍就是所需的间隙大小，例如，显示屏的水平尺寸是20毫米，正确的间隙为：642X20：24mm。散视如果显示屏的上述测量距离小于16毫米，您可以跳过这一节内容。然而，如果大于16毫米，它们的放置方式就必须使我们易于把视线折向显示屏的中心。这听起来似乎很容易，但要迫使人眼视线偏折并不是一件日常小事。我们准备甩棱镜来使从液晶显示展出射的光线偏折，从而使光线能以合适的角度人射到眼睛中。现在不能简单地把显示屏相互尽可能靠近地放置，并仅用棱镜实现视线偏折。不是什么角度的棱镜都有现成的可以

42、买到。首先，我们需要找到足以偏折视线的最小角度，可以使两个液晶屏相互尽可能靠近来测量这个角度。图817示意了如何用光路中的一块棱镜把视线偏向显示屏的中心。如果用量角器来测量正入射视线和斜入射视线之间的夹角，就可以得到实现光线偏折所需要的最小角度。然后就需要找到呷块合适的棱镜，它的角度尽可能接近上述测量角，而且必须正好等于或是大于测量角。如果不得不买一块角度比测得角要大的棱镜，就必须把两块显示屏拉开一点来补偿角度偏差。既然已经确定了显示屏的水平位置，就需要进一步确定垂直位置了。前面已经提及过，眼睛的视场形状很像一个圆锥面。的地方；22英寸的显示屏距离眼睛就该是1.1英寸，依次类推。然而，液晶屏的

43、实际位置会根据放大镜系统要求的调焦距离不同而改变。放大镜片距离眼睛应该保留1英寸的空间，这仅是留给戴眼镜的使用者留出的空间。在前面已经讨论过，镜片的口径必须大约为2英寸。美国有关专家的研究指出，一个平凸透镜系统能提供以下三个不同的放大倍率：45mm口径X78mm焦距可产生60视场57mm口径X110mm焦距可产生35视场40mm口径X92mm焦距可产生45视场很显然，这些数据随着使用的显示屏不同而改变。透镜系统的价格并不便宜，每块平均8美元，我们需要两套系统。而且还必须买几套光学系统来做实验，进一步增大了头盔显示器的造价。另一个麻烦是，放大率太大时会使我们看清LCD的单个象元。下面会讨论如何减

44、小这种影响，但我们也必须像所有头盔显示器的制造商们那样做一些必要的妥协：要想获得大的视场角和浸没感，就必须牺牲一部分清晰度。视场越小，获得的浸没感就越差。所以如何解决这个问题的确取决于个人选择。光学系统定位放大镜片应该位于棱镜和液晶显示屏之间，这就需要有一个支撑物来固定显示屏和透镜系统。可选用高档工程塑料或铝合金做框架（因为有些部件用电，所以采用金属框时一定要当心）。如果使用工程塑料做框架，可以用胶来固定所有的元件。胶很容易变干，所以能很快装配好整个单元。上述方法可以制作出一个很紧凑的部件，然后固定到一个类似于棒球头盔的外壳上。选择散射元件除了两个问题有待解决外，光学系统的设计已基本就绪。其一

45、就是散射器。如果买到的透镜系统有较大的视场，就很可能看得见LCD的单个象元，但用散射元件使象元模糊就能解决这一难题。可以用l蜡纸做散射器，也可以用网目状打印纸，如100线，点数越多而且点越小。把这种纸直接放置在液晶屏之前或是屏上，用各种线数的纸试验，找到一种最满意的线数。会聚调节最后需要解决的是会聚问题。我们需要确定的是当同时注视显示屏上的两幅图象时，它们是否会融合为一幅图象。判断方法是，给每一个显示屏输入相同的信号，在通过头盔显示器观察图象，如果看到的是单幅图象，则该显示器是会聚的；如果看到并排两幅图象，则需要水平向左或向右移动其中一个显示屏，直到看到的是单幅图象。头盔显示器经过优化后，对于

46、瞳距范围在60至80mm之间的大约90%的人是适合的，而对瞳距较大或较小的人而言就有些问题。因此可以做一个调节旋钮。3制作头盔显示器的外壳现在该开始有创造性的实践了。想一想把显示屏和透镜固定在哪儿才使您能戴在头上?您必须考虑的主要问题是抵消显示器重量的配重。通常配重的最佳位置是外壳后部证对显示器的地方。基于头盔的外壳是最容易制作的方法之一。在体育用品商店里买一个很耐用的棒球头盔，用尼龙带子把装有液晶屏和透镜系统的白塞木框架固定到头盔的帽沿上，图818示意了把透镜液晶屏组件固定到头盔上的例子。然后把配重用尼龙带像图819所示那样固定到头盔上。不管用什么样的框架，都希望能罩在眼睛的前方和周围，使光

47、线不会照在显示器上。另一种头盔外壳是开放型的，如图820所示，这种头盔由几个部件组成，第一部分是把整个单元固定的用户头上的帽圈，是用硬塑料做成的，如图821所示。一个像图822所示的塑料框架被固定到帽圈上，这个框状物由14英寸的ABS型厚塑料做成，可以在塑料公司买到这种塑料。制作这个框架时，需要把原材料切成两片，一片尺寸是2”X 37”X14”，另一片是2”X155”X14”。把长片塑料弯成图823所示的形状(最容易的弯曲方法是用加热枪加热)，一旦塑料变柔软，迅速弯曲到期望的形状，再对加热区吹风使其迅速变凉。，把另一片塑料弯成图824所示的形状，并且把它像图825所示的那样固定到前一片上。下一

48、步是把帽圈的顶部固定到塑料框内侧顶部，如图826所示。和第一种外壳一样，也需要有一块配重，为此，直接把一金属物用螺栓固定到塑料框的后部。在上述两种外壳形式中，液晶显示屏和光学系统都是被装在一个盒子里，盒子的前部看上去像图827所示的那样。制作这个盒子的第一步是为放大镜系统开两个足够大但又不能太大的孔，并用胶把放大系统固定在这两个孔内。光学系统应该被放在盒子的底部，而LCD应被固定在盒子的盖子上，LCD上有个小孔可做此用。可以利用盒盖和液晶屏背部之间的隔圈(spacer)来调节光学系统和液晶屏之间的间隔。图828是整个显示盒的切面图。把这个显示盒固定在塑料框的前部，并如前所述，与棒球头盔相连。为

49、头盔显示器提供良好的视频信号为了能有效地使用头盔显示器，就必须给它提供视频信号输入，但因为是把电视机的部件用作显示屏，所以我们就必须迁就它的要求。通常，这种电视机通过天线来接收信号，整个单元有一个独立的插孔，允许用一个分离效果更好的天线作接收器。在使用过程中，我们不得不利用这个天线插孔，这也就意味着，不管是什么信号，我们都必须把视频信号转换成普通的电视信号，再进一步转换成天线插孔能接收的信号形式。（二）数据手套的设计方案数据手套(Data glove)作为虚拟现实技术中的一种重要输入设备，一直受到极大关注，国外先后已有许多产品出现，如VPL公司的Data glove、Mattel公司的Powe

50、r glove以及Exos手控器等。国内这方面的研究刚刚开始 ，目前正在研究的有北京科技大学的FSR(Force sensoring resistor，力敏电阻)数据手套和北京理工大学的超声波数据手套。我们在研制面向灵巧手遥操作的3指5自由度简易手套基础上，利用机械连杆机构运动确定性的原理来检测手指关节运动状态，设计研制了一种新型机械电子式的5指11自由度的数据手套，该数据手套具有良好的适应性和可靠性，而且成本低、精度较高，可以广泛地应用于虚拟制造和装配等方面。数据手套的原理、结构和功能1手的模型 人的手具有27自由度，其中6个为臂部自由度，表示手的位置和方向，掌部有21自由度。每个手指(V)

51、有4自由度，其中手指基部(MP)有2自由度。中间关节(PIP)和末端关节(DIP)只有1自由度。大拇指有5自由度。手的模型及其关节定义如图1所示，并建立如图2所示的坐标系统。图1 手的模型及其关节 图2 定义关节局部坐标系手指关节的运动约束主要是为了避免出现不切实际的动作。约束可做如下分类：关节运动角度限制运动类型。即V手指除MP关节外，其他关节(PIP和DIP)只有同一方向上的弯曲及伸展运动，而MP关节可能有弯曲、外展或内收运动。PIP关节的弯曲约束，即DIP的运动都要引起PIP关节的运动。MP的弯曲约束。即一般MP关节的90弯曲范围，食指()的略小，按V的顺序，关节范围依次有少量的增加。M

52、P关节的内收、外展约束。即手指的内收和外展是以中指()的MP指骨作为参考轴来进行的。2方案提出数据手套作为手的数字化输入设备，用来检测手指关节间的相对转角和手指间的相对转角。它的测量机制直接影响了数据手套的性能。传统的数据手套采用光纤、导电油墨或FSR(导电橡胶)作为介质依附在手套上作为传感装置的方法有3点不足：手套的大小限制了手套的戴用者范围。传感介质在任何部位的变形都会累积为关节运动。手套同手之间会发生滑移，影响精度。同时，为了使数据手套的操作符合人的习惯，希望关节之间运动解耦且传感信息与手指关节运动成线性关系。因此，我们设计了机械连杆机构用于检测关节运动。3检测原理依据手的模型的讨论，我

53、们认为巧妙的机构设计可以极大地简化传感器和检测算法，作为手控制装置的理想数据手套应具有以下特点：各关节之间的运动是解耦的。手指关节角度的变化与传感器输出为线性关系。BHG采用机械连杆检测手指关节运动，其中包括检测单自由度的平面四杆机构和检测2自由度的空间六杆机构。1）单自由度机构检测原理分析单自由度机构安装在手指末端(DIP)和中间关节(PIP)，机构简图见图3。显然，该机构只有1自由度，是平面四杆机构。图3 单自由度关节运动分析如下：a=L1+h1 1=arcsin(h1/a)b2=L22+h22 2=arcsin(h2/a)由余弦定理 c2=x21+x22-2x1x2cos式中为电位计的测

54、量角度，可求得关节转角 222=360-1-2 (1)式中关节转角计算用变量，随关节角变化1，2计算用量，戴用手套时确定，运动过程中保持不变对于控制算法，通常采用增量对虚拟手进行驱动，于是可得到如下增量式可见，关节转角与测量角的增量之间具有严格的函数关系，适用于测量手指关节的相对转角。在手指的运动范围内，对式(2)进行仿真，可得到一近似线形的曲线。在采样频率较高时，很小，电位计转角与关节转角之间可视为线性关系，与的这种线性关系为检测带来了很大的好处：操作者对自己动作的结果有直观的印象，符合人的习惯；使数据手套操作简单；简化了传感器结构；简化了检测算法。同时，也为简化数据处理和进行线性标定提供了

55、重要的理论依据。2）自由度机构检测原理分析检测2自由度的空间六杆机构装在指根处(MP关节)，机构简图见图4。图4中G为用来检测MP关节内收及外展运动的电位计；A为G上方铰链；B为检测MP关节弯曲运动电位计；C、D是戴在P1指骨处的支座立轴及其上方铰链；E为MP关节位置。该机构以掌肢骨为机架，以指肢骨为原动件。对手指运动分析可知，指跟处可以摆动(外展、内收)和转动，即有2自由度；对机构自由度分析可知，该机构具有2自由度。设计使一个电位计位于手背关节后(G点)，检测手指的摆动，检测分析如下(参见图5)。图4 自由度关节 图5 计算用图通过解算有运动约束的非同心圆周运动得到手指关节的位置。设当关节角

56、度为、电位计转角为时，若关节有微小转动，电位计因此得到微小转动。通过计算，可解得。另一个电位计位于该关节上方，检测关节的弯曲，检测原理与单关节检测原理相同。由于检测摆动的电位计与所测关节不同轴，造成这2自由度的运动耦合。尽管如此，由于这两个传感器检测的关节运动正交，我们还是可以将耦合的运动人为地分配给对应关节，使之在符合人习惯的同时不造成过大的误差。数据手套的可视化研究1数据采集和标定数据采集是将电位计的模拟信号通过A/D转化为数字信号，该数据用于表示手部的弯曲运动。本系统采用中断工作方式，采集频率设定为100Hz。在数据处理模块中，我们将信号滤波，并把信号电压值转化为对应的关节转角。由于关节

57、转动的输入与信号的输出存在近似线性的映射关系，所以可以用简化的线性插值代替复杂的数据处理工作，即(3)标定是数据手套的初始化，确定数据手套的边界条件6。在前面所述的式(2)中，a、b为未知量，标定即确定a、b。若采用简化的线性标定，即确定式(3)中的Umax、Umin。在标定时，操作者应作两个手势7，使手指基本处于自然运动的极限位置。这样分别做3次，可减小标定误差。仿真前必须先进行数据手套的标定，统计操作者的手部信息，提供仿真时使用。2.图形仿真为了使手部的数据信息可视化，我们在Visual C+平台利用OpenGL (Open graphic library)开发了相应的图形仿真软件，建立手

58、的实体模型。模型包括5个手指、17个关节。该仿真软件包括A/D检测模块、标定模块、数据采集模块和图形显示模块等，提供一个虚拟的操作环境。操作者可直接对虚拟三维手的模型进行操作，同时图形仿真可实时地跟踪、显示手指的复杂运动。所以借助于数据手套，可增加与虚拟世界复杂数据交互作用的真实感，使人机交流更加自然、有效。3试验数据表中列出了标定试验的一些检测数据，其中平均差值为差值栏的平均值；某两次张(或握)手时检测值的差称为漂移。平均漂移为某手指漂移值的均方差。表中-DIP表示指(拇指)DIP关节，而-MP-B指指(食指)MP关节弯曲数据，-MP-W指指MP关节内收及外展数据。数据为实时采集到的电位计电

59、压信号。可以发现DIP的运动范围约为PIP的3/52/3。BHG的最大漂移为该关节运动范围的9.52%，发生在指的MP-W(弯曲)关节。试验数据列表略。由试验数据，计算各列差值并假设手指运动范围为-20+90，当A/D检测精度为0.01V时，检测分辨率为1.160.22，平均分辨率为0.49，漂移1.1612.00，平均漂移4.8。这在机器人遥操作或虚拟设计及装配等方面应用中，是满足精度要求的。另外根据试验分析，引起上述漂移的主要以下3个因素：机械零件之间装配间隙及运动回差；支座与手指之间相对滑移；手指复位的准确性。（三）力反馈装置的实现方案关于触觉和力反馈设备的研究还不多见，特别是国内，基本

60、上还处于空白。随着人机交互接口智能化的进一步发展，特别是关于视觉、听觉的研究已经取得一定成果之后，为了更真实地体现虚拟环境，提高人在虚拟环境中的“沉浸感”，触觉就成为了一个重要的研究项目。一般说来，只有增加力的反馈，实现了触觉的模拟，人机交互才能更加真实、自然。目前国内还没有自行研制的虚拟现实力反馈设备的产品，大多科研机构在进行虚拟现实触觉研究时所需的设备大都从国外购买，使研究工作受到限制。这类产品除了价格昂贵之外，获取技术支持也很困难。另外国外产品只提供设备的接口，而对技术细节保密。我们的目标是在触觉模拟外部设备的研究开发上作一些尝试，为以后进一步的研究提供资料。设计的要求1 力反馈设备的总