虚拟现实系列项目可行性分析报告

虚拟现实系列工程可行性分析报告提要：本分析报告较全面地介绍了目前国内外虚拟现实技术的进展状况、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工程筹划题案。本文的结论是：目前是投入虚拟现实技术产业的最正确时机，这是一个可以大展宏图的产业。谁能抓住这个时机，将开拓一个崭的产业和市场，并有可能成为国内这个将来最具前景行业的领头企业。名目虚拟现实系统简介虚拟现实在国内外的进展概况2.1美国的争辩状况2.2日本的争辩状况2.3英国的争辩与开发4国内争辩状况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玩耍消遣6其他应用市场分析虚拟现实技术和产品的实现方案5.1头盔显示器〔3D目镜〕5.2数据手套3力〔触觉〕反响装置虚拟现实工程筹划6.1世界风景主题餐厅2遥控虚拟飞行旅游系统6.3虚拟现实健身器材投资分析一．虚拟现实系统简介虚拟现实，英文称为VirtualReality(VR)，即利用计算机进展中的高科技手段构造出一个虚拟的境地，使参与者获得与现实一样的感觉。虚拟现实是一个在当今国际上倍受关注的课题。假设真正实现了虚拟现实，那么对整个人类的生活与进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，你就觉察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，你所观察的景象也会随之转变，你可穿过大厅，推开前面的大门；而当你观察一件精巧的展品时，你甚至可以上上下下、里里外外认真地观摩 这就是虚拟现实技术给你带来地一切——近乎完善的真实感觉。如：运动方向、速度等，而系统也可以向用户反响信息，如：模拟驾驶系统中两车相撞，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，但它消灭以后，“以计算机为主体”的看法渐渐被人们所抛弃，大多数人开头承受“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根本特征：沉醉性。虚拟现实技术是依据人类的视觉、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，声音。使用者在虚拟环境中，一切感觉都是那么逼真，有一种身临其境的感觉。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、鼠就能对虚拟环境中的对象进展考察或操作。多感知性。由于虚拟现实系统中装有视、听、触、动觉的传感及反响装置，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，从而到达身临其境的感受。虚拟现实系统按其功能不同，可分成三种类型。1．沉醉型虚拟现实系统。沉醉型虚拟系统是一套比较简单的系统。使用者必需头戴头盔、手带数据手套等传感跟踪装置，才能与虚拟世界进展交互。由于这种系统可以将使用者的视觉、听觉与外界隔离，因此，用户可排解外界干扰，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醉到虚拟世界中去，缺点是系统设备价格昂贵，难以普及推广。简易型虚拟现实系统。简易型虚拟现实系统由一台一般的计算机系统组成，使用者通过键盘、鼠标便可与虚拟环境进展交互。例如苹果公司推出的快速虚拟系统(QuickTimeVR360摄来生成逼真的虚拟情景，用户在一般的电脑上，利用鼠标和键盘，就能真实地感受到所虚拟的情景。这种系统的特点是构造简洁、价格低廉，易于普及推广，是一套经济有用的系统。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展观看和操作，到达协同工作的目的。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展外科手术。1993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“I”(ImmersionInteractionImagination思维设想)。这三个“I”在虚拟现实系统中的主导作用。二．虚拟现实在国内外的进展概况美国的争辩状况VRVRVR领域的根底争辩主要集中在感知、用户界面、后台软件和硬件四个方面。美国宇航局〔NASA〕Ames〔HMD〕；VPL成为可用性较高的产品。NASA争辩的重点放在对空间站操纵的实时仿真上，大多数争辩是在NASA的约翰逊空间中心完成的。他们大量运用了面对座舱的飞行模拟技术。NASA完成的一项着名的工作是对哈勃太空望远镜的仿真。NASAAmes”〔VPE〕的试验打算，这一工程能使“虚拟探究者”〔VirtualExplorer〕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NASAVRVRVR教育系统。在科技和民用方面，他们主要争辩：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〔Pixelplanes〕。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争辩中心建立了“视觉感知打算”，争辩VR1991SRIVR图通过仿真来削减飞行事故。另外，SRI华盛顿大学华盛顿技术中心的人机界面技术试验室〔HITLab〕在概念的争辩中起着领先作用，同时也在进展感觉、知觉、认知和运动把握力量的争辩。HIT将VR争辩引入了教育、设计、消遣和制造V22日本的争辩状况在当前有用虚拟现实技术的争辩与开发中日本是居于领先位置的国家之一，主要致力于建立大规模VR学问库的争辩。另外在虚拟现实的玩耍方面的争辩也做了很多工作。但日本大局部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争辩试验室开发了一种虚拟现实系统，它能让操作者都使CADVPLX、Y东京大学的广濑争辩室重点争辩虚拟现实的可视化问题。为了抑制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。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。英国的争辩与开发VR开发的某些方面，特别是在分布并行处理、关心设备〔包括触觉反响〕设计和应用争辩方面，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BritishAerospac〔英国航空公司DimensionInternationalDivisionLtd,AdvancedRoboticsResearchCenterVirtualPresenceLtd〔VR〕VR是消遣业方面的。正在打算推出型轻量显示头盔和功能强大的图形引擎〔graphicsengine〕。VR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。国内争辩状况和兴旺国家相比，我国VR技术还有肯定的差距，但已引起政府有关部门和科学家们的高度重视。依据我国的国情，制定了开展VR技术的争辩，例如，九五规划、国家自然科学基金会、国家高技术争辩进展VR列入了争辩工程。在紧跟国际技术的同时，国内一些重点院校，已乐观投入到了这一领域的争辩工作。北京航空航天大学计算机系是国内最早进展VR争辩、最有权威的单位之一，他们首先进展了一些根底开发出了局部硬件，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争辩论坛，可以供给实时三维动态数据库，供给虚拟现实演示环境，供给用于飞行员训练的虚拟现实系统，供给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。LCD三．虚拟现实技术和产品的应用前景虚拟现实技术的进展，向人们呈现了迷人的前景，近几年，虚拟现实在很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：军事训练虚拟现实技术一消灭，就受到各国军界的青睐。从90年月初起，美国领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，为使用者制造一种险象环生、几近真实的立体战场环境。以增加其临场感觉，提高训练质量。二是进展单兵模拟训练。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，体会不同的作战效果，进而像参与实战一样，熬炼和提高技术水平、快速反应力量和心理承受力。如美空军用虚拟现实技术研制的飞行训练模拟器，能产生视觉把握，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把握飞行器，还能处理虚拟现实中飞机以外的各种状况，如气球的威逼、的放射轨迹等。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，依据虚拟环境中的各种状况及其变化，“调兵遣将”、“斗智斗勇”，实施“真实的”对抗演习。四是进展指挥员训练。利用虚拟现实技术，依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看敌我兵力部署和战场状况，以便推断敌情，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“真实的”战场之上。教育应用用VR技术可以建筑人体模型、电脑太空旅行、化合物分子构造显示等。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，学习效果格外显著。对于很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，利用虚拟现实来作为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缺乏。在远程教学中，往往会由于试验设备、试验场地、教学经费等方面的缘由，而使一些应当开设的教学试验无法进展。利用虚拟现实系统，可以弥补这些方面的缺乏，学生足不出户便可以做各种各样的试验，获得与真实试验一样的体会，从而丰富感性生疏，加深对教学内容的理解。避开真实试验或操作所带来的各种危急以往对于危急的或对人体安康有危害的试验，一般承受电视录像的方式来取代试验，学生无法直接参与实验，获得感性生疏。利用虚拟现实技术进展虚拟试验．则可以免除这种顾虑。学生在虚拟试验环境中，可以放心地去做各种危急的或危害人体的试验。例如，虚拟的化学试验，可以避开化学反响所产生的燃烧、爆炸所带来的危急；虚拟的外科手术，可避开由于学生操作失误，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峻事故。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展观看。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状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较的。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看的变化过程，通过虚拟现实技术，可以在很短的时间内呈现给学生观看。例如，生物中的孟德尔遗传定律，用果蝇做试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、亲切的气氛中进展学习。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、学生一起沟通、争辩，共同探讨学习中的各种问题，进展协作化学习。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、沟通，通过先进人物的言行来感化学生，从而到达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，达到训练学生口语的目的。技能训练虚拟现实的沉醉性和交互性，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，这格外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、电器修理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急，学生可以不厌其烦地反复练习，直至把握操作技能为止。例如：在虚拟的飞机驾驶训练系统中，学员可以反复操作把握设备，学习在各种天气状况下驾驶飞机起飞、降落，通过反复训练，到达娴熟把握驾驶技术的目的。工程应用工程很大程度上依靠于图形工具，以便直观地显示各种产品，目前CAD/CAM已经成为机械、建筑等领域必不行少的软件工具。VRML使工程人员能通过Internet/Intranet按协作方式进展三维模型的设计、沟通和公布，进一步提高生产率并削减本钱。商业应用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置商品的经受。顾客可以访问虚拟世界中的商店，在那里选择商品，然后通过Internet办理付款手续，商店则准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，它可使得客户在购置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、设计公司等方面都很有帮助。玩耍消遣消遣是VR的一个重要应用领域。VR为我们供给了一个功能格外强大的在计算机网络上制造各种环境的平台，它能供给更好的多人之间的交互，供给更加逼真的虚拟环境，从而使人们能够享受其中的乐趣，带来更好的消遣感觉。VRML目前正朝着实时通信、大规模用户交互的方向进展。MicrosoftWindows上，而且都是虚拟现实的玩耍。现在已有很多虚拟现实环境电脑玩耍。例如消灭战士〔DOOM〕、天旋地转〔Descent〕等。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、车祸现场重现等很多题目，都可以把数据与理论诉诸于三度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，本钱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，人与该模型可以进展交互操作，并产生与现实世界中一样的反响信息，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、人类不行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行少的。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。依据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、敬重需求后，对自我实现的需求有着猛烈的欲望，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严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。既然用户有这种猛烈的需求，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。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较的，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。从市场前景及利润角度来分析：VR目前最大的问题，即如何利用这一兴媒体来赢利。一个始终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网络社会不存在这一问题，用户在做好的三维场景里漫游、沟通，如同现实社会一样，他会不经意地觉察一些广告牌，他甚至会很有兴趣地参与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〕。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，固然这是要交由我们来审批的，也由我们来发布。SONY已洞悉到市场的进展需求，在1996年领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SONY的PLM-5而临时还不见TAKA的Dynovisor的影踪。2022年7月，美国cyberedge信息效劳公司信息效劳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玩耍等领域。如三D目镜等。完整的虚拟现实产品尚未遇见。这主要是由于，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。初步估量仅消遣应用方面，假设，国内10%的家庭拥有虚拟现实消遣设备〔如虚拟现实运动器材〕，就有500亿人民币的市场。我们认为，随着技术的完善和本钱的不断降低，虚拟现实消遣设备将逐步取代高级音箱、家庭影院、VCD、DVD等目前流行的家庭消遣设施，成为每个家庭不行缺少的生活用品。五． 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需包括以下两个根本要素：用户具有身临其境的感觉，并有实时任凭活动的自由；能够实时地操纵和转变该虚拟境地。因此，虚拟现实系统的核心技术包括硬件方面：头盔显示器、数据手套、力反响及热反响装置、头部运动跟踪器等。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响给用户。现对虚拟现实系统的各个硬件局部简要介绍如下：头盔显示器〔3D目镜〕：用于与计算机、电视、玩耍机相连，佩带者可直接观看立体影视场景或立体3维动态画面。目前主要在美国、日本等少数兴旺国家生产，最近台湾业开发出185.1〔HMD〕。VirtualI-GlassesPC、TV、Video3D立体影视效果。VirtualRealities,Inc.公司生产。售价：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.售价：$1200.00由美国VirtualResearchSystems,Inc公司生产。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.售价：$150.005DTGlove〔5维数据手套〕The new 5DT Glove features advanced fiber-optic sensorstogeneratefinger-benddata.Moveeasilythroughyourvirtualworldbycombininghandgestureswiththepitchandrollofyourhand.Breakthroughpricing,newfeatures,openarchitectureandsoftwaresupporthavemadeitthegloveofchoice.售价：右手$485.00；左手$585.00CyberGlove用于虚拟现实、远程机器人学、作业训练、CAD、语言识别署名、电视玩耍、用图表示特性动画片制作、音乐产生、手-功能分析等。WiredLCDshutterglasses,PowerGlove,MicroprocessorWiredLCDshutterglasses,PowerGlove,MicroprocessorcontrolledserialportinterfaceforApplecomputersand3DSoftware.售价：$450.00WiredLCDshutterglasses,PowerGlove,parallelportinterface,parallelportY-adapter,2MorrowWorldBuilder,conversionutilities,sampleworlds,sourcecodeandgames.售价：$395.00力〔触觉〕反响装置：触觉是人们从外界猎取信息的重要传感渠道之一，它由触摸反响和力气反响组成。虽然它们是两种不同形式的力气感知，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VR系统的真实感、沉醉感，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。所以触摸反响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；而力反响是作用在您的肌肉、关节和筋腱上的力。 与视觉和声音反响相比，触摸反响分析比较简单。由于触摸传感器供给的是关于接触外表的几何性质、外表平滑度、温度、几何构造等信息。而力气反响供给的是关于全部接触力气的信息，还有外表的硬度或被抓物体的重量信息。FORCEFXTheFORCEFXisguaranteedtoknockyoursocksoffwithsixbuilt-ineffectsyoucanexperiencethroughthestickinmanyvariationsofmagnitude,direction,durationandrepetitiveness.EachvariationisdeterminedthroughyourfavoriteI-Force-supportedgame.售价：$185.006-DOFHumanInterfaceDeviceThe6-DOFHIDprovidescompletesixdegreesoffreedomthatletyoumoveforward/backward,strafeleft/right,jump/crouch,lookup/down,watchleft/rightortumbleleft/rightatthesametime.The6-DOFHIDoffers256degreesofresolutionineachdegreeoffreedomandallowsalternatespeed/accelerationineachdirection.售价：$150.00FormulaT2Experiencethethrillofrealracingactionin3D!TheFormulaT2VRRacingSystemputsyouinthedriver”sseatofahigh-speedIndycar.Withit”srealisticfeelandfeatures,allyou”llbemissingisthesmellofburningrubberandracingfuel.售价：$285.00R&RVirtualRealityChairTheR&RVirtualRealityChairispoweredbycompressedairthatissuppliedbyasmallaircompressorthatistypicallyusedforairbrushpaintguns.TheR&Rusesyourmonitor(Upto35lbs.,ormoreifyoucounterbalancetheweight)andaPCcompatiblejoystick.售价：$1550.00〔InteractorVestNotonlydoestheInteractoraddtothevirtualrealityofyourPCgames,youcanalsofeeltheactionfromyourfavoriteTVshows,movies,CD,stereo,gameconsoleandmore...thebestwaytogetyourkicksfromyourfavoritetoys.Theinteractorisdesignedtowearontheback,adjuststofitallsizes,andisguaranteednottohitbelowthebeltoryourmoneyback..Adaptersareincludedforconnectiontovariousaudioandvideosources,includingPCandGameConsoles.售价：$85.00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。头部运动跟踪器就是解决这个问题的装置，有了这种装置，你的环境就会依据你身体的运动产生相应的变化。现有的头部运动跟踪器根本上可分为四大类：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：2022美元〕。虚拟现实的软件系统比较多，目前使用较广的是WorldToolKitWorldUp等。在此不作具体争辩。下面，我们主要介绍头盔显示器、数据手套和力反响装置的实现方案。〔一〕消遣型头盔显示器实现方案对消遣型头盔显示器的主要功能要求：较高的逼真度〔沉醉感〕；三维成像；价格较低。头盔显示器与目前流行的玩耍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。这将增加肯定的技术难度。假设考虑在视景中再消灭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进展的方向。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，小型显示器所放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欣赏而到达所谓的全像视觉。小型液晶显示器〔LCD，LiquidCrystalDisplay〕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，根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，反射同时间线再次被放大反射至C面，并在C面补正光线倾斜，到达观视者眼睛。偏心自由曲面棱镜自由曲面透镜应用于HMD1.自由曲面棱镜；2.偏心；3.自由曲面。光学面的折射力是由面曲率打算，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力，然而相对的收差也随之变大。折射面的折射力Φ可由媒质的折射率n，曲率半径R，依下式求得：Φ=〔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。要留意的是，该光学面的光轴必需是直线状。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。Φ=2/R〔2〕。外表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。假设是由反面镜构成反射面则变成：Φ=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。回转对称光轴光学中假设发生偏心便会产生单边光晕，不管如何调整Lens光轴都无法得到有效改善，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承受的技巧，主要缘由是一旦发生偏心，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正确手段，但是偏心却有造成收差变大的副作用。正确方法应当是先决定评估面，并令该面的中心上各面的轴上主光线形成曲折穿插状，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构造变的格外简洁、小型。传统光学假设要进展微型化，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，假设改为偏心光学便可大幅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。不过假设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别设计且各面互不干预，同时更可因这种构造大幅减弱各面的折射力。偏心棱镜乃是刻意使光学面偏离光轴〔简称离轴〕，倾斜构造可使光路在无任何衰减状况下折叠，此外各面相互保持肯定间隔，因此各光学面的折射力可大幅降低。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。不过假设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，此时需设法转变面的外形作成所谓的自由曲面，藉由自由曲面补正偏心收差。设计上假设能把握以下几项原则，根本上它与传统的回转对称光学完全一样。面对称假设只考虑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外形。换言之Y-Z面必需是对称面的面对称。该对称面假设是Y-Z平面，则X轴方向便不需非对称，因此自由曲面系数X不用奇数次项。一般而言，由物体中心射出并通过中心与像面穿插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。为了作业上便利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行，因此即使求出定义座标原点四周的曲率，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。主要缘由是设计前必需先获得入射瞳径或物体侧之NA等根底资料。同样道理假设无法求出焦距便无法计算像高，假设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展收差补正。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协作焦距计算。h=f?tanθ〔7〕h：像高；f：焦距；θX、Y方向各具自由度，因此需以各别像高作为补正对X、YYY像高的正负都需成为补正对象。具体设计方案如下：选择适宜的液晶显示屏〔LCD〕可以承受2个0.7△彩色液晶显示器，每个尺寸在2.2~2.7英寸之间，区分率在18万像素以上。可考虑用Casio470型彩色液晶电视机，它的液晶线示屏尺寸是2.2英寸，拆去电视机的其它局部，只保存液晶平和驱动电路板即可〔入以下图所示〕。选择适宜的光学系统在确定液晶显示器之后，就该开头光学系统的设计了。图8．16示意了把2．2英寸LCD放置在眼睛前方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，假设这个距离大于16毫米，那么把显示屏放置在眼睛正前方是不行行的。承受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示器。由于显示屏比可用空间要大一些；所以就必需解决散视问题。假设上述测量距离小于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2064—2X20：24mm。散视假设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，假设大于16毫米，它们的放置方式就必需使我们易于把视线折向显示屏的中心。这听起来好似很简洁，但要迫使人眼视线偏折并不是一件日常小事。我们预备甩棱镜来使从液晶显示展出射—的光线偏折，从而使光线能以适宜的角度人射到眼睛中。现在不能简洁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8．17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。假设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适宜的棱镜，它的角度尽可能接近上述测量角，而且必需正好等于或是大于测量角。假设不得不买一块角度比测得角要大的棱镜，就必需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，眼睛的视场外形很像一个圆锥面。的地方；2．2英寸的显示屏距离眼睛就该是1.1英寸，依次类推。然而，液晶屏的实际位置会依据放大镜系统要求的调焦距离不同而转变。放大镜片距离眼睛应当保存1英寸的空间，这仅是留给戴眼镜的使用者留出的空间。在前面已经争辩过，镜片的口径必需大约为245mmX78mm60~视场57mmX110mm35~视场40mmX92mm45~视场8美元，我们需要两套系统。而且还必需买几套光学系统来做试验，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。下面会争辩如何减小这种影响，但我们也必需像全部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，就必需牺牲一局部清楚度。视场越小，获得的浸没感就越差。所以如何解决这个问题确实取决于个人选择。光学系统定位放大镜片应当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〔由于有些部件用电，所以承受金属框时肯定要留神〕。假设使用工程塑料做框架，可以用胶来固定全部的元件。胶很简洁变干，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，光学系统的设计已根本就绪。其一就是散射器。假设买到的透镜系统有较大的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，找到一种最满足的线数。会聚调整最终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。推断方法是，给每一个显示屏输入一样的信号，在通过头盔显示器观看图象，假设看到的是单幅图象，则该显示器是会聚的；假设看到并排两幅图象，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。因此可以做一个调整旋钮。制作头盔显示器的外壳现在该开头有制造性的实践了。想一想把显示屏和透镜固定在哪儿才使您能戴在头上?您必需考虑的主要问题是抵消显示器重量的配重。通常配重的最正确位置是外壳后部证对显示器的地方。基于头盔的外壳是最简洁制作的方法之一。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．8．18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8．19所示那样固定到头盔上。不管用什么样的框架，都期望能罩在眼睛的前方和四周，使光线不会照在显示器上。另一种头盔外壳是开放型的，如图8．20所示，这种头盔由几个部件组成，第一局部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8．21所示。一个像图8．22所示的塑料框架被固定到帽圈上，这1／4ABS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”X37”X．1／4”，另一片是2”X15．5”X1／4”。把长片塑料弯成图8．23所示的外形(最简洁的弯曲方法是用加热枪加热)，一旦塑料变松软，快速弯曲到期望的外形，再对加热区吹风使其快速变凉。，把另一片塑料弯成图8．24所示的外形，并且把它像图8．258．26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 8．27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。光学系统应当被放在盒子的底部，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)来调整光学系统和液晶屏之间的间隔。图8．28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。为头盔显示器供给良好的视频信号为了能有效地使用头盔显示器，就必需给它供给视频信号输入，但由于是把电视机的部件用作显示屏，所以我们就必需迁就它的要求。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，允许用一个分别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，我们都必需把视频信号转换成一般的电视信号，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(Dataglove)作为虚拟现实技术中的一种重要输入设备，始终受到极大关注，国外先后已有很多产品消灭，如VPL公司的Dataglove、Mattel公司的Powerglove以及Exos手控器等。国内这方面的争辩刚刚开头，目前正在争辩的有北京科技大学的FSR(Forcesensoringresistor，力敏电阻)数据手套和北京理工大学的超声波数据手套。我们在研制面对灵活手遥操作的3指5自由度简易手套根底上，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牢靠性，而且本钱低、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、构造和功能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(Ⅱ—V)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开消灭不切实际的动作。约束可做如下分类：①关节运动角度限制运动类型。即Ⅱ—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PIP关节的弯曲约束，即DIP的运动都要引起PIP关节的运动。③MP的弯曲约束。即一般MP关节的90°弯曲范围，食指(Ⅱ)的略小，按Ⅲ—V的挨次，关节范围依次有少量的增加。④MP(Ⅲ)MP指骨作为参考轴来进展的。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。传统的数据手套承受光纤、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点缺乏：①手套的大小限制了手套的戴用者范围。②传感介质在任何部位的变形都会累积为关节运动。③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，期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争辩，我们认为奇异的机构设计可以极大地简化传感器和检测算法，作为手把握装置的抱负BHG—2自由度的空间六杆(3)机构。(3)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。明显，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：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为电位计的测量角度，可求得关节转角ββ=360°-θ-γ-γ (1)1 2式中β——关节转角θ——计算用变量，随关节角变化γ，γ1 2对于把握算法，通常承受增量对虚拟手进展驱动，于是可得到如下增量式可见，关节转角Δβ与测量角的增量Δα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)进展仿真，可得到一近似线形的曲线。在采样频率较高时，Δα很小，电位计转角Δα与关节转角Δβ之间可视为线性关系，Δβ与Δα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；使数据手套操作简洁；简化了传感器构造；简化了检测算法。同时，也为简化数据处理和进展线性标定供给了重要的理论依据。2〕自由度机构检测原理分析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44G为用来检测MP关节内收及外展运动的电位计；AG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，指跟处可以摇摆(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)，检测手指的摇摆，检测分析如下(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。设当关节角度为β、电位计转角为α时，假设关节有微小转动Δβ，电位计因此得到微小转动Δα。通过计算，可解得Δβ。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一样。由于检测摇摆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安排给对应关节，使之在符合人习惯的同时不造成过大的误差。数据手套的可视化争辩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。本系统承受中断工作方式，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简单的数据处理工作，即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。假设承受简化的线性标定，即确定式(3)中的Umax、Umin。在标定时，操作者应作两个手势［7］，使手指根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。仿真前必需先进展数据手套的标定，统计操作者的手部信息，供给仿真时使用。2.图形仿真VisualC+OpenGL(Opengraphiclibrary)开发了517A/D块、标定模块、数据采集模块和图形显示模块等，供给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展操作，同时图形仿真可实时地跟踪、显示手指的简单运动。所以借助于数据手套，可增加与虚拟世界简单数据交互作用的真实感，使人机沟通更加自然、有效。试验数据的差称为漂移。平均漂移为某手指漂移值的均方差。表中Ⅰ-DIP表示Ⅰ指(拇指)DIP关节，而Ⅱ-MP-B指Ⅱ指(食指)MP，Ⅱ-MP-WMPDIPPIP3/5～2/3。BHG—Ⅱ的最大漂移为该关节运动范围的9.52%，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/D0.01V区分率为1.16°～0.22°，平均区分率为0.49°，漂移1.16°～12.00°，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。另外依据试验分析，引起上述漂移的主要以3〔三〕力反响装置的实现方案关于触觉和力反响设备的争辩还不多见，特别是国内，根本上还处于空白。随着人机交互接口智能化的进一步进展，特别是关于视觉、听觉的争辩已经取得肯定成果之后，为了更真实地表达虚拟环境，提高人在虚拟环境中的“沉醉感”，触觉就成为了一个重要的争辩工程。一般说来，只有增加力的反响，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响设备的产品，大多科研机构在进展虚拟现实触觉争辩时所需的设备大都从国外购置，使争辩工作受到限制。这类产品除了价格昂贵之外，猎取技术支持也很困难。另外国外产品只供给设备的接口，而对技术细节保密。我们的目标是在触觉模拟外部设备的争辩开发上作一些尝试，为以后进一步的争辩供给资料。设计的要求力反响设备的总体构造整个力反响设备的构造可以用图1表示。嵌入式把握器驱动机械设备，同时测量位置、力等参数。这些参数将上传到虚拟现实系统。虚拟现实系统依据参数计算出反响力，将反响力矢量下传至嵌入式系统，由嵌入式系统实现该矢量力。其中机械局部对整个设备的性能影响格外大，它确定了设备的可达空间，把握方法的效率、反响力的效果等。1虚拟现实力反响设备的构造框图由于人的触觉对动态物体的感觉比视觉灵敏，这要求设备要有比视觉高很多的侍服频率。要到达比较好的触觉模拟效果，并保持系统的鲁棒性，嵌入式系统最好有1k到5k的伺服频率p1。这要求第一级把握器对碰撞检测和反响力的计算要快速、和其次级把握器之间的通讯要有肯定的带宽。力反响设备的运作状况在模拟触觉的过程中，设备的运作可以分为以下两种状况：1〕用户在虚拟空间中任意移动，没有接触虚拟物体。在这种状况下，用户在设备所设定的自由移动空间内移动必需感觉自由，即设备不给用户施加额外的力，用户感觉不到设备的存在。这要求设备能抑制本身的重力、惯性、摩擦力等给用户运动带来的阻碍。可以依据人感觉的灵敏度来设计设备的各项指标。依据国外的一些相关争辩，设备工程设计要求如下：小回差〔back-drive)：电机在减速器上的输出回差最好小于0．5小摩擦力：最好小于0．1N小惯性：最好小于50未平衡的重力小；最好小于0．5N。这些要求都与设备的设计严密相关。用户和虚拟物体接触，虚拟现实系统通过计算，实现肯定的反响力。软物体的模拟涉及到物体的变形，这首先需要修改虚拟环境中虚拟物体数据库，再进展虚拟反响力的计算，同时也要同步显示虚拟物体的变形。软物体的模拟关系到虚拟物体的构造模型，无论是物体的显示还是反响力的计算都格外简单，它需要各种感觉模拟的协作。评价虚拟现实力反响设备的一个重要标准是硬的虚拟物体必需感觉到坚硬。实际上任何物体都不行能是硬度无穷大的，也没有一种构造和把握算法能够到达抱负的硬度。所以设备只能尽量提高虚拟物体所能到达的硬度。每个虚拟物体表现出来的硬度不但和机械构造本身、硬件传感器的区分率、执行器侍服频率等)有关，而且与把握方法很有关系。一般来说，要使用户感觉到一个硬的、不动的虚拟墙壁外表，设备必需能供给20牛／厘米的力。机械构造设计的要求首先，设备的机械构造关系到系统的质量大小和分布、重力、摩擦力和硬度等重要参数，这些参数都和前面所提到的系统性能有着重要的关系。因此机械构造要到达尽量大的硬度，减小设备的质量和摩擦力，并且重心尽量接近基座。其次，设备应尽量使摩擦力和惯性在各个方向上都几乎为常数，从而减小用户在不同方向上运动转换的不适应。另外，构造设计还与坐标的计算有关。好的机械设计使得电机的旋转角度和机械构造末端位置的转换矩阵简洁明白，简洁计算。设备设计的关键问题1．运动空间确实定运动空间是设备的最根本特性，设备的其他全部特性的设计都取决于肯定的运动空间p1。在确定设备的可达虚拟空间的时候，可以从人体的构造入手。用户的手在运动的时候，可以分为三个层次。第一个层次为手腕的运动；其次个层次为小臂和手腕的运动；第三个层次为整个手臂的运动。依据这三个层次，可以制订设备的运动空间。在小型的力反响设备中，设备供给能让用户手腕自由运动的虚拟空间。考虑手腕在不同方向上的可达范16cm*l2cm*12cm；在中型的力反响设备中，要使小臂自由运动而无阻碍，一般需要80cm*50cm*80cm的空间；一般来说，人的臂长为60—70cm。同理，设备要有半径70cm的半球自由运动空间。机械构造确实定机械构造确实定主要从重力方面考虑，即减小电机所需平衡的重力。这样在选择电机的时候，可以选用功率比较小的电机，从而减小设备的体积和价格。另外，重力的平衡还有利于减小摩擦力、惯性等。依据以上的要求，比较抱负的机械构造有两种：直角坐标式和水平多关节式。这两种形式的机械构造都不需要平衡水平方向上的机械部件的重力。这两种构造各有优缺点，他们的主要性能的比较如表1。这两种机械构造都可以应用在力反响设备中，可以依据实际状况选用其中一种。直角坐标式构造比较固定，而水平多关节式构造可以有多种选择。在设计中承受了如图2所示的一种水平多关节构造。设备的前两臂构成运动空间的水平平面〔X，Y轴〕，第三臂平行机构实现Z轴方向上的运动。在垂直方向的运动把握承受平行构造实现。2一种水平多关节式机械构造传感器的选用传感器是机械构造中的关键组成局部。在把握过程中需要测量位置和力两组参数，这两组参数的测量状况将直接关系到把握效果。实际上虚拟环境对这两个参数精度的要求并不高，选择传感器的时候主要考虑为把握器留出比较大的把握余量，这有利于提高系统的稳定性和改善把握效果。例如要求设备的位置精度为0．5mm，0．1mm。位置传感器的选择比较多，其中比较常用的是两种编码器：电磁编码器和光学编码器。而力传感器的选择和安装则比较困难，这是由于被测量的力比较小、设备的尺寸比较小而材料硬度比较高，这些都给力传搏器的设计带来困难。解决这个问题有两种方案。一种方案是在设备的末端添加一个三维的传感器。这种方法比较便利，但是价格高，而且需要电机平衡其重量，增加了电机的负担。另外一种方案是把传感器安装在机械设备上，例如把电阻应变片贴在机械设备上组成电压桥，通过测量电路读出应变量从而计算出力的大小。这种方案对原机械设备影响小，但是需要解决不同方向的力在应变片上的耦合问题。下面主要争辩其次种方案。3设备中的平衡机构水平平面的二维力的测量比较简洁。如图3的平衡机构，只需在设备的笔状末端的根部贴上两组力应变片桥就可以测量出水平力。而且只要电阻应变片贴得对称，根本上没有力的耦合。(1)在水平方向上，机械构造的应变率(1)由于受到电阻式应变片的灵敏度限制，一般来说要求被测杆件的应变率大于0．001。在图2这个设备中。通过调整杆件的宽度和长度，这是很简洁到达的。(2)(3)(2)(3)其中：l为泊松比，依据不同材料取不同的值，一般可取0．3估算，最终通过试验整定。在垂直方向上，杆件受到垂直方向拉伸的力，应变率(4)(4)(5)其中9为杆件末端受到的力；S由于杆件的硬度和水平力传感器的安装要求，垂直方向上的力传感应变率很小，不能直接贴片。可以把力应变片安装在平行机构上。这样力的测量与平行机构的角度，即杆件的垂直高度有关。在计算的过程中，把垂直方向的力分解为平行于平行机构和垂直于平行机构的两个力。由4(2)式直接计算。以图2为机械构造的设备能到达三个自由度的位置测量和力反响。假设在设备第三臂的末端添加姿势传感器，那么就能增加设备位置传感的自由度。实际上在原有设备的根底上，这是很简洁做到的。材料的选择设备的设计要求材料的硬度比较高，但又要求重量比较小。实际上在材料选择方面，这两项要求是冲突的，所以只能在这两项要求上折衷。结合以上的争辩，作者认为比较适宜的材料是铝合金。电机的安装位置在水平多关节式机械构造中，电机的安装有两种方案，一种是安装在轴上，直接驱动机械臂；另一种是把电机安装在基座上，通过肯定的传动装置驱动机械臂。电机安装在轴上有利于驱动，但臂的惯性增大；电机安装在基座上能减小惯性，但由于传动装置的损耗，驱动力矩减小，同时设备的响应速度也减小了。选用哪一种方案可依据设备所应用的环境要求打算。虚拟现实中的触觉模拟效果与设备的构造关系亲热。人的触觉对动态物体的感觉比视觉灵敏，这要求设备要有比视觉高得多的侍服频率。另外由于设备所模拟的反响力比较小，与机械构造本身的重力、摩擦力相比，差异不是很大，这对构造的设计提出更高的要求。特别是比较简洁的摩擦力和纹理的模拟，其效果与机械构造和把握算法的选择有很大的关系。在机械构造的选择上，垂直方向运动时所要平衡的机械构造本身的重力是不行避开的，所能做的就是尽量减小它。另外这个问题也会引起用户在水平方向运动和在垂直方向运动时感觉的不全都。这需要良好的把握算法去弥补。在完成小型力反响设备后，作者将连续争辩中型的力反响设备。随着虚拟空间的扩大，虚拟环境对设备的输出力矩和跟随速度也有了更高的要求，这是在下一步设计中所要解决的。六．虚拟现实工程筹划上述的虚拟现实产品实施方案，假设要直接投入开发研制，需要较大的人力和资金，运作起来有肯定的风险。为了尽快启动虚拟现实的远大打算，同时避开冒太大的风险，逐步开发国内的虚拟现实产品市场，我们设计了一系列较为可行的与虚拟现实技术相关的工程，以便由简到难地实施我们的方案，尽快实现盈利，以短养长。世界风景主题餐厅打算要点：世界风景主题餐厅是一种全的集餐饮、消遣、虚拟旅游于一体的现代主题餐厅。它运用了目前最的虚拟现实概念、宽带网技术和投影技术。可以做到让观众在品尝美味佳肴的同时，欣赏世界各国风光，体验异国风情，通过虚拟现实设备，与当地的人民沟通，仿佛置身于世界名胜美景之中。主要卖点：主题餐厅，体验经济的进展方向，集高科技与传统经济于一堂，集餐饮、消遣、休闲、虚拟旅游于一体。广告主题：“让人人都能周游世界”“到世界风光主题餐厅，享受环球美景”〔一〕工程背景随着全球性的产品过剩，世界经济正在从工业经济向效劳经济和体验经济过渡，休闲、旅游等体验经济正在从原来的附属产业向支柱产业转移。工作时间的缩短，使人们有更多的时机用于休闲和旅游。而“体验经济”在欧美兴旺国家已初现端倪，并越来越多地成为媒体和网络上的热门话题。“主题餐厅”正是近几年在美国消灭的型体验经济产业之一，短短几年时间，就已经进展成具有几十亿美元的大产业。进展之迅猛，令人嘡目。在国内，上海、北京等大城市从2022年开头消灭以“主题餐厅”为招牌的酒家，生意都格外火爆。不需要作广告就人满为患了。可见“主题餐厅”的市场前景，进展空间无法估量。广州，素来以美食著称。广州人对吃比较讲究，也经常在餐厅会客接友。近几年来，人们生活渐渐富有，周末和节假日一家几口一起上餐厅改善一下口味，是常有的事。现在吃饭不仅仅是生理的需要，也是一种休闲。“吃”正渐渐演化成一种文化消费。在保证“色、香、味”的根底上，人们越来越关注用餐环境的文化性与共性化。而“主题餐厅”则留意营造就餐的气氛，表现肯定的文化内涵。在一个具有异国风情的环境里，既有吃又能巡游他乡的风土、人情和文化，这无疑满足了人们“吃出文化、吃出共性、吃出品位”的需要。 “主题餐厅”的各种颖另类的“主题”，将成为最大的卖点。“世界风光主题餐厅”在享受美食的同时，还能体验到巡游世界各国的风光和美景。信任更是人们乐意承受的好事。〔二〕主题餐厅的特色及效劳功能顾名思义，“世界风光主题餐厅”是以世界各国的风景名胜为主题的餐厅。设有一个主大厅和多个以世界各国有名旅游胜地命名的高档主题包间。其大厅和每个包间内墙，都至少有2面墙是整体的银幕。用投影机打出风景片，客户进入包间内就有身临其境的感觉。每一个包件都可以设计一个独特的主题。世界名胜主题：吃出身临其境以世界各国的风景名胜和风土人情及原始森林动植物等为主题的专题投影是餐厅最大的卖点。从巴黎的塞纳河风光、秀丽的西班牙海滩、奇特的复活节岛到印尼早哇热带雨林、非洲的原始丛林，应有尽有。丛丛的灌木、奇花异草点缀在一派葱绿之中，还不时地看到大象、大猩猩、鹦鹉、树蛙等热带雨林动物，并听到它们发出声音。立体投影音像等科技效果，显得栩栩如生。这种超现实的感觉所带来的崭用餐体验，正是世界风光主题餐厅独到的“体验环球美景”的理念。品牌主题：让吃的记忆延长餐厅附带一个购物场，均是以“世界名胜”为主题和标志的时尚商品，如旅游纪念品、小食品、服装、文具、玩具等，而这些商品只有在世界风光餐厅的各连锁店才能买到。用餐后买一些纪念品，使一次消费赐予了难忘的记忆，餐厅的品牌得以延长。时尚主题：环保以情动人餐厅另外一大经营特色是尽力提倡环保。进入餐厅，中心一处遮天蔽日的茂盛森林里，野生动物的社会公益活动。创主题：挖掘各国美食组合不断挖掘创世界各国的“美食文化”是“世界风景”经营上的又一大特点。“亚玛逊火焰串烧”奇特的原始气息来自南美洲茂盛的原始森林，隐居在印第安人部落的主厨在当地土著的激情生活中觉察了原始，也颇具吸引力的烧烤隐秘，一个布满浓郁印第安土著风情的原始烤架，挂满鲜嫩欲滴的迷人美食，大串鸡翅、大串的大虾、牛肉、鲜鱼、牛蛙……并用世界万种风情和富有消遣刺激气氛的同时，也让人浮想联翩。遥控虚拟飞行旅游系统打算要点：自由飞行是每一个人的梦想，但现实中，真实的飞行，由于技术、本钱和危险性等因素，目前还不是平民群众能够承受的，而虚拟飞行旅游系统则消退了真实飞行的这些不利因素，能够让宽阔民众享受到