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虚拟现实系列项目可行性分析报告
虚拟现实系列项目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发展状况、应用前景和市场现状， 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， 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， 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 谁能抓住这个机会，将开辟一个崭新的产业和市场， 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。 领头企业。目录 1． 虚拟现实系统简介 2． 虚拟现实在国内外的发展概况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，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 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 International，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 一是虚拟战场环境 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 二是进行单兵模拟训练 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 三是实施诸军兵种联合演习 情况及其变化，“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 ．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，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、 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/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、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。 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 VR 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、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 从现实应用角度来分析， 现实（ ） 的生动性和交互性是文字信息所无法比拟的， 从现实应用角度来分析 虚拟现实 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。 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，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．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： （1） 用户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 技术包括 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（或 3D 目镜 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 ． 头盔显示器（ 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）。Virtual I-Glasses 可用于 PC、TV、Video 等连结使用，产生 3D 动画立体影视效果。 由美国 Virtual Realities, Inc.公司生产。 售价：750 美元VR4 HMD1.3& diagonal Active Matrix Liquid Crystal Displays Resolution per eye: 170,660 color elements (742 x 230) equivalent to 56,887 triads 。Adjustments: R, G, B gain, brightness and contrast (for RS-170A input); hue, contrast, and brightness (for S-VHS input)5DT HMDThe 5DT Head Mounted Display series offers the user affordable quality, high resolution, a crispimage and superior sound quality packaged in a sleek, comfortable and extremely light headmount design. (3D Version - Duel Input) - $4950.00Cy-Visoris an ultra-durable headset designed for most any application. It provides full color, SVGA resolution at 800x600 (1.4 million pixels) and offers quality viewing, delivering clear text and graphics. With D-Sub 15 pin, RCA and S-Video connections, it will run with any PC and Video Source for an immersive big-screen viewing experience. 售价：$1200.00 由美国 Virtual Research Systems, Inc.公司生产。 V8 sets a new standard in high performance, professional HMDs. New active matrix LCDs with true VGA ((640x3)x480) pixel resolution provide bright, vibrant color and a CRT quality image.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 ． 数据手套：软件，并可以产生触摸虚拟环境中物体的感觉和抓放动作。PowerGlove （能量手套） parallel port - keyboardinterface and software/manual. Build your own reality on your 386, 486, or Pentium-based computer and manipulate it. Includes 2Morrow World Builder, conversion utilities, sample worlds and source code. 售价：$150.005DT Glove（5 维数据手套） （ 维数据手套）The new 5DT Glove features advanced fiber-optic flex sensors to generate finger-bend data. Move easily through your virtual world by combining hand gestures with the pitch and roll of your hand. Breakthrough pricing, new features, open architecture and software support have made it the glove of choice. 售价：右手 $485.00；左手 $585.00 右手右手 ；左手-Cyber Glove用于虚拟现实、 远程机器人学、 作业训练、 CAD 、 语言识别署名、 电视游戏 、用图表示特性动画片制作、 音乐产生、 手-功能分析等。 Wired LCD shutter glasses, Power Glove, Microprocessor controlled serial port interface for Apple computers and 3D Software. 售价：$450.00Wired LCD shutter glasses, Power Glove, parallel port interface, parallel port Y-adapter, 2Morrow World Builder, conversion utilities, sample worlds, source code and games.售价：$395.003． 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 ． 触觉）反馈装置：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。FORCE FXThe FORCE FX is guaranteed to knock your socks off with six built-in effects you can experience through the stick in many variations of magnitude, direction,duration and repetitiveness. Each variation is determined through your favorite I-Force-supported game. 售价： 售价：$185.006-DOF Human Interface DeviceThe 6-DOF HID provides complete six degrees of freedom that let you move forward/backward, strafe left/right, jump/crouch, look up/down, watch left/right or tumble left/right at the same time. The 6-DOF HID offers 256 degrees of resolution in each degree of freedom and allows alternate speed/acceleration in each direction. 售价： 售价：$150.00Formula T2Experience the thrill of real racing action in 3D! The Formula T2 VR Racing System puts you in the driver's seat of a high-speed Indy car. With it's realistic feel and features, all you'll be missing is the smell of burning rubber and racing fuel. 售价：$285.00R&R Virtual Reality ChairThe R&R Virtual Reality Chair is powered by compressed air that is supplied by a small air compressor that is typically used for air brush paint guns. The R&R uses your monitor (Up to 35 lbs., or more if you counter balance the weight) and a PC compatible joystick. 售价：$1550.00 相互作用马甲（ 相互作用马甲（Interactor Vest）Not only does the Interactor add to the virtual ） reality of your PC games, you can also feel the action from your favorite TV shows, movies, CD, stereo, game console and more... the best way to get your kicks from your favorite toys. The interactor is designed to wear on the back, adjusts to fit all sizes, and is guaranteed not to hit below the belt or your money back.. Adapters are included for connection to various audio and video sources, including PC and Game Consoles. 售价：$85.00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。头部运 ． 头部运动跟踪器： 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） 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（LCD，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。Φ=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：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。 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。 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 近轴量 一般而言， 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?tanθ （7）h：像高；f：焦距；θ：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（LCD） ． 选择合适的液晶显示屏（ ） 可以采用 2 个 0.7△彩色液晶显示器，每个尺寸在 2.2~2.7 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 8．16 示意了把 2．2 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：64―2X20：24mm。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 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。 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；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．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，都希望能罩在眼睛 的前方和周围，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 8．21 所示。一个像图 8．22 所示的塑料框架被固定 到帽圈上，这个框状物由 1／4 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”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 8．24 所示的形状，并 且把它像图 8． 所示的那样固定到前一片上。 25 下一步是把帽圈的顶部固定到塑料框内侧顶部， 如图 8． 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 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 Power 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、 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(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免出现不切实际的动作。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 关节可能有弯曲、 外展或内收运动。 PIP 关节的弯曲约束， DIP 的运动都要引起 PIP 关节的运动。 ② 即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 的顺序，关节范围依次 有少量的增加。④MP 关节的内收、外展约束。即手指的内收和外展是以中指(Ⅲ)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：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，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：①各关节之间的运动是解耦的。②手指关节角度的变化与传感器输 出为线性关系。BHG―Ⅱ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 运动分析如下： a =L 1+h 1 b =L 2+h 2 由余弦定理2 2 2 2 2 2 2单自由度关节γ1=arcsin(h1/a) γ2=arcsin(h2/a) c =x 1+x 2-2x1x2cosα2 2式中α为电位计的测量角度，可求得关节转角β β=360°-θ-γ1-γ2 式中 β――关节转角 θ――计算用变量，随关节角变化 γ1，γ2――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 (1)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)进行仿真，可得到一近似线形的曲线。在采样频率较高时，?α 很小， 电位计转角 ?α 与关节转角 ?β 之间可视为线性关系， 与 ?α 的这种线性关系为检测带来了很大的好处： ?β 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。设当关节角度为β、电位计转角为α 时，若关节有微小转动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［7］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 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 2.图形仿真，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Ⅰ-DIP 表示Ⅰ指(拇指)DIP 关节，而Ⅱ-MP-B 指Ⅱ指(食指)MP 关节弯曲数据， Ⅱ-MP-W 指Ⅱ指 MP 关节内收及外展数据。 数据为实时采集到的电位计电 压信号。 可以发现 DIP 的运动范围约为 PIP 的 3/5～2/3。 BHG―Ⅱ的最大漂移为该关节运动范围的 9.52%， 发生在Ⅲ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 1.16°～0.22°，平均分辨率为 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． 力反馈设备的总体结构 整个力反馈设备的结构可以用图 1 表示。嵌入式控制器驱动机械设备，同时测量位置、力等参数。 这些参数将上传到虚拟现实系统。虚拟现实系统根据参数计算出反馈力，将反馈力矢量下传至嵌入式系 统，由嵌入式系统实现该矢量力。其中机械部分对整个设备的性能影响非常大，它确定了设备的可达空 间，控制方法的效率、反馈力的效果等。图1虚拟现实力反馈设备的结构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。要达到比 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 控制器对碰撞检测和反馈力的计算要迅速、和第二级控制器之间的通讯要有一定的带宽。 2． 力反馈设备的运作状况 在模拟触觉的过程中，设备的运作可以分为以下两种情况： 1）用户在虚拟空间中任意移动，没有接触虚拟物体。 在这种情况下，用户在设备所设定的自由移动空间内移动必须感觉自由，即设备不给用户施加额外 的力，用户感觉不到设备的存在。这要求设备能克服本身的重力、惯性、摩擦力等给用户运动带来的阻 碍。 可以根据人感觉的灵敏度来设计设备的各项指标。根据国外的一些相关研究，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 度； 小摩擦力：最好小于 0．1N 小惯性：最好小于 50 克；未平衡的重力小；最好小于 0．5N。 这些要求都与设备的设计紧密相关。 2）用户和虚拟物体接触，虚拟现实系统通过计算，实现一定的反馈力。 在触觉模拟的初始阶段，所模拟的虚拟物体都具有固定不变的形状，在物理性质上的描述就是硬度 无穷大。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，再进行虚拟反 馈力的计算，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 体的显示还是反馈力的计算都非常复杂，它需要各种感觉模拟的配合。 评价虚拟现实力反馈设备的一个重要标准是硬的虚拟物体必须感觉到坚硬。实际上任何物体都不可 能是硬度无穷大的，也没有一种结构和控制算法能够达到理想的硬度。所以设备只能尽量提高虚拟物体 所能达到的硬度。每个虚拟物体表现出来的硬度不但和机械结构本身、硬件传感器的分辨率、执行器侍 服频率等)有关， 而且与控制方法很有关系。 一般来说， 要使用户感觉到一个硬的、 不动的虚拟墙壁表面， 设备必须能提供 20 牛／厘米的力。 3． 机械结构设计的要求 首先，设备的机械结构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。因此机械结构要达到尽量大的硬度，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，结构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结构末端位置的转 换矩阵简单明了，容易计算。 设备设计的关键问题 1．运动空间的确定 运动空间是设备的最基本特性，设备的其他所有特性的设计都取决于一定的运动空间 p1。在确定设 备的可达虚拟空间的时候，可以从人体的结构入手。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；第二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。根据这三个层 次，可以制订设备的运动空间。 1)在小型的力反馈设备中，设备提供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 可达范围不一样，这个空间可以定为 16cm*l2cm*12cm； 2)在中型的力反馈设备中，要使小臂自由运动而无阻碍，一般需要 80cm*50cm*80cm 的空间； 3)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。 2．机械结构的确定 机械结构的确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。 根据以上的要求，比较理想的机械结构有两种：直角坐标式和水平多关节式。这两种形式的机械结 构都不需要平衡水平方向上的机械部件的重力。这两种结构各有优缺点，他们的主要性能的比较如表 1。这两种机械结构都可以应用在力反馈设备中，可以根据实际情况选用其中一种。直角坐标式结构比 较固定，而水平多关节式结构可以有多种选择。在设计中采用了如图 2 所示的一种水平多关节结构。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 的运动控制采用平行结构实现。图2一种水平多关节式机械结构3．传感器的选用 传感器是机械结构中的关键组成部分。在控制过程中需要测量位置和力两组参数，这两组参数的测 量情况将直接关系到控制效果。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 要考虑为控制器留出比较大的控制余量，这有利于提高系统的稳定性和改善控制效果。例如要求设备的 位置精度为 0．5mm，根据经验估算，设备的分辨率最好小于 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。这种方法比较方便， 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。下面主要讨论第二种 方案。图 3 设备中的平衡机构 水平平面的二维力的测量比较容易。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，基本上没有力的耦合。 在水平方向上，机械结构的应变率 (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，这是很容易达到的。 杆件的应变 (2)(3) 其中：l 为泊松比，根据不同材料取不同的值，一般可取 0．3 估算，最后通过实验整定。在垂直方向上，杆件受到垂直方向拉伸的力，应变率 (4) (5)其中 9 为杆件末端受到的力； S 为杆件的截面积。 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)式可知，平行于平行 机构的力所引起的机构形变非常小，相对于垂直于平行机构的力来说可以忽略不计，垂直力可以由(2) 式直接计算。 以图 2 为机械结构的设备能达到三个自由度的位置测量和力反馈。如果在设备第三臂的末端添加姿 态传感器，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基础上，这是很容易做到的。 4. 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 矛盾的，所以只能在这两项要求上折衷。结合以上的讨论，作者认为比较合适的材料是铝合金。 5. 电机的安装位置 在水平多关节式机械结构中，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，通过一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。选用哪一种方案可根据设备所应用的环境要求决定。 虚拟现实中的触觉模拟效果与设备的结构关系密切。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馈力比较小，与机械结构本身的重力、 摩擦力相比，差别不是很大，这对结构的设计提出更高的要求。特别是比较简单的摩擦力和纹理的模拟， 其效果与机械结构和控制算法的选择有很大的关系。 在机械结构的选择上，垂直方向运动时所要平衡的机械结构本身的重力是不可避免的，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一致。这需要 良好的控制算法去弥补。 在完成小型力反馈设备后，作者将继续研究中型的力反馈设备。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． 虚拟现实项目策划上述的虚拟现实产品实施方案，如果要直接投入开发研制，需要较大的人力和资金，运作起来有一 定的风险。为了尽快启动虚拟现实的远大计划，同时避免冒太大的风险，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项目，以便由简到难地实施我们的方案，尽 快实现盈利，以短养长。 1．世界风景主题餐厅 世界风景主题餐厅是一种全新的集餐饮、娱乐、虚拟旅游于一体的现代主题餐厅。 计划要点：世界风景主题餐厅是一种全新的集餐饮、娱乐、虚拟旅游于一体的现代主题餐厅。它 运用了目前最新的虚拟现实概念、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， 运用了目前最新的虚拟现实概念、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，与当地的人民交流 的人民交流， 欣赏世界各国风光 ，体验异国风情，通过虚拟现实设备，与当地的人民交流，仿佛置身于世界名胜美 景之中。 景之中。 主要卖点：主题餐厅，体验经济的发展方向，集高科技与传统经济于一堂，集餐饮、娱乐、休闲、 主要卖点：主题餐厅，体验经济的发展方向，集高科技与传统经济于一堂，集餐饮、娱乐、休闲、 虚拟旅游于一体。 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） 项目背景 随着全球性的产品过剩，世界经济正在从工业经济向服务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，使人们有更多的机会用于休闲和旅游。 而“体验经济”在欧美发达国家已初现端倪，并越来越多地成为媒体和网络上的热门话题。 “主题餐厅”正是近几年在美国出现的新型体验经济产业之一，短短几年时间，就已经发展成具有 几十亿美元的大产业。发展之迅猛，令人R目。在国内，上海、北京等大城市从 2000 年开始出现以“主 题餐厅”为招牌的酒家，生意都非常火爆。不需要作广告就人满为患了。可见“主题餐厅”的市场前景， 发展空间无法估量。 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，人们生活逐渐 富裕，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”正逐渐演变成一种文化消费。在保证“色、香、味”的基础上，人们越来越关注 用餐环境的文化性与个性化。而“主题餐厅”则注重营造就餐的氛围，表现一定的文化内涵。在一个具 有异国风情的环境里，既有吃又能游览他乡的风土、人情和文化，这无疑满足了人们“吃出文化、吃出 个性、吃出品位”的需要。 “主题餐厅”的各种新奇另类的“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，还能体验到游览世界各国的风光和美景。相信更是人们乐意接受的好事。 （二） 主题餐厅的特色及服务功能 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 著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。 1）世界名胜主题：吃出身临其境 ）世界名胜主题： 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、美丽的西班牙海滩、神秘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 新用餐体验，正是世界风光主题餐厅独到的“体验环球美景”的理念。 2）品牌主题：让吃的记忆延伸 ）品牌主题： 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 次消费赋予了难忘的记忆，餐厅的品牌得以延伸。 3）时尚主题：环保以情动人 ）时尚主题： 餐厅另外一大经营特色是竭力倡导环保。进入餐厅，中央一处遮天蔽日的茂密森林里，一株古老的 “翠丝”树更像一位慈善的老祖母，用中、英文向人们呼唤环保。保护环境、保护野生动物的社会公益 活动。 4）创新主题：挖掘各国美食组合 ）创新主题： 不断挖掘创新世界各国的“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” 神秘的原始气息来自南美洲茂密的原始森林，隐居在印第安人部落的主厨在当地土著的激情生活中发现 了原始，也颇具吸引力的烧烤秘密，一个充满浓郁印第安土著风情的原始烤架，挂满鲜嫩欲滴的诱人美 食，大串鸡翅、大串的大虾、牛肉、鲜鱼、牛蛙……并用专制绚丽的火焰进行现场烧烤，只要几十元/ 人，还有无限量蔬菜沙拉、例汤和面包。在感叹世界万种风情和富有娱乐刺激氛围的同时，也让人浮想 联翩。 2．遥控虚拟飞行旅游系统计划要点：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、 计划要点：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、成本和危险性等因 目前还不是平民大众能够接受的，而虚拟飞行旅游系统则消除了真实飞行的这些不利因素， 素 ， 目前还不是平民大众能够接受的，而虚拟飞行旅游系统则消除了真实飞行的这些不利因素，能够 让广大民众享受到自己驾驶飞行器在蓝天白云中自由翱翔的乐趣。 让广大民众享受到自己驾驶飞行器在蓝天白云中自由翱翔的乐趣。 主要买点：体验亲自驾驶飞行的自由感觉，在海天之间翱翔、在白云之中慢步、与山鹰为伍、 主要买点 ： 体验亲自驾驶飞行的自由感觉，在海天之间翱翔、在白云之中慢步、与山鹰为伍、与大雁 结队。实现童年的梦想。 结队。实现童年的梦想。广告主题：“自由飞行的体验您有吗？（一）项目背景 美国《时代》杂志称，2015 年前后发达国家将进入休闲娱乐时代，“休闲娱乐在美国国民生产总值 中将占有一半份额”，《时代》称，新技术的发展趋势将使数字娱乐超越传统娱乐方式。以电影业闻名 全球的美国娱乐界中，第一大行业其实是数字娱乐业，2000 年全球数字娱乐产业已经超过了电影，电子 电脑游戏将是 21 世纪最重要的娱乐产业组成。 最新发生的事实只能说明一件事，数字娱乐时代的大门正在打开。在我们身边，日本经济的五分之 一已经由数字娱乐产业创造，韩国数字娱乐业增长率高达 40％，成为最具赢利前景的一个产业。 为什么我们要关注数字娱乐业？因为它可能是一种全新的经济形态。过去我们讲工业经济、服务经 济，但在描述数字娱乐时美国学者提出“数字娱乐产业推动着体验经济时代的到来”。所谓体验经济， 就是企业以服务为舞台、商品为道具、围绕消费者创造出值得其回忆的活动。最简单的例子是主题购物 中心、主题餐厅等。传统经济中这些只是配角，而在数字娱乐产业中，互动游戏、动态模拟、虚拟现实 等科技体验主宰了产业的命脉。 为什么玩虚拟现实？它能带给我们什么？究其原因，一位玩家说的话颇具代表性：“虚拟现实的主 要目的是想体验现实中存在的事而自己又不可能做到的事，它能带给我与现实最为接近的真实感受。” 模拟游戏的发展很快，模拟的各种事物也日益增多。从其发展的历史来看，其拟真度正在发生着质的飞 跃，这从微软各个时期的飞行模拟游戏便能看出，而这只是较有代表性的模拟游戏中的一种。游戏拟真 度的提高从某方面来讲是出于人们的心理需要，人的一生中能够接触到的事情、学到的技能毕竟还在少 数，而人们往往有对于未知世界探知的欲望和好奇心。模拟游戏正好弥补了人们心中这种空白，满足了 人们的好奇心和虚荣心。而游戏拟真度越高，人们对真实事物的感知就越深刻、心理上的满足感就越强， 从这方面来讲，拟真游戏可以让你体验不同的人生经历和了解到自己想学而难以学到的技术、经验。 自由飞行是人类永恒的梦想，虚拟现实技术要取得市场的突破口，从虚拟飞行入手是最为合适的。 因为它只要把头盔显示器、力反馈装置与传统的遥控飞行器组合起来就可以了。从技术上讲，难度不太 大，比较容易实现；另一方面，又是最具有吸引力、爆炸力的新闻买点，市场推广比较容易。明年年底 （2003 年 12 月）就是莱特兄弟发明飞机的百年诞辰。这是一个具有历史意义的时机，届时美国、澳大 利亚、欧洲等国都将举行盛大的纪念活动。可以借助这一有力时机在国内举行一些活动，广泛宣传自由 飞行的意义和价值，把我们的产品推向市场。 （二）遥控虚拟飞行系统的组成 本系统由以下部件组成： 1） 遥控直升飞行器； 2） 方位自动控制（遥控）摄像系统； 3） 无线通信系统； 4） 头盔显示器； ） 5）统软件等。 遥控直升飞行器，可以用传统的直升机改装，但传统的直升机成本较高，而且操作技术较为复杂。 因此，我 们设计了一种较简单的、 低成本的而且容易操作的共轴双旋翼直升机。 直升机成本可控制在 1500 元人民 币左右。 在遥控直升机上加挂的视频传输设备， 一个传输距离在 1000 米左右的发射机。 这一套设备发射部分大约430 克， 包括 12V 供电 100mW 的 1.2GHz 发射机， 供电的 CCD 彩色针孔摄像头， 节 AAA 规格的 700mAh 5V 10 镍氢电池组，电源开关和充电口，大约在 300 克多一点。 至于接收部分就没什么麻烦了，接收机 12V 供电，有视频和音频输出，将接收机摆放在车顶上，接上 12V 电源和一部 DV 摄像机。 Futaba 四通道遥控器 搭载重量：约 830g 摄像设备：彩色针孔摄像机 传输设备:未知厂牌 1.2GHz 发射机\接收机 发射功率:500mW 电源:700mAh 镍氢 AAA 充电电池 20 节(共发射机) 12V1.3Ah 电池(共接收机) 图像记录设备:DV 摄像机，复合视频信号输入 工作时间：约 30 分钟 有效传输距离：&1000m 如果需要获得较好的视频效果，建议选配当此稍高一些的摄像头，以及 700mW 的发射机，不过工 作电流会更大，需要更大的电池组，可能需要重新考虑整体重量问题。配上一副头盔显示器（或三 D 目 镜），就能感受驾机飞行的乐趣了！ 下图是 Saitek 公司推出的最新的顶级飞行模拟游戏控制器 X45，定价为$79.95。可以将它与遥控器 相连，并将控制器的输出信号转换成比例遥控信号，就可以用来遥控飞机模拟飞行。控制器可以固定在汽车上，由控制器遥控直升机跟随着汽车前后 1000 米的距离飞行。 3．虚拟现实健身器材 ． 虚拟现实娱乐健身器是将虚拟现实设备与现有的健身器材相结合的新型娱乐健身设备，它可以将健 身与娱乐、旅游、竞技等活动结合起来，使过去枯燥的家庭个人健身运动变得新奇、有趣。比如，将自 行车健身器与自行车虚拟旅游结合起来，健身运动者带上头盔显示器，进入虚拟的旅游风景区，一边踩 动自行车踏板，一边欣赏沿途的风光。又如，将虚拟拳击运动与拳击训练结合起来，可以将训练用的“沙 袋”、“木桩”、“靶人”等做成虚拟环境中的对手，与运动者对打。等等，可以设计一系列的虚拟现 实健身器材和家庭娱乐设备。这是下一步开发的项目，在此暂不作详细讨论。七．投资分析（一）主题餐厅项目 主题餐厅项目 1． 资金需求 主要用于： 1） 餐厅租金：400~500 平方米面积，38.4~48 万元/年； 2） 餐厅装修：300 元/平方米 X400 平方米，共 12 万元； 3） 投影器材设备：3 万元 X12 套，共 36 万元； 4） 家具、餐具、厨房设备费：共 10 万元；5） 水电（空调）费：约 3 万元/月 6） 人员工资： 管理人员 5 人，平均 2500 元/月，共 12500 元/月； 普通员工 20 人，平均 1000 元/月，共 20000 元/月； 厨师 5 人，平均 3000 元/月，共 15000 元/月。 合计 30 人，共 47500 元/月 7） 流动资金：10 万元。 8） 广告宣传费：5 万元。 总共需投资 138.8 万元人民币。 2． 营业收入 以每天客流量 600 人计，平均每人消费 60 元，则每天营业额为 36000 元， 每月营业额为 30X 万元。 年营业额为 108X12=1296 万元人民币。 以 30%的利润率计算，每年就有 388 万元人民币的利润。一年内收回全部投资。（二）遥控虚拟飞行旅游系统 遥控虚拟飞行旅游系统 1． 资金需求 遥控直升机的设计制作费用：50000 元； 头盔显示器的设计制作费用：30000 元； 五通道比例力反馈遥控装置设计制作费用：30000 元； 摄像系统及无线传输系统购置：5000 元。 系统软件开发：40000 元； 开发费用合计：20 万元人民币。 开发研制成功后，可发外加工生产，我们公司只作组装调试和包装的工序。 批量生产每套系统成本约： 元人民币/套。 售价： 元/套。 以年产 10000 套计，需流动资金约 500 万元； 组装调试车间 200 平方米月租 2000 元； 办公室租金：100 平方米月租 7000 元； 办公设备、电脑、家私、测试仪器及工具：30 万元； 人员工资： 工程师 5-10 人，平均 4500 元/月人，共 45000 元/月； 技术工人 20 人：平均 2500 元/月人，共 50000 元/月； 业务人员 10 人：平均 1500 元/月人，共 15000 元/月； 管理人员 3 人：平均 5000 元/月人，共 15000 元/月； 合计：12.5 万元/月，12X12.5=150 万元/年。 广告宣传费：20 万元/年。 其他开支：10 万元。 每套成本：00+0 元/套 。 每套利润：90 元。 年产值 7500 万元。 年利润 =2190 万元。
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