【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 ides plete 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 6DOF HID offers 256 degrees of resolution in each degree of freedom and allows alternate speed/acceleration in each direction.售價(jià)：$Formula T2Experience the thrill of real racing action in 3D! The Formula T2 VR Racing System puts you in the driver39。s seat of a highspeed Indy car. With it39。s realistic feel and features, all you39。ll be missing is the smell of burning rubber and racing fuel. 售價(jià)：$Ramp。R Virtual Reality ChairThe Ramp。R Virtual Reality Chair is powered by pressed air that is supplied by a small air pressor that is typically used for air brush paint guns. 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Adapters are included for connection to various audio and video sources, including PC and Game Consoles. 售價(jià)：$4． 頭部運(yùn)動(dòng)跟蹤器：人體重要的感覺之一是方位感，即獲知自己到底是在空間中的什么位置。頭部運(yùn)動(dòng)跟蹤器就是解決這個(gè)問題的裝置，有了這種裝置，你的環(huán)境就會(huì)根據(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)跟蹤器基本上可分為四大類：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IGlasses（價(jià)格：2000 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 VRML、Cult3D、Viewpoint、WorldToolKit和World Up等。在此不作詳細(xì)討論。 下面，我們主要介紹頭盔顯示器、數(shù)據(jù)手套和力反饋裝置的實(shí)現(xiàn)方案。（一）娛樂型頭盔顯示器實(shí)現(xiàn)方案對(duì)娛樂型頭盔顯示器的主要功能要求：（1） 較高的逼真度（沉浸感）；（2） 三維成像；（3） 價(jià)格較低。頭盔顯示器與目前流行的游戲機(jī)在視景方面最大的不同是：后者多為卡通式動(dòng)畫，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。這將增加一定的技術(shù)難度。如果考慮在視景中再出現(xiàn)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)發(fā)展的方向。頭盔顯示器（HMD）的原理是將小型2維顯示器所產(chǎn)生的影像借助光學(xué)系統(tǒng)放大。具體而言，小型顯示器所發(fā)射的光線經(jīng)過凸透鏡使影像因折射產(chǎn)生類似遠(yuǎn)方效果。利用此效果將近處物體放大至遠(yuǎn)處觀賞而達(dá)到所謂的全像視覺。小型液晶顯示器（LCD，Liquid Crystal Display）的影像通過一個(gè)偏心自由曲面透鏡，使影像變成類似大銀幕畫面。由于偏心自由曲面透鏡為一傾斜狀凹面透鏡，因此在光學(xué)上它已不單是透鏡功能，基本上已成為自由面棱鏡。當(dāng)LCD產(chǎn)生的影像穿透A面進(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)光線再次被放大反射至C面 ，并在C面補(bǔ)正光線傾斜，達(dá)到觀視者眼睛。偏心自由曲面棱鏡自由曲面透鏡應(yīng)用于HMD由以下幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)：；；。棱鏡 光學(xué)面的折射力是由面曲率決定 ，曲率愈大（曲率半徑愈小）該面的折射力則愈強(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=（n1）/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。要注意的是，該光學(xué)面的光軸必須是直線狀。由于此類光學(xué)是由反射面所構(gòu)成，因此即使很小的面曲率亦可獲得同等折射力。Φ=2/R （2）。表面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。若是由背面鏡構(gòu)成反射面則變成：Φ=2n/R （3）。（1）比較，1/6的曲率即可獲得同等折射力。偏心 回轉(zhuǎn)對(duì)稱光軸光學(xué)中若發(fā)生偏心便會(huì)產(chǎn)生單邊光暈，不論如何調(diào)整Lens光軸都無法得到有效改善，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采用的技巧，主要原因是一旦發(fā)生偏心，相對(duì)的偏心收差會(huì)變大，如此一來會(huì)產(chǎn)生更為頭疼的問題。如上所述結(jié)偏心方式乃是取出光線最佳手段，但是偏心卻有造成收差變大的副作用。正確方法應(yīng)該是先決定評(píng)估面 ，并令該面的中心上各面的軸上主光線形成曲折交叉狀，如此才能作收差評(píng)估。偏心的優(yōu)點(diǎn) 偏心最大優(yōu)點(diǎn)是可使光學(xué)結(jié)構(gòu)變的非常簡(jiǎn)潔、小型。傳統(tǒng)光學(xué)若要進(jìn)行微型化，除了縮短系統(tǒng)長(zhǎng)度或口徑外沒有其它方法。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，若改為偏心光學(xué)便可大幅壓縮體積。由于軸上光的長(zhǎng)度與光學(xué)系統(tǒng)大小不再互動(dòng) ，因此理論上可輕易達(dá)成微型化。例如設(shè)計(jì)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)度縮小之外沒有其它方法可使光學(xué)系統(tǒng)微型化。不過若是偏心光學(xué)便可將光路折疊，相當(dāng)于3片透鏡的各面皆可作相當(dāng)程度的分離設(shè)計(jì)且各面互不干涉，同時(shí)更可因這種結(jié)構(gòu)大幅削弱各面的折射力。偏心棱鏡乃是刻意使光學(xué)面偏離光軸（簡(jiǎn)稱離軸），傾斜結(jié)構(gòu)可使光路在無任何衰減情況下折疊，此外各面相互保持一定間隔，因此各光學(xué)面的折射力可大幅降低。自由曲面 棱鏡所構(gòu)成的內(nèi)面鏡光學(xué)可取出偏心時(shí)的光路，形成低收差之光學(xué)系統(tǒng)。不過若是偏心過大造成大偏心收差時(shí)，便無法構(gòu)成回轉(zhuǎn)對(duì)稱面之偏心光學(xué)，此時(shí)需設(shè)法改變面的形狀作成所謂的自由曲面，藉由自由曲面補(bǔ)正偏心收差。自由曲面之設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)上若能把握以下幾項(xiàng)原則，基本上它與傳統(tǒng)的回轉(zhuǎn)對(duì)稱光學(xué)完全相同。面對(duì)稱 若只考慮YZ面內(nèi)的偏心則Y軸的正負(fù)方向?yàn)榇笃?。有關(guān)XZ軸的正負(fù)方向則為同樣形狀。換言之YZ面必需是對(duì)稱面的面對(duì)稱。該對(duì)稱面若是YZ平面，則X軸方向便不需非對(duì)稱，因此自由曲面系數(shù)的X不用奇數(shù)次項(xiàng)。近軸量 一般而言，由物體中心射出并通過中心與像面交叉之光線會(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)上方便統(tǒng)稱此光線為軸上主光線。有關(guān)各面的定義座標(biāo)與軸上主光線的關(guān)系，由于軸上主光線并不限定非要通過各面定義座標(biāo)的中心不可，因此即使求出定義座標(biāo)原點(diǎn)附近的曲率 ，依此定義座標(biāo)所求得之近軸量實(shí)際上毫無意義。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。主要原因是設(shè)計(jì)前必需先獲得入射瞳徑或物體側(cè)之NA等基礎(chǔ)資料。同樣道理若無法求出焦距便無法計(jì)算像高，如果焦距無法成為直接補(bǔ)正對(duì)象就必需以像高作為補(bǔ)正對(duì)象進(jìn)行收差補(bǔ)正。收差補(bǔ)正 如上所述由于無法求得近軸量，因此依式以像高作為補(bǔ)正對(duì)象再配合焦距計(jì)算。h=f?tanθ （7）h：像高；f：焦距；θ：畫角；由于X、Y方向各具自由度，因此需以各別像高作為補(bǔ)正對(duì)象。這有點(diǎn)類似X、Y方向兩狀態(tài)之設(shè)計(jì)。此外Y軸亦具正負(fù)自由度，Y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：1． 選擇合適的液晶顯示屏（LCD）△彩色液晶顯示器，~，分辨率在18萬像素以上?？煽紤]用Casio 470型彩色液晶電視機(jī)，拆去電視機(jī)的其它部分，只保留液晶平和驅(qū)動(dòng)電路板即可（入下圖所示）。2．選擇合適的光學(xué)系統(tǒng)在確定液晶顯示器之后，就該開始光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)了。圖8．16示意了把2．2英寸LCD放置在眼睛前方合適位置的準(zhǔn)確尺寸。液晶屏應(yīng)該位于眼睛的正前方，兩屏之間保留2毫米的間隔。為了確定液晶屏的位置，水平地測(cè)量屏邊緣到中心的距離，如果這個(gè)距離大于16毫米，那么把顯示屏放置在眼睛正前方是不可行的。采用64毫米的標(biāo)準(zhǔn)瞳距以便大多數(shù)人都可以試用我們?cè)O(shè)計(jì)的頭盔顯示器。因?yàn)轱@示屏比可用空間要大一些；所以就必須解決散視問題。如果上述測(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20毫米，正確的間隙為：64—2X20：24mm。散視 如果顯示屏的上述測(cè)量距離小于16毫米，您可以跳過這一節(jié)內(nèi)容。然而，如果大于16毫米，它們的放置方式就必須使我們易于把視線折向顯示屏的中心。這聽起來似乎很容易，但要迫使人眼視線偏折并不是一件日常小事。我們準(zhǔn)備甩棱鏡來使從液晶顯示展出射—的光線偏折，從而使光線能以合適的角度人射到眼睛中?，F(xiàn)在不能簡(jiǎn)單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測(cè)量這個(gè)角度。圖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。如果用量角器來測(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合適的棱鏡，它的角度盡可能接近上述測(cè)量角，而且必須正好等于或是大于測(cè)量角。如果不得不買一塊角度比測(cè)得角要大的棱鏡，就必須把兩塊顯示屏拉開一點(diǎn)來補(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，眼睛的視場(chǎng)形狀很像一個(gè)圓錐面。的地方；2．，依次類推。然而，液晶屏的實(shí)際位置會(huì)根據(jù)放大鏡系統(tǒng)要求的調(diào)焦距離不同而改變。放大鏡片距離眼睛應(yīng)該保留1英寸的空間，這僅是留給戴眼鏡的使用者留出的空間。在前面已經(jīng)討論過，鏡片的口徑必須大約為2英寸。美國(guó)有關(guān)專家的研究指出，一個(gè)平凸透鏡系統(tǒng)能提供以下三個(gè)不同的放大倍率：45mm口徑X78mm焦距可產(chǎn)生60~視場(chǎng)57mm口徑X110mm焦距可產(chǎn)生35~視場(chǎng)40mm口徑X92mm焦距可產(chǎn)生45~視場(chǎng)很顯然，這些數(shù)據(jù)隨著使用的顯示屏不同而改變。透鏡系統(tǒng)的價(jià)格并不便宜，每塊平均8美元，我們需要兩套系統(tǒng)。而且還必須買幾套光學(xué)系統(tǒng)來做實(shí)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)討論如何減小這種影響，但我們也必須像所有頭盔顯示器的制造商們那樣做一些必要的妥協(xié)：要想獲得大的視場(chǎng)角和浸沒感，就必須犧牲一部分清晰度。視場(chǎng)越小，獲得的浸沒感就越差。所以如何解決這個(gè)問題的確取決于個(gè)人選擇。 光學(xué)系統(tǒng)定位放大鏡片應(yīng)該位于棱鏡和液晶顯示屏之間，這就需要有一個(gè)支撐物來固定顯示屏和透鏡系統(tǒng)?？蛇x用高檔工程塑料或鋁合金做框架（因?yàn)橛行┎考秒姡圆捎媒饘倏驎r(shí)一定要當(dāng)心）。如果使用工程塑料做框架，可以用膠來固定所有的元件。膠很容易變干，所以能很快裝配好整個(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)問題有待解決外，光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)已基本就緒。其一就是散射器。如果買到的透鏡系統(tǒng)有較大的視場(chǎng)，就很可能看得見LCD的單個(gè)象元，但用散射元件使象元模糊就能解決這一難題?？梢杂胠蠟紙做散射器，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)，找到一種最滿意的線數(shù)。會(huì)聚調(diào)節(jié)最后需要解決的是會(huì)聚問題。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。判斷方法是，給每一個(gè)顯示屏輸入相同的信號(hào)，在通過頭盔顯示器觀察圖象，如果看到的是單幅圖象，則該顯示器是會(huì)聚的；如果看到并排兩幅圖象，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題。因此可以做一個(gè)調(diào)節(jié)旋鈕。3．制作頭盔顯示器的外殼 現(xiàn)在該開始有創(chuàng)造性的實(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?您必須考慮的主要問題是抵消顯示器重量的配重。通常配重的最佳位置是外殼后部證對(duì)顯示器的地方?；陬^盔的外殼是最容易制作的方法之一。在體育用品商店里買一個(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，都希望能罩在眼睛的前方和周圍，使光線不會(huì)照在顯示器上。