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1、先进设计系统 先进设计系统 机械系统设计 l第 8 章 生产线 l第 9 章 概念设计 l第 10章 总体设计 l第 11章 详细设计 l第 12章 设计评价 l第 13章 创新设计 l第 14章 虚拟设计 l第 15章 智能设计 Date 1 14章 虚拟设计 先进设计系统 第 14章 虚拟设计 14.1 虚拟现实 14.2 虚拟设计的概念与技术体系 14.3 虚拟设计系统的功能与结构 14.4 虚拟设计系统的硬件配置 14.5 虚拟设计的应用 Date 2 14章 虚拟设计 先进设计系统 14.1 虚拟现实 l14.1.1 虚拟现实的发展与组成 l14.1.2 虚拟现实的功能与特征 l14
2、.1.3 虚拟环境 l14.1.4 虚拟现实系统的类型与结构 Date 3 14章 虚拟设计 先进设计系统 14.1.1 虚拟现实的发展与组成 l产品开发流程已从断续 的计算机辅助向计算机支 持产品开发的全过程转变 。这种过程的结合性在数 字化的过程描述中得到了 表达。由于对集成的要求 ，几何的二维处理已逐渐 转变为三维处理。几何模 型转变为虚拟的产品模型 ，借助虚拟的产品模型， 产品开发过程的所有任务 都可以得到支持。 图14-1 基于头盔式显示器的系统 Date 4 14章 虚拟设计 先进设计系统 14.1.1 虚拟现实的发展与组成 l“虚拟”有三层含义： 它意味着完全数字化的方法； 它是
3、在虚拟企业的意义上通过网络分布式的工作方 式来达到； 它使用虚拟现实（Virtual Reality，VR）技术。 l专家预言：未来所有复杂产品都可用虚拟方式产生 l有人称21世纪为“VR时代”。 Date 5 14章 虚拟设计 先进设计系统 14.1.1 虚拟现实的发展与组成 l虚拟现实(Virtual Reality，VR) l是计算机交互界面上的一种技术， 在交互界面上用户所看到的世界是真实的， 动作起来是真实的， 声音听起来是真实的， 感觉起来是真实的。 l用户进入这个界面后，是界面上所显示的世界中 的一个参与者而不是一个被动的观察者。 lVR利用一种特殊环境，使用户可以陶醉在工作 之
4、中，体验比现实世界更加丰富的感受。 Date 6 14章 虚拟设计 先进设计系统 14.1.1 虚拟现实的发展与组成 l虚拟现实 鼻祖是20世纪30年代的飞行模拟器。 60年代出现了电影摄影师的街道摩托车模拟器。 70年代开发了一种允许人们通过电视屏幕操作一个弹跳 的乒乓球的电子游戏。 1963年Ivan Swthland提出“虚拟现实”这个概念。 l1985年用头盔显示器(Head Mounted Display，HMD)来显 示计算机图形。第一台基于LCD的封闭头盔显示器，使用 了独特的棱镜系统，提供较宽的立体视角。它的分辨率很 低，且显示器是单色的。目前已有20多家厂商提供的40多 种H
5、MD产品。 l虚拟现实引用了CAD中的图形学，独立发展为一种新领域 Date 7 14章 虚拟设计 先进设计系统 14.1.1 虚拟现实的发展与组成 l虚拟现实VR的组成 图14-2 lVR系统为用户提供视觉、听觉、 触觉、嗅觉甚至味觉的多感知。 lVR技术的相关技术包括 计算机图形学 图像处理与模式识别 智能接口技术 人工智能技术 多传感器技术 多媒体技术（语音处理与音响技术） 计算机仿真技术 网络技术 并行处理技术 高性能计算机系统 图14-2虚拟现实的组成 1交互作用 Interaction 2视觉 Visual Perception 3听觉 Acoustic Perception 4触
6、觉 Tactile Perception 5嗅觉 Olfactory PerceptionDate 8 14章 虚拟设计 先进设计系统 14.1.2 虚拟现实的功能与特征 (1) 虚拟现实的功能 1)给用户制造一个三维现实世界的感觉。 2)使用户能够与界面中的环境交互，并能在其中动作，使用户 能直接和界面上的图形实时地交互。用户作为界面中的主人 在虚拟世界中遨游。 3)用户能从任意的观察点来观察他所想看到的物体，改变物体 的位置和方向，控制物体的行为和外形，对界面中的物体进 行评价而不需要预先编程。 l虚拟现实是要达到增强现实的目的，即用虚拟物体来丰富、 增强真实的环境，而不是用它来代替真实的
7、环境。 Date 9 14章 虚拟设计 先进设计系统 14.1.2 虚拟现实的功能与特征 （2）虚拟现实的3个基本特征 lImmersion 沉浸： 在虚拟环境中，操作者应能 很好地感觉各种不同的刺激 lInteraction 交互： 操作者能对虚拟环境中的对 象进行操作，并能感觉操作 的结果 lImagination 想象： 操作者能感到虚拟环境中的 对象是 自主的、可操作的， 对象的行为符合物理规律 图14-3 虚拟现实的3个I Date 10 14章 虚拟设计 先进设计系统 14.1.3 虚拟环境 l虚拟环境Virtual Environment 是体现了虚拟现实所具备 的功能的一种计算
8、机环境 l图14-4中采用的设备： l显示器：头盔或立体眼 镜和屏幕，显示出虚拟环 境的影像； l 6自由度跟踪器，包括 信息手套，信息接收器， 声音识别装置等。 l软件有：图形处理器， 声音处理器等。 图14-4 虚拟环境的组成 Date 11 14章 虚拟设计 先进设计系统 14.1.3 虚拟环境 l虚拟环境必备的三个条件： 1)和用户交互。用户可以用各种方法和虚拟环境交互，如手的姿 势、头部的动作或身体其他部位的动作，通过传感器、跟踪器 及接收器和虚拟环境中的显示装置交互。可以用声音交互，也 可以触摸交互。 2)实时反映所交互的影像。显帧率(Frame rate)最好是25帧/s，最 少
9、是10帧/s。每帧安排1 3005 000个多面体。 3)用户有自主性。用户作为环境中的一分子，有感觉地参与到虚 拟环境中去，要达到这个目的，首先要具备1)、2)两个条件。 用户的感受是沉浸在虚拟环境之中。 l在虚拟环境中，可以使用户形成一种直觉的感受。例如，用户 可以在汽车中来分析和考察驾驶室内各种配置及其功能。 可以在一个车间内来回走动，考查仿真加工的效果。 Date 12 14章 虚拟设计 先进设计系统 14.1.4 虚拟现实系统的类型与结构 l根据用户参与的形式及沉浸的程度不同，VRS可划分为4类。 1）分布式虚拟现实系统。它是可供多用户同时异地参与的、基 于网络的、分布式虚拟环境。
10、2）增强现实性的虚拟现实系统。它不仅利用VR技术来模拟现 实世界，而且利用它增强现实中无法或不方便感知的感受。 典型的实例是战斗机飞行员的平视显示器。 3）沉浸的虚拟现实系统。提供完全沉浸的功能，使用户有一种 置身于虚拟境界之中的感觉。 4）桌面虚拟现实系统。它利用个人计算机和低档工作站进行仿 真，将计算机的屏幕作为用户观察虚拟境界的一个窗口，通 过各种输入设备实现与虚拟现实世界的充分交互。 Date 13 14章 虚拟设计 先进设计系统 14.1.4 虚拟现实系统的类型与结构 l目前，分布式虚拟现实系统的研究基于两类网络平台。 在Internet上，这可追溯到早期基于文本的多参与者游戏 MU
11、D，还有基于虚拟现实建模语言(VRML)标准的远程虚拟 购物等。VRML是一种可以发布3D网页的跨平台语言，可提 供种更自然的体验方式，包括交互性、动态效果、延续性 ，以及用户参与探索。 在高速专用网上，如采用异步传输模式(ATM)技术的美国军 方的国防仿真互联网。最早的是1983年美国陆军制定的虚拟 环境研究计划，进行各种复杂任务的作战演练。从1994年开 始，美国陆车与美国大西洋司令部联合开展了战争综合演练 场的研究，建成了个包括海陆空多兵种、有3 700多个仿真 实体参与的地域范围覆盖500km750km的军事演练环境。 Date 14 14章 虚拟设计 先进设计系统 14.1.4 虚拟
12、现实系统的类型与结构 l常见的沉浸式系统有3种： l基于头盔式显示器的系统。 在这种系统中，参与虚拟体验 者要戴上一个头盔式显示器， 视觉、听觉与外界限绝，根据 应用的不同，系统将提供能随 头部转动而随之产生的具有立 体视觉的三维空间。通过语音 识别、数据手套、数据服装等 先进的接口设备，使参与者以 自然的方式与虚拟世界进行交 互，如同现实世界一样。 图14-1 基于头盔式显示器的系统 Date 15 14章 虚拟设计 先进设计系统 14.1.4 虚拟现实系统的类型与结构 l常见的沉浸式系统有3种 l投影式虚拟现实系统 图，摄像机，计算机， 视频投影仪，屏幕 l它可以让参与者从一个 屏幕上看到
13、他本身在虚 拟境界中的形象。 l参与者还可以与虚拟空 间进行实时交互，计算 机可识别参与者的动作 ，并根据用户的动作改 变虚拟空间。 l如，来回拍一个虚拟的球或走动等，这可 使得参与者感觉就像是在真实空间一样。 图14-5 投影式虚拟现实系统 Date 16 14章 虚拟设计 先进设计系统 14.1.4 虚拟现实系统的类型与结构 l常见的沉浸式系统有3种： l远程存在系统。远程存在系统是一种虚拟现实与 机器人控制技术相结合的系统。当某处的参与者操 纵一个虚拟现实系统时，其结果却在另一个地方发 生，参与者通过分体显示器获得深度感，显示器与 远地的摄像机相连；通过运动跟踪与反馈装置跟踪 操作者的运
14、动，反馈远地的运动过程（如阻尼、碰 撞等)，并把动作传送到远地完成。 Date 17 14章 虚拟设计 先进设计系统 14.1.4 虚拟现实系统的类型与结构 虚 拟 现 实 系 统 的 结 构 虚拟手部控制器 图14-6 虚拟现实系统的一种结构 Date 18 14章 虚拟设计 先进设计系统 14.2 虚拟设计的概念与技术体系 l14.2.1 虚拟设计 l14.2.2 虚拟制造 l14.2.3 虚拟原型 l14.2.4 虚拟设计与其他概念之间的关系 l14.2.5 虚拟设计技术体系 Date 19 14章 虚拟设计 先进设计系统 14.2.1 虚拟设计 l虚拟设计Virtual Design，
15、VD 是指设计者在虚拟环境中 进行设计。主要表现在设计者可以用不同的交互手段 在虚拟环境中对参数化的模型进行修改。 l虚拟不等于虚幻、虚无，而是“本质”的意思， 是指通过数字化手段对物质世界的真实表现， 亦即对真实世界的动态模拟。 l设计则泛指围绕产品全生命周期的整个设计活动过程。 l虚拟设计是虚拟现实技术在产品设计中的应用或实现。 图14-7 汽车的虚拟设计 Date 20 14章 虚拟设计 先进设计系统 14.2.2 虚拟制造 lVD和虚拟制造 (Virtual Manufacture，VM)既有联系又有区别 lVM是指利用计算机模型和仿真来实现产品的制造。 l从某种意义上说，VD是VM的
16、重要组成部分。 l根据目前VM研究中不同的侧重点，可将VM归纳成3类 1)以设计为中心的虚拟制造。这就是虚拟设计。它将制造信息 加入到产品设计与工艺设计过程中,并且在计算机中进行数字 化的“制造”。其主要目的是尽早发现设计中潜在的问题。 2)以生产为中心的虚拟制造。将仿真能力加入到生产计划模型 中其目的是方便和快捷地评价多种生产计划，优化制造环 境的配置和生产的供给计划。 3)以控制为中心的虚拟制造。将仿真能力增加到设备控制模型 中，提供对实际生产过程仿真的环境。其目的是优化制造过 程，改进制造系统。 Date 21 14章 虚拟设计 先进设计系统 14.2.3 虚拟原型 l虚拟原型(Virtual Prototype) 也叫虚拟产品(Virtual Product)、 虚
