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1、第5章 虚拟设计5.1虚拟设计的基本概念科学技术的发展不断推动着设计的进步，日新月异的信息技术也深刻影响着设计的变革。信息技术发展的深度决定着设计师可在多大程度上利用信息技术为设计服务。早期引入计算机技术进行文档管理、二维图形处理，把设计师从枯燥无味的事务性工作中解放出来；计算机软、硬件的升级换代使得设计师能够使用计算机进行三维建模、渲染表现，人们可以从多个角度对产品进行审视。现在，信息技术的集成化、智能化发展使设计发生了全面、深刻的变化，设计进入了一个新的时代虚拟设计时代。虚拟设计（Virtual Design，简称VD）代表了一种全新的制造体系和模式。虚拟设计是以虚拟现实（Virtual
2、Reality，简称VR）技术为基础，以机械产品为对象的设计手段，虚拟地制造产品，在计算机上对虚拟模型进行产品的设计、制造、测试。它是计算机图形学、人工智能、计算机网络、信息处理、机械设计与制造等技术综合发展的产物。5.1.1虚拟现实虚拟设计的技术基础为“虚拟现实”。“虚拟现实”一词由美国VPL公司创建人拉尼尔（Jaron Lanier）在20世纪80年代初提出，是指综合利用计算机图形系统和各种显示、控制等接口设备，生成可提供沉浸感觉和交互操作的三维环境技术。虚拟现实是种计算机界面技术，从本质上讲，虚拟现实就是种先进的计算机用户接口，它通过给用户及时提供视觉、听觉、触觉等各种客观而又自然的实时
3、感知交互手段，最大限度地方便用户操作，从而减轻用户的负担，提高整个系统的工作效率，体验比现实世界更加丰富的感受。简言之，虚拟现实就是人与虚拟世界的交流。人的动作和情绪可以控制虚拟世界中的物体。反之，虚拟世界中的物体也能使人产生真实的感觉，包括视觉、听觉、触觉等。虚拟现实经历了以下发展历程：(1) 1965年，在IFIP会议上，有VR“先锋”之称的计算机图形学的创始人Ivan Sutherland作了题为“The Ultimate Display(终极的显示)”的报告，提出了一项富有挑战性的计算机图形学研究课题。他首次提出了包括具有交互图形显示、力反馈设备以及声音提示的虚拟现实系统的基本思想，指
4、出人们可以把显示屏当作一个窗口观察一个虚拟世界，使观察者有身临其境的感觉。这一思想提出了虚拟现实概念的雏形。至此，人们正式开始了对虚拟现实系统的研究探索历程。(2) 1966年，美国MIT的林肯实验室正式开始了头盔式显示器的研制工作。在这第一个头盔式显示器(HMD)的样机完成不久，研制者又把能模拟力量和触觉的力反馈装置加入到这个系统中。(3) 1968年，Ivan Sutherland使用两个可以戴在眼睛上的阴极射线管(CRT)，研制出了第一台头盔式立体显示器(HMD)，并发表了题为“A Head-Mounted 3D Display”的论文，对头盔式三维显示装置的设计要求、构造原理进行了深入
5、的讨论，并绘出了这种装置的设计原型，成为三维立体显示技术的奠基性成果。(4) 1975年，Myron Krueger提出了“人工现实(Artificial Reality)”的思想，展示了称之为Video place的“并非存在的概念化环境”。(5) 20世纪80年代，美国宇航局(NASA)及美国国防部组织了一系列有关虚拟现实技术的研究，并取得了令人瞩目的研究成果，从而引起了人们对虚拟现实技术的广泛关注。(6) 1985年，Scott Fisher等研制了著名的称之为VIEW的一种“数据手套(Data Glove)”，这种柔性、轻质的手套装置可以测量手指关节的动作、手掌的弯曲以及手指间的分合，
6、从而可编程实现各种“手语”。(7) 1986年，第一套基于HMD数据手套的VR系统VIEW研制成功。这是世界上第一个较为完整的多用途、多感知的VR系统，它使用了头盔显示器、数据手套、语音识别与跟踪等技术，并应用于空间技术、科学数据可视化、远程操作等领域，被公认为当初VR技术的发源地。(8) 1990年，在美国达拉斯召开的SIGGRAPH 会议上，对VR技术进行了讨论，明确提出了VR技术的主要内容是实时三维图形生成技术，多传感交互技术，以及高分辨显示技术。这为VR技术的发展确定了研究方向。(9) 20世纪90年代以来，在“需求牵引”和“技术推动”下，VR取得了突飞猛进的发展，并将技术成果成功地集
7、成于些很有实用前景的应用系统中，如Apple公司的人机接口实验组(ATG)建立个基于实景的成像环境，用户能在其中用Quick Time数字视频数据交互，用虚拟现实技术设计波音777获得成功，这是引起科技界瞩目的一项工作。几十年来，计算机辅助设计和制造技术取得了重大成功，虚拟现实则提供了一个通向虚拟工程空间的途径。在虚拟工程空间中，我们可以设计、生产、检测、组装和测试各种模拟物体。虚拟现实技术广泛应用于航天发动机设计、潜艇设计、建筑设计、工业概念设计等领域。1997年5月福特公司宣布，其已成为第一个着眼于“地球村”概念，采用计算机虚拟设计装配工艺的汽车厂商。使用“虚拟工厂”的战略目标是减少其生产
8、中采用的90的实体模型，这一目标的实现为福特公司每年节省2亿美元。据估计，使用“虚拟工厂”将在推出一辆新车的过程中，至少减少20的因生产原因修改最初设计的事件。美国通用汽车公司利用虚拟现实系统CAVE(Computer-Assisted Virtual Environment)来体验置于汽车之中的感受，其目标是减少或消除人体模型，缩短开发周期。而以虚拟现实技术为基础的虚拟设计是20世纪90年代发展起来的一个新的研究领域。所谓虚拟设计就是利用“仿真”与“虚拟现实”技术，在高性能计算机及高速网络的支持下，采用群组协同工作，通过模型来模拟和预估产品功能、性能及可加工性等各方面可能存在的问题，在计算机
9、上实现产品制造的本质的设计过程。与传统的CAD软件相比，虚拟设计有很大的优势。CAD软件基本上只起到“电子图板”的作用，在设计方面功能甚弱。而虚拟设计技术可考虑到受力、变形分析或与其它应用软件的集成，其辅助设计功能大大增强，更有利于计算机辅助设计制造装配的集成。5.1.2虚拟设计的特点 虚拟设计具有以下特点。(1) 与真实相对的虚拟化 虚拟设计最主要的特征就是虚拟化。虚拟设计集三维动态显示、仿真、实际工况模拟等多媒体技术于一体，设计者感受视觉、听觉、触觉和嗅觉等多种信息，发挥其多种潜能，增加设计的成功性。在科技用语中，把一个可能存在的特性理解为虚拟的，即它在一定的条件下可能真实的出现。虚拟设计
10、的各个环节都具有虚拟性的特点，它们也具有真实世界中一切有价值的特性。虽然它们的存在某种程度上是虚假的，但人们却可以真实地感受到它们，以一种双方都能够理解的交流方式进行沟通。当设计阶段的任务完成以后，这些虚拟的模型可以通过一些设备（如快速成型）转化为真实的存在。虚拟是相对于真实而存在的，虚拟与真实存在着相互转化的双向可能性。(2) 由信息技术所达成的集成化 集成化是虚拟设计的根基所在，没有技术设备的集成，就不会有虚拟设计的形成基础，也就确立不了虚拟设计的基本原则。信息技术的发展把各个断续的、形不成联系的计算机辅助过程集成为一体化的系统，把以前的单独的过程作为整体中的子系统，在各个子系统形成可以共
11、享的信息流。这些信息适应不同子系统的数据标准（或可以方便的转换），流通中的信息内容也是一致的。这样一来，各个子系统之间互为支撑，它们获得其它子系统的信息时，不会由于标准的差异遭到拒绝，也不用费时费力地对获得的信息进行复查。子系统间经常不断的进行信息交流，也不断更新、丰富着整个系统的信息库。这不仅对于虚拟设计有重要意义，也是虚拟设计与虚拟产品开发其它阶段进行交流的依据。集成化从技术上保证了虚拟设计的内外信息交流，有利于设计师不断地调整自己的航向。(3) 人机交互的动态化 虚拟设计是一个动态思维、操作的过程。运用多种交互手段(数据手套、声音、命令等)支持更多的设计行为(建模、仿真、预测、评估等)，
12、设计师可以对虚拟模型进行修改，虚拟模型也会马上做出相应的反应，设计师能够时刻看到自己修改的结果。这种人机互动的过程有利于设计师充分表达自己的想法成熟的或者不成熟的，虚拟模型也因此而更加细致。使用计算机建模可以方便地把虚拟摄像机摆在任何位置，既可以在人们惯常的视平线上，也可以是真实世界中达不到的位置。从这些视点上，人们可以看到习以为常的场景效果，也会看到难以想象的画面。多媒体技术的发展使人们观察模型从静态转向动态，可以观看流畅的模型动画，而且多媒体技术还可以刺激人的其它感官系统。人们不仅仅是对模型本身的赏析，深入了解设计的创意，甚至还是对设计过程、生产过程的享受。(4) 信息互动的数字化 虚拟设
13、计的信息都是以数字信息方式存储的，数字化是虚拟设计形成信息流的关键。以数字化为基础的虚拟设计数据具有相关性，每个子系统对数据的修改，马上就会影响到整个虚拟设计过程，过程中每个与此有关的数据都会做出相应的反应。这种数据间的关联性，可以使设计师很快知道自己的修改会对全局造成什么样的影响。这与以前完全不同，那时还要把图形重新描过，而且还不能保证相关的数据都因此发生了正确的变化。数字化的另一个好处是可以方便地存储、调用，用不大的空间就可以记录下设计过程的整个历史。有了历史记录，就有了积累，这使得设计可以在以往经验的基础上，根据设计过程的历史，做出符合要求的调整，如Pro/E中Model Tree 。良
14、好的可修改性，保证了设计和开发产品的效率。虚拟技术提供的可视化，不只是一般几何型体的空间显示，而且也可对噪声、温变、力变、磨损、振动等予以可视化，还可以把人的创新思维表达为可视化的虚拟实体，促进人的创造灵感进一步升华。因此，在虚拟状态下，可以对产品生命周期的全过程(设计、加工制造、装配、性能分析、使用及回收等各个环节)进行可视化跟踪描述，更加强调在物料未形成物理模型，即产品加工之前，产品设计的高度可行性和可靠性，使在投入资金比例大的制造等后续阶段的产品开发风险降到最低限度。克莱斯勒汽车公司为迅速推出新产品，应用了虚拟原型技术。该公司的工程师应用虚拟环境实施一个名为克莱斯勒数据可视化(CDV)的
15、项目。通过这个项目的实施，工程师可以检查Catia软件所建模型的干涉情况，当找到零件发生互相干涉的地方，工程师可圈出该部位，并加上批注，便于修改设计。其在98型汽车设计过程中，借助虚拟原型发现了1500多处零部件干涉，并在制作第一个物理原型之前就进行了改正，避免了几百万美元的损失。目前，虚拟设计对传统设计方法的革命性影响已经逐渐显现出来。由于虚拟设计系统基本上不消耗资源和能量，也不生产实际产品，而是产品的设计、开发与加工过程在计算机上的实现，即完成产品的数字化过程。与传统的设计和制造相比较，虚拟设计具有高度集成、快速成型、分布合作等特征，具体的优点如下：1)虚拟设计继承了虚拟现实技术的所有特点
16、；2)虚拟设计继承了传统CAD设计的优点，便于利用原有成果；3)具有仿真技术的可视化特点，便于改进和修正原有设计；4)支持协同工作和异地设计，利于实现资源共享和优势互补，从而缩短产品开发周期；5)便于利用和补充各种先进技术，保持技术上的领先优势。5.1.3虚拟设计的发展趋势 (1) 全新的VRCAD系统 高交互、沉浸式、三维设计环境，可以进行诸如虚拟曲面造型，在三维空间中拖动曲面的控制顶点；虚拟雕塑造型，“虚拟手”修改、操纵三维物体的表面几何形状；虚拟实体造型(概念设计)，三维感知、三维操作和快速草绘三维形状。 (2) 协同式虚拟设计 沉浸式(有利于真实现场感)与半沉浸式(有利于用户间交流)协同虚拟设计，有利于优化设计。 知识经济时代为我们革新设计思想和设计手段提供了契机，我们必须充分利用现代的、高科技的创新设计手段和技术来改造传统的产品设计方法，提高设计效率和设计
