14章虚拟设计18讲90

先进设计系统2019年8月1日4时45分第14章虚拟设计1先进设计系统机械系统设计第8章生产线第9章概念设计第10章总体设计第11章详细设计第12章设计评价第13章创新设计第14章虚拟设计第15章智能设计先进设计系统2019年8月1日4时45分第14章虚拟设计2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虚拟设计的应用先进设计系统2019年8月1日4时45分第14章虚拟设计314.1虚拟现实14.1.1虚拟现实的发展与组成14.1.2虚拟现实的功能与特征14.1.3虚拟环境14.1.4虚拟现实系统的类型与结构先进设计系统2019年8月1日4时45分第14章虚拟设计414.1.1虚拟现实的发展与组成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先进设计系统2019年8月1日4时45分第14章虚拟设计514.1.1虚拟现实的发展与组成“虚拟”有三层含义：①它意味着完全数字化的方法；②它是在虚拟企业的意义上通过网络分布式的工作方式来达到；③它使用虚拟现实（VirtualReality，VR）技术。专家预言：未来所有复杂产品都可用虚拟方式产生有人称21世纪为“VR时代”。先进设计系统2019年8月1日4时45分第14章虚拟设计614.1.1虚拟现实的发展与组成虚拟现实(VirtualReality，VR)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。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。VR利用一种特殊环境，使用户可以陶醉在工作之中，体验比现实世界更加丰富的感受。先进设计系统2019年8月1日4时45分第14章虚拟设计714.1.1虚拟现实的发展与组成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IvanSwthland提出“虚拟现实”这个概念。1985年用头盔显示器(HeadMountedDisplay，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HMD产品。虚拟现实引用了CAD中的图形学，独立发展为一种新领域先进设计系统2019年8月1日4时45分第14章虚拟设计814.1.1虚拟现实的发展与组成虚拟现实VR的组成图14-2VR系统为用户提供视觉、听觉、触觉、嗅觉甚至味觉的多感知。VR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Interaction2－视觉VisualPerception3－听觉AcousticPerception4－触觉TactilePerception5－嗅觉OlfactoryPerception先进设计系统2019年8月1日4时45分第14章虚拟设计914.1.2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。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环境。先进设计系统2019年8月1日4时45分第14章虚拟设计1014.1.2虚拟现实的功能与特征（2）虚拟现实的3个基本特征Immersion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Interaction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Imagination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先进设计系统2019年8月1日4时45分第14章虚拟设计1114.1.3虚拟环境虚拟环境VirtualEnvironment是体现了虚拟现实所具备的功能的一种计算机环境图14-4中采用的设备：①显示器：头盔或立体眼镜和屏幕，显示出虚拟环境的影像；②6自由度跟踪器，包括信息手套，信息接收器，声音识别装置等。软件有：图形处理器，声音处理器等。图14-4虚拟环境的组成先进设计系统2019年8月1日4时45分第14章虚拟设计1214.1.3虚拟环境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(Framerate)最好是25帧/s，最少是10帧/s。每帧安排1300~5000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。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。先进设计系统2019年8月1日4时45分第14章虚拟设计1314.1.4虚拟现实系统的类型与结构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。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。先进设计系统2019年8月1日4时45分第14章虚拟设计1414.1.4虚拟现实系统的类型与结构目前，分布式虚拟现实系统的研究基于两类网络平台。①在Internet上，这可追溯到早期基于文本的多参与者游戏MUD，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。②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3700多个仿真实体参与的地域范围覆盖500km×750km的军事演练环境。先进设计系统2019年8月1日4时45分第14章虚拟设计1514.1.4虚拟现实系统的类型与结构常见的沉浸式系统有3种：①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先进设计系统2019年8月1日4时45分第14章虚拟设计1614.1.4虚拟现实系统的类型与结构常见的沉浸式系统有3种②投影式虚拟现实系统图，摄像机，计算机，视频投影仪，屏幕它可以让参与者从一个屏幕上看到他本身在虚拟境界中的形象。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。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先进设计系统2019年8月1日4时45分第14章虚拟设计1714.1.4虚拟现实系统的类型与结构常见的沉浸式系统有3种：③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。先进设计系统2019年8月1日4时45分第14章虚拟设计1814.1.4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先进设计系统2019年8月1日4时45分第14章虚拟设计1914.2虚拟设计的概念与技术体系14.2.1虚拟设计14.2.2虚拟制造14.2.3虚拟原型14.2.4虚拟设计与其他概念之间的关系14.2.5虚拟设计技术体系先进设计系统2019年8月1日4时45分第14章虚拟设计2014.2.1虚拟设计虚拟设计VirtualDesign，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。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。设计则泛指围绕产品全生命周期的整个设计活动过程。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汽车的虚拟设计先进设计系统2019年8月1日4时45分第14章虚拟设计2114.2.2虚拟制造VD和虚拟制造(VirtualManufacture，VM)既有联系又有区别VM是指利用计算机模型和仿真来实现产品的制造。从某种意义上说，VD是VM的重要组成部分。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。先进设计系统2019年8月1日4时45分第14章虚拟设计2214.2.3虚拟原型虚拟原型(VirtualPrototype)也叫虚拟产品(VirtualProduct)、虚拟样机VP是虚拟环境中的产品模型，是基于知识的产品模型,是现实世界中的产品模型在虚拟环境中的映像。虚拟原型的核心是机械系统运动学和动力学仿真技术，同时还包括：三维CAD建模技术、有限元分析技术、机电液控制技术、最优化技术等相关技术。先进设计系统2019年8月1日4时45分第14章虚拟设计2314.2.3虚拟原型虚拟原型的特点：1）是数字化定义的产品模型。图14-82)应该具有其物理原型的形体和表现，可以在计算机上逼真展示产品性能。几何外形信息是全面和完整的；产品的结构信息是详尽的。3)应该能以自然方式被人感受虚拟原型的发展将增强虚拟设计的能力，虚拟设计为虚拟原型提供了应用环境。图14-8渲染几何体的细部先进