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-1-第1章绪论伴随着科学的不断发展，人类社会步入了崭新的世纪。各种新技术层出不穷，而各个学科相互融合发展，又产生了许多新的学科技术。产品设计就是这样的一门学科。每一次新科技的出现，都会给产品设计的途径、方式带来新的发展和变化。下面的例图１总结了几个世纪以来产品设计的演变过程。仿真与虚拟现实技术是以计算机支持的仿真技术为前提的，对设计、加工、装配、维护等等，经过统一建模形成虚拟的环境，虚拟的过程，虚拟的产品。仿真与虚拟技术产生于20世纪40年代，到90年代才逐步发展完善起来，现在已经应用到了制造、军工、医学、航天、建筑等很多领域，并且都取得了很大的成功。仿真与虚拟技术应用到产品设计中，更会体现出它的很多优势，给设计业带来全新的理念和方式。面向车间设计面向车间设计方法学设计一般原理方法面向计算机的产品建模虚拟产品设计（工程图）零件图几何模型产品生命周期模型算法知识处理仿真产品建模过程设计组织计算机辅助设计开发规则市场和顾客研究样品制造实验经济和生态方面的评价使用评价图1设计的演变过程1850190019502000年份虚拟现实仿真是一门以系统科学、计算机科学和概率论与数理统计学为基础，结合各应用领域的技术特点和应用中的需要，逐渐发展起来的边缘性技术，同时它也是一门实验性科学，随着各门学科的发展，虚拟现实仿真也得到日新月异的发展，已成为近年来十分活跃的新兴技术。虚拟现实概念从1984年被WilliamGibson提出来以前，在系统仿真-2-领域造成了巨大的影响。20世纪90年代初，F．Robert探讨了可视化仿真的发展前景，此后C．James提出用三维图形渲染二维动画仿真环境的机制。M．Barnes讨论了虚拟现实和系统仿真结合所需要的方法和硬件设备。1996年，ArnoldH．Buss在离散系统仿真机制的基础上，研究开发了一种基于Java语言的离散事件仿真系统JavaSim，可用于在一般民用企事业单位的Internet网上模拟建模。Macredie在1996年阐述了虚拟现实仿真环境对模拟训练的应用，并提出面向对象的建模机制；顺应计算机发展的潮流，WolfgongKreutzer在1997年按Java语言的多线程特点开发了一种开放式仿真语言SimJava，并通过互联网提供源代码，它是一种基于事件推进的仿真系统，将仿真实体按独立的线程运行，通过实体接口发送或接受事件消息，为仿真实时控制创造了条件。另一个知名的Java仿真系统是由ThreadTec公司研究开发的Silk仿真系统，基于当时网络技术和仿真界”免编程”思想的重新认识，利用Java本身的平台无关性提出了一种通用性网上仿真系统。通过面向过程的机制，构成了可在任何Java开发环境中应用的仿真支持系统，为用户提供建模的方便性。这些仿真系统研究开发的思想和方法，为进一步和开发虚拟现实仿真系统铺平了道路。20世纪90年代末期，在虚拟现实仿真理论与开发方面，国内研究和国外研究工作几乎处于同步阶段。在同一时期分别提出了基于虚拟现实建模的仿真实验系统。北方交通大学在1999年设计了基于OpenGL的三维交通模拟系统；北京航空航天大学管理系统仿真实验室在1999年利用虚拟现实模拟语言（VRML）提出了可在PC机上运行的虚拟现实仿真系统的构想，并实现但服务台排队系统的虚拟现实仿真。接着，北京航空航天大学管理系统仿真实验室又提出并实现了在虚拟现实仿真环境下进行序贯决策的实验系统，可在虚拟环境中进行飞机装配过程的序贯决策，并在互联网上进行了虚拟现实仿真实验，与此同时，美国乔治亚理工学院在2000年也提出基于VRML的虚拟现实仿真系统并实现了在制造系统中的应用。2001年北京航空航天大学管理系统仿真实验室在已有研究成果的基础上，进一步研究和实现了虚拟现实环境下的序贯决策仿真优化，进行了相应的实证研究。近年来，我国在虚拟现实和仿真方面的研究工作也又迅速发展，特别是国防院校、科研单位，在虚拟现实研究和虚拟现实系统开发与应用等方面都有重要进展。如虚拟样机开发、虚拟装备和虚拟训练系统、虚拟装备维修系统、虚拟战场模拟系统、基于HLA或RTI（Run-TimeInfrastructure）的虚拟建模系统等。随着虚拟现实技术的发展，基于更新的虚拟现实系统MultiGen（OpenCreatorVega）、WTK(WorldToolKit)、STK(SatelliteToolKit)的虚拟现实仿真系统正在研究和开发中，预期在不久的将来，这些新的系统将会面世。-3-第2章技术概述计算机仿真技术是以计算机为工具,对工程过程进行建模、数值模拟、结果显示与处理。对于机械产品的设计,仿真建模主要是用现代力学的理论与方法对产品的使用过程、生产过程以及事故过程等进行数学描述,并根据数值模拟方法的要求将所涉及工程过程的几何、物理等参数进行量化。数值模拟是根据仿真模型的特点选择合适的数值求解技术,对仿真过程进行全方位的求解,目前应用最广泛的包括有限元方法、有限差分法等。结果显示与处理就是将数值模拟的结果可视化并经处理得出工程上有意义的量和结论。仿真技术的本质是对真实的物理、化学系统或其他系统在某一层次上的抽象,在抽象出来的模型上,可以更深入,更灵活、更安全地对系统进行解析和设计。人们在使用仿真系统时希望在仿真系统中与在真实系统中所得到的感受尽量相同,需要仿真系统具有身临其境的逼真感。另一方面,某些实际应用领域希望从仿真系统中得到在真实世界中无法亲身体验到的感受,从而能突破物理空间和时间的限制,避开危及生命和环境危险而又真切地体会和感受某一过程。即需要仿真系统具有超越现实的虚拟性。以上客观需求推动了一种新兴的技术———虚拟现实(VR)也称为灵境技术的发展。近年来不断涌现和迅速发展的高新技术,如计算机仿真建模、CAD/CAM及先期技术演示验证、可视化计算、遥控机器、计算机艺术等,都有一个共同的需求,这就是建立一个比现有计算机系统更为真实方便的输入输出系统,使其能与各种传感器相连,组成更为友好的人机界面,人能进入其中,超越其上,进出自如又能交互作用的多维化信息环境。这个环境就是计算机虚拟现实系统(VRS),在此环境中从事设计的技术称之为虚拟设计(VD)。２．１什么是仿真仿真Simulation属于一门基础性学科，仿真就是利用模型进行的一种试验，它可极为有效而经济地用于科研设计训练以及系统的试验。仿真技术是以控制理论相似原理数模与计算技术信息技术系统技术及其应用领域相关专业技术为基础，以计算机和多种专用物理效应设备为工具借助系统模型，对实际的或设想的系统进行动态试验研究的一门新兴综合性技术。其特点是它属于一种可控制的、无破坏性的、耗费小的、并允许多次重复的试验手段，它以其高效、优质、低廉体现其强大的生命力和潜在的能力，它是迄今为止最有效的、经济的综合集成方法，是推动技术进步的战略技术。在科技领域，人们常用实物试验和理论分析，对现实对象进行研究。随着模拟技术的发展，逐步采用易于实现的物理过程来描述、分析、研究、-4-再现给一定的对象。这就是指采用模拟装置研究，或者建立数字模型，使用计算机进行仿真分析。仿真技术则是模拟技术的进一步发展。特别是随着电子计算机技术的发展，仿真技术更成为现代科学研究的强大、有效的工具。仿真技术大体上可分为三类。一类是全实物模拟，这也可认为是实验技术的发展。用研究对象的实体或实物模型配以先进的测量手段和设备进行实物试验，获得必要的结沦。这种试验真实可靠、效果直观，但耗费大。如流体力学等学科发展了相似理论，开展了大规模的模型实验、风洞实验，推动了流体机械、航空、航天、导弹等飞行器的发展。第二类是数字仿真，即建立系统的数学模型，通过计算机求解，从而再现系统的工作过程。这种仿真不受时空条件的限制，人为地在不同参数下运行，可随时引人更好的参数，从而确定系统的最佳模型和状态。计算机仿真成本低，操作方便快捷，计算准确。随着计算机技术的迅猛发展，这项技术的应用有着十分广阔的前景。但计算机仿真受建模能力的限制，对有些问题还不能得到完善、正确的模型和仿真结果。第三类仿真是基于信息技术、多媒体技术、机电技术、人文科学技术等生成的，使人处于一种同时具有沉浸、交互、投人等综合感觉的拟实世界的综合高科技技术，称为虚拟现实(VirtualReality)技术。２．２什么是虚拟现实（ＶＲ）1984年WillianGibson写了一本名为Neuromancerd的书，幻想人类可以漫游于计算机模拟生成的世界之中，他称这个世界为VirtualReality。不过大多数人认为，虽然Gibson最早提出了VR一词，但真正赋与VR科学含义的应是美国的计算机科学家JaronLanier，他于1989年提出使用虚拟现实一词来统一表述新的人机交互技术。VR领域的研究再往前可追溯到1965年，IvanSutherland写了一篇文章”TheUltimateDisplay”，后来他还开发了早期的头盔式显示器。2.2.1VR的概念虚拟现实(Virtualreality简称VR)，是人类与计算机和极其复杂的数据进行交互的一种方法。虚拟现实技术是指利用人工智能、计算机图形学、人机接口技术、多媒体技术、网络技术、电子技术、机械技术、视听技术等高新技术模拟人在特定环境中视、听、动等行为的高级人机交互技术。虚拟环境技术的体系结构可以用图２所示的3-I”三角形”来表示，所谓的”3-I”是：Immersion-Interaction-Imagination(沉浸-交互-构想)。这三个I是VR系统的三个基本特征。它表示VR系统使人从过去的只能从计算机系统的外部去观测计算处理的结果，发展到能够沉浸到计算机系统所创建的系统中；从过去人只能通过键盘、鼠标与计算环境中的数字化信-5-息发生交互作用，到能够利用多种传感器与多维化信息的环境发生交互作用；从过去的人只能从以定量计算为主的结果中得到启发从而加深对事物的认识，到有可能从定性和定量综合集成的环境中得到感性和理性的认识从而深化概念和萌发新意。也就是说，在VR系统中，人们的目的是使计算机及其他传感器组成的信息处理系统去尽量”满足”人的需要，而不是强迫人去”凑合”那些不很亲切的计算机系统。Immersion沉浸Imagination想象Interaction交互图2虚拟现实的基本特征2.2.2VR的特点及类型理想的VR系统应具有如下的几个特点：(1)多媒体信息感知性：VR系统具有感知视、听、触、嗅、味等多种信息的能力；(2)沉浸感(Imersive)：用户将感觉不到身体所处的外部环境而”融合”到虚拟世界中去；(3)交互性(Interactive)：用户可通过三维交互设备直接控制虚拟世界中的对象；(4)自主性(Autonomy)：VR世界中的物体可按各自的模型和规则自主运动。虽然在理论上VR系统应具有上述的特征，但由于实现时各种条件的限制而有所差异。根据交互界面的不同，可将VR系统分为几种不同的类型：(1)世界之窗(WindowonWorldSystems-WoW)：这种系统使用普通的计算机监视器来显示虚拟世界，用户通过键盘、鼠标来控制在虚拟世界中的-6-运动，如同通过窗户观察世界一样。这个概念来自于IvanSutherland1965年的文章”TheUltimateDisplay”。这也是目前应用最多、实现最方便、最经济的一类VR系统。(2)视频映射(VideoMapping)：这是WoW系统的一个变种，它使用视频输入设备将用户的身影与虚拟世界的图象合成在一起，用户通过监视器来观察自身与世界的交互。(3)沉浸式系统(ImmersiveSystems)：这种系统完全将用户的视角及感觉包容在虚拟世界内部，用户所看到、听到、碰到乃至闻到和尝到的都是虚拟世界中的物体。这是最理想的VR系统。这种系统的一种实现方案是使用头盔显示器提供视场和音效，另外一种方法就是用多个投影显示建造一个”洞穴”或房间，观察者站在其中。(4)遥控系统(Telepresence)：这种系统不同于完全由计算机生成虚拟世界的系统，它是真实世界的反映。这种技术是把真实世界中