系统仿真技术_第10章_虚拟设计

系统仿真技术第10章虚拟设计陈无畏合肥工业大学机械与汽车工程学院主要内容一、前言二、虚拟产品开发三、虚拟现实技术四、虚拟设计技术五、应用事例一、前言0102030405060产品定义产品开发工艺规划制造检验应用成本%避免错误、或尽早发现错误、尽早修正错误设计开发目标75%修改源于设计开发80%修改由制造后续阶段完成团队工作开发过程重组DFX实现策略并行工程虚拟产品开发虚拟产品建模与仿真虚拟产品开发过程建模与过程仿真二、虚拟产品开发现实产品开发设计评价产品报废品报废品制造原料外在因素变化设备厂房人员试制原料设备厂房人员数据/信息原料设备厂房产品实际制造人员报废品设计虚拟样机评价反馈信息虚拟加工虚拟装配虚拟检测市场信息虚拟产品开发虚拟产品开发的定义虚拟产品开发技术是以计算机仿真和产品生命周期建模为基础，计算机图形学、人工智能、网络技术、多媒体技术和虚拟现实技术等在产品开发（包括产品构思、设计、制造、测试和分析等）的综合应用技术。虚拟产品开发过程建模与仿真虚拟产品开发过程建模与仿真虚拟产品开发技术的意义促进创新设计加快产品上市速度减少资源浪费降低产品开发风险推进远程协同产品开发提高技术培训与教育质量增强企业竞争力三、虚拟现实技术何谓虚拟现实什么是虚拟现实？人类需要用工具来增强、延伸、扩大自己的感官、肢体和大脑的功能杠杆、滑轮、千斤顶增强肢体的功能望远镜、显微镜、雷达增强眼睛的功能听诊器、助听器、收音机增强耳朵的功能计算机、仿真模拟器、精密分析仪器增强大脑的功能。这些基本上都只能帮助我们进行单方向的推理。对于广泛和复杂的世界，单方向的推理是远远不够的。人类盼望着能够找到…能够根据研究问题的需要，提供一个具有尽可能逼真的虚拟对象、虚拟环境的虚拟世界。能够帮助我们沉浸在这个虚实结合的环境中，身临其境地体验这个虚拟世界中的一切，在这样的环境中研究和分析问题。能够灵活地扩大或缩小虚拟世界的时间尺度和空间尺度。例如，在数秒钟内观察地壳的演变历程，在数分钟内细细品味子弹穿破玻璃时的精细过程。能够帮助我们跟这个虚拟世界交流、发生相互作用，我们不只是能移动和触摸虚拟世界中的虚拟物体，还能在虚拟世界的街巷楼宇之间漫游。总之：希望能帮助我们创建一个时域和空域可变的虚拟世界，使人能够：沉浸其中，超越其上，进出自如，交互作用获得“观古今于须臾，抚四海于一瞬”的效果。虚拟现实是用高科技手段构造出来的一种人工环境，它具有模仿人的视觉、听觉、触觉等感知功能的能力，具有使人可以亲身体验沉浸在这种虚拟环境中并与之相互作用的能力虚拟现实技术的最终目的是提高人的认识能力，促进人与环境的交流，更深入地开发人类的智慧这就是虚拟现实…虚拟现实：虚拟现实技术(VirtualReality,VR)是一种三维计算机图形技术与计算机硬件技术发展而实现的高级人机交互技术，允许用户通过视觉、听觉、触觉甚至嗅觉和味觉等多种知觉方式实时地与计算机所建造的仿真环境发生相互作用。虚拟现实的情景是怎样生成的？如何生成？情景生成要使人能够产生：视觉、听觉、触觉、力感、运动感、味感、嗅感等。如何生成这些感觉呢？环境生成跟踪系统发射器头部跟踪接收器头盔显示器立体声耳机话筒数据手套跟踪接收器手部3D跟踪系统语音识别3D声音处理器虚拟环境数据库图形处理器主计算机虚拟环境实时操作系统虚拟现实环境：一个典型的虚拟现实环境是由人和虚拟现实系统两大部分组成虚拟现实系统又由三部分构成：基于先进传感器的人机接口具有多媒体功能的计算机系统面向虚拟现实的软件系统虚拟现实系统虚拟现实系统VR硬件计算机VR软件场景显示系统触觉反馈器方位跟踪系统声音识别系统操作者机器人机接口在虚拟现实系统中，关键之一是：如何实现多维信息的输入和输出如何实现人跟虚拟世界的交互作用最基本的人机接口设备是：头盔式显示器三维鼠标数据手套人机接口---先进传感器技术和产品头盔式显示器的外形很像摩托车驾驶员所佩戴的头盔，左右两眼前是高分辨率的显示屏。当佩戴头盔式显示器的用户头部发生移动时，利用头盔上的方位跟踪器，就能向计算机报告用户头部的方位了。如果计算机系统的处理速度足够快的话，就能向显示屏提供与头部方位(准确地说是眼睛所注视的方位)相一致的图像佩戴头盔的人能随着头部的转动看到一个和头部方位相一致的、由计算机所输出的虚拟世界的图像，好像是头转到哪里就能看到哪里，这样从视觉上就感觉完全沉浸在这个虚拟世界中头盔式显示器头盔式显示器头盔式显示器头戴头盔式显示器进入虚拟现实环境在虚拟环境中最常用的人机接口工具之一是数据手套。数据手套通常是一种尼龙手套，在每个手指上安装有相应的弯曲和扭曲传感器。计算机利用传感器的信息，控制虚拟空间中物体的位置和方向，于是就产生了人能用自己的手，去控制虚拟空间中虚拟物体的感觉了数据手套为了能使戴上数据手套的手不仅仅能搬动虚拟物体，还能感受虚拟物体“应有的”重量和质感，更先进的数据手套还具有触觉，最简单的做法是在手套上安装气压式和振动触感式的反馈器。在计算机的控制下，向手套的气袋充气时，戴上这种数据手套的手就感受到一定的压力了，用这种办法就可以模拟手触摸真实物体时的感觉数据手套数据手套不管是在头盔、三维鼠标上，还是在数据手套上，都需要安装能对空间位置进行跟踪定位的跟踪装置基于超声波原理进行位置和方向的跟踪，即用三角形法测出位置发送器和接受器之间的相对方位。它的优点是工作可靠、价格较低，缺点是分辨率较低、时延较长，而且受回声的干扰影响较大不管是在头盔、三维鼠标上，还是在数据手套上，都需要安装能对空间位置进行跟踪定位的跟踪装置基于光学原理的跟踪器在固定的位置上(例如天花板上)安装排列成栅格状的一组发光二极管，在用户的头上安装一个照相机，发光二极管周期性地发光，通过照相机的感光就可测出头部的位置。它的优点是定位精度较高、时延较短，其缺点是受控的面积受发光二极管栅格面积的限制，如果要检测头部或手部的全方位的转动就有一定的困难具有多媒体功能的计算机系统是虚拟现实系统的基石基于个人计算机（PC）的虚拟现实计算机基于工作站的虚拟现实计算机在虚拟现实技术中，软件的主要功能就是高效地产生与真实物体形似、质似和神似的虚拟物体和虚拟环境，“以假乱真”，从而取得“身临其境”的效果面向虚拟现实的软件系统“几何建模”就是用许许多多各式各样的多边形，拼构成所模拟对象的立体外形，这个外形必须尽可能地跟所模拟的对象完全一致，达到“形似”。形似对几何模型进行纹理、颜色和光照的处理，也就是所谓的“物理建模”，使它看上去具有“质感”。同样是一个球，通过这两种建模，就能分辨出是玻璃球、塑料球还是棉花球。为了使虚拟空间内的虚拟对象具有质感，有时还要为对象附加更多的物理属性。例如：橡皮球具有变形和弹性的双重属性，玻璃球掉在地上时可能要破碎，而木球就会发生反弹等等。这就是“质似”。质似最典型的例子就是用简单的线条描述舞蹈家的体型及四肢的舞蹈动作，用演员的面部表情模拟某个卡通形象的面部表情。寥寥数笔线条与舞蹈家的身材当然相差甚远，而动物卡通的一个拟人形象当然不能等同于真人，但如果我们能从线条的动态变化中分辨出是“梁山伯与祝英台”的双人舞还是“天鹅湖”双人舞，这就达到“神似”神似常用的软件系统：图形生成环境OpenGL(OpenGraphicsLibrary)用于创建复杂图景的虚拟现实的工具包VRT开发虚拟世界的工具集WTK(WorldToolKit)快速生成和观察虚拟现实系统的QuickTimeVR等。近来最受用户欢迎的虚拟现实软件工具之一是MultiGen许多仿真公司和三维图像处理公司等已经利用MultiGen所提供的工具进行了二次开发，研制出满足某个特定领域需要的、成套的开发虚拟现实应用系统的软件,Vega就是较成功的一个实例。Vega是基于MultiGen软件工具所开发的一套专门用于实时仿真、可视化环境和虚拟现实系统的软件系统。利用Vega可以快速地生成一个交互的、三维的作战模拟环境或生产控制环境。Vega提供了建立快速原型系统、图形编辑、系统构成所需的工具，还能提供内容丰富的三维模型库和功能强大的虚拟现实环境通过Vega生成的作战模拟的场景图，其中甚至包括了火光、烟雾和云彩美国波土顿动力学公司(BDI，BostonDynamicslnc．)开发一个名为DI-Guy的虚拟现实软件工具。DI-Guy在虚拟现实中的应用分为三类：即沉浸式的训练(ImmersiveTraining)系统、交互式的训练(InteractiveTraining)系统和可视化想定(ScenarioVisualization)系统。不论是哪一类虚拟现实应用系统，在DI-Guy的支持下，系统开发者都能用一些很简单的命令，自动地对虚拟物体、虚拟人物、虚拟场景赋予某种“仿生”的特征仿战士:能逼真地重现一个训练有素的战士的动作和姿态；仿男人:有男子汉的刚劲有力；仿女人：有女人的婀娜多姿；仿运动员：就能分清体操、跑步、垒球、足球、排球、篮球运动员的不同的体型和节奏；仿现场：就能产生烟雾、火光、云雾的效果。DI-Guy软件所产生的单兵作战动作穿不同的军装；携带不同的武器；做着各种不同的动作运动员翻腾跳跃球场上激烈竞争虚拟现实技术的新进展具有宽视野的立体眼镜虚拟现实技术的新进展美国的SGI公司推出了名为DataVlsor80的头盔式显示器。这是一种宽视野、高分辨率的头盔式显示器。显示部分是采用1英寸的阴极射线管，能得到24位的全彩色图像。其垂直视野可达80度，水平视野可达120度，分辨率可达1280×l024，用户佩戴这种头盔式显示器后，能获得较好的沉浸感,整个头盔重约2kg.虚拟现实技术的新进展SGI公司提供了一种类似双简望远镜式的手持式显示器。为了能使显示器中的图像随着人的头部的方位发生变化，所以在显示器上也安装有方位跟踪装置。由于是手持的，调整方位十分方便，视野小些，也不妨碍用户观看全景。这个显示器的分辨率为640×480和1280×1024两种，能产生24位彩色图像最常见的三维鼠标有两种跟踪球(trackL，a11)三维空间探针三维鼠标虚拟现实技术的新进展跟踪球跟踪球的中心是固定的，并有一个活动的外层，装有6个发光二极管和相应的6个光传感器。当使用者用手对该球的外层施加力和力矩时，根据“弹簧变形”规则，就可通过6个光传感器测出3个力和3个力矩的信息，传输给计算机后求出虚拟空间中某物体的位置和方向虚拟现实技术的新进展三维空间探针是安装在一个固定的基座上，具有6个关节的机械臂。在每个关节上装有传感器，计算机接收传感器的信息，并计算出在虚拟空间的物体的位置和方向三维空间探针虚拟现实技术的新进展虚拟现实技术的新进展多人共享的沉浸式系统虚拟现实技术的新进展大屏幕显示系统可以满足数十人、几百人同时观看虚拟现实技术的新进展手控式高分辨率CRT显示器虚拟现实技术的新进展观察者只需佩戴一个非常轻巧的眼镜，效果较好：从视觉效果上可以达到120度的宽阔视野；具有很高的分辨率，可以形成1024线、每线具有1280像素的光栅，并且按72HZ的频率进行更新，因此几乎和人眼的分辨率一致。它还可以得到全色图像和足够的亮度，即使在户外观看也无影响。如果对两只眼睛分别产生两幅有一定视点差异的图像，就可产生三维立体图像的效果。必要时，它可以在原来视网膜上已经有的真实世界的图像上叠加上所产生的虚拟图像，取得了虚实结合的效果。虽然这种虚拟视网膜显示装置才刚刚诞生，但已显示出很大的应用潜力。虚拟视网膜显示器通过各种各样的显示系统，人们能够亲眼看见虚拟空间中的虚拟物体和虚拟景象，可以在一定程度上能够得到身临其境的感觉。人们并不满足这种“只能看、不能摸、不能碰”的局面。人们如何去搬动虚拟空间的一张虚拟桌子呢?如何能用一块虚拟的木板压扁一个虚拟的气球呢?如何实现用自己的手去掂量一下虚拟石头的重量？虚拟现实技术的新进展触觉和力反馈的装置虚拟空间的虚拟物体仅仅是一个计算机生成的三维图像，它无真正的重量、无实在的质地，只是一个“虚幻的”图像。它的手指、手腕或手臂上的控制机构和执行机构，并通过“某种算法”，产生与人触摸到真实物体时同