第五章虚拟设计25

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

2、是以虚拟现实（Virtual 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

3、用户及时提供视觉、 听觉、触觉等各种客观而又自然的实时感知交互手段，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

4、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-M

5、ounted 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

6、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，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，

7、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)建立一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

8、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

9、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

10、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。

11、(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

12、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 )，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

13、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

14、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

15、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，

16、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；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)

17、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 VR CAD 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

18、和设计质量，开发出更多具有市场竞争能力的、拥有自主知识产权的产品。虚拟设计技术不仅在科技界，而且 在企业界引起了广泛关注，成为研究的热点。5.2虚拟设计的关键技术虚拟设计的关键技术包括以下内容：(1) 全息产品的建模理论与方法。(2) 基于知识的设计包括设计知识的获取、 表达与应用：设计信息和知识的合理流向、转换与控制；设计知识的融合、管理与共享；从设计过程数据中挖掘设计知识。(3) 设计过程的规划、集成与优化包括设计活动的预规划和实时动态规划、设计活动的并行运作以及设计过程的冲突管理与协商处理。(4) 虚拟环境中的人机互动工程学。(5) 虚拟环境与设计过程的相互联系。(6) 产生虚拟环境的工

19、具集包括一般所需要的软件支撑系统以及能够接受各种高性能传感器信息，能生成立体的显示图形，能调用和互连各种数据库和CAD软件的各种系统。5.2.1建模技术(1)几何建模几何建模在广义上包括在计算机上处理几何对象的所有方法。几何建模的基础汇集了多门学科，如拓扑学、解析几何学、微分几何学、投影几何学、数字数学法、集合论和矩阵代 数学等，从而形成理论和应用信息科学专业领域，如软件工程、数据结构和图论等。各种领 域的这种组合构成几何建模的基础。三维几何体 的基本兀素是点、 线、面和体。如图 5-1所示，根据基 本构型的复杂程度 不同，可将几何模 型分为线框模型、 表面模型和实体模 型三种形式。(a)线框

20、建模(b)表面建模图5-1 三维建模(c)实体建模1) 线框模型 线框模型是表面模型与实体模型的基础，通过点元素和棱边元素定义并按层次排列成体一一边一一点关系，用物体的棱边或轮廓线(曲线、直线、圆弧)描述零件或产品的形状特征。识别一个物体，是以其棱边的组合结构表示的。顶点与棱边一经确定，物体就被唯一地确定。线框模型仅能描述物体的框架结构，而没有面的信息，故不能进行隐藏线 面的消除，不能显示物体的真实图像。2) 表面模型 用一组表面表示物体的外形，将棱边有序连接而构成实体的表面结构。表 面模型由于增加了面与棱边的关系，所以在数据结构上比线框模型复杂，表面模型所定义的 表面实际上完全定义了物体的边

21、界，但是物体的实心部分在边界表面的哪一侧是不明显的。 表面模型比线框模型增加了更多的几何信息，可以实现图形的消隐，产生色调图，计算表面 积以及数控加工轨迹。但表面模型没有体的信息，因此，表面模型难以保证被描述实体的拓 扑一致性，不能完整描述产品的几何特征和物理特征。表面模型可以主要由表面特征确定，是曲面也可以是平面。 对于曲面是自由曲面的情况，表面模型就理解为曲面模型。曲面模型在数学表示上有一套完整的理论和方法。曲面模型强 调表面的性质，如光滑性、连续性、凸凹性。这里，表面模型主要是指曲面模型。图5-2说明了自由曲面是如何生成的。在表面模型的基础上可以构造复杂的、具有美观性的表面。除了用交互的

22、方式生成自由 表面以外，大多数三维表面建模系统都提供了生成标准表面的可能性，如平面、柱面、锥面、球面和环面。视系统的不同，这些表面可以利用解析法， 或者插补法，亦或是逼近法来计算。表面模型的最大缺点在于表面无法自动形成一个实体，无法区别面的哪一侧是体内还是 体外。在设计时，设计者必须自己注意生成一个无缝隙的封闭的模型，其截面也不能被系统 识别，原因是表面模型只给出了外形特征而缺乏实体信息。3）实体模型 用基本体素构造物体，是表达和处理三维物体的一种完整表达模型。虽然控制点曲线两条曲线曲线和点八 * * * * , /输 入 的 数 据图5-2 自由曲面建模方法实体模型表示仍以表面模型的表面作为

23、边界，但从物体本身的意义讲，物体是实心的。它的 内部在表面的哪一侧是确定的，由表面围成的区域内部为物体的空间区域。在数据结构上实 体模型要比表面模型复杂，它将表面模型的表面定义成有向面，从而定义体在面的哪一侧。实体模型完整描述了物体的几何信息和拓扑信息。一个有效实体具有如下的性质： 刚件，即形状与位置及方向无； 有限性，即占有限空间； 封闭性，即集合运算与刚体运动不改变其有效实体的性质; 边界确定性； 维数一致性，即没有悬面和悬边。134可见这些模型的区别在于建模基本元素和基本数据的维数以及在于隐式或显式描述拓 扑关系的程度。建模几何基本元素的维数是应当区别于物体的维数和包围空间的维数的，它

24、是根据模型形式区别的。不同的几何模型对应着不同的造型方法，例如曲面模型的造型方法 适合自由曲面类表面的处理，在曲面的数控加工中有着广泛的应用。实体模型的造型方法则 更适合于规则物体的处理。对于造型方法来说，主要是将各种模型的表示转换成计算机能够 处理的形式，同时加入输入及输出功能， 以配合造型所需的数据信息的处理。（2）实体建模实体指的是在空间具有有限体积的物体，它既具有几何特性，如面积、形状和中心等， 又有物理特性，如质量、重心等。实体模型一般可以表示实体的几何和物理特性，采用这种 模型，可以得到如NC编程、有限元分析、虚拟装配等工程应用所需要的各种信息。三维实体建模也称体素建模，主要研究如

25、何方便地定义简单的几何形体（即体素），以及如何经过适当的布尔集合运算构造出所需的复杂形体，并在图形设备上输出的方法。其核心 问题是采用什么方法来表示实体，应用较为广泛的方法有构造实体几何法（CSG）、边界表示法（B-rep）、扫描法。1）构造实体几何法（CSG）将一简单的实体（又称为基本体素）进行一定的集合运算构成 所需设计的复杂物体。这些体素可以是形状简单的规则物体（如长方体、圆柱体等），也可以是由半空间构成的，如正方体是由半空间x0, xw 1; y0, yw 1; z0, z En 。(2) 机构模型及建模方法1) 机构模型的结构机构模型的结构见图5-12。对于机构的虚拟设计，要将现有的

26、实际机构分类分级，不同机构可能有不同的类、级、层，然后由零件构造机构，又由子机构构造 父机构，在此基础上构造机构模型的结构。机构模型呈树形，元模型作为叶节点，机构模型 要调用零件元模型的数据，父机构要用到子机构模型的数据，再上层的爷节点调用父节点的 数据，依此类推，一直到一个独立的部件或产品的独立部分为止，而且各层机构模型中要有 一个机构专家系统模块， 以便对各层机构的组成、 功能及机理进行映射。 这样分解机构模型, 即可使机构机理清晰，又能降低建模难度。2) 机构模型的建 模方法产品设计通 常是多人在计算机网 络上同时进行的，为 此，机构模型可采用 Age nt系统的方法建 模，每一个机构可

27、以 成为一个 Age nt， 个大的Age nt包含多 个小的Age nt。多 Age nt系统正好满足 机构模型中的多个子 机构组成一个父机构 的模式，不同粒度的 Age nt恰好能表明机 构的不同层次。在设 计时，不同设计人员可分别基于Internet/Intranet作为同一或不同 Agent同时进行机构设计,从而形成多Age nt系统。机构虚拟设计的基本 色分工列表和通信管理模块组成，见图5-13。Age nt结构由感知器、效应器、任务求解、角图5-13机构模型的基本 Agent结构感知器是Age nt接受外部世界 信息的感觉通道，可以感知其它 Age nt已成功设计的机构对本机构 设

28、计的影响。通信管理模块实际上 是一个通信控制器，负责与其它 Age nt进行交互的机制或协议，还 可调用外部元模型库中的元模型， 它包括用来具体控制消息传递的消 息门和对消息内容进行的解释器。 角色列表是本Age nt在系统中所承担的任务列表，并将任务定义成可求解的具体问题。任务求解模块是Agent的基于知识的设计核心部分，将从任务列表模块中传来的问题分别或同时指定给推理引擎和核心算法，推理 引擎是利用元模型库、机构组成专家知识库和数据库等进行设计求解；核心算法主要依赖载 荷分析和数据库进行强度、刚度等设计求解，任务求解主要包括求解管理、推理引擎/核心算法、数据库、知识库及其管理系统，此知识库

29、包括机构设计时所用到的多种专家系统，如某 层机构的组成、功能及机理等。效应器是本Age nt影响或改变其它 Age nt及环境的界面，完成的设计任务由它输出给系统并被其它Age nt所感知。（3）产品模型及建模方法1）产品模型的结构产品模型可能是多个模型的集合，应根据不同类型产品建立不同类型的模型集合，即要进行集成化建模。产品模型应是产品最高一个层次的模型，其结构见图5-14。（不同于机构的划分方一般情况下，将整个系统按不同功能的不同性质划分为几大模块图5- 14产品模型结构法），如机电 产品模型的 结构有动力 模块、电气 及控制模 块、传动变 速模块、执 行模块等， 然后再根据 产品不同功

30、能目的，为其建立产品的各方面性能的虚拟仿真模型；在各部件模型基础上，继承、归纳、 综合、抽象、提炼各机构部件模型的信息而形成产品的装配模型，从而形成集成化的产品模 型。考虑到集成化的产品模型的多目的虚拟仿真、虚拟装配要求，即每一模型可以完成某一 或多个仿真的目的，其中有可能包含面向结构的、面向几何的、面向特征的及面向知识的产 品模型。对于具体仿真模型来说，它可能是连续的，也可能是离散的，可能是时变的，也可 能是时不变的，基于不同目的仿真算法要根据具体情况来定，但总体上产品模型与元模型和 机构模型不同，它侧重的是基于产品各方面性能的仿真模型。2）产品模型的建模集成化产品模型中各模型的数据传输、交

31、换和共享是极为重要的，它本身也是建模的一部分。为实现集成化产品建模，一种重要方法是使用ISO的产品数据交换标准一一STEP,STEP标准定义了一种中性的格式，用于产品数据的表达与交换。 使用STEP 标准可在产品生命周期中实现所有与产品相关的数据的完整表达，因此，它适合于集成建模。设 M1,M2J|,Mn,D?为集成化的模型，其中，D为基于特征的产品虚拟装配模型，M1,M2l（,Mn为基于不同目的的仿真模型，Mi为基于某一目的的仿真模型，M i =皿作1巴,|(尺,1 , F为基于知识的仿真表达式，t为仿真时间，二J,，2,|)k !为仿真参数集，若 F =Fi,F2,|H，Fs1 , F M

32、i，由此n个仿真模型，得到n组动态模型数据，通过t触发和推进仿真进程。每个性能仿真模型的数据格式都 采用STEP标准，在产品层面上，由系统开发者根据开发目标，对产品特征、性能仿真的需 要进行基于不同目的信息建模和集成，参照STEP应用协议AP214，建立面向并行工程应用的特征信息模型，用Express表达，该模型经Express2expg处理后，可以转换成Express-G的 图形化模型，以便于虚拟现实的可视化。装配模型D可用基于约束的层次方法建模。若干个元模型组成机构模型，若干机构模型 组成产品的部件模型集，部件模型再构成整个产品的装配树模型。根节点为产品，中间节点 是部件和机构，叶节点是元模型。5.3虚拟设计软件完整意义上的虚拟环境由硬件、软件和用户界面三个部分组成。如果把虚拟环境的硬件部分看作其肢体，则虚拟现实环境的软件控制部分就是其大脑。(1) 语言类软件语言类软件如 VRML、Fortran、C+ +、Java、OpenGL等都可以作为开发应用程序的语 言工具。下面主要介绍 VRML。虚拟现实造型语言 VRML(Virtual Reality Modeling Language) 是描述3D虚拟场景的一种 标准，