虚拟设计概述

1、先进设计系统先进设计系统2022-2-16第第 14章章 虚拟设计虚拟设计1先进设计系统机械系统设计机械系统设计l第 8 章 生产线l第 9 章 概念设计l第 10章 总体设计l第 11章 详细设计l第 12章 设计评价l第 13章 创新设计l第第 14章章 虚拟设计虚拟设计l第第 15章章 智能设计智能设计先进设计系统先进设计系统2022-2-16第第 14章章 虚拟设计虚拟设计2第第 14章章 虚拟设计虚拟设计14.1 虚拟现实虚拟现实14.2 虚拟设计虚拟设计的概念与技术体系的概念与技术体系14.3 虚拟设计系统虚拟设计系统的功能与结构的功能与结构14.4 虚拟设计系统的虚拟设计系统的硬

2、件配置硬件配置14.5 虚拟设计的虚拟设计的应用应用先进设计系统先进设计系统2022-2-16第第 14章章 虚拟设计虚拟设计314.1 虚拟现实虚拟现实l14.1.1 虚拟现实的发展与组成虚拟现实的发展与组成l14.1.2 虚拟现实的功能与特征虚拟现实的功能与特征l14.1.3 虚拟环境虚拟环境l14.1.4 虚拟现实系统的类型与结构虚拟现实系统的类型与结构先进设计系统先进设计系统2022-2-16第第 14章章 虚拟设计虚拟设计414.1.1 虚拟现实的发展与组成虚拟现实的发展与组成l产品开发产品开发流程流程已从断续已从断续的计算机辅助向计算机支的计算机辅助向计算机支持产品开发的全过程转变

3、。持产品开发的全过程转变。这种过程的结合性在数字这种过程的结合性在数字化的过程描述中得到了表化的过程描述中得到了表达。由于对集成的要求，达。由于对集成的要求，几何的二维处理已逐渐转几何的二维处理已逐渐转变为三维处理。几何模型变为三维处理。几何模型转变为虚拟的产品模型，转变为虚拟的产品模型，借助虚拟的产品模型，产借助虚拟的产品模型，产品开发过程的所有任务都品开发过程的所有任务都可以得到支持。可以得到支持。图图14-1 基于头盔式显示器的系统基于头盔式显示器的系统先进设计系统先进设计系统2022-2-16第第 14章章 虚拟设计虚拟设计514.1.1 虚拟现实的发展与组成虚拟现实的发展与组成l“虚

4、拟虚拟”有三层含义：有三层含义：它意味着完全数字化的方法；它意味着完全数字化的方法；它是在虚拟企业的意义上通过网络分布式的工作方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；式来达到；它使用虚拟现实（它使用虚拟现实（Virtual Reality，VR）技术。）技术。l专家预言：未来所有复杂产品都可用虚拟方式产生专家预言：未来所有复杂产品都可用虚拟方式产生l有人称有人称21世纪为世纪为“VR时代时代”。 先进设计系统先进设计系统2022-2-16第第 14章章 虚拟设计虚拟设计614.1.1 虚拟现实的发展与组成虚拟现实的发展与组成l虚拟现实虚拟现实(Virtual Reality，V

5、R)l是计算机交互界面上的一种技术，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，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，动作起来是真实的，声音听起来是真实的，声音听起来是真实的，感觉起来是真实的。感觉起来是真实的。l用户进入这个界面后，是界面上所显示的世界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。中的一个参与者而不是一个被动的观察者。lVR利用一种特殊环境，使用户可以陶醉在工作利用一种特殊环境，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。之中，体验比现实世界更加丰富的感受。 先进设计系统先进设计系统2022

6、-2-16第第 14章章 虚拟设计虚拟设计714.1.1 虚拟现实的发展与组成虚拟现实的发展与组成l虚拟现实虚拟现实鼻祖是鼻祖是20世纪世纪30年代的飞行模拟器。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。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。的乒乓球的电子游戏。1963年年Ivan Swthland提出提出“虚拟现实虚拟现实”这个概念。这个概念。l1985年用头盔显示器年用头盔显示器(Head Mounted Display，HMD)来显来显示计算机图形。示

7、计算机图形。第一台基于第一台基于LCD的封闭头盔显示器，使用的封闭头盔显示器，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。目前已有低，且显示器是单色的。目前已有20多家厂商提供的多家厂商提供的40多多种种HMD产品。产品。l虚拟现实引用了虚拟现实引用了CAD中的图形学，独立发展为一种新领域中的图形学，独立发展为一种新领域先进设计系统先进设计系统2022-2-16第第 14章章 虚拟设计虚拟设计814.1.1 虚拟现实的发展与组成虚拟现实的发展与组成l虚拟现实虚拟现实VR的组成的组成 图图14-2 lVR系统为用户

8、提供系统为用户提供视觉、听觉、视觉、听觉、触觉、嗅觉触觉、嗅觉甚至甚至味觉味觉的多感知。的多感知。lVR技术的相关技术包括技术的相关技术包括 计算机图形学计算机图形学 图像处理与模式识别图像处理与模式识别 智能接口技术智能接口技术 人工智能技术人工智能技术 多传感器技术多传感器技术 多媒体技术（语音处理与音响技术）多媒体技术（语音处理与音响技术） 计算机仿真技术计算机仿真技术 网络技术网络技术 并行处理技术并行处理技术 高性能计算机系统高性能计算机系统图图14-2虚拟现实的组成虚拟现实的组成1交互作用交互作用 Interaction2视觉视觉 Visual Perception3听觉听觉 Ac

9、oustic Perception4触觉触觉 Tactile Perception5嗅觉嗅觉 Olfactory Perception先进设计系统先进设计系统2022-2-16第第 14章章 虚拟设计虚拟设计914.1.2 虚拟现实的功能与特征虚拟现实的功能与特征(1) 虚拟现实的功能虚拟现实的功能1)给用户制造一个三维现实世界的感觉。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

10、。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。行评价而不需要预先编程。l虚拟现实是要达到增强现实的目的，即用虚拟物体来丰富、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。增强真实的环境，而不是用它来代替真实的环境。 先进设计系统先进设计系统2022-2-16第第 14章章 虚拟设计虚拟设计1014.1.2 虚拟现实的功能与特征虚拟现实的功

11、能与特征（2）虚拟现实的）虚拟现实的3个基本特征个基本特征lImmersion 沉浸：沉浸： 在虚拟环境中，操作者应能在虚拟环境中，操作者应能很好地感觉各种不同的刺激很好地感觉各种不同的刺激lInteraction 交互：交互： 操作者能对虚拟环境中的对操作者能对虚拟环境中的对象进行操作，并能感觉操作象进行操作，并能感觉操作的结果的结果lImagination 想象：想象： 操作者能感到虚拟环境中的操作者能感到虚拟环境中的对象是对象是 自主的、可操作的，自主的、可操作的，对象的行为符合物理规律对象的行为符合物理规律 图图14-3 虚拟现实的虚拟现实的3个个I先进设计系统先进设计系统2022-2

12、-16第第 14章章 虚拟设计虚拟设计1114.1.3 虚拟环境虚拟环境l虚拟环境虚拟环境Virtual Environment是体现了虚拟现实所具备是体现了虚拟现实所具备的功能的的功能的一种计算机环境一种计算机环境l图14-4中采用的设备：采用的设备：l显示器：显示器：头盔或立体眼头盔或立体眼镜和屏幕，显示出虚拟环镜和屏幕，显示出虚拟环境的影像；境的影像；l 6自由度跟踪器，自由度跟踪器，包括包括信息手套，信息接收器，信息手套，信息接收器，声音识别装置等。声音识别装置等。l软件有：软件有：图形处理器，图形处理器， 声音处理器等声音处理器等。图图14-4 虚拟环境的组成虚拟环境的组成先进设计系

13、统先进设计系统2022-2-16第第 14章章 虚拟设计虚拟设计1214.1.3 虚拟环境虚拟环境l虚拟环境必备的三个条件：虚拟环境必备的三个条件：1)和用户交互和用户交互。用户可以用各种方法和虚拟环境交互，如手的姿。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。可以触摸交互。2)实时反映所交互的影像实时反映所交互的影像。显帧率。显帧率(Frame rate)最好是最好是

14、25帧帧/s，最，最少是少是10帧帧/s。每帧安排。每帧安排1 3005 000个多面体。个多面体。3)用户有自主性用户有自主性。用户作为环境中的一分子，有感觉地参与到虚。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，首先要具备拟环境中去，要达到这个目的，首先要具备1)、2)两个条件。两个条件。用户的感受是沉浸在虚拟环境之中。用户的感受是沉浸在虚拟环境之中。l在虚拟环境中，可以使用户形成一种直觉的感受。在虚拟环境中，可以使用户形成一种直觉的感受。例如，用户例如，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

15、个车间内来回走动，考查仿真加工的效果。可以在一个车间内来回走动，考查仿真加工的效果。先进设计系统先进设计系统2022-2-16第第 14章章 虚拟设计虚拟设计1314.1.4 虚拟现实系统的类型与结构虚拟现实系统的类型与结构l根据用户参与的形式及沉浸的程度不同，根据用户参与的形式及沉浸的程度不同，VRS可划分为可划分为4类。类。1）分布式虚拟现实系统。）分布式虚拟现实系统。它是可供多用户同时异地参与的、基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。于网络的、分布式虚拟环境。2）增强现实性的虚拟现实系统。）增强现实性的虚拟现实系统。它不仅利用它不仅利用VR技术来模拟现技术来模拟现实

16、世界，而且利用它增强现实中无法或不方便感知的感受。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。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。）沉浸的虚拟现实系统。提供完全沉浸的功能，使用户有一种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。置身于虚拟境界之中的感觉。4）桌面虚拟现实系统。）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过各

17、种输入设备实现与虚拟现实世界的充分交互。先进设计系统先进设计系统2022-2-16第第 14章章 虚拟设计虚拟设计1414.1.4 虚拟现实系统的类型与结构虚拟现实系统的类型与结构l目前，目前，分布式虚拟现实系统分布式虚拟现实系统的研究基于两类网络平台的研究基于两类网络平台。在在Internet上，上，这可追溯到早期基于文本的多参与者游戏这可追溯到早期基于文本的多参与者游戏MUD，还有基于，还有基于虚拟现实建模语言虚拟现实建模语言(VRML)标准的远程虚拟标准的远程虚拟购物等。购物等。VRML是一种可以发布是一种可以发布3D网页的跨平台语言，可提网页的跨平台语言，可提供供种更自然的体验方式，包

18、括交互性、动态效果、延续性，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。以及用户参与探索。在高速专用网上，在高速专用网上，如采用如采用异步传输模式异步传输模式(ATM)技术的美国军技术的美国军方的国防仿真互联网。最早的是方的国防仿真互联网。最早的是1983年美国陆军制定的虚拟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。环境研究计划，进行各种复杂任务的作战演练。从从1994年开年开始，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，建成了场的研究，建成了个包括海陆空多兵种、有个包括海陆空多兵种

19、、有3 700多个仿真多个仿真实体参与的地域范围覆盖实体参与的地域范围覆盖500km750km的军事演练环境。的军事演练环境。先进设计系统先进设计系统2022-2-16第第 14章章 虚拟设计虚拟设计1514.1.4 虚拟现实系统的类型与结构虚拟现实系统的类型与结构l常见的常见的沉浸式系统沉浸式系统有有3种：种：l基于头盔式显示器的系统。基于头盔式显示器的系统。在这种系统中，参与虚拟体在这种系统中，参与虚拟体验者要戴上一个头盔式显示验者要戴上一个头盔式显示器，视觉、听觉与外界限绝，器，视觉、听觉与外界限绝，根据应用的不同，系统将提根据应用的不同，系统将提供能随头部转动而随之产生供能随头部转动而

20、随之产生的具有立体视觉的三维空间。的具有立体视觉的三维空间。通过语音识别、数据手套、通过语音识别、数据手套、数据服装等先进的接口设备，数据服装等先进的接口设备，使参与者以自然的方式与虚使参与者以自然的方式与虚拟世界进行交互，如同现实拟世界进行交互，如同现实世界一样。世界一样。图图14-1 基于头盔式显示器的系统基于头盔式显示器的系统先进设计系统先进设计系统2022-2-16第第 14章章 虚拟设计虚拟设计1614.1.4 虚拟现实系统的类型与结构虚拟现实系统的类型与结构l常见的沉浸式系统有常见的沉浸式系统有3种种l投影式虚拟现实系统投影式虚拟现实系统 图，图，摄像机摄像机，计算机计算机，视频投

21、影仪视频投影仪，屏幕屏幕l它可以让它可以让参与者参与者从一个从一个屏幕上看到他本身在虚屏幕上看到他本身在虚拟境界中的形象。拟境界中的形象。l参与者还可以与虚拟空参与者还可以与虚拟空间进行实时交互，计算间进行实时交互，计算机可识别参与者的动作，机可识别参与者的动作，并根据用户的动作改变并根据用户的动作改变虚拟空间。虚拟空间。l如，来回拍一个虚拟的球或走动等，这可如，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。使得参与者感觉就像是在真实空间一样。图图14-5 14-5 投影式虚拟现实系统投影式虚拟现实系统先进设计系统先进设计系统2022-2-16第第 14章章 虚拟设计虚拟

22、设计1714.1.4 虚拟现实系统的类型与结构虚拟现实系统的类型与结构l常见的常见的沉浸式系统沉浸式系统有有3种：种：l远程存在系统。远程存在系统。远程存在系统是一种虚拟现实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，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馈装置跟踪操作者的运动

23、，反馈远地的运动过程（如阻尼、碰撞等（如阻尼、碰撞等)，并把动作传送到远地完成。，并把动作传送到远地完成。 先进设计系统先进设计系统2022-2-16第第 14章章 虚拟设计虚拟设计1814.1.4 虚拟现实系统的类型与结构虚拟现实系统的类型与结构虚虚拟拟现现实实系系统统的的结结构构虚拟手部控制器虚拟手部控制器图图14-6 虚拟现实系统的一种结构虚拟现实系统的一种结构先进设计系统先进设计系统2022-2-16第第 14章章 虚拟设计虚拟设计1914.2 虚拟设计的概念与技术体系虚拟设计的概念与技术体系l14.2.1 虚拟设计虚拟设计l14.2.2 虚拟制造虚拟制造l14.2.3 虚拟原型虚拟原

24、型l14.2.4 虚拟设计与其他概念之间的关系虚拟设计与其他概念之间的关系l14.2.5 虚拟设计技术体系虚拟设计技术体系先进设计系统先进设计系统2022-2-16第第 14章章 虚拟设计虚拟设计2014.2.1 虚拟设计虚拟设计l虚拟设计虚拟设计Virtual Design，VD是指设计者在虚拟环境中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。段在虚拟环境中对参数化的模型进行修改。l虚拟不等于虚幻、虚无，而是虚拟不等于虚幻、虚无，而是“本质本质”的意思，的意思， 是指通过数字化手段对物质

25、世界的真实表现，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。亦即对真实世界的动态模拟。l设计则泛指围绕产品全生命周期的整个设计活动过程。设计则泛指围绕产品全生命周期的整个设计活动过程。l虚拟设计是虚拟现实技术在产品设计中的应用或实现。虚拟设计是虚拟现实技术在产品设计中的应用或实现。 图图14-7 14-7 汽车的虚拟设计汽车的虚拟设计先进设计系统先进设计系统2022-2-16第第 14章章 虚拟设计虚拟设计2114.2.2 虚拟制造虚拟制造lVD和和虚拟制造虚拟制造 (Virtual Manufacture，VM)既有联系又有区别既有联系又有区别lVM是指利用计算机模型

26、和仿真来实现产品的制造。是指利用计算机模型和仿真来实现产品的制造。l从某种意义上说，从某种意义上说，VD是是VM的重要组成部分。的重要组成部分。l根据目前根据目前VM研究中不同的侧重点，可将研究中不同的侧重点，可将VM归纳成归纳成3类类1)以设计为中心的虚拟制造。以设计为中心的虚拟制造。这就是虚拟设计。它将制造信息这就是虚拟设计。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并且在计算机中进行数字化的字化的“制造制造”。其主要目的是尽早发现设计中潜在的问题。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。以生产为中心的虚拟制造。

27、将仿真能力加入到生产计划模型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。境的配置和生产的供给计划。3)以控制为中心的虚拟制造。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。程，改进制造系统。先进设计系统先进设计系统2022-2-16第第 14章章 虚拟设计虚拟设计2214.2.3 虚拟原型虚拟原型l虚拟原型虚拟原型(Virtual

28、Prototype) 也叫也叫虚拟产品虚拟产品(Virtual Product)、 虚拟样机虚拟样机lVP是虚拟环境中的产品模型，是虚拟环境中的产品模型， 是基于知识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。是现实世界中的产品模型在虚拟环境中的映像。 虚拟原型虚拟原型的的核心核心是是机械系统运动学和动力学仿真技术，机械系统运动学和动力学仿真技术， 同时还包括：同时还包括： 三维三维CAD建模技术、建模技术、 有限元分析技术、有限元分析技术、 机电液控制技术、机电液控制技术、 最优化技术最优化技术 等相关技术。等相关技术。先进设计系统先进设计系统2022-2-1

29、6第第 14章章 虚拟设计虚拟设计2314.2.3 虚拟原型虚拟原型l虚拟原型的特点：虚拟原型的特点：1）是数字化定义的产品模型。）是数字化定义的产品模型。图图14-8 2) 应该具有其物理原型的形体和表现，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。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；几何外形信息是全面和完整的； 产品的结构信息是详尽的。产品的结构信息是详尽的。3) 应该能以自然方式被人感受应该能以自然方式被人感受l虚拟原型虚拟原型的发展将增强的发展将增强虚拟设计虚拟设计的能力，的能力，l虚拟设计虚拟设计为为虚拟原型虚拟原型提供了应用环境。提供

30、了应用环境。图图14-8 渲染几何体的细部渲染几何体的细部先进设计系统先进设计系统2022-2-16第第 14章章 虚拟设计虚拟设计2414.2.4 虚拟设计与其他概念之间的关系虚拟设计与其他概念之间的关系(1)虚拟设计虚拟设计与与仿真仿真。l虚拟设计虚拟设计依靠依靠仿真技术仿真技术来模拟设计、装配和生产过程，来模拟设计、装配和生产过程，使设计者可以在计算机中使设计者可以在计算机中“制造制造”产品。产品。l仿真仿真是是虚拟设计虚拟设计的基础，而的基础，而虚拟设计虚拟设计是是仿真仿真的扩展。的扩展。l传统意义上的传统意义上的仿真仿真一般不强调实时性，用户基本上是一般不强调实时性，用户基本上是“旁

31、观者旁观者”，没有，没有“身临其境身临其境”的感觉。的感觉。l在在虚拟设计虚拟设计中，模型往往是动态的。用户看到的景象会中，模型往往是动态的。用户看到的景象会随视点的变化即时改变、可以和场景中物体进行交互、随视点的变化即时改变、可以和场景中物体进行交互、让感官接收到在真实情况中才能接收到的信息，增加了让感官接收到在真实情况中才能接收到的信息，增加了现场的沉浸感使人现场的沉浸感使人“身临其境身临其境”。先进设计系统先进设计系统2022-2-16第第 14章章 虚拟设计虚拟设计2514.2.4 虚拟设计与其他概念之间的关系虚拟设计与其他概念之间的关系(2)虚拟设计与虚拟设计与计算机图形学计算机图形

32、学。l虚拟设计虚拟设计依靠依靠计算机图形学计算机图形学来建立计算机内的数字化模来建立计算机内的数字化模型，这种模型可以表达三维的立体数据，还可以像真实型，这种模型可以表达三维的立体数据，还可以像真实物品一样可视、可运动。物品一样可视、可运动。l从人机交互的自然程度来看，从人机交互的自然程度来看， 虚拟设计虚拟设计要远胜于在要远胜于在计算机图形学计算机图形学基础上建立的基础上建立的CADCAD系统，而系统，而且且虚拟设计虚拟设计更强调用户感知方式的多样性，可使用户更更强调用户感知方式的多样性，可使用户更“直接直接”地感知模型的物理特性。地感知模型的物理特性。 CADCAD模型模型往往是提供给专业

33、人员使用，而往往是提供给专业人员使用，而虚拟设计虚拟设计更支持不同更支持不同技术背景，甚至非专业人员进行评价与讨论。技术背景，甚至非专业人员进行评价与讨论。l从基础技术上看，从基础技术上看，计算机图形学计算机图形学又是又是虚拟设计虚拟设计的基础，的基础，虚拟设计虚拟设计采用的虚拟现实技术，大量采用采用的虚拟现实技术，大量采用计算机图形技计算机图形技术术来渲染场景，增加场景真实性。来渲染场景，增加场景真实性。先进设计系统先进设计系统2022-2-16第第 14章章 虚拟设计虚拟设计2614.2.4 虚拟设计与其他概念之间的关系虚拟设计与其他概念之间的关系(3)虚拟设计与可视化虚拟设计与可视化。l

34、可视化可视化是一种计算机方法，它将信号转换成图形或图像，使研究是一种计算机方法，它将信号转换成图形或图像，使研究者能观察他们的模拟与计算，以丰富科学发现的过程。者能观察他们的模拟与计算，以丰富科学发现的过程。l按模拟执行与结果图像的结合程度，可视化研究分为按模拟执行与结果图像的结合程度，可视化研究分为3个层次个层次： 后置处理后置处理：图形显示是在数据计算后产生的，与数据源之间没有交互，其：图形显示是在数据计算后产生的，与数据源之间没有交互，其优点是结果图像可方便地重复显示，如计算流体力学、有限元计算结果的优点是结果图像可方便地重复显示，如计算流体力学、有限元计算结果的后置处理后置处理 跟踪跟

35、踪：图形显示与计算过程同时进行，特点：图形显示与计算过程同时进行，特点：是计算中间结果及最后结是计算中间结果及最后结果都能及时显示，因而对计算中的错误可以及早发现，必要时可以停止执果都能及时显示，因而对计算中的错误可以及早发现，必要时可以停止执行，行，图像直接从数据中产生，甚至数据无须写入存储介质中。图像直接从数据中产生，甚至数据无须写入存储介质中。 控制控制：在计算过程中对参数进行修改，对数值模拟进行直接控制和引导。：在计算过程中对参数进行修改，对数值模拟进行直接控制和引导。l当当可视化可视化达到控制层次时，应可纳入达到控制层次时，应可纳入VR的范畴，的范畴， 可视化可视化主要强调了主要强调

36、了“视觉视觉”通道的人机界面。通道的人机界面。l虚拟设计虚拟设计为了揭露为了揭露虚拟原型虚拟原型的本质的本质功能、性能，功能、性能， 可视化可视化技术是其关键的支撑技术。技术是其关键的支撑技术。先进设计系统先进设计系统2022-2-16第第 14章章 虚拟设计虚拟设计2714.2.4 虚拟设计与其他概念之间的关系虚拟设计与其他概念之间的关系(4)虚拟设计与多媒体技术。虚拟设计与多媒体技术。l多媒体技术多媒体技术中的中的“媒体媒体” Multimedia一词，其含义是信息的载一词，其含义是信息的载体，如图形、文字、声音、图像等。体，如图形、文字、声音、图像等。计算机中的信息通过这些媒体来表达。计

37、算机中的信息通过这些媒体来表达。如果媒体携带的信息种类仅有一种，则此媒体称如果媒体携带的信息种类仅有一种，则此媒体称 单媒体单媒体如果媒体携带的信息是文、图和声的综合，则称多媒体如果媒体携带的信息是文、图和声的综合，则称多媒体多媒体技术就是以计算机为核心的集多媒体技术就是以计算机为核心的集图、文、声、像图、文、声、像处理技处理技术于术于体的综合性处理技术。体的综合性处理技术。l多媒体技术多媒体技术虽然强调了多种信息虽然强调了多种信息“通道通道”，但主要还是提供视觉，但主要还是提供视觉与听觉，感知范围没有与听觉，感知范围没有虚拟设计虚拟设计中关键技术中关键技术VR广，广，虚拟设计虚拟设计还还包括

38、了触觉、力觉等感知包括了触觉、力觉等感知。l一般说来，一般说来，多媒体技术多媒体技术不强调人机交互性，如可视场景不随用户不强调人机交互性，如可视场景不随用户视点而变，因此，它提供的真实感不同于视点而变，因此，它提供的真实感不同于VR的存在感的存在感。先进设计系统先进设计系统2022-2-16第第 14章章 虚拟设计虚拟设计2814.2.4 虚拟设计与其他概念之间的关系虚拟设计与其他概念之间的关系(5)虚拟设计虚拟设计与与虚拟企业虚拟企业。 Virtual Enterprisel虚拟企业虚拟企业是敏捷制造的动态组织形态。是敏捷制造的动态组织形态。l它是指为了赢得某它是指为了赢得某市场机遇，围绕某

39、种新产品开发，通过选市场机遇，围绕某种新产品开发，通过选用不同组织或公司的优势资源，综合成单一的靠网络通信联系用不同组织或公司的优势资源，综合成单一的靠网络通信联系的阶段性经营实体，也称的阶段性经营实体，也称动态联盟动态联盟。l动态联盟动态联盟具有集成性和实效性两大特点，它实质上是不同组织具有集成性和实效性两大特点，它实质上是不同组织或企业间的动态集成，随市场机遇的存亡而聚散。或企业间的动态集成，随市场机遇的存亡而聚散。l在在虚拟企业虚拟企业中的伙伴能共享受生产、工艺和产品的信息，中的伙伴能共享受生产、工艺和产品的信息， 这些信息以数据的形式表示，能够分布到不同的计算环境中。这些信息以数据的形

40、式表示，能够分布到不同的计算环境中。l虚拟企业虚拟企业和和虚拟设计虚拟设计没有很强的相互依赖关系。没有很强的相互依赖关系。l虚拟企业虚拟企业强调网络环境下快速和敏捷的生产经营组织和管理。强调网络环境下快速和敏捷的生产经营组织和管理。l虚拟设计虚拟设计的重点是仿真产品的生命周期中的各个活动。的重点是仿真产品的生命周期中的各个活动。先进设计系统先进设计系统2022-2-16第第 14章章 虚拟设计虚拟设计29VD与与7个个概念的辨别概念的辨别l虚拟设计虚拟设计VDVD的概念与相关的的概念与相关的7 7个概念有相对独立性。个概念有相对独立性。虚拟制造虚拟制造是指利用计算机模型和仿真来实现产品的制造。

41、是指利用计算机模型和仿真来实现产品的制造。 以设计为中心的虚拟制造就是以设计为中心的虚拟制造就是VDVD。虚拟原型虚拟原型增强增强VDVD的能力，的能力，VDVD为虚拟原型提供了应用环境。为虚拟原型提供了应用环境。仿真仿真不强调实时性。仿真是不强调实时性。仿真是VDVD的基础，而的基础，而VDVD是仿真的扩展是仿真的扩展。计算机图形学计算机图形学是建立是建立CADCAD系统的基础。系统的基础。 VDVD依靠计算机图形学来建立计算机内的数字化模型依靠计算机图形学来建立计算机内的数字化模型。可视化可视化达到控制层次，就进入达到控制层次，就进入VDVD的范畴，的范畴， 可视化技术是可视化技术是VDV

42、D关键的支撑技术。关键的支撑技术。多媒体技术多媒体技术一般不强调人机交互。它主要是提供视觉与听觉，一般不强调人机交互。它主要是提供视觉与听觉，VDVD包括了触觉、力觉等感知包括了触觉、力觉等感知。虚拟企业虚拟企业强调环境下快速和敏捷的生产经营组织和管理。强调环境下快速和敏捷的生产经营组织和管理。 VDVD的重点是仿真产品的生命周期中的各个活动的重点是仿真产品的生命周期中的各个活动。先进设计系统先进设计系统2022-2-16第第 14章章 虚拟设计虚拟设计3014.2.5 虚拟设计技术体系虚拟设计技术体系l虚拟设计的虚拟设计的“三要素三要素”是：产品定义数据、是：产品定义数据、 环境定义数据、产

43、品与环境的交互作用规律。环境定义数据、产品与环境的交互作用规律。l虚拟设计虚拟设计意味着用数字模型代替物理原型来进行产品设计中的意味着用数字模型代替物理原型来进行产品设计中的分析与评价。它以产品的分析与评价。它以产品的CAD模型为基础，应用不同的分析方模型为基础，应用不同的分析方法可以检验并改进设计结果。法可以检验并改进设计结果。CAE系统，如有限元方法系统，如有限元方法(FEM)动力学和运动学仿真可以提供有关产品性能的详细信息。动力学和运动学仿真可以提供有关产品性能的详细信息。l虚拟设计虚拟设计将动画和虚拟现实技术与建模和仿真方法结合，为产将动画和虚拟现实技术与建模和仿真方法结合，为产品开发

44、提供了新的可能方法，使不同的设计方案可以进行快速品开发提供了新的可能方法，使不同的设计方案可以进行快速评价。评价。与物理原型相比，与物理原型相比，虚拟原型生成快，能直接操作和修改，虚拟原型生成快，能直接操作和修改，数据是可重用的。应用虚拟设计技术可以大大减少对真实原型数据是可重用的。应用虚拟设计技术可以大大减少对真实原型的需求数量，并加快产品和工艺开发。这意味着极大地减少开的需求数量，并加快产品和工艺开发。这意味着极大地减少开发费用。发费用。先进设计系统先进设计系统2022-2-16第第 14章章 虚拟设计虚拟设计3114.2.5 虚拟设计技术体系虚拟设计技术体系l图图14-9虚拟环境下的产品

45、开发从概念设计、详细设计、数字原型支持下的各种性能分析和仿真、以及虚拟虚拟环境下的产品开发从概念设计、详细设计、数字原型支持下的各种性能分析和仿真、以及虚拟原型支持下的各种性能分析，在各种技术的支撑下，实现产品开发的各个阶段在计算机上的虚拟化。原型支持下的各种性能分析，在各种技术的支撑下，实现产品开发的各个阶段在计算机上的虚拟化。图图14-9 14-9 虚拟设计技术的体系框图虚拟设计技术的体系框图概念概念设计设计用户需求用户需求系统功能系统功能分功能分功能系统综合系统综合初模型初模型详细详细设计设计功能设计功能设计结构设计结构设计性能性能设计设计数字数字原型原型有限元分析有限元分析性能分析性能

46、分析运动学仿真试验运动学仿真试验动力学仿真试验动力学仿真试验虚拟原型虚拟原型可制造性分析可制造性分析人因工程分析人因工程分析可维修性分析可维修性分析可装配性分析可装配性分析虚拟试验与测试虚拟试验与测试产品产品开发开发产品生命产品生命周期管理周期管理技术技术集成集成技术技术支撑技术支撑技术优化优化技术技术可视可视化化技术技术虚拟虚拟现实现实技术技术仿真仿真技术技术建模建模技术技术评价评价方法方法数据数据库库技术技术网络网络技术技术人因人因工程工程学学先进设计系统先进设计系统2022-2-16第第 14章章 虚拟设计虚拟设计3214.3 虚拟设计系统的功能与结构虚拟设计系统的功能与结构l14.3.

47、1 需要传送数据的需要传送数据的VDSl14.3.2 不需要传送数据的不需要传送数据的VDSl14.3.3 虚拟设计系统虚拟设计系统的特点的特点先进设计系统先进设计系统2022-2-16第第 14章章 虚拟设计虚拟设计3314.3.1 需要传送数据的需要传送数据的VDSl虚拟设计系统虚拟设计系统(VDS)：基于：基于VR技术的技术的CAD系统。系统。l一个一个VDS要具备要具备3个功能：个功能：1) 3D用户界面。用户界面。设计者用手势、声音、球标等多种方式设计者用手势、声音、球标等多种方式进行交互。进行交互。2) 选择参数。选择参数。设计者用各种交互方式选择或激活一个在设计者用各种交互方式选

48、择或激活一个在虚拟环境中的数据修改原来的数据。参数修改后，在虚拟环境中的数据修改原来的数据。参数修改后，在虚拟环境中的模型变成新模型。虚拟环境中的模型变成新模型。3) 数据传送机制。数据传送机制。模型修改后所生成的数据要传送到模型修改后所生成的数据要传送到CAD/CAM系统，在虚拟环境中所修改的模型有时还系统，在虚拟环境中所修改的模型有时还要返回到要返回到CAD/CAM系系B/S统中进行精确整理和再输出统中进行精确整理和再输出图形。这是双向数据传送机制。图形。这是双向数据传送机制。先进设计系统先进设计系统2022-2-16第第 14章章 虚拟设计虚拟设计3414.3.1 需要传送数据的需要传送

49、数据的VDSl图中下方的方框中比较成熟的部分。VR部分由数据源、数据接口、核心层、VR应用层、C/S层或者B/S层组成，通过网络与客户取得联系；开展协同工作。图图14-10 虚拟设计系统的结构虚拟设计系统的结构Client/Server层层虚拟现实应用层虚拟现实应用层核心层核心层先进设计系统先进设计系统2022-2-16第第 14章章 虚拟设计虚拟设计3514.3.1 需要传送数据的需要传送数据的VDSl根据是否需要传送数据，可以将根据是否需要传送数据，可以将VDS分为两种：分为两种：1）需要传送数据的）需要传送数据的VDS， 它包含一个独立的它包含一个独立的CAD/CAM系统，系统， 为虚拟

50、环境提供建造模型的功能。为虚拟环境提供建造模型的功能。2）不必有数据传送的）不必有数据传送的VDS ， 在虚拟环境中建造模型，称为在虚拟环境中建造模型，称为VR-CAD系统系统。 先进设计系统先进设计系统2022-2-16第第 14章章 虚拟设计虚拟设计3614.3.1 需要传送数据的需要传送数据的VDS图图14-11 VEDAM-虚拟设计、装配和制造系统虚拟设计、装配和制造系统主界面主界面用用 户户数据数据集成器集成器参数化参数化CAD/CAM系统系统VDEVAEVMEMMEVEDAM先进设计系统先进设计系统2022-2-16第第 14章章 虚拟设计虚拟设计3714.3.1 需要传送数据的需

51、要传送数据的VDSl图图14-11一个设计、装配和制造虚拟环境系统（一个设计、装配和制造虚拟环境系统（VEDAM）的基本原理。）的基本原理。lVAE是虚拟装配环境，是虚拟装配环境，VME是虚拟制造环境，是虚拟制造环境，VDE是虚拟设计环境。是虚拟设计环境。l在本系统中，在本系统中，VDE、VAE和和VME可独立使用。可独立使用。l参数化参数化CAD/CAM系统可以系统可以Pro/Engineer，或，或Auto CAD等。等。1）MME。它是用户用它是用户用“参数化参数化CAD/CAM系统系统”建造产品模型后的储存处。建造产品模型后的储存处。 它是它是VEDAM系统中唯一的一个不在沉浸环境中的

52、模块。系统中唯一的一个不在沉浸环境中的模块。2）主界面。）主界面。它是用户和虚拟环境交互的主要界面，它可以是头盔中的显示器，它是用户和虚拟环境交互的主要界面，它可以是头盔中的显示器，也可以是计算机屏幕、大投影屏幕。也可以是计算机屏幕、大投影屏幕。3）数据集成器。）数据集成器。它是它是“模型管理器模型管理器”的一部分，负责在虚拟环境和的一部分，负责在虚拟环境和CAD/CAM系统之间的双向传送数据的任务。系统之间的双向传送数据的任务。4）VEDAM的软件配置。的软件配置。 C+，用于写所有的对象类程序；，用于写所有的对象类程序； Performer 2.0，生成图形；，生成图形； Pro/Engi

53、neer，生成三维图形。，生成三维图形。 图图14-11 VEDAM-虚拟设计、装配和制造系统虚拟设计、装配和制造系统主界面主界面用用 户户数据数据集成器集成器参数化参数化CAD/CAM系统系统VDEVAEVMEMMEVEDAM先进设计系统先进设计系统2022-2-16第第 14章章 虚拟设计虚拟设计3814.3.1 需要传送数据的需要传送数据的VDS(2)需要传送数据的需要传送数据的VDS的组成的组成l该系统中有两大分支：该系统中有两大分支：用于建立虚拟环境用于建立虚拟环境主界面的对象类主界面的对象类；用于开发虚拟环境中的用于开发虚拟环境中的软件工具的对象类软件工具的对象类。l每个分支所包含

54、的对象类及其相互关系，图每个分支所包含的对象类及其相互关系，图14-12。l该图只表示各对象类之间的主要关系，有些对象类，如该图只表示各对象类之间的主要关系，有些对象类，如几何类、参数类和两大分支都有关系。几何类、参数类和两大分支都有关系。l对象类之间的错综关系在编制软件时先编制一个相互关对象类之间的错综关系在编制软件时先编制一个相互关系的流程图。系的流程图。先进设计系统先进设计系统2022-2-16第第 14章章 虚拟设计虚拟设计3914.3.1 需要传送数据的需要传送数据的VDS图图14-12 需要传送数据的虚拟设计系统的组成需要传送数据的虚拟设计系统的组成先进设计系统先进设计系统2022

55、-2-16第第 14章章 虚拟设计虚拟设计4014.3.1 需要传送数据的需要传送数据的VDS（3）需要传送数据的）需要传送数据的VDS的开发步骤的开发步骤1)确定一个设计的产品；确定一个设计的产品；2)选定一个和虚拟环境协同工作的选定一个和虚拟环境协同工作的CAD/CAM系统，了解其数系统，了解其数据表达和传送的机制，并用它来建造所要设计产品的零件据表达和传送的机制，并用它来建造所要设计产品的零件和部件的三维模型；和部件的三维模型；3)确定一个需要建立的虚拟环境，明确其功能、规模和使用的确定一个需要建立的虚拟环境，明确其功能、规模和使用的硬件设备、工具软件、编程语言及数据表达；硬件设备、工具

56、软件、编程语言及数据表达；4)确定确定CADCAM系统和所要建立的虚拟环境之间的数据交系统和所要建立的虚拟环境之间的数据交换方式；换方式；5)建立各对象类的模块，明确各模块之间的关系，集成起来，建立各对象类的模块，明确各模块之间的关系，集成起来，进行调试。测试双向数据交换的效果和考核整体效果。进行调试。测试双向数据交换的效果和考核整体效果。先进设计系统先进设计系统2022-2-16第第 14章章 虚拟设计虚拟设计4114.3.2 不需要传送数据的不需要传送数据的VDSlVR-CAD最主要的特点是最主要的特点是用户直接在用户直接在3D虚拟环境中造型。虚拟环境中造型。l基于这个特点基于这个特点，V

57、R-CAD系统的组成和建造方法系统的组成和建造方法可归纳如下可归纳如下：1)建立一个基本体系库，建立一个基本体系库，包括：长方体、圆柱体、球体、圆环体包括：长方体、圆柱体、球体、圆环体等，选择一个在虚拟环境中建模工具软件，如等，选择一个在虚拟环境中建模工具软件，如WKTTM。2)确定在虚拟环境中基本体素之间的交互方法。确定在虚拟环境中基本体素之间的交互方法。选择合适的硬件选择合适的硬件来完成交互操作，例如用手势控制、声音控制来完成交互操作，例如用手势控制、声音控制。3)确定用基本体素完成机械零部件造型以后所要求的精度。确定用基本体素完成机械零部件造型以后所要求的精度。对精对精度要求不高的场所，

58、如概念设计阶段，可采用一般的碰撞检查度要求不高的场所，如概念设计阶段，可采用一般的碰撞检查方法；对精度要求高的场所，如需要完成零部件的详细设计，方法；对精度要求高的场所，如需要完成零部件的详细设计，可采用基于约束的方法或许用运动法等达到一定的装配精度。可采用基于约束的方法或许用运动法等达到一定的装配精度。4)建造一个交互界面，观察造型过程及结果，建造一个交互界面，观察造型过程及结果，选用不同的图形显选用不同的图形显示装置，例如选用示装置，例如选用PC及立体眼镜。及立体眼镜。 先进设计系统先进设计系统2022-2-16第第 14章章 虚拟设计虚拟设计4214.3.3 虚拟设计系统的特点虚拟设计系

59、统的特点lVDS一般应具有两个基本模式：漫游模式和造型模式。一般应具有两个基本模式：漫游模式和造型模式。l在漫游模式下，在漫游模式下，用户可以在设计空间中，依靠手、眼的运动用户可以在设计空间中，依靠手、眼的运动和语音命令的导航来查看已经生成的几何形体，系统为用户和语音命令的导航来查看已经生成的几何形体，系统为用户提供实时三维图象、声音和触觉反馈。提供实时三维图象、声音和触觉反馈。l在造型模式下，在造型模式下，用户可以通过手、眼的运动和语音命令来创用户可以通过手、眼的运动和语音命令来创建和修改几何形体系统也为用户提供视觉、听觉和触觉的建和修改几何形体系统也为用户提供视觉、听觉和触觉的反馈。设计人

60、员在产品设计中可在两种模式间方便地切换。反馈。设计人员在产品设计中可在两种模式间方便地切换。l用以定义用户行为的结点网络是建立界面结构的基础，用户用以定义用户行为的结点网络是建立界面结构的基础，用户的每一个行为都用网络的一个结点来表示，由于一个行为的的每一个行为都用网络的一个结点来表示，由于一个行为的前后又有可供选择的行为，因此这个网络就形成了一个代表前后又有可供选择的行为，因此这个网络就形成了一个代表这个关系的数据结构。这个关系的数据结构。先进设计系统先进设计系统2022-2-16第第 14章章 虚拟设计虚拟设计4314.3.3 虚拟设计系统的特点虚拟设计系统的特点l初步的分析认为与漫游模初