虚拟设计概述

1、系统仿真技术系统仿真技术第第1010章章 虚拟设计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主要内容一、前一、前 言言二、虚拟产品开发二、虚拟产品开发三、虚拟现实技术三、虚拟现实技术四、虚拟设计技术四、虚拟设计技术五、应用事例五、应用事例一、前一、前 言言0102030405060产品定义产品定义 产品开发产品开发 工艺规划工艺规划制造制造检验检验应用应用成本成本 %避免错误、或尽早发现错误、尽早修正错误避免错误、或尽早发现错误、尽早修正错误设计开发目标设计开发目标75%75%修改源于设计开发修改源于设计开发80%80%修改由制造修改由制造后续阶段完成后续阶段完成=团队工作团队工作=

2、开发过程重组开发过程重组=DFXDFX实现策略实现策略并行工程并行工程虚拟产品开发虚拟产品开发=虚拟产品建模与仿真虚拟产品建模与仿真=虚拟产品开发过程建模与过程仿真虚拟产品开发过程建模与过程仿真二、虚拟产品开发二、虚拟产品开发现实产品开发现实产品开发设计设计评价评价产品产品报报废废 品品报报废废 品品制造制造原料原料外在因外在因 素变化素变化设备设备厂房厂房人员人员试制试制原料原料设备设备厂房厂房人员人员数据数据/信息信息原料原料设备设备厂房厂房产产品品实际制造实际制造人员人员报废品报废品设计设计虚拟样机虚拟样机评价评价反反馈馈 信信息息虚拟加工虚拟加工虚拟装配虚拟装配虚拟检测虚拟检测市场信息

3、市场信息虚拟产品开发虚拟产品开发虚拟产品开发的定义虚拟产品开发的定义 虚拟产品开发技术是以计算机仿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、测发（包括产品构思、设计、制造、测试和分析等）的综合应用技术。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虚拟产品开发技术的意义三三、虚拟现实

4、技术、虚拟现实技术何谓虚拟现实何谓虚拟现实什么是虚什么是虚拟现实？拟现实？人类需要用工具来增强、人类需要用工具来增强、延伸、扩大自己的感官、延伸、扩大自己的感官、肢体和大脑的功能肢体和大脑的功能 杠杆、滑轮、千斤顶增强肢体的功能杠杆、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。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。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

5、界，单方向的推理是远远不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够的。人类盼望着能够找到 能够能够根据研究问题的需要，提供一个具有尽可能逼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。真的虚拟对象、虚拟环境的虚拟世界。 能够能够帮助我们沉浸在这个虚实结合的环境中，身临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。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

6、察地壳的演变历程，在尺度。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。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，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，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。还能在虚拟世界的街巷楼宇之间漫游。 总之：总之：希望能帮助我们创建一个时域和空域希望能帮助我们创建一个时域和空域可变的虚拟世界，使人能够可变的虚拟世界，使人能够：沉浸其中，超越其上，进出自如，交沉浸其中，超越其上，进出自如，交互作用互作用

7、获得获得“观古今于须臾，抚四海于一瞬观古今于须臾，抚四海于一瞬” ” 的效果。的效果。虚拟现实是用高科技手段构造出来的一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，更深入识能力，促进人与环境的交流，更深入地开发人类的智慧地开发人类的智慧 这这就是虚拟现实就是虚拟现实虚拟现实

8、：虚拟现实： 虚拟现实技术虚拟现实技术(Virtual Reality, VR) 是一种三维计算机图形技术与计算机硬件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。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？虚拟现实的情景是怎样生成的？如何生成？如何生成？情景生成要使人能够产生：情景生成要使人能够产生： 视觉、听觉、触觉、力感、运动视觉、听觉、触觉、力感、

9、运动感、味感、嗅感等。感、味感、嗅感等。如何生成这些感觉呢？如何生成这些感觉呢？环境环境生生成成跟踪系统发射器跟踪系统发射器头部跟踪接收器头部跟踪接收器头盔显示器头盔显示器立体声耳机立体声耳机话筒话筒数据手套数据手套跟踪跟踪接收器接收器手部手部 3D跟踪系统跟踪系统语音识别语音识别 3D声音处理器声音处理器虚拟环境数据库虚拟环境数据库 图形处图形处 理理 器器 主计算机主计算机 虚拟环境虚拟环境 实时操作系统实时操作系统虚拟现实环境：虚拟现实环境：一个典型的虚拟现实环境是由人和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两大部分组成虚拟现实系统又由三部分构成：虚拟现实系统

10、又由三部分构成： 基于先进传感器的人机接口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具有多媒体功能的计算机系统 面向虚拟现实的软件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虚拟现实系统虚拟现实系统VRVR硬件硬件计计算算机机VRVR软软件件场景显示系统场景显示系统触觉反馈器触觉反馈器方位跟踪系统方位跟踪系统声音识别系统声音识别系统操操作作者者机器机器人机接口人机接口在虚拟现实系统中，关键之一是：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：最基本的

11、人机接口设备是： 头盔式显示器头盔式显示器 三维鼠标三维鼠标 数据手套数据手套人机人机接口接口-先进传先进传感器技术和产品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，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。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向显示屏提

12、供与头部方位( (准确地说是眼睛所注视的准确地说是眼睛所注视的方位方位) )相一致的图像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盔式显示器头盔式显示器头盔式显示器头戴头戴头盔式显示器头盔式显示器进入虚拟现实环境进入虚拟现实环境在虚拟环境中最常用的在虚拟环境中最常用的人机

13、接口工具之一是数人机接口工具之一是数据手套。据手套。数据手套通常是一种尼数据手套通常是一种尼龙手套，在每个手指上龙手套，在每个手指上 安装有相应的弯曲和扭安装有相应的弯曲和扭曲传感器。曲传感器。计算机利用传感器的信计算机利用传感器的信息，控制虚拟空间中物息，控制虚拟空间中物体的位置和方向，于是体的位置和方向，于是就产生了人能用自己的就产生了人能用自己的手，去控制虚拟空间中手，去控制虚拟空间中虚拟物体的感觉了虚拟物体的感觉了 数据手套数据手套为了能使戴上数据手为了能使戴上数据手套的手不仅仅能搬动套的手不仅仅能搬动虚拟物体，还能感受虚拟物体，还能感受虚拟物体虚拟物体“应有的应有的”重量和质感，更先

14、进重量和质感，更先进的数据手套还具有触的数据手套还具有触觉，最简单的做法是觉，最简单的做法是在手套上安装气压式在手套上安装气压式和振动触感式的反馈和振动触感式的反馈器。在计算机的控制器。在计算机的控制下，向手套的气袋充下，向手套的气袋充 气时，戴上这种数据气时，戴上这种数据手套的手就感受到一手套的手就感受到一定的压力了，用这种定的压力了，用这种办法就可以模拟手触办法就可以模拟手触摸真实物体时的感觉摸真实物体时的感觉 数据手套数据手套数据手套数据手套不管是在不管是在头盔、三头盔、三维鼠标上，维鼠标上，还是在数还是在数据手据手套套上，上，都需要安都需要安装能对空装能对空间位置进间位置进行跟踪定行跟

15、踪定位的跟踪位的跟踪装置装置 基于超声波原理进行位置和方向的跟踪，即用三角形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。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、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时延较长，而且受回声的干扰影响较大 不管是在头盔、不管是在头盔、三维鼠标上，还三维鼠标上，还是在数据手是在数据手套套上，上，都需要安装能对都需要安装能对空间位置进行跟空间位置进行跟踪定位的跟踪装踪定位的跟踪装置置 基于光学原理的跟踪器基于光学原理的跟踪器在固定的位置上

16、在固定的位置上( (例如天花板上例如天花板上) )安装排列成栅格状的一组发光二极管，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。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定的困难 具有多媒体功能的计算机系统具有多媒体功能的计算机

17、系统是虚拟现实系统的基石是虚拟现实系统的基石基于个人计基于个人计算机（算机（PCPC）的虚拟现实的虚拟现实计算机计算机 基于工作站基于工作站的虚拟现实的虚拟现实计算机计算机 在虚拟现实技术中，软件的主在虚拟现实技术中，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形似、质似和神似的虚拟物体和虚拟环境，物体和虚拟环境，“以假乱以假乱真真”，从而取得，从而取得“身临其境身临其境”的效果的效果 面向虚拟现实面向虚拟现实的软件系统的软件系统“几何建模几何建模”就是用许许多多各就是用许许多多各式各样的多边形，拼构成所模拟式各样的多边形，拼构成所模拟对象的立体外

18、形，这个外形必须对象的立体外形，这个外形必须尽可能地跟所模拟的对象完全一尽可能地跟所模拟的对象完全一致，达到致，达到“形似形似”。形似形似对几何模型进行纹理、颜色和光照的处理，也就是所对几何模型进行纹理、颜色和光照的处理，也就是所谓的谓的“物理建模物理建模”，使它看上去具有，使它看上去具有“质感质感”。同样是一个球，通过这两种建模，就能分辨出是玻璃同样是一个球，通过这两种建模，就能分辨出是玻璃球、塑料球还是棉花球。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：橡皮球具有变形和对象附加更多的物理属性

19、。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。木球就会发生反弹等等。这就是这就是“质似质似”。质似质似最典型的例子就是用简单的线条描述舞蹈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。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远，而动物卡通的一个拟人形象当然不能等同于真人，等同于真人， 但如果我们能从线条的动态

20、但如果我们能从线条的动态变化中分辨出是变化中分辨出是“梁山伯与祝英台梁山伯与祝英台”的双的双人舞还是人舞还是“天鹅湖天鹅湖”双人舞，这就达到双人舞，这就达到“神似神似”神似神似常用的软件系统：常用的软件系统：图形生成环境图形生成环境Open GL(Open Graphics Library)Open GL(Open Graphics Library)用于创建复杂图景的虚拟现实的工具包用于创建复杂图景的虚拟现实的工具包VRTVRT开发虚拟世界的工具集开发虚拟世界的工具集WTK(World Tool Kit)WTK(World Tool Kit)快速生成和观察虚拟现实系统的快速生成和观察虚拟现实系

21、统的Quick Time VRQuick Time VR等。等。近来最受用户欢迎的虚拟现实软件工具之一是近来最受用户欢迎的虚拟现实软件工具之一是MultiGenMultiGen 许多仿真公司和三维图像处理公司等已经利用许多仿真公司和三维图像处理公司等已经利用MultiGenMultiGen所提供的工具进行了二次开发，研制出满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系统的软件,Vega,Vega就是较成功的一个实例。就是较成功的一个实例。 VegaVega是基于是基于MultiGenMultiGen软件

22、工具所开发的一套专门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。利用系统。利用VegaVega可以快速地生成一个交互的、三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。维的作战模拟环境或生产控制环境。VegaVega提供了建立快速原型系统、图形编辑、系统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和功能强大的虚拟现实环境 通过通过VegaVega生成的作战模拟的场景图，其生成的作战模拟的场景图，其中甚至

23、包括了火光、烟雾和云彩中甚至包括了火光、烟雾和云彩 美国波土顿动力学公司美国波土顿动力学公司(BDI(BDI，Boston Dynamics Boston Dynamics lnclnc) )开发一个名为开发一个名为DI-GuyDI-Guy的虚拟现实软件工具。的虚拟现实软件工具。 DI-GuyDI-Guy在虚拟现实中的应用分为三类：在虚拟现实中的应用分为三类：即沉浸式的训练即沉浸式的训练(Immersive Training)(Immersive Training)系统、交互系统、交互式的训练式的训练(Interactive Training)(Interactive Training)系统和

24、可视化想定系统和可视化想定(Scenario Visualization)(Scenario Visualization)系统。系统。 不论是哪一类虚拟现实应用系统，在不论是哪一类虚拟现实应用系统，在DI-GuyDI-Guy的支的支持下，系统开发者都能用一些很简单的命令，自持下，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、虚拟场景赋予某种动地对虚拟物体、虚拟人物、虚拟场景赋予某种“仿生仿生”的特征的特征 仿战士仿战士: :能逼真地重现一个训练有素的战士的动作和姿态；能逼真地重现一个训练有素的战士的动作和姿态；仿男人仿男人: :有男子汉的刚劲有力；有男子汉的刚劲有力；仿女人：有

25、女人的婀娜多姿；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、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；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。仿现场：就能产生烟雾、火光、云雾的效果。 DI-GuyDI-Guy软件所产生的软件所产生的单兵作战动作单兵作战动作 穿不同的军装；携带不同穿不同的军装；携带不同的武器；做着各种不同的的武器；做着各种不同的动作动作 运动员翻腾运动员翻腾跳跃跳跃 球场上激烈竞争球场上激烈竞争 虚拟现实技术的新进展虚拟现实技术的新进展 具有宽视野具有宽视野的立体眼镜的立体眼镜虚拟现

26、实技术的新进展虚拟现实技术的新进展 美国的美国的SGISGI公司推出了名公司推出了名为为DataVlsorDataVlsor 80 80的头盔式的头盔式显示器。这是一种宽视野、显示器。这是一种宽视野、高分辨率的头盔式显示器。高分辨率的头盔式显示器。显示部分是采用显示部分是采用1 1英寸的英寸的阴极射线管，能得到阴极射线管，能得到2424位位的全彩色图像。其垂直视的全彩色图像。其垂直视野可达野可达8080度度，水平视野可水平视野可达达120120度，度， 分辨率可达分辨率可达12801280l024l024，用户佩戴这用户佩戴这种头盔式显示器后，种头盔式显示器后， 能获能获得较好的沉浸感得较好的

27、沉浸感, ,整个头盔整个头盔重约重约2kg2kg .虚拟现实技术的新进展虚拟现实技术的新进展 SGISGI公司提供了一种类似双公司提供了一种类似双简望远镜式的手持式显示简望远镜式的手持式显示器。为了能使显示器中的器。为了能使显示器中的图像随着人的头部的方位图像随着人的头部的方位发生变化，所以在显示器发生变化，所以在显示器上也安装上也安装 有方位跟踪装置。有方位跟踪装置。由于是手持的，调整方位由于是手持的，调整方位十分方便，视野小些，也十分方便，视野小些，也不妨碍用户观看全景。这不妨碍用户观看全景。这个显示器的分辨率为个显示器的分辨率为 640640480480和和128012801024102

28、4两两种，能产生种，能产生2424位彩色图像位彩色图像 最常见的三维鼠标有两种最常见的三维鼠标有两种跟踪球跟踪球( (trackLtrackL，a11)a11)三维空间探针三维空间探针三维三维鼠鼠标标虚拟现实技术的新进展虚拟现实技术的新进展 跟踪球跟踪球跟踪球的中心是固定跟踪球的中心是固定的，并有一个活动的的，并有一个活动的外层，装有外层，装有6 6个发光二个发光二极管和相应的极管和相应的6 6个光传个光传感器。感器。当使用者用手对该球当使用者用手对该球的外层施加力和力矩的外层施加力和力矩时，根据时，根据“弹簧变形弹簧变形”规则，就可通过规则，就可通过6 6个光个光传感器测出传感器测出3 3个

29、力和个力和3 3个力矩的信息，传输个力矩的信息，传输给计算机后求出虚拟给计算机后求出虚拟空间中某物体的位置空间中某物体的位置和方向和方向虚拟现实技术的新进展虚拟现实技术的新进展 三维空间探针是三维空间探针是安装在一个固定安装在一个固定的基座上，具有的基座上，具有6 6个关节的机械臂。个关节的机械臂。在每个关节上装在每个关节上装有传感器，计算有传感器，计算机接收传感器的机接收传感器的信息，并计算出信息，并计算出在虚拟空间的物在虚拟空间的物体的位置和方向体的位置和方向 三维空间探针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 虚拟现实技术的新进展虚拟现实技术的新进展 多人多人共享的沉浸式系

30、统共享的沉浸式系统虚拟现实技术的新进展虚拟现实技术的新进展 大大屏幕显示系统可以满足数十屏幕显示系统可以满足数十人、几百人同时观看人、几百人同时观看虚拟现实技术的新进展虚拟现实技术的新进展 手控式高分辨率手控式高分辨率CRTCRT显示器显示器 虚拟现实技术的新进展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果较好：从视觉效果上可以达到120120度的度的宽阔视野；具有很高的分辨率，可以形成宽阔视野；具有很高的分辨率，可以形成10241024线、每线具有线、每线具有12801280像素的光栅，并像素的光栅，并且按且按7

31、2HZ72HZ的频率进行更新，因此几乎和的频率进行更新，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

32、诞生，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。但已显示出很大的应用潜力。 虚拟视网膜显示器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。度上能够得到身临其境的感觉。人们并不满足这种人们并不满足这种“只能看、不能摸、不能碰只能看、不能摸、不能碰”的局面。的局面。人们如何去搬动虚拟空间的一张虚拟桌子呢人们如何去搬动虚拟空间的一张虚拟桌子呢? ?如何如何能用一块虚拟的木板压扁一个虚拟的气球呢能用一块虚拟的木板压扁一

33、个虚拟的气球呢? ?如何如何实现用自己的手去掂量一下虚拟石头的重量？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虚拟现实技术的新进展 触觉和力反馈的装置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，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，只是一个它无真正的重量、无实在的质地，只是一个“虚幻的虚幻的”图图像。像。它的手指、手腕或手臂上的控制机构和执行机构，并通过它的手指、手腕或手臂上的控制机构和执行机构，并通过“某种算法某种算法”，产生与人触摸到真实物体时同样的刺激或，产生与人触摸到真实物体时同样的刺激或反馈，用户就

34、得到如同触摸、搬动一个真实物体一样的感反馈，用户就得到如同触摸、搬动一个真实物体一样的感受。当计算机赋予这个图像某些属性数据，例如几何学属受。当计算机赋予这个图像某些属性数据，例如几何学属性、材料质地属性、动力学属性以及运动学属性等时，我性、材料质地属性、动力学属性以及运动学属性等时，我们可以用们可以用“某种办法某种办法”，通过，通过“某种设备某种设备”，触模到这个，触模到这个虚拟物体，计算机系统能够及时地把这些属性数据传送给虚拟物体，计算机系统能够及时地把这些属性数据传送给用户用户虚拟现实技术的新进展虚拟现实技术的新进展 触觉和力反馈的装置触觉和力反馈的装置 虚拟现实技术的新进展虚拟现实技术

35、的新进展 触觉和力反馈触觉和力反馈的装置的装置 三维探针三维探针: :用手操纵探针的把手，用手操纵探针的把手，用探针尖去触碰虚拟用探针尖去触碰虚拟物体，计算机把虚拟物体，计算机把虚拟物体的属性数据反馈物体的属性数据反馈给探针把手，使人感给探针把手，使人感受到虚拟物体的某些受到虚拟物体的某些属性属性 手指卡箍手指卡箍: :卡箍与连杆及卡箍与连杆及马达相连，戴马达相连，戴上卡箍去触摸、上卡箍去触摸、旋转或搬动虚旋转或搬动虚拟物体时，拟物体时， 计计算机能把这个算机能把这个虚拟物体的某虚拟物体的某些属性数据反些属性数据反馈给马达，通馈给马达，通过连杆作用在过连杆作用在卡箍上，使人卡箍上，使人获得触感

36、和力获得触感和力感感 一个一个Virtual Workbench的工作平台的工作平台虚拟现实技术的新进展虚拟现实技术的新进展 虚拟现实技术应用虚拟现实技术应用虚拟现实与教育、培训虚拟现实与教育、培训虚拟现实在其它领域的应用虚拟现实在其它领域的应用虚拟现实与文化娱乐虚拟现实与文化娱乐虚拟现实与制造虚拟现实与制造将将VRVR技术应用于教育可以使学生能技术应用于教育可以使学生能够游览海底、遨游太空、观摩历史够游览海底、遨游太空、观摩历史城堡，甚至深入原子内部观察电子城堡，甚至深入原子内部观察电子的运动轨迹和体验爱因斯坦的相对的运动轨迹和体验爱因斯坦的相对论世界，从而更形象地获取知识，论世界，从而更形

37、象地获取知识，激发思维。激发思维。虚拟现实与教育、培训虚拟现实与教育、培训VRVR技术在文化、娱乐领域有着极其技术在文化、娱乐领域有着极其广泛的应用。第一个大规模的广泛的应用。第一个大规模的VRVR娱娱乐系统乐系统“Battle Tech”Battle Tech”，将每个将每个“座舱座舱”仿真器连网进行组之间的仿真器连网进行组之间的对抗，对抗，3 3维逼真视景、游戏杆、油门、维逼真视景、游戏杆、油门、刹车和受到打击时的晃动给用户很刹车和受到打击时的晃动给用户很强的感官刺激。强的感官刺激。 虚拟现实与文化娱乐虚拟现实与文化娱乐虚拟现实与虚拟现实与文化文化娱乐娱乐基于高速网络和虚拟现实技术的基于高

38、速网络和虚拟现实技术的“虚拟美国国家艺虚拟美国国家艺术术 馆馆”能使任何一个在计算机网上工作的人，都能能使任何一个在计算机网上工作的人，都能远距离地参观艺术馆，不仅仅使参观者能尽兴地仔远距离地参观艺术馆，不仅仅使参观者能尽兴地仔细欣赏展品，获得身临其境的感受，并且还可以参细欣赏展品，获得身临其境的感受，并且还可以参加培训中心或研究中心，获得更多的知识。加培训中心或研究中心，获得更多的知识。 当您进入当您进入“虚拟美国国家艺术馆虚拟美国国家艺术馆”时，您可根据自时，您可根据自己的爱好选择摄影、雕塑、民间艺术、绘画、风景己的爱好选择摄影、雕塑、民间艺术、绘画、风景画、肖像画、微型艺术品、抽象画、城

39、市景色、美画、肖像画、微型艺术品、抽象画、城市景色、美国西部风光、美洲土著居民文化艺术、宗教艺术、国西部风光、美洲土著居民文化艺术、宗教艺术、儿童艺术、体育运动和动物艺术等选项。儿童艺术、体育运动和动物艺术等选项。 虚拟现实与虚拟现实与文化文化娱乐娱乐驯马驯马罗马女神罗马女神篱安娜篱安娜 虚拟现实与虚拟现实与文化文化娱乐娱乐黄石公园山泉的奔腾黄石公园山泉的奔腾黄石公园大峡谷的雄浑黄石公园大峡谷的雄浑内华达丛岭的峻峭内华达丛岭的峻峭虚拟现实与虚拟现实与文化文化娱乐娱乐可爱和美可爱和美的女神维的女神维纳斯雕像纳斯雕像 蒙娜丽沙蒙娜丽沙画像画像虚拟现实技术在制造业中的应用：虚拟现实技术在制造业中的应

40、用：利用虚拟样机在产品实际加工之前对其性能、可制造性进利用虚拟样机在产品实际加工之前对其性能、可制造性进行评价，同时对制造全过程仿真，将制造过程可能发生的行评价，同时对制造全过程仿真，将制造过程可能发生的问题提前到设计阶段处理，以达到产品生产的最优目标。问题提前到设计阶段处理，以达到产品生产的最优目标。波音波音777777飞机的设计是虚拟原型机的应用典型实例，这是飞飞机的设计是虚拟原型机的应用典型实例，这是飞机设计史上第一次在设计过程中没有采用实物模型。波音机设计史上第一次在设计过程中没有采用实物模型。波音777777由由300300万个零件组成，所有的设计在一个由数百台工作万个零件组成，所有

41、的设计在一个由数百台工作站组成的虚拟环境中进行。站组成的虚拟环境中进行。设计师戴上头盔显示器后，可以穿行于设计中的虚拟设计师戴上头盔显示器后，可以穿行于设计中的虚拟“飞飞机机”，审视，审视“飞机飞机”的各项设计指标。的各项设计指标。 虚拟现实与制造虚拟现实与制造四、虚拟设计技术四、虚拟设计技术及其应用及其应用虚拟产品设计虚拟产品设计 虚拟产品设计是以虚拟现实虚拟产品设计是以虚拟现实技术为基础，实现产品或工程设技术为基础，实现产品或工程设计与评价分析的技术，是新一代计与评价分析的技术，是新一代的计算机辅助设计技术。的计算机辅助设计技术。虚拟产品设计技术的应用虚拟产品设计技术的应用形状设计形状设计

42、装配设计装配设计工程设计工程设计虚拟形状设计虚拟形状设计对于对于规则形体规则形体，可以，可以采用语音识别、手势采用语音识别、手势跟踪的交互系统实现跟踪的交互系统实现实体生成、尺寸更改实体生成、尺寸更改、形状变更、实体变、形状变更、实体变换（移动、旋转等）换（移动、旋转等），从而完成形体设计，从而完成形体设计虚拟形状设计虚拟形状设计单独使用语音命令单独使用语音命令“产生高产生高20mm、长长100mm、宽、宽50mm的长方体的长方体”“放置对象于放置对象于X=10、Y=10、Z=20处处”“将对象沿将对象沿X移动移动10mm”语音与手势合用语音与手势合用指着对象，指着对象，“选择选择”确定双手间

43、距，确定双手间距，“长度这么长长度这么长”“改变长度改变长度”，作手势，作手势虚拟形状设计虚拟形状设计对于自由曲面，主要采用手势和对于自由曲面，主要采用手势和虚拟工具，完成曲面设计。虚拟工具，完成曲面设计。虚拟形状设计虚拟形状设计单独使用手势单独使用手势手势比划手势比划虚拟工具虚拟工具虚拟油泥建模虚拟油泥建模(Virtual Clay Modeling)：允许工业造型技术人员以类似于传统的允许工业造型技术人员以类似于传统的手工设计方式（刮、削、扫、抹等）制手工设计方式（刮、削、扫、抹等）制作出随心所欲的模型作出随心所欲的模型虚拟装配设计虚拟装配设计设计人员可以利用手套或其它设备根据经验装配或拆

44、卸设计人员可以利用手套或其它设备根据经验装配或拆卸零件，在虚拟环境中使用各种装配工具对产品的装配性零件，在虚拟环境中使用各种装配工具对产品的装配性进行分析，而且可以产生装配规划进行分析，而且可以产生装配规划虚拟工程设计虚拟工程设计 对于生产线、厂房车间、对于生产线、厂房车间、地铁等大型工程设计，虚拟地铁等大型工程设计，虚拟设计技术提供对设计方案评设计技术提供对设计方案评价的非常直观的手段价的非常直观的手段虚拟厂房虚拟厂房虚拟生产线虚拟生产线虚拟工程虚拟工程虚拟设计、制造软件虚拟设计、制造软件系统名称系统名称出品公司名称出品公司名称主要模块主要模块主要功能主要功能 Deneb 美国美国Deneb

45、Deneb Robotics Robotics公司公司EnvisionQuestVirtualNCAssemblyERGO虚拟样机设计分析、虚拟虚拟样机设计分析、虚拟环境漫游、离散事件仿真环境漫游、离散事件仿真、加工过程仿真、虚拟装、加工过程仿真、虚拟装配和拆卸仿真、人体建模配和拆卸仿真、人体建模与分析与分析 dVISE 英国英国Division公司公司dv/WebFlydv/Playerdv/Reviewdv/Mock-Updv/Reality实时网上信息浏览实时网上信息浏览虚拟样机虚拟样机装配拆卸仿真装配拆卸仿真WorldToolKit美国美国Sense8 公司公司WorldUp实时交互虚拟环境建立实时交互虚拟环境建立 EAI美国美国Engin