14章虚拟设计18讲90ppt课件

1、先进设计系统机械系统设计第 8 章 消费线第 9 章 概念设计第 10章 总体设计第 11章 详细设计第 12章 设计评价第 13章 创新设计第 14章 虚拟设计第 15章 智能设计.第 14章 虚拟设计14.1 虚拟现实14.2 虚拟设计的概念与技术体系14.3 虚拟设计系统的功能与构造14.4 虚拟设计系统的硬件配置14.5 虚拟设计的运用.14.1 虚拟现实14.1.1 虚拟现实的开展与组成14.1.2 虚拟现实的功能与特征14.1.3 虚拟环境14.1.4 虚拟现实系统的类型与构造.14.1.1 虚拟现实的开展与组成产品开发流程已从断续的计算机辅助向计算机支持产品开发的全过程转变。这种

2、过程的结合性在数字化的过程描画中得到了表达。由于对集成的要求，几何的二维处置已逐渐转变为三维处置。几何模型转变为虚拟的产品模型，借助虚拟的产品模型，产品开发过程的一切义务都可以得到支持。图14-1 基于头盔式显示器的系统.14.1.1 虚拟现实的开展与组成“虚拟有三层含义：它意味着完全数字化的方法；它是在虚拟企业的意义上经过网络分布式的任务方式来到达；它运用虚拟现实Virtual Reality，VR技术。专家预言：未来一切复杂产品都可用虚拟方式产生有人称21世纪为“VR时代。 .14.1.1 虚拟现实的开展与组成虚拟现实(Virtual Reality，VR)是计算机交互界面上的一种技术，在

3、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，声音听起来是真实的，觉得起来是真实的。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察看者。VR利用一种特殊环境，运用户可以沉醉在任务之中，体验比现实世界更加丰富的感受。 .14.1.1 虚拟现实的开展与组成虚拟现实鼻祖是20世纪30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。70年代开发了一种允许人们经过电视屏幕操作一个弹跳的乒乓球的电子游戏。1963年Ivan Swthland提出“虚拟现实这个概念。1985年用头盔显示器(Head Mounted Display，HMD)来显示计算机图形。第一

4、台基于LCD的封锁头盔显示器，运用了独特的棱镜系统，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20多家厂商提供的40多种HMD产品。虚拟现实援用了CAD中的图形学，独立开展为一种新领域.14.1.1 虚拟现实的开展与组成虚拟现实VR的组成 图14-2 VR系统为用户提供视觉、听觉、触觉、嗅觉甚至味觉的多感知。VR技术的相关技术包括计算机图形学图像处置与方式识别智能接口技术人工智能技术多传感器技术多媒体技术语音处置与音响技术计算机仿真技术网络技术并行处置技术高性能计算机系统图14-2虚拟现实的组成1交互作用 Interaction2视觉 Visual Perception3听

5、觉 Acoustic Perception4触觉 Tactile Perception5嗅觉 Olfactory Perception.14.1.2 虚拟现实的功能与特征(1) 虚拟现实的功能1)给用户制造一个三维现实世界的觉得。2)运用户可以与界面中的环境交互，并能在其中动作，运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在虚拟世界中遨游。3)用户能从恣意的察看点来察看他所想看到的物体，改动物体的位置和方向，控制物体的行为和外形，对界面中的物体进展评价而不需求预先编程。虚拟现实是要到达加强现实的目的，即用虚拟物体来丰富、加强真实的环境，而不是用它来替代真实的环境。 .14.1.2

6、 虚拟现实的功能与特征2虚拟现实的3个根本特征Immersion 沉浸： 在虚拟环境中，操作者应能很好地觉得各种不同的刺激Interaction 交互： 操作者能对虚拟环境中的对象进展操作，并能觉得操作的结果Imagination 想象： 操作者能感到虚拟环境中的对象是 自主的、可操作的，对象的行为符合物理规律 图14-3 虚拟现实的3个I.14.1.3 虚拟环境虚拟环境Virtual Environment是表达了虚拟现实所具备的功能的一种计算机环境图14-4中采用的设备：显示器：头盔或立体眼镜和屏幕，显示出虚拟环境的影像； 6自在度跟踪器，包括信息手套，信息接纳器，声音识别安装等。软件有：

7、图形处置器， 声音处置器等。图14-4 虚拟环境的组成.14.1.3 虚拟环境虚拟环境必备的三个条件：1)和用户交互。用户可以用各种方法和虚拟环境交互，如手的姿态、头部的动作或身体其他部位的动作，经过传感器、跟踪器及接纳器和虚拟环境中的显示安装交互。可以用声音交互，也可以触摸交互。2)实时反映所交互的影像。显帧率(Frame rate)最好是25帧/s，最少是10帧/s。每帧安排1 3005 000个多面体。3)用户有自主性。用户作为环境中的一分子，有觉得地参与到虚拟环境中去，要到达这个目的，首先要具备1)、2)两个条件。用户的感受是沉浸在虚拟环境之中。在虚拟环境中，可以运用户构成一种直觉的感

8、受。例如，用户可以在汽车中来分析和调查驾驶室内各种配置及其功能。可以在一个车间内来回走动，调查仿真加工的效果。.14.1.4 虚拟现实系统的类型与构造根据用户参与的方式及沉浸的程度不同，VRS可划分为4类。1分布式虚拟现实系统。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。2加强现实性的虚拟现实系统。它不仅利用VR技术来模拟现实世界，而且利用它加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。3沉浸的虚拟现实系统。提供完全沉浸的功能，运用户有一种置身于虚拟境界之中的觉得。4桌面虚拟现实系统。它利用个人计算机和低档任务站进展仿真，将计算机的屏幕作为用户察看虚拟境

9、界的一个窗口，经过各种输入设备实现与虚拟现实世界的充分交互。.14.1.4 虚拟现实系统的类型与构造目前，分布式虚拟现实系统的研讨基于两类网络平台。在Internet上，这可追溯到早期基于文本的多参与者游戏MUD，还有基于虚拟现实建模言语(VRML)规范的远程虚拟购物等。VRML是一种可以发布3D网页的跨平台言语，可提供种更自然的体验方式，包括交互性、动态效果、延续性，以及用户参与探求。在高速公用网上，如采用异步传输方式(ATM)技术的美国军方的国防仿真互联网。最早的是1983年美国陆军制定的虚拟环境研讨方案，进展各种复杂义务的作战演练。从1994年开场，美国陆车与美国大西洋司令部结合开展了战

10、争综合演练场的研讨，建成了个包括海陆空多兵种、有3 700多个仿真实体参与的地域范围覆盖500km750km的军事演练环境。.14.1.4 虚拟现实系统的类型与构造常见的沉浸式系统有3种：基于头盔式显示器的系统。在这种系统中，参与虚拟体验者要戴上一个头盔式显示器，视觉、听觉与外界限绝，根据运用的不同，系统将提供能随头部转动而随之产生的具有立体视觉的三维空间。经过语音识别、数据手套、数据服装等先进的接口设备，使参与者以自然的方式与虚拟世界进展交互，好像现实世界一样。图14-1 基于头盔式显示器的系统.14.1.4 虚拟现实系统的类型与构造常见的沉浸式系统有3种投影式虚拟现实系统 图，摄像机，计算

11、机，视频投影仪，屏幕它可以让参与者从一个屏幕上看到他本身在虚拟境界中的笼统。参与者还可以与虚拟空间进展实时交互，计算机可识别参与者的动作，并根据用户的动作改动虚拟空间。如，来回拍一个虚拟的球或走动等，这可使得参与者觉得就像是在真实空间一样。图14-5 投影式虚拟现实系统.14.1.4 虚拟现实系统的类型与构造常见的沉浸式系统有3种：远程存在系统。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。当某处的参与者支配一个虚拟现实系统时，其结果却在另一个地方发生，参与者经过分体显示器获得深度感，显示器与远地的摄像机相连；经过运动跟踪与反响安装跟踪操作者的运动，反响远地的运动过程如阻尼、碰撞等)

12、，并把动作传送到远地完成。 .14.1.4 虚拟现实系统的类型与构造虚拟现实系统的构造虚拟手部控制器图14-6 虚拟现实系统的一种构造.14.2 虚拟设计的概念与技术体系14.2.1 虚拟设计14.2.2 虚拟制造14.2.3 虚拟原型14.2.4 虚拟设计与其他概念之间的关系14.2.5 虚拟设计技术体系.14.2.1 虚拟设计虚拟设计Virtual Design，VD是指设计者在虚拟环境中 进展设计。主要表如今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展修正。虚拟不等于虚幻、虚无，而是“本质的意思， 是指经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。设计那么泛

13、指围绕产品全生命周期的整个设计活动过程。虚拟设计是虚拟现实技术在产品设计中的运用或实现。 图14-7 汽车的虚拟设计.14.2.2 虚拟制造VD和虚拟制造 (Virtual Manufacture，VM)既有联络又有区别VM是指利用计算机模型和仿真来实现产品的制造。从某种意义上说，VD是VM的重要组成部分。根据目前VM研讨中不同的偏重点，可将VM归纳成3类1)以设计为中心的虚拟制造。这就是虚拟设计。它将制造信息参与到产品设计与工艺设计过程中,并且在计算机中进展数字化的“制造。其主要目的是尽早发现设计中潜在的问题。2)以消费为中心的虚拟制造。将仿真才干参与到消费方案模型中其目的是方便和快捷地评价

14、多种消费方案，优化制造环境的配置和消费的供应方案。3)以控制为中心的虚拟制造。将仿真才干添加到设备控制模型中，提供对实践消费过程仿真的环境。其目的是优化制造过程，改良制造系统。.14.2.3 虚拟原型虚拟原型(Virtual Prototype) 也叫虚拟产品(Virtual Product)、 虚拟样机VP是虚拟环境中的产品模型， 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。 虚拟原型的中心是机械系统运动学和动力学仿真技术， 同时还包括： 三维CAD建模技术、 有限元分析技术、 机电液控制技术、 最优化技术 等相关技术。.14.2.3 虚拟原型虚拟原型的特点：1是数字化

15、定义的产品模型。图14-8 2) 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现产品性能。 几何外形信息是全面和完好的； 产品的构造信息是详尽的。3) 应该能以自然方式被人感受虚拟原型的开展将加强虚拟设计的才干，虚拟设计为虚拟原型提供了运用环境。图14-8 渲染几何体的细部.14.2.4 虚拟设计与其他概念之间的关系(1)虚拟设计与仿真。虚拟设计依托仿真技术来模拟设计、装配和消费过程，使设计者可以在计算机中“制造产品。仿真是虚拟设计的根底，而虚拟设计是仿真的扩展。传统意义上的仿真普通不强调实时性，用户根本上是“旁观者，没有“身临其境的觉得。在虚拟设计中，模型往往是动态的。用户看到的景

16、象会随视点的变化即时改动、可以和场景中物体进展交互、让感官接纳到在真实情况中才干接纳到的信息，添加了现场的沉浸感使人“身临其境。.14.2.4 虚拟设计与其他概念之间的关系(2)虚拟设计与计算机图形学。虚拟设计依托计算机图形学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，还可以像真实物品一样可视、可运动。从人机交互的自然程度来看，虚拟设计要远胜于在计算机图形学根底上建立的CAD系统，而且虚拟设计更强调用户感知方式的多样性，可运用户更“直接地感知模型的物理特性。CAD模型往往是提供应专业人员运用，而虚拟设计更支持不同技术背景，甚至非专业人员进展评价与讨论。从根底技术上看，计算机图形

17、学又是虚拟设计的根底，虚拟设计采用的虚拟现实技术，大量采用计算机图形技术来渲染场景，添加场景真实性。.14.2.4 虚拟设计与其他概念之间的关系(3)虚拟设计与可视化。可视化是一种计算机方法，它将信号转换成图形或图像，使研讨者能察看他们的模拟与计算，以丰富科学发现的过程。按模拟执行与结果图像的结合程度，可视化研讨分为3个层次：后置处置：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反复显示，如计算流膂力学、有限元计算结果的后置处置跟踪：图形显示与计算过程同时进展，特点：是计算中间结果及最后结果都能及时显示，因此对计算中的错误可以及早发现，必要时可以停顿执行，图像直

18、接从数据中产生，甚至数据无须写入存储介质中。控制：在计算过程中对参数进展修正，对数值模拟进展直接控制和引导。当可视化到达控制层次时，应可纳入VR的范畴， 可视化主要强调了“视觉通道的人机界面。虚拟设计为了揭露虚拟原型的本质功能、性能， 可视化技术是其关键的支撑技术。.14.2.4 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。多媒体技术中的“媒体 Multimedia一词，其含义是信息的载体，如图形、文字、声音、图像等。计算机中的信息经过这些媒体来表达。假设媒体携带的信息种类仅有一种，那么此媒体称 单媒体假设媒体携带的信息是文、图和声的综合，那么称多媒体多媒体技术就是以计算机为中心的

19、集图、文、声、像处置技术于体的综合性处置技术。多媒体技术虽然强调了多种信息“通道，但主要还是提供视觉与听觉，感知范围没有虚拟设计中关键技术VR广，虚拟设计还包括了触觉、力觉等感知。普通说来，多媒体技术不强调人机交互性，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VR的存在感。.14.2.4 虚拟设计与其他概念之间的关系(5)虚拟设计与虚拟企业。 Virtual Enterprise虚拟企业是矫捷制造的动态组织形状。它是指为了博得某市场机遇，围绕某种新产品开发，经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讯联络的阶段性运营实体，也称动态联盟。动态联盟具有集成性和实效性两大特点

20、，它本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。在虚拟企业中的同伴能共享用消费、工艺和产品的信息， 这些信息以数据的方式表示，可以分布到不同的计算环境中。虚拟企业和虚拟设计没有很强的相互依赖关系。虚拟企业强调网络环境下快速和矫捷的消费运营组织和管理。虚拟设计的重点是仿真产品的生命周期中的各个活动。.VD与7个概念的区分虚拟设计VD的概念与相关的7个概念有相对独立性。虚拟制造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培育是VD。虚拟原型加强VD的才干，VD为虚拟原型提供了运用环境。仿真不强调实时性。仿真是VD的根底，而VD是仿真的扩展。计算机图形学是建立CA

21、D系统的根底。 VD依托计算机图形学来建立计算机内的数字化模型。可视化到达控制层次，就进入VD的范畴， 可视化技术是VD关键的支撑技术。多媒体技术普通不强调人机交互。它主要是提供视觉与听觉，VD包括了触觉、力觉等感知。虚拟企业强调环境下快速和矫捷的消费运营组织和管理。 VD的重点是仿真产品的生命周期中的各个活动。.14.2.5 虚拟设计技术体系虚拟设计的“三要素是：产品定义数据、 环境定义数据、产品与环境的交互作用规律。虚拟设计意味着用数字模型替代物理原型来进展产品设计中的分析与评价。它以产品的CAD模型为根底，运用不同的分析方法可以检验并改良设计结果。CAE系统，如有限元方法(FEM)动力学

22、和运动学仿真可以提供有关产品性能的详细信息。虚拟设计将动画和虚拟现实技术与建模和仿真方法结合，为产品开发提供了新的能够方法，使不同的设计方案可以进展快速评价。与物理原型相比，虚拟原型生成快，能直接操作和修正，数据是可重用的。运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发费用。.14.2.5 虚拟设计技术体系图14-9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。图14-9 虚拟设计技术的体系框图概念设计用户需求系统功能分

23、功能系统综合初模型详细设计功能设计构造设计性能设计数字原型有限元分析性能分析运动学仿真实验动力学仿真实验虚拟原型可制造性分析人因工程分析可维修性分析可装配性分析虚拟实验与测试产品开发产品生命周期管理技术集成技术支撑技术优化技术可视化技术虚拟现实技术仿真技术建模技术评价方法数据库技术网络技术人因工程学.14.3 虚拟设计系统的功能与构造14.3.1 需求传送数据的VDS14.3.2 不需求传送数据的VDS14.3.3 虚拟设计系统的特点.14.3.1 需求传送数据的VDS虚拟设计系统(VDS)：基于VR技术的CAD系统。一个VDS要具备3个功能：1) 3D用户界面。设计者用手势、声音、球标等多种

24、方式进展交互。2) 选择参数。设计者用各种交互方式选择或激活一个在虚拟环境中的数据修正原来的数据。参数修正后，在虚拟环境中的模型变成新模型。3) 数据传送机制。模型修正后所生成的数据要传送到CAD/CAM系统，在虚拟环境中所修正的模型有时还要前往到CAD/CAM系B/S统中进展准确整理和再输出图形。这是双向数据传送机制。.14.3.1 需求传送数据的VDS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、中心层、VR运用层、C/S层或者B/S层组成，经过网络与客户获得联络；开展协同任务。图14-10 虚拟设计系统的构造Client/Server层虚拟现实运用层中心层.14.3.1 需

25、求传送数据的VDS根据能否需求传送数据，可以将VDS分为两种：1需求传送数据的VDS， 它包含一个独立的CAD/CAM系统， 为虚拟环境提供建造模型的功能。2不用有数据传送的VDS ， 在虚拟环境中建造模型，称为VR-CAD系统。 .14.3.1 需求传送数据的VDS图14-11 VEDAM-虚拟设计、装配和制造系统主界面用 户数据集成器参数化CAD/CAM系统VDEVAEVMEMMEVEDAM.14.3.1 需求传送数据的VDS图14-11一个设计、装配和制造虚拟环境系统VEDAM的根本原理。VAE是虚拟装配环境，VME是虚拟制造环境，VDE是虚拟设计环境。在本系统中，VDE、VAE和VME

26、可独立运用。参数化CAD/CAM系统可以Pro/Engineer，或Auto CAD等。1MME。它是用户用“参数化CAD/CAM系统建造产品模型后的储存处。 它是VEDAM系统中独一的一个不在沉浸环境中的模块。2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，也可以是计算机屏幕、大投影屏幕。3数据集成器。它是“模型管理器的一部分，担任在虚拟环境和CAD/CAM系统之间的双向传送数据的义务。4VEDAM的软件配置。 C+，用于写一切的对象类程序； Performer 2.0，生成图形； Pro/Engineer，生成三维图形。 图14-11 VEDAM-虚拟设计、装配和制造系

27、统主界面用 户数据集成器参数化CAD/CAM系统VDEVAEVMEMMEVEDAM.14.3.1 需求传送数据的VDS(2)需求传送数据的VDS的组成该系统中有两大分支：用于建立虚拟环境主界面的对象类；用于开发虚拟环境中的软件工具的对象类。每个分支所包含的对象类及其相互关系，图14-12。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。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。.14.3.1 需求传送数据的VDS图14-12 需求传送数据的虚拟设计系统的组成.14.3.1 需求传送数据的VDS3需求传送数据的VDS的开发步骤1)确定一个设计的

28、产品；2)选定一个和虚拟环境协同任务的CAD/CAM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和部件的三维模型；3)确定一个需求建立的虚拟环境，明确其功能、规模和运用的硬件设备、工具软件、编程言语及数据表达；4)确定CADCAM系统和所要建立的虚拟环境之间的数据交换方式；5)建立各对象类的模块，明确各模块之间的关系，集成起来，进展调试。测试双向数据交换的效果和考核整体效果。.14.3.2 不需求传送数据的VDSVR-CAD最主要的特点是用户直接在3D虚拟环境中外型。基于这个特点，VR-CAD系统的组成和建造方法可归纳如下：1)建立一个根本体系库，包括：长方体、圆柱体、球体

29、、圆环体等，选择一个在虚拟环境中建模工具软件，如WKTTM。2)确定在虚拟环境中根本体素之间的交互方法。选择适宜的硬件来完成交互操作，例如用手势控制、声音控制。3)确定用根本体素完成机械零部件外型以后所要求的精度。对精度要求不高的场所，如概念设计阶段，可采用普通的碰撞检查方法；对精度要求高的场所，如需求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到达一定的装配精度。4)建造一个交互界面，察看外型过程及结果，选用不同的图形显示安装，例如选用PC及立体眼镜。 .14.3.3 虚拟设计系统的特点VDS普通应具有两个根本方式：遨游方式和外型方式。在遨游方式下，用户可以在设计空间中，依托手、

30、眼的运动和语音命令的导航来查看曾经生成的几何形体，系统为用户提供实时三维图象、声音和触觉反响。在外型方式下，用户可以经过手、眼的运动和语音命令来创建和修正几何形体系统也为用户提供视觉、听觉和触觉的反响。设计人员在产品设计中可在两种方式间方便地切换。用以定义用户行为的结点网络是建立界面构造的根底，用户的每一个行为都用网络的一个结点来表示，由于一个行为的前后又有可供选择的行为，因此这个网络就构成了一个代表这个关系的数据构造。.14.3.3 虚拟设计系统的特点初步的分析以为与遨游方式和外型方式关系最亲密的结点有l0个(也就是一种行为)，图14-14。设计人员可以在这些结点间自在切换并经过语音命令来创

31、建形体。例如，生成形体的行为(结点)可以后续 尺寸定义(结点)和 定位(结点)等行为。 图14-14 虚拟设计系统的特点.14.4 虚拟设计系统的硬件配置14.4.1 虚拟环境生成器14.4.2 外围部分.14.4.1 虚拟环境生成器 1功能与构造虚拟环境生成器的功能是根据义务的性质和用户的要求在工具软件和数据库的支持下产生义务所需的、多维的、宜人化的情景和实例。它由计算机的根本软硬件、软件开发工具和其他配件如声卡、图形卡等组成，实践上就是一个包括各种数据库的高性能图形的计算机系统。数据库包含着对虚拟对象的描画，以及对象运动、行为、碰撞等性质的描画。它能够包括多台计算机，这些计算机协调作业完成

32、图像的实时显示以及处置其他各种数据。这个部分还包含着三维声音处置器、计算机仿真模拟管理器和运用系统等。.14.4.1 虚拟环境生成器 几何外型系统是VDS的关键。它提供描画虚拟物体外形、颜色、位置等的各种信息。图14-14是一个采用了两块图形加速卡的根本PC机的虚拟环境生成器。图中的两块三维图形加速卡分担了CPU大量的计算义务，并减少了经过PC总线的通讯。图形命令由CPU以紧缩方式发送给图形卡，然后分别对两眼视图进展成像处置。.14.4.1 虚拟环境生成器 图14-14虚拟环境生成器RGB-NTSC转换头盔式显示器三维声卡三维图形加速卡位置方向跟踪三维图形加速卡RGB-NTSC转换CPUPC总

33、线.14.4.1 虚拟环境生成器 2VDS中的三维立体图像的显示原理在现实世界中，人看到各种物体，实践上看到的是物体反射过来的光波。人看到物体的颜色和现状的同时，也看到了它的深度和运动。在用计算机产生虚拟图像时，应思索到：人是用两只眼睛从稍稍不同的察看点察看三维景物的，然后大脑将这些稍有不同的察看点组合成一个立体图像，这样人就能感到图像的深度，这就是人的立体视觉。在虚拟环境中，人眼并未直接接纳来自真实世界的反射光波，而是接纳计算机生成的信号并由VDS显示设备转换成可见光的光波。人脑对这种替代光波进展解释，供用户产生可以看见真实世界的感受。.14.4.1 虚拟环境生成器 传统CAD的立体图形有三

34、种：1采用线框图构成的三维图形。这是最根本的图形，它实践是在二维屏幕展现具有三维效果的图形。 2三维实体图形。它是以各种颜色、图案、纹理等填充过的图形，在视觉上具有三维的效果。3三维立体图形。它借助于光照、浓淡和明暗技术，产生了真正的三维立体效果。这三种都是由常见的二维图解输入/输出设备创建的，都不是VDS中的三维图形。.14.4.1 虚拟环境生成器 VDS的三维图形与普通图形系统的立体图形的主要区别是：在VDS中三维立体图，以左右眼为视点，分别计算它们的透视投影视图，然后把这两幅视图信息分别送到左右眼显示器，通常这种立体显示设备在两只眼镜前面的显示器是彼此独立运动的，显示的图像是根据对应单只

35、眼的视点坐标分别计算出来的。当左右眼接纳到图像后，再经过大脑把左右眼个别察看到的两幅图像叠加并交融到一同，便产生出一幅具有深度感的三维立体图像。普通立体图形的透视图，只思索了单个视点，左右眼视野交于屏幕的同一点。它的视觉立体感效果是经过透视、消隐、阴影、纹理等处置而获得的，其立体感不强，且常依赖于人的阅历的想象。.14.4.1 虚拟环境生成器 VDS中的三维图像与传统的计算机三维图形在成像技术上有以下不同：成像速度快。通常应在1/101/25s产生一帧图像，而传统计算机三维图形需求几分钟甚至几小时产生一帧图像。成像质量较好。具有较强的真实性。但不同于要求很高的真实感图像。采用关有接近人眼视觉深

36、度成像模型。能产生大范围、复杂的环境图像，包括复杂的地形、建筑物等，并能清楚地查看物体的细节。.14.4.2 外围部分交互工具。包括能为用户提供各种感受的输出工具，如头盔式显示器、立体眼镜、立体声音耳机、触觉反响安装等，以及能测定视野方向、识别手势和言语等的输入安装，如头部跟踪器、数据手套、数据衣和空间跟踪器等。虚拟环境生成器声音系统语音命令触觉系统手势及动作视觉系统眼的运动三维声场触觉反响三维图像输入输出图14-15虚拟设计系统的主要交互方式.14.4.2 外围部分1)头盔式显示器 HMDHead-Mounted Display也有人称它是 VR 眼镜。它是一种比较高级的视觉显示安装。它将图

37、像直接提供应眼睛，而将一切的无关视觉信息进展过滤。它要配合头部跟踪设备一同运用。跟踪设备将用户头部的位置及方向通知计算机，计算机就可以调整用户所要看到的视景。它普通有两个液晶显示器协调任务，为用户实时提供三维立体图像。图14-16是早期的一种头盔式显示器外形。图14-16 V8TM头盔的外形 重1kg.14.4.2 外围部分图14-17 表示了该头盔的机械调理部位。头盔中装有广角电路，还有随着头部运动的检测安装。优点：沉浸感强、 用户行走自在等。缺陷：用户头部有压迫感， 不便于查看和处置现实空间中的事物， 液晶显示器分辩率较低。图14-17 V8TM头盔的机械调理部位.14.4.2 外围部分2

38、立体眼镜。它是一副特殊的服镜， 用户戴在眼睛上能从显示器上看到立体的图像。立体眼镜图14-18的镜片由液晶快门组成，通电后能实现高速60Hz的左右切换，让用户左右眼看到的图像不一样，并交融图像为单一的场景和景深，从而产生立体觉得。图14-18 立体眼镜Crystal Eye 公司消费.14.4.2 外围部分3立体声音耳机。三维声音处置包括声间合成、3D声音定位和言语识别。三维声音输出可以作为一个独立的反响通道与视觉反响并行处置。在三维声场中，声音会根据详细的视觉场景运用户听到的声音好象发自相应的物体，从而运用户感到虚拟环境更加真实。.14.4.2 外围部分4触觉反响安装触觉内容非常丰富，包括接

39、触 反响、力觉反响和动觉反响。动觉反响也可归属于力觉反响 的范围，它主要向用户提供 冲力和动感。接触反响是指系统提供应用户的有关物体外表纹理、材质、温度、运动阻力等觉得。常见的模拟不同触觉纹理的方法是，利用电信号或振动来刺激人手的相应特征。提供力觉反响的常见方法是采用支配杆时经过机械臂传送给用户对虚拟物体的作用力，如图14-19所示。力觉反响安装普通对力经过适当缩放，主要运用于虚拟雕刻和装配。图14-19 力觉反响安装.14.4.2 外围部分5头部跟踪器常用的是电磁式跟踪器，其原理是发射器顺序生成3个电磁场，3个接纳器每周期接纳9个场强数据。经过分析9个场强数据的便可计算出头部的位置和方向。发

40、射器和接纳器分别置于某一固定位置和用户的头盔上。.14.4.2 外围部分6数据手套它是最有用的三维输入工具。它以数字的方式将手和手指的运动传给计算机。Cyber Glove是Cyber CAD虚拟设计环境中虚拟技术一个理想的接口设备，被广泛用来创建、终止、定位三维物体。图14-20。.14.4.2 外围部分Cyber Glove有22个传感器，每个手指有三个弯曲传感器和一个外展肌传感器。拇指与小手指由一个传感器相连，手腕处有一个传感器。它是一种高精度设备，可以提供准确而延续的输出。CyberGlove的传感器输出仅依赖手指关节的角度，而与关节的突出无关。其传感器输出和弯曲角度成线性关系，因此对

41、于关节弯曲极点，分辨率不会下降。图14-20 数据手套的外形a5DT Data Glove 16cCyber GlovebCyber Grasp.14.4.2 外围部分数据手套任务原理 图14-21当手活动时，数据手套对手指的弯曲、张角和手的绝对位置进展检测。由主机经过25条指令集进展控制。数据手套以3060Hz的速率传送记录。用同步命令可以运用左、右手套。当两个跟踪系统被同时运用时，我们就不得不对各自的传输器进展改良。图14-21 数据手套的任务原理.14.4.2 外围部分7数据衣它是一种利用人体姿态的计算机输入系统。它采用了与数据手套一样的光纤弯曲传感技术。数据手套中丈量个手指的弯曲普通用

42、12根或15根光维导线。数据衣要对人体大约50个不同的关节进展丈量。包括膝盖、手臂、躯干和脚。另外数据衣上也运用了4个磁跟踪器：每只手上一个、头上一个，另一个装在衣服的背部。它确实是一种很理想的数据输入工具，但由于构造复杂、过于笨重以及标定困难等问题，目前难以普通采用。.14.4.2 外围部分8空间跟踪器。 是一种6自在度图形输入 安装，名为鸟标 Bird TM 组成：鸟标的主体，接纳器和一个6-DOF鼠标。功能：由于每一个接纳器每秒钟可以测定144个位置和方向，在144Hz下任务，因此当它跟踪用户的头或身体其他部位关节的动作时，用户觉得不到任何滞后，滞后率只需10ms。图14-22 鸟标 .

43、14.4.2 外围部分鸟标族Flok of Birds TM组成：由4个鸟标主体。 还有传送器、接纳器、 6-DOF鼠标，一个电子箱和功率供应器。功能：鸟标族可以同时跟踪30个接受器，可以全面地跟踪人体的各部分活动。接纳器的体积很小(25.4mm x25.4mm20mm)，重是轻，可以方便地运用。多个接纳器同时任务时，可以同时测定各部位的位置和方向，鸟标族的实时图形显示功能很强。 图14-23 鸟标族.14.4.2 外围部分9球标Space Ball。它的称号很多，如：三维鼠标(3D Mouse)，空间鼠标(Space Mouse)，立体鼠标Cubic Mouse，6自在度鼠标(6-DOF M

44、ouse)，空间球(Space Ball)，三维球(3 Ball)等，其外形如图14-24所示。(b) 球标2003 (a) 6个自在度的空间鼠标(c) 球标3003 (d) 球标4000 图14-24 球标的外形.14.4.2 外围部分普通的鼠标只能感受在平面的运动，而立体鼠标可以感受用户在6个自在度的运动，包括3个平移参数和3个旋转参数。球标2003 (Space Ball 2003TM)。在主体座上有一个动力传感球(Power Sensor Ball)和前方的8个功能键，并有导线和图形显示器相联接。球的直径为61mm，可以觉察用户手指尖上非常细微的压力和扭矩；压力为0.520 N，扭矩为

45、15600 Nmm。当手指尖上的压力和扭矩沿x、y、z铀的方向施加在球上时，计算机屏幕上的3D图形便可以在6个自在度的范围内实时地挪动和转动，它的功能是：可以单独运用，假设和另外一个数字化笔(Digitizer Stylus)结合运用，效率更高。假好像时采用两种设备，球标2003控制3D图形，数字化笔可以经过菜单及指针来添加功能。用户可以用他习惯的手(如右手)握住数字化笔，而用另一只手(左手)来操作球标2003。.14.4.2 外围部分球标3003(SpaceBall 3003TM) 。它与球标2003比较，用途更加广泛。它是无绳构造，不需求导线和计算机相联接。运用时，一手执球标3003，另一

46、手执鼠标，作指点菜单用。球标4000(SpaceBall 4000TM)。它是2003及3003型的换代产品。在构造方面，一边有9个功能键，用手指操作；另一边有3个功能键，用大姆指操作。另外还有10个可供编程的软件功能键。4000型的本体上半部可以翻转180和下半部结合，以便用户左、右手运用。球的直径稍小(56mm)，便于操作。当用户选择某一种CAD软件(如Pro/Engineer)后，在计算机窗口上就可显示各功能键的作用。.14.5 虚拟设计的运用14.5.1 虚拟概念设计 VCD Virtual Conceptual Design14.5.2 虚拟装配设计 VAD Virtual Asse

47、mbly Design14.5.3 虚拟人因学设计 VED Virtual Ergonomics Design14.5.4 虚拟电厂设计 VPPD Virtual Power Plant Design.14.5.1 虚拟概念设计 概念设计是指对产品或零件的从头开场的原理方案构思，它的目的是为了捕捉产品的根本外形。产品在该阶段，其外形及准确尺寸尚未定死，设计人员有一定的变卦自在。传统的CAD系统要求设计人员在进展CAD建模时必需给出产品的详细外形特性和准确尺寸，这些细节在该阶段能够没有必要或者根本无法确定。传统的CAD系统往往采用一维的键盘和二维的鼠标作为输入工具，无法与三维环境进展流畅地交互。

48、1996年美国Wisconsin-Madisou大学研制出了一个概念虚拟设计系统COVIRDSConceptual Virtual Design System图14-25为运用场景。该系统抑制了CAD建模的上述缺陷，该系统包含三项技术：1CAD建模软件。2用户交互设计。3VR技术。 .14.5.1 虚拟概念设计 图14-25 利用COVIRDS进展虚拟设计的任务场景.14.5.1 虚拟概念设计 图14-26是系统构造。COVIRDS的虚拟环境生成器相当于CAD软件的运用部分。它的外围部分相当于CAD软件的输入输出部分，其适用性大为加强。其运用部分需求加工数据以确定用户及其手的位置，要用到碰撞检

49、测技术，以判别手与零件模型之间能否进展了交互。输入部分要有软件来驱动三维输入设备以获得数据; 输出部分假设用头盔式显示器HMD，需把计算机的视频信号转为HMD可接受的信号。.14.5.1 虚拟概念设计 1CAD建模软件。它提供两种建模方式：1参数建模。它是运用各种参数来定义设计对象，用于创建具有规范几何形体如圆柱、圆锥、立方体等的零件。2自在式建模。它利用双手的活动勾画三维外表的草图，用于创建不能用规范几何形体描画的零件。传统的CAD，自在式建模常采用“制控点法来定义设计对象的外表。 .14.5.1 虚拟概念设计 2用户交互设计。它为了更好地模拟自然的交互方式，把语音命令和手势命令配合起来，用

50、以定义零件的外形尺寸。运用户可以更直观地与虚拟建模环境进展交互，完成快速的概念设计。还消除了鼠标、键盘等输入方式对用户的限制。1对于无须外形的准确描画和尺寸的定义，采用隐含命令方式，即用语音命令定义双手动作的内容，手的位置定义对象的尺寸等参数。例1 设计者可以在手势描画的同时发出言语命令：“这么宽、这么高当说到“这么时，设计者手的位置确定了零件模型的尺寸。零件的尺寸就这样以隐含的方式得到了定义。例2 需求绘制具有自在外表的零件时，设计者可以发出口令：“绘制这样外形的零件，同时经过手的挪动来定义零件的外形。2对于要准确定义对象的几何尺寸，可运用显示命令方式，即仅经过语音命令来确定操作内容和参数定

51、义。例3 发出言语命令：“创建立方体，长10，宽10，高5，那么添加一个立方体例4 “放置对象：X=10，Y=10，Z=10，那么可改动对象的位置和方位.14.5.1 虚拟概念设计 3VR技术。系统还可以为用户提供三维立体图像，用户可在三维空间中对设计对象进展察看和操作。1它可以为用户提供一个快速检查、修正设计的环境，它提供了基于语音识别和手势跟踪的交互式修正方式，设计者可方便地修正对象的参数或自在外表的外形。例5 假设要为现有的一个对象添加一个孔，设计者可指着需求打孔的位置并发出语音命令： “打孔，直径12，深15，一个孔就这样在该位置被创建了。2在外表修正方式下，设计者可以对物体的资料类型

52、选择塑性的或弹性的，外表特征为对象外表添加“凸台 或“过渡曲面 等进展变卦；也可利用系统提供的虚拟工具对物体外表进展精细的修正。例6 可运用球面工具、圆锥面工具加工出高层的过渡曲面。也可把设计者的手看作一种虚拟的成型工具，用户来创建或修正对象类似于陶匠塑造陶器。.14.5.2 虚拟装配设计 图14-26 COVIRDS系统构造三维音响.14.5.2 虚拟装配设计 虚拟装配设计简称虚拟装配VA。定义：无需产品或支撑过程的物理实现，只需经过分析、实验模型、可视化和数据表达等手段，利用计算机工具来安排或辅助与装配有关的工程决策。对于概念设计，并行设计，虚拟装配都很重要。产品设计中最常见的、最难发现的

53、问题就是装配和维修方面的问题。由于VA可帮设计者考核产品设计方案的可装配性和可维修性，可帮设计者预先考核该产品上市的时间的快慢和提高产品的质量。利用虚拟装配技术获得装配信息。先进设计系统可以为特殊的零部件装配创建一定的“区域Zone，要同时思索装配及维修的需求。这些信息对装配工艺的选择具有很大的意义，因此也影响着设计方案的选择。.14.5.2 虚拟装配设计 虚拟装配技术。它包括VR技术、高级可视化技术、仿真技术、决策实际、装配制造工艺及工具的开发等。在虚拟装配研讨任务中，作为一个装配体中各零件之间的相互装配的交互根底，有两类方法：1基于物理建模法 Physically-based Modeli

54、ng2基于约束的几何建模法 Constraint-based Geometric Modeling.14.5.2 虚拟装配设计 例1 虚拟装配设计环境VADE为了讨论虚拟装配设计的可行性以及虚拟系统与CAD系统的数据共享技术，华盛顿州立大学开发研制了一个名为“虚拟装配设计环境Virtual Assemble Design Environment，简称VADE的虚拟设计系统。利用该系统，设计者在设计任务初期，便可思索有关装拆的问题，以防止这些方面的缺陷，可以获得装配轨迹和装配顺序等信息。供变卦设计、培训设计人员、送入CAPP、生成机器人任务途径、辅助设计电子元件的公用装配工具等。VADE系统配置

55、见图14-27。.14.5.2 虚拟装配设计 图14-27 VADE系统配置.14.5.2 虚拟装配设计 例2 研讨发动机拆装过程的VDS美国麦道飞机公司采用了沉浸式的VR系统以协助新型号发动机的设计。这个VDS首先用来研讨发动机的拆装过程，尤其是用来发现拆装过程中发动机能否能够与其他零件发生干扰。整个发动机的拆装过程可以在虚拟环境中进展。假设要进展装配，首先翻开虚拟的发动机舱门，把拖车放到发动机的下面，然后用千斤顶将拖车顶到一定的高度。接下去可运用虚拟工具把固定发动机的螺栓松开，再把发动机固定在拖车上，降低拖车，把发动机移出去进展维修或交换。安装发动机的过程与装配类似，只是过程相反。 当发动

56、机从飞机上拆下以后，这个虚拟发动机的某些部件还可以再拆。利用VDS，人们可以为特定的零件开发公用工具，检查零件拆装能否方便，零件安装有关困难等等。系统实时进展碰撞计算，假设发生了碰撞，那么一定会发出声音或放出火光的。假设需求详细察看，可进展场景冻结。察看者可以利用虚拟量具丈量两个对象的间距。用户可以跟踪、存储一切的动作和场景，并可再次播放。.14.5.2 虚拟装配设计 .14.5.2 虚拟装配设计 例3 双手操作进展装配设计 图14-28 这是一种在程度式显示屏幕上作装配设计的方法，可以多用户运用，并用双手操作，在屏幕上挪动虚拟部件进展装配。优点：可以使多个用户在相互讨论的情况下同时在程度的屏幕上设计3D装配体，直观而方便地在屏幕上挪动多个模型，不需求建模，提高了效率。 它免除了戴头盔操作时一人运用的局限性和令人疲劳的弊病。硬件：程度显示安装，数据手套，跟踪传感器，立体眼镜。软件：采用Pro/Engineer，