现代设计方法 虚拟设计

虚拟设计【摘要】介绍了虚拟设计的发展背景及应用领域，论述了以虚拟设计的技术基础和体系结构，虚拟设计的几何建模、基于图像的建模、图像与几何相结合的建模技术等基本的建模方法，以及应用前景。【关键字】虚拟设计体系结构建模基础虚拟设计的发展背景虚拟设计是20世纪90年代发展起来的一个新的研究领域，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，在机械行业有广泛的应用前景，如虚拟布局、虚拟装配、产品原型快速生成、虚拟制造等。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本质实现，即完成产品的数字化过程。与传统的的设计和制造系统相比较，它具有高度集中、快速成型、分布合作等特征。虚拟设计技术不仅在科技界，在企业界引起了广泛关注，成为研究的热点。虚拟设计的技术基础“虚拟现实”虚拟现实(virtualreality)是一种可创建和体验虚拟世界(virtualworld)的计算机系统。虚拟设计是基于虚拟现实理念和技术手段的设计，是在由高性能计算机和网络构成的虚拟空间中通过计算机仿真技术、专家系统的辅助进行产品研制的设计过程。虚拟设计充分利用虚拟现实技术的多感知和沉浸感两个重要特征，构造当前不存在的环境、人类不可能到达的环境和耗资巨大的产品设计环境。在虚拟设计过程中，设计对象可以通过极具沉浸感的显示系统呈现在人们的眼前，通过力反馈系统将设计对象的力学特性传递给设计者，通过专家系统对产品设计进行全方位的观察、检测、优化，从而在产品的设计阶段模拟出产品即虚拟样机开发的全过程并评估对产品设计的影响；预测产品功能、性能、制造成本、可制造性、可维护性、可拆卸性；提高产品设计的成功率，灵活经济地组织生产制造，提升产品质量和生产效率，缩短开发周期和降低成本，缩小产品设计与用户之间的距离。虚拟设计的概念融入了虚拟现实技术的理念，同时具有计算机辅助设计及其方法的一些特点，侧重具体的设计、应用。虚拟设计技术需要借助虚拟现实的环境，借助虚拟现实的环境能更好地发挥虚拟技术的效能。虚拟设计、制造系统的体系结构虚拟设计的特点虚拟设计是指设计者在虚拟环境中进行设计。设计者可以在虚拟环境中用交互手段对在计算机内建立的模型进行修改。一个虚拟设计系统具备三项功能：3D用户介面；选择参数；数据表达与双向数据传输。就“设计”而言，所有的设计工作都是围绕虚拟原型而展开的，只要虚拟原型能达到设计要求，则实际产品必定能达到设计要求；而进行传统设计时，所有的设计工作都是针对物理模型（或概念模型）展开的。就“虚拟”而言，设计者可实时、交互、可视化地对原型在沉浸或非沉浸环境中进行反复改进，并能马上看到修改结果；传统设计时，设计者是面向图纸的，是在图纸上用线条、线框勾勒出概念设计。虚拟设计、制造的优点虚拟设计具有以下优点:①虚有拟设计继承了虚拟现实技术的所有特点②继承了传统CAD设计的优点，便于利用原有成果;③具备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，利用资源共享和优势互补，从而缩短产品开发周期；⑤便于利用和补充各种先进技术，保持技术上的领先优势。图1所示为传统的现实制造，它需要从设计一试制t评价一►制造反复循环，需要反复制造与实验物理样机，从试制阶段起就需要投入大量原料、人员、厂房、图2所示为虚拟制造，它的设计一►加工f装配f评价阶段都可以在虚拟环境下进行，即所谓“数字样机”的反复设计f加工一►装配t评价，得到的和传输的是数据信息；在实际制造阶段才需要投入原料、人员、厂房、设备，时间短成本低、效率高、风险小，可以迅速对市场的需求作出反应。虚拟设计建模基础虚拟产品开发过程是在虚拟的条件下，对产品进行构思、设计、制造、测试和分析。它的显著特点之一就是利用存储在计算机内的数字化模型——虚拟产品来代替实物模型进行仿真、分析，从而提高产品在时间、质量、成本、服务和环境等多目标优化中的决策水平，达到全局优化和一次性开发成功的目的。建模概念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做其肢体，则虚拟现实环境的软件控制部分就是其大脑。虚拟环境中采用的软件有以下四类：⑴语言类如C++、OpenGL、VRML等；⑵建模软件类如AutoCAD、SolidWorks、Pro/Engineer、I-DEAS、CATIA等；⑶应用软件类指用户按自己的各种需求，选择或开发的自用软件；⑷通用的商用工具软件包指帮助用户建立虚拟环境的通用和基本的软件，可以使用户显著地加快虚拟现实系统的开发进程。目前，已经有了一些可用于建立虚拟环境的图形软件包，如，WTK、OpenGL、Java3D、VRML及近几年比较流行的OSG等。在虚拟环境中，模型是可视化地重要组成部分，通过OpenGL、OSG或其他图形引擎实现虚拟环境的交互。目前，虚拟设计中采用的建模方法主要有几何建模、基于图像的虚拟环境建模技术、图像与几何结合的建模、基于特征的建模、基于特征的参数化建模等。4.1几何建模几何模型描述的是具有几何网络特征的形体，它包括两个主要概念：拓扑元素(topologicalelement)和几何元素(geometrieelement).拓扌卜元素表示几何模型的拓扑信息，包括点、线、面之间的连接关系及边界关系。几何元素是具有几何意义的点线面体等，具有确定的位置和度量值(如长度和面积等)。一般来说，用计算机在图形设备上生成具有真实感的三维几何图形必须完成以下四个步骤：⑴建模即用一定的数学方法建立所需三维场景的几何描述，场景的几何描述直接影响图形的复杂性和图形绘制的计算消耗；⑵将三维几何模型经过一定变换转为二维平面透视投影图；⑶确定场景中所有可见面；⑷计算场景中可见面的颜色。基于图像的虚拟环境建模技术基于图像的建模技术又称IBR(imagebaserendering),IBR的最初发展可追溯到图形学中广为应用的纹理映射技术。在视景系统中，基于图像的建模技术主要用于构筑虚拟环境，如天空和远山。由天空和远山构成的虚拟环境的场景对象成分非常复杂，如果都采用几何建模，不仅工作量非常大，而且大大增加了视景的运行负担。此外，天空和远山在视景系统中只起陪衬作用，不需要近距离浏览。因此，以天空和远山为主要构成要素的虚拟环境最适宜采用基于图像的建模技术。与基于几何的绘制技术相比，图像建模有着以下鲜明的特点：⑴天空和远山构成的虚拟环境既可以是计算机合成的，也可以是实际拍摄的画面缝合而成，两者可以混合使用，并获得很高的真实感。⑵由于图形绘制的计算量不取决于场景复杂性，只与生成画面所需的图像分辨率有关，该绘制技术对计算机资源的要求不高，因而有助于提高视景系统的运行效率。图像与几何相结合的建模技术从以上分别对几何建模与图像建模的技术分析可知，两者的技术各有所长，合理使用才能发挥各自优势。图像与几何结合的建模技术可以最大程度的挖掘两种建模技术的潜力，把高仿真度的图像映射于简单的对象模型，在几乎不牺牲三维模型真实度的情况下，可以极大地减少模型的网格数量。小结全球化、网络化和虚拟化已成为制造业发展的重要特征，实现“虚拟设计”是制造业虚拟化的重要内容。它的近期目标是把设计人员从键盘和鼠标上解脱下来，使其可以通过多种传感器与多维的信息环境进行自然地交互，实现从定性和定量综合集成环境中得到感性和理性的认识，从而帮助深化概念和萌发新意，帮助设计人员进行创新设计。利用此技术可以大大地减少实物模型和样机的制造，从而减少产品的开发成本、缩短开发周期。实践证明：虚拟设计在产品的概念设计、装配设计、人机工程学评价等方面有着特别重要的意义。参考文献⑴陈定芳，罗亚波•虚拟设计[M].第二版•北京：机械工业出版社，2007.9.⑵王成为，高文，王行仁.灵境（虚拟现实）技术的理论/实现及应用[M].北京：清华大学出版社，1996.⑶刘宏增，黄靖远•虚拟设计[M].北京：机械工业出版社，1999.⑷张茂军•虚拟现实系统[M].北京：科学出版社，2001.⑸陈定房，周丽琨，刘有源，等.智能设计与虚拟设计[J].中国机械工程，2000,11:12-16.⑹ZhengyanZh