虚拟现实技术发展趋势与制造业重点应用分析研究

虚拟现实技术开展趋势与制造业重点应用分析研究目录CONTENTS虚拟现实技术参考文献制造业应用分析Part1虚拟现实技术虚拟现实技术开展历程1.有声形动态的模拟阶段〔1963年以前〕1929年，EdwardLink设计出用于训练飞行员的模拟器；1956年，MortonHeilig开发出多通道仿真体验系统Sensorama。2.虚拟现实萌芽阶段〔1963-1972年〕1965年，IvanSutherland发表论文“UltimateDisplay〞〔终极的显示〕；1968年，IvanSutherland研制成功了带跟踪器的头盔式立体显示器〔HMD〕；1972年，NolanBushnell开发出第一个交互式电子游戏Pong。3.概念产生和理论初步形成阶段〔1973-1989年〕1977年，DanSandin、TomDeFanti和RichSayre研制出第一个数据手套SayreGlove；1984年，NASAAMES研究中心开发出用于火星探测的虚拟环境视觉显示器；1984年，VPL公司的JaronLanier首次提出“虚拟现实〞的概念；1987年，JimHumphries设计了双目全方位监视器〔BOOM〕的最早原型。4.虚拟现实理论进一步完善和应用阶段〔1990-至今〕1990年，提出VR技术包括三维图形生成技术、多传感器交互技术和高分辨率显示技术；VPL公司开发出第一套传感手套〞DataGloves〞，第一套HMD“EyePhones〞；21世纪以来，VR技术高速开展，软件开发系统不断完善，有代表性的如MultiGenVega、OpenSceneGraph、Virtools等。1234开展历程：虚拟现实技术〔VR〕是一种可以创立和体验虚拟世界的计算机仿真系统，它利用计算机生成模拟环境，是一种多源信息融合、交互式的三维动态视景和实体行为的系统仿真，并使用户沉浸到该环境中。VR是仿真技术的一个重要方向，是仿真技术与计算机图形学、人机接口技术、多媒体技术、传感技术、网络技术等多技术的集合，也是一门富有挑战性的交叉技术前沿学科和研究领域。VR概念：虚拟现实技术虚拟现实技术指三维交互设备。数据手套、力矩球、操纵杆、触觉反响装置、力觉反响装置、运动捕捉系统、运动捕捉〔机械式、声学式、电磁式、光学式〕、数据衣等。模拟环境指理想的VR应该具有一切人所具有的感知。除计算机图形技术所生成的视觉感知外，还有听觉、触觉、力觉、运动等，甚至还包括嗅觉和味觉等，也称为多感知。自然技能指人的头部转动，眼睛、手势、或其他人体行为动作，由计算机来处理与参与者的动作相适应的数据，并对用户的输入作出实时响应，并分别反响到用户的五官。感知由计算机生成的、实时动态的三维立体逼真图像。传感设备VR主要包括模拟环境、感知、自然技能和传感设备等几局部。虚拟现实技术沉浸性：用户感到作为主角存在于虚拟环境中的真实程度，是VR技术最主要的特征。影响因素包括多感知性、自主性、三维图像中的深度信息、画面的视野、实现跟踪的时间或空间响应及交互设备的约束程度等。交互性：对虚拟环境中对象的可操作程度和从虚拟环境中得到反响的自然程度。借助各种专用设备〔头盔显示器、数据手套等〕产生，使用户以自然方式如手势、体势、语言等技能，如同真实世界一样操作虚拟环境中的对象。想象性：用户在虚拟世界中根据所获取的多种信息和自身在系统中的行为，通过逻辑判断、推理和联想等思维过程，随着系统的运行状态变化而对其未来进展进行想象的能力。VR特征：G.Burdea在1993年提出“VR三角形〞，简捷说明了虚拟现实的根本特征:沉浸〔immersion〕、交互〔Interaction〕、想象〔imagination〕。虚拟现实技术VR类别：利用个人计算机和低级工作站进行仿真，将计算机屏幕作为用户观察虚拟境界的窗口。通过输入设备实现与虚拟现实世界的交互，但参与者缺少完全沉浸。缺乏真实体验，但价格较低，因而应用较广泛。

1.桌面式虚拟现实高级虚拟现实系统提供完全沉浸的体验，使用户有一种置身于虚拟境界中的感觉。它利用头盔式显示器或其它设备，把参与者的视觉、听觉和其它感觉封闭起来，并提供一个新的、虚拟的感觉空间，并利用位置跟踪器、数据手套、其它手控输入设备、声音等使得参与者产生一种身临其境、全心投入和沉浸其中的感觉。

2.沉浸式虚拟现实增强现实性虚拟现实不仅利用虚拟现实技术来模拟现实世界、仿真现实世界，而且要利用它来增强参与者对真实环境的感受，也就是增强现实中无法感知或不方便的感受。

3.增强现实性虚拟现实4.分布式虚拟现实多个用户通过计算机网络连接在一起，同时参加一个虚拟空间，共同体验虚拟经历，这就是分布式虚拟现实系统。多个用户可通过网络对同一虚拟世界进行观察和操作，以到达协同工作的目的。虚拟现实技术0102030405虚拟环境的建立是虚拟现实技术的核心内容。动态环境建模技术的目的是获取实际环境的三维数据，并根据应用的需要，利用获取的三维数据建立相应的虚拟环境模型。三维图形的生成技术已经较为成熟，其关键是如何实现“实时〞生成。在不降低图形的质量和复杂度的前提下，如何提高刷新频率将是该技术的研究内容。虚拟现实的交互能力依赖于立体显示和传感器技术的开展。现有的虚拟现实还远远不能满足系统的需要，因此有必要开发新的三维显示技术。虚拟现实应用的关键是寻找适宜的场合和对象，即如何发挥想象力和创造力。选择适当的应用对象可以大幅度地提高生产效率、减轻劳动强度、提高产品开发质量。为了到达这一目的，必须研究虚拟现实的开发工具。虚拟现实中包括大量的感知信息和模型，因此系统的集成技术起着至关重要的作用。集成技术包括信息的同步技术、模型的标定技术、数据转换技术、数据管理模型、识别和合成技术等等。动态环境建模技术实时三维图形生成技术立体显示和传感器技术应用系统开发工具系统集成技术关键技术关键技术：技术应用：虚拟现实技术随着计算机技术、交互技术和人工智能等相关技术的快速开展,虚拟现实技术取得了巨大进步。适合应用于使用计算机仿真技术或计算机模拟技术的场合,特别是需要在三维空间中表现仿真模拟过程或结果且需实时交互时,具有很大优势。最初,虚拟技术是美国航空航天局与军事部门为了模拟训练而开发的。目前虚拟现实技术已被运用在教育教学、医疗卫生、游戏产业、工程制造、航空航天、军事仿真、科学研究、娱乐产业、室内设计、房产开发、文物古迹展示、能源开发、轨道交通等各个领域中。开展趋势：虚拟现实技术1.市场初级，但显现巨大潜力2.工程进展迅速，大局部在初级阶段开展趋势：虚拟现实技术3.认知度不高，用户不愿付费4.内容和舒适感，成为关注主流开展趋势：虚拟现实技术虚拟现实技术的应用非常广泛。为满足应用领域的新需求，虚拟现实技术研究遵循“低本钱、高性能〞的原那么，表现出一些新的开展趋势。如：动态环境建模技术；实时三维图形生成和显示技术；适人化、智能化人机交互设备的研制；大型网络分布式虚拟现实的研究与应用；计算机计算速度和图形处理速度的开展将促进其普及；更真实的虚拟环境，更先进的交互系统；更先进的软件技术等。虚拟现实技术是一门新兴的科学技术，它与许多相关学科领域交叉、集成，应用领域非常广泛，应用前景也非常广阔。随着计算机技术飞速开展，虚拟现实技术将更为广泛地为人类的生产生活带来全新的面貌。待解难题：虚拟现实技术价格问题：大多数虚拟现实设备较昂贵，高昂售价阻碍了虚拟现实设备的普及。性能问题：对帧数、画面清晰度等要求较高，电脑资源消耗较大。舒适问题：因需传输大量数据，大多数厂商使用传统线缆，线缆较多；头戴式设备质量较大，会产生沉重的坠压感；长时间佩戴会产生眩晕感、易疲劳。繁琐的三维建模：基于图形的虚拟环境首先要解决三维造型问题，大局部模型仍由人工绘制，且需聘请高水平的专业人士。数据量大：虚拟现实应用的数据量非常大，在现有网络速度较慢的情况下，等待时间较长。虚拟现实系统中应考虑数据压缩问题。缺乏统一标准：该技术应用仍处于初级阶段，而对于这个平台大家都有各自的演示方法。没有真正进入虚拟世界的方法：通过线缆连接到虚拟现实设备上，限制了使用者的活动范围。VR与AR：虚拟现实技术VR（VirtualReality）AR（AugmentedReality）虚拟现实技术利用电脑模拟产生一个三维空间的虚拟世界，提供使用者关于视觉、听觉、触觉等感官的模拟，让使用者如同身历其境一般，可以及时、无限制地观察三维空间内的事物。通俗说来就是你看到的所有东西都是计算机生成的，都是虚假的纯虚拟画面。增强现实技术通过电脑技术，将虚拟信息应用到真实世界，“在屏幕上把虚拟世界套在现实世界，并进行互动〞。不仅展现了真实世界的信息,而且将虚拟的信息同时显示出来，两种信息相互补充、叠加。虚拟现实增强现实VR：在梦里见到了鬼！AR：在现实中见到了鬼！VR与ARPart2制造业制造业制造业：是指对制造资源〔物料、能源、设备、工具、资金、技术、信息和人力等〕，按照市场要求，通过制造过程，转化为可供人们使用和利用的大型工具、工业品与生活消费产品的行业。制造业的开展水平直接表达了一个国家的生产力水平，是区别开展中国家和兴旺国家的重要因素，制造业在世界兴旺国家的国民经济中占有重要份额。制造业包括：产品制造、设计、原料采购、仓储运输、订单处理、批发经营、零售。在主要从事产品制造的企业〔单位〕中，为产品销售而进行的机械与设备的组装与安装活动。制造业我国制造业存在的问题和考验：“五大问题〞：①创新能力薄弱；④传统产业产能严重过剩；②核心技术匮乏；⑤大而不强。③资源浪费，环境污染；“双向压迫〞：①兴旺国家“再工业化〞；②新兴国家本钱优势进一步凸显。内忧外患〔1〕我国制造业本身存在一些问题；〔2〕兴旺国家利用既有技术优势，不断增强其先进制造业在全球价值链的竞争优势；〔3〕新兴经济体凭借其廉价的劳动力本钱优势，也不断提升其制造业在全球的影响力；制造业?中国制造2025?提出“创新驱动、质量为先、绿色开展、结构优化、人才为本〞根本方针，“三步走〞实现制造强国战略目标：①2025年迈入制造强国行列；②2035年中国制造业整体到达世界制造强国阵营中等水平；③新中国成立一百年时，综合实力进入世界制造强国前列。德国提出“工业4.0〞概念及模式。作为全球制造装备的“领头羊〞，德国制造业拥有强大的设备和车间制造工业，在信息技术领域、嵌入式系统和自动化工程方面有非常专业的技术。美国推出了先进制造业回归方案。“美国公司合作关系对于美国研发世界前沿技术起到关键作用。而美国鼓励尝试制造企业和教育、培训机构合作办学的人才培养方式，为教育和培训各个层次的学生、工人提供独特的时机。〞日本制造也提出了“产业振兴〞战略。安倍政府上台后，提出了“安倍经济学〞战略，其三项主要内容除金融量化宽松和财政刺激举措之外，就是“产业振兴〞。2021年，英国政府就推出“高价值制造〞战略，希望鼓励英国企业在外乡生产更多世界级的高附加值产品，以加大制造业在促进英国经济增长中的作用。各国制造业战略：我国制造业开展方向：智能化如果说第一次工业革命是蒸汽革命，那么所谓“第四次工业革命〞就是智能革命。在中国，在实现这个阶段还有待时日，但在2021年发布的相关政策中，智能化已写入有关文件，成为制造业转型升级的必然方向。0102互联网＋“互联网＋〞是把互联网的创新成果与经济社会各领域深度融合，提升实体经济创新力和生产力，形成更广泛的以互联网为根底设施和创新要素的经济社会开展新形态。推进信息化与工业化深度融合，实际上就是打造“互联网＋〞。0304绿色开展?中国制造2025?提出制造业绿色开展的要求。加大先进节能环保技术、工艺和装备的研发力度，加快制造业绿色改造升级；积极推行低碳化、循环化和集约化，提高制造业资源利用效率；强化产品全生命周期绿色管理，努力构建高效、清洁、低碳、循环的绿色制造体系。效劳化制造业效劳化是制造业开展的必然趋势，而且当前制造业流行的所谓的“自动化改造方案〞等等各种方案，以及一些企业所冠名的“效劳供给商〞，本身就具有效劳化的成分。应该说，以产品效劳客户早已过时，未来的客户需要的是一整套的效劳方案。开展方向制造业Part3应用分析应用分析为适应变化迅速的市场需求，企业必须考虑先进的产品研制方法、手段以及实施途径，以保证产品研制质量、降低开发本钱、缩短设计周期，提高企业的竞争力。随着计算机软件、硬件技术的开展和网络技术进步，全球化、网络化和虚拟化已成为制造业开展的重要特征，越来越多的企业在新产品开发过程中采用数字化技术，用数字模型代替众多昂贵的实体进行设计验证。数字模型是根据产品开发过程中所有技术数据完成的，工程技术人员用其代替实体原型进行空气动力学分析、人机工程学的研究、碰撞测试等。但这些研究分析过程中，技术人员不能与虚拟对象进行真实互动，无没法得到精确反响，一些研发数据缺乏可信度，尤其是在进行机械产品设计装配拆卸与维护的研究时，因此开展受到了一定的限制。虚拟现实技术〔VR〕为解决以上问题创造了良好条件，并引起了生产领域中方法和观念上的变革。〔1〕虚拟制造技术：以虚拟现实和仿真技术为根底，对产品的设计、生产过程统一建模，在计算机上实现产品从设计、加工和装配、检验、使用整个生命周期的模拟和仿真；〔2〕模拟产品外形设计：如波音777飞机外型设计，采用虚拟现实建模的外形设计后,可随时修改和评测,方案确定后的建模数据可直接用于冲压模具设计、仿真和加工，或用于广告；〔3〕模拟产品结构设计：在复杂产品的结构设计中,通过虚拟现实技术可直观地进行设计,防止潜在的干预等问题；〔4〕虚拟产品开发：用数字化试验模型取代实物试验模型进行仿真、分析，将产品设计分析、测试、制造等整个产品开发过程；〔5〕虚拟实验技术：把虚拟技术用于试验研究中，通过交互改变参数、条件等，来模拟真实试验；〔6〕虚拟维修：现在许多国家的航空公司都在进行用于飞机检测人员培训的虚拟现实系统的开发，以期提高飞机检测质量和可靠度的培训。应用分析VR在制造业中的应用：虚拟制造虚拟制造技术〔virtualmanufacturingtechnology,VMT〕是近些年来先进制造技术领域内的一门新兴技术，是许多先进学科领域知识的综合集成与应用，它以数字化建模技术，计算机仿真技术，分析优化技术为根底，在产品设计阶段或产品制造之前，实时、并行地模拟出产品的未来制造全过程及其对产品设计的影响，预测产品性能、本钱和可制造性，以到达产品开发周期和本钱的最优化，生产效率最高化之目的。“虚拟〞是相对于实物产品的实际制造系统而言，它强调制造系统运行过程的计算机化。虚拟制造是实际制造的抽象，生产出的是全数字化产品，是在计算机及网络系统和相关软件系统中进行的制造，所处理的对象是有关产品和制造系统的信息和数据，处理结果是全数字化产品，而不是真实的物质产品。虚拟制造特点：〔1〕无须制造实物样机就可预测产品性能，节约制造本钱，缩短产品开发周期；〔2〕产品开发中可以及早发现问题，实现及时的反响和更正；〔3〕以软件模拟形式进行产品开发；〔4〕企业管理模式基于Intranet或Internet,整个制造活动具有高度的并行性。虚拟制造分类：ABC为设计者提供产品设计阶段所需的制造信息，从而使设计最优。设计部门和制造部门之间在计算机网络的支持下协同工作，以统一制造信息模型为基础，对数字化产品模型进行仿真与分析、优化，从而在设计阶段就可对所设计零件甚至整机进行加工工艺分析、运动学和动力学分析、可装配性分析等可制造性分析。A.以设计为中心的虚拟制造为工艺师提供虚拟的制造车间现场环境和设备，分析改进生产计划和生产工艺，从而实现产品制造过程的最优。在现有的企业资源（如设备、人力、原材料等）条件下，对产品的可生产性进行分析与评价，对制造资源和环境进行优化组合，通过提供精确生产成本信息对生产计划与调度进行合理化决策。B.以生产为中心的虚拟制造提供从设计到制造一体化的虚拟环境，对全系统的控制模型及现实加工过程进行仿真，允许评价产品的设计、生产计划和控制策略。以全局优化和控制为目标，对不同地域的产品设计、产品开发、市场营销、加工制造等，通过网络加以连接和控制。C.以控制为中心的虚拟制造虚拟设计：①产品建模；②产品异地设计；③产品优化设计；④产品性能评价；⑤零部件分析优化；⑥可制造性评价；⑦快速原型。虚拟制造：①生产工艺优化；②工具设计优化；③刀位控制参数优化；④刀位轨迹参数优化；⑤加工方案评估；⑥虚拟实验；⑦虚拟检测；⑧工艺模型验证、产品模型实验：虚拟机床。虚拟生产：①生产方案仿真优化；②虚拟生产布局；③虚拟设备集成；④虚拟装配；⑤虚拟生产平台效劳器。虚拟企业：①虚拟企业平台效劳器；②企业协同工作环境；③企业虚拟运行；④企业运行仿真。虚拟制造体系结构：虚拟制造1.虚拟设计：虚拟设计是指在设计阶段采用虚拟现实技术，使设计人员可随时看到并修改三维的作品，让设计人员更专注于产品功能的实现。虚拟设计是用数字模型来代替物理原型进行产品设计的分析与评价，以产品的计算机辅助设计〔CAD〕模型为根底，以领域知识和虚拟现实技术等为支撑，应用不同分析方法检验并改进设计结果。在广义上，虚拟设计对应于以设计为中心的虚拟制造。特点:〔1〕虚拟设计的核心是表达了产品原型的全数字化；〔2〕它是在多学科集成的根底上实现的；〔3〕通过虚拟现实系统为设计师提供更为直观的交互。虚拟制造虚拟装配是在计算机上模拟设备的连续装配过程，如何有效地模拟实际装配过程是虚拟装配的目的。虚拟装配技术以可视化方式展示设计产品的可装配性，同时还可通过对零部件形状进行改进以降低装配的复杂性。在广义上，虚拟装配对应于以控制为中心的虚拟制造。2.虚拟装配：虚拟制造2.虚拟装配：虚拟装配11232自顶向下〔top-down〕装配以产品设计为中心的虚拟装配自底而上〔down-top〕装配以工艺规划为中心的虚拟装配以虚拟原型为中心的虚拟装配依据实现功能和目的依据设计方式虚拟制造3.虚拟企业：虚拟企业〔VirtualEnterprise〕，是当市场出现新机遇时，具有不同资源与优势的企业为了共同开拓市场，共同对付其他的竞争者而组织的、建立在信息网络根底上的共享技术与信息，分担费用，联合开发的、互利的企业联盟体。虚拟企业的出现常常是参与联盟的企业追求一种完全靠自身能力达不到的超常目标，即这种目标要高于企业运用自身资源可以到达的限度。虚拟企业具有集成性和实效性两大特点。在面对多变的市场需求时，虚拟企业具有加快新产品开发速度、提高产品质量、降低生产本钱、快速响应用户需求、缩短产品生产周期等优点。因此，虚拟企业是快速响应市场需求的部队，能在商战中为企业准时把握机遇。虚拟产品开发是以计算机仿真和产品生命周期建模为根底，集计算机图形学、人工智能、网络技术、数据库技术、并行工程、多媒体技术和虚拟现实技术为一体，用数字化试验模型取代实物试验模型进行仿真、分析，将产品设计分析、测试、制造等整个产品开发过程在计算机虚拟环境中进行映射，利用其交互性、沉浸性和想象性到达产品开发环境的高度逼真化，使顾客直接参与产品开发，身临其境地测试产品性能和真实感受产品的使用性能，实现全局优化和一次性开发成功的目的，有效提高汽车设计、制造质量、缩短设计周期、降低设计本钱。应用虚拟设计技术可以快捷地建立产品的模型族，可实现并行的、闭环的工作模式，实现远程协同产品开发，实现产品的变型设计和系列化设计虚拟产品开发。最大限度缩短产品开发周期、降低本钱。虚拟产品开发虚拟实验技术虚拟实验是指借助于多媒体、仿真和虚拟现实〔又称VR〕等技术在计算机上营造可辅助、局部替代甚至全部替代传统实验各操作环节的相关软硬件操作环境，实验者可以像在真实的环境中一样完成各种实验工程，所取得的实验效果等价于甚至优于在真实环境中所取得的效果。虚拟实验建立在一个虚拟的实验环境(平台仿真)之上，而注重的是实验操作的交互性和实验结果的仿真性。虚拟实验室由虚拟实验台、虚拟器材库和开放式实验室管理系统组成。虚拟实验对于高校教师、学生、企业研究部门、研究院等进行某些实验具有重要的作用。应用分析VR应用：波音公司曾投资40亿美元研制波音777喷气式客机，其整机设计、部件测试、整机装配以及各种环境下的试飞均是在计算机上完成，开发周期从过去8年缩短了5年。从1990年