14章虚拟设计18讲90课件

16四月202414章虚拟设计18讲90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结构14.4虚拟设计系统的硬件配置14.5虚拟设计的应用Date214章虚拟设计14.1虚拟现实14.1.1虚拟现实的发展与组成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结构Date314章虚拟设计14.1.1虚拟现实的发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。这种过程的结合性在数字化的过程描述中得到了表达。由于对集成的要求，几何的二维处理已逐渐转变为三维处理。几何模型转变为虚拟的产品模型，借助虚拟的产品模型，产品开发过程的所有任务都可以得到支持。图14-1基于头盔式显示器的系统Date414章虚拟设计14.1.1虚拟现实的发展与组成“虚拟”有三层含义：①它意味着完全数字化的方法；②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；③它使用虚拟现实（VirtualReality，VR）技术。专家预言：未来所有复杂产品都可用虚拟方式产生有人称21世纪为“VR时代”。

Date514章虚拟设计14.1.1虚拟现实的发展与组成虚拟现实(VirtualReality，VR)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，动作起来是真实的，声音听起来是真实的，感觉起来是真实的。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观察者。VR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。

Date614章虚拟设计14.1.1虚拟现实的发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通过电视屏幕操作一个弹跳的乒乓球的电子游戏。1963年IvanSwthland提出“虚拟现实”这个概念。1985年用头盔显示器(HeadMountedDisplay，HMD)来显示计算机图形。第一台基于LCD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。虚拟现实引用了CAD中的图形学，独立发展为一种新领域Date714章虚拟设计14.1.1虚拟现实的发展与组成虚拟现实VR的组成图14-2VR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理与模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（语音处理与音响技术）计算机仿真技术网络技术并行处理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VisualPerception3－听觉AcousticPerception4－触觉TactilePerception5－嗅觉OlfactoryPerceptionDate814章虚拟设计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，对界面中的物体进行评价而不需要预先编程。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。

Date914章虚拟设计14.1.2虚拟现实的功能与特征（2）虚拟现实的3个基本特征Immersion沉浸：

在虚拟环境中，操作者应能很好地感觉各种不同的刺激Interaction交互：

操作者能对虚拟环境中的对象进行操作，并能感觉操作的结果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IDate1014章虚拟设计14.1.3虚拟环境虚拟环境VirtualEnvironment是体现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：①显示器：头盔或立体眼镜和屏幕，显示出虚拟环境的影像；②6自由度跟踪器，包括信息手套，信息接收器，声音识别装置等。软件有：图形处理器，声音处理器等。图14-4虚拟环境的组成Date1114章虚拟设计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，也可以触摸交互。2)实时反映所交互的影像。显帧率(Framerate)最好是25帧/s，最少是10帧/s。每帧安排1300~5000个多面体。3)用户有自主性。用户作为环境中的一分子，有感觉地参与到虚拟环境中去，要达到这个目的，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，可以使用户形成一种直觉的感受。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。可以在一个车间内来回走动，考查仿真加工的效果。Date1214章虚拟设计14.1.4虚拟现实系统的类型与结构根据用户参与的形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）增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。3）沉浸的虚拟现实系统。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。4）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。Date1314章虚拟设计14.1.4虚拟现实系统的类型与结构目前，分布式虚拟现实系统的研究基于两类网络平台。①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语言(VRML)标准的远程虚拟购物等。VRML是一种可以发布3D网页的跨平台语言，可提供—种更自然的体验方式，包括交互性、动态效果、延续性，以及用户参与探索。②在高速专用网上，如采用异步传输模式(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究计划，进行各种复杂任务的作战演练。从1994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场的研究，建成了—个包括海陆空多兵种、有3700多个仿真实体参与的地域范围覆盖500km×750km的军事演练环境。Date1414章虚拟设计14.1.4虚拟现实系统的类型与结构常见的沉浸式系统有3种：①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，根据应用的不同，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。通过语音识别、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行交互，如同现实世界一样。图14-1基于头盔式显示器的系统Date1514章虚拟设计14.1.4虚拟现实系统的类型与结构常见的沉浸式系统有3种②投影式虚拟现实系统图，摄像机，计算机，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形象。参与者还可以与虚拟空间进行实时交互，计算机可识别参与者的动作，并根据用户的动作改变虚拟空间。如，来回拍一个虚拟的球或走动等，这可使得参与者感觉就像是在真实空间一样。图14-5投影式虚拟现实系统Date1614章虚拟设计14.1.4虚拟现实系统的类型与结构常见的沉浸式系统有3种：③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，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（如阻尼、碰撞等)，并把动作传送到远地完成。Date1714章虚拟设计14.1.4虚拟现实系统的类型与结构虚拟现实系统的结构虚拟手部控制器图14-6虚拟现实系统的一种结构Date1814章虚拟设计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Date1914章虚拟设计14.2.1虚拟设计虚拟设计VirtualDesign，VD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段在虚拟环境中对参数化的模型进行修改。虚拟不等于虚幻、虚无，而是“本质”的意思，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。设计则泛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应用或实现。

图14-7汽车的虚拟设计Date2014章虚拟设计14.2.2虚拟制造VD和虚拟制造(VirtualManufacture，VM)既有联系又有区别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研究中不同的侧重点，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)以生产为中心的虚拟制造。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，优化制造环境的配置和生产的供给计划。3)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。Date2114章虚拟设计14.2.3虚拟原型虚拟原型(VirtualPrototype)也叫虚拟产品(VirtualProduct)、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。虚拟原型的核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。Date2214章虚拟设计14.2.3虚拟原型虚拟原型的特点：1）是数字化定义的产品模型。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示产品性能。几何外形信息是全面和完整的；产品的结构信息是详尽的。3)应该能以自然方式被人感受虚拟原型的发展将增强虚拟设计的能力，虚拟设计为虚拟原型提供了应用环境。图14-8渲染几何体的细部Date2314章虚拟设计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。虚拟设计依靠仿真技术来模拟设计、装配和生产过程，使设计者可以在计算机中“制造”产品。仿真是虚拟设计的基础，而虚拟设计是仿真的扩展。传统意义上的仿真一般不强调实时性，用户基本上是“旁观者”，没有“身临其境”的感觉。在虚拟设计中，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、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“身临其境”。Date2414章虚拟设计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。虚拟设计依靠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基础上建立的CAD系统，而且虚拟设计更强调用户感知方式的多样性，可使用户更“直接”地感知模型的物理特性。CAD模型往往是提供给专业人员使用，而虚拟设计更支持不同技术背景，甚至非专业人员进行评价与讨论。从基础技术上看，计算机图形学又是虚拟设计的基础，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，增加场景真实性。Date2514章虚拟设计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，使研究者能观察他们的模拟与计算，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，可视化研究分为3个层次：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跟踪：图形显示与计算过程同时进行，特点：①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，必要时可以停止执行，②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：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。当可视化达到控制层次时，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。Date2614章虚拟设计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，则称多媒体多媒体技术就是以计算机为核心的集图、文、声、像处理技术于—体的综合性处理技术。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。一般说来，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。Date2714章虚拟设计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。VirtualEnterprise虚拟企业是敏捷制造的动态组织形态。它是指为了赢得某—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的阶段性经营实体，也称动态联盟。动态联盟具有集成性和实效性两大特点，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。在虚拟企业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。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敏捷的生产经营组织和管理。虚拟设计的重点是仿真产品的生命周期中的各个活动。Date2814章虚拟设计VD与7个概念的辨别虚拟设计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造就是VD。虚拟原型增强VD的能力，VD为虚拟原型提供了应用环境。仿真不强调实时性。仿真是VD的基础，而VD是仿真的扩展。计算机图形学是建立CAD系统的基础。

VD依靠计算机图形学来建立计算机内的数字化模型。可视化达到控制层次，就进入VD的范畴，

可视化技术是VD关键的支撑技术。多媒体技术一般不强调人机交互。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敏捷的生产经营组织和管理。

VD的重点是仿真产品的生命周期中的各个活动。★Date2914章虚拟设计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CAD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。CAE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。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可能方法，使不同的设计方案可以进行快速评价。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。Date3014章虚拟设计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功能系统综合初模型详细设计功能设计结构设计性能设计数字原型有限元分析性能分析运动学仿真试验动力学仿真试验虚拟原型…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试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Date3114章虚拟设计14.3虚拟设计系统的功能与结构14.3.1需要传送数据的VDS14.3.2不需要传送数据的VDS14.3.3虚拟设计系统的特点Date3214章虚拟设计14.3.1需要传送数据的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、球标等多种方式进行交互。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。3)数据传送机制。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要返回到CAD/CAM系B/S统中进行精确整理和再输出图形。这是双向数据传送机制。Date3314章虚拟设计14.3.1需要传送数据的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、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14-10虚拟设计系统的结构Client/Server层虚拟现实应用层核心层Date3414章虚拟设计14.3.1需要传送数据的VDS根据是否需要传送数据，可以将VDS分为两种：1）需要传送数据的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）不必有数据传送的VDS，

在虚拟环境中建造模型，称为VR-CAD系统。Date3514章虚拟设计14.3.1需要传送数据的VDS图14-11VEDAM-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VDEVAEVMEMMEVEDAMDate3614章虚拟设计14.3.1需要传送数据的VDS图14-11一个设计、装配和制造虚拟环境系统（VEDAM）的基本原理。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可独立使用。参数化CAD/CAM系统可以Pro/Engineer，或AutoCAD等。1）MME。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系统中唯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，负责在虚拟环境和CAD/CAM系统之间的双向传送数据的任务。4）VEDAM的软件配置。①C++，用于写所有的对象类程序；②Performer2.0，生成图形；③Pro/Engineer，生成三维图形。图14-11VEDAM-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VDEVAEVMEMMEVEDAMDate3714章虚拟设计14.3.1需要传送数据的VDS(2)需要传送数据的VDS的组成该系统中有两大分支：①用于建立虚拟环境主界面的对象类；②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。Date3814章虚拟设计14.3.1需要传送数据的VDS图14-12需要传送数据的虚拟设计系统的组成Date3914章虚拟设计14.3.1需要传送数据的VDS（3）需要传送数据的VDS的开发步骤1)确定一个设计的产品；2)选定一个和虚拟环境协同工作的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；4)确定CAD／CAM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，进行调试。测试双向数据交换的效果和考核整体效果。Date4014章虚拟设计14.3.2不需要传送数据的VDSVR-CAD最主要的特点是用户直接在3D虚拟环境中造型。基于这个特点，VR-CAD系统的组成和建造方法可归纳如下：1)建立一个基本体系库，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WKTTM。2)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。对精度要求不高的场所，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，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，选用不同的图形显示装置，例如选用PC及立体眼镜。

Date4114章虚拟设计14.3.3虚拟设计系统的特点VDS一般应具有两个基本模式：漫游模式和造型模式。在漫游模式下，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，系统为用户提供实时三维图象、声音和触觉反馈。在造型模式下，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、听觉和触觉的反馈。设计人员在产品设计中可在两种模式间方便地切换。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。Date4214章虚拟设计14.3.3虚拟设计系统的特点初步的分析认为与漫游模式和造型模式关系最密切的结点有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由切换并通过语音命令来创建形体。例如，生成形体的行为(结点②)可以后续尺寸定义(结点④)和定位(结点⑤)等行为。

图14-14虚拟设计系统的特点Date4314章虚拟设计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Date4414章虚拟设计14.4.1虚拟环境生成器（1）功能与结构虚拟环境生成器的功能是根据任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任务所需的、多维的、宜人化的情景和实例。它由计算机的基本软硬件、软件开发工具和其他配件（如声卡、图形卡等）组成，实际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述，以及对象运动、行为、碰撞等性质的描述。它可能包括多台计算机，这些计算机协调作业完成图像的实时显示以及处理其他各种数据。这个部分还包含着三维声音处理器、计算机仿真模拟管理器和应用系统等。Date4514章虚拟设计14.4.1虚拟环境生成器几何造型系统是VDS的关键。它提供描述虚拟物体外形、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基本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大量的计算任务，并减少了通过PC总线的通信。图形命令由CPU以压缩形式发送给图形卡，然后分别对两眼视图进行成像处理。Date4614章虚拟设计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总线Date4714章虚拟设计14.4.1虚拟环境生成器（2）VDS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，实际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，应考虑到：人是用两只眼睛从稍稍不同的观察点观察三维景物的，然后大脑将这些稍有不同的观察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，人眼并未直接接收来自真实世界的反射光波，而是接收计算机生成的信号并由VDS显示设备转换成可见光的光波。人脑对这种代替光波进行解释，供用户产生可以看见真实世界的感受。Date4814章虚拟设计14.4.1虚拟环境生成器传统CAD的立体图形有三种：1）采用线框图构成的三维图形。这是最基本的图形，它实际是在二维屏幕展示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。Date4914章虚拟设计14.4.1虚拟环境生成器VDS的三维图形与一般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眼的视点坐标分别计算出来的。当左右眼接收到图像后，再通过大脑把左右眼个别观察到的两幅图像叠加并融合到一起，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，只考虑了单个视点，左右眼视线交于屏幕的同一点。它的视觉立体感效果是通过透视、消隐、阴影、纹理等处理而获得的，其立体感不强，且常依赖于人的经验的想象。Date5014章虚拟设计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下列不同：⑴成像速度快。通常应在1/10~1/25s产生一帧图像，而传统计算机三维图形需要几分钟甚至几小时产生一帧图像。⑵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。⑶采用关有接近人眼视觉深度成像模型。⑷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。Date5114章虚拟设计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、触觉反馈装置等，以及能测定视线方向、识别手势和语言等的输入装置，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馈三维图像输入输出图14-15虚拟设计系统的主要交互方式Date5214章虚拟设计14.4.2外围部分1)头盔式显示器HMDHead-MountedDisplay也有人称它是VR眼镜。它是一种比较高级的视觉显示装置。它将图像直接提供给眼睛，而将所有的无关视觉信息进行过滤。它要配合头部跟踪设备一起使用。跟踪设备将用户头部的位置及方向告诉计算机，计算机就可以调整用户所要看到的视景。它一般有两个液晶显示器协调工作，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14-16V8TM头盔的外形（重1kg）Date5314章虚拟设计14.4.2外围部分图14-17表示了该头盔的机械调节部位。头盔中装有广角电路，还有随着头部运动的检测装置。优点：沉浸感强、用户行走自由等。缺点：用户头部有压迫感，不便于查看和处理现实空间中的事物，液晶显示器分辩率较低。图14-17V8TM头盔的机械调节部位Date5414章虚拟设计14.4.2外围部分2）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相同，并融合图像为单一的场景和景深，从而产生立体感觉。图14-18立体眼镜（CrystalEye公司生产）Date5514章虚拟设计14.4.2外围部分3）立体声音耳机。三维声音处理包括声间合成、3D声音定位和语言识别。三维声音输出可以作为一个独立的反馈通道与视觉反馈并行处理。在三维声场中，声音会根据具体的视觉场景使用户听到的声音好象发自相应的物体，从而使用户感到虚拟环境更加真实。Date5614章虚拟设计14.4.2外围部分4）触觉反馈装置触觉内容十分丰富，包括接触反馈、力觉反馈和动觉反馈。动觉反馈也可归属于力觉反馈

的范围，它主要向用户提供冲力和动感。接触反馈是指系统提供给用户的有关物体表面纹理、材质、温度、运动阻力等感觉。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。提供力觉反馈的常见方法是采用操纵杆时通过机械臂传递给用户对虚拟物体的作用力，如图14-19所示。力觉反馈装置一般对力经过适当缩放，主要应用于虚拟雕刻和装配。图14-19力觉反馈装置Date5714章虚拟设计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个接收器每周期接收9个场强数据。通过分析9个场强数据的便可计算出头部的位置和方向。发射器和接收器分别置于某一固定位置和用户的头盔上。Date5814章虚拟设计14.4.2外围部分6）数据手套它是最有用的三维输入工具。它以数字的形式将手和手指的运动传给计算机。CyberGlove是CyberCAD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。Date5914章虚拟设计14.4.2外围部分CyberGlove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，能够提供准确而连续的输出。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，因此对于关节弯曲极点，分辨率不会下降。图14-20数据手套的外形a）5DTDataGlove16c）CyberGloveb）CyberGraspDate6014章虚拟设计14.4.2外围部分数据手套工作原理图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行检测。由主机通过25条指令集进行控制。数据手套以30~60Hz的速率传送记录。用同步命令可以使用左、右手套。当两个跟踪系统被同时使用时，我们就不得不对各自的传输器进行改进。图14-21数据手套的工作原理Date6114章虚拟设计14.4.2外围部分7）数据衣它是一种利用人体姿势的计算机输入系统。它采用了与数据手套相同的光纤弯曲传感技术。数据手套中测量５个手指的弯曲一般用12根或15根光维导线。数据衣要对人体大约50个不同的关节进行测量。包括膝盖、手臂、躯干和脚。另外数据衣上也使用了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。它的确是一种很理想的数据输入工具，但由于结构复杂、过于笨重以及标定困难等问题，目前难以普通采用。Date6214章虚拟设计14.4.2外围部分8）空间跟踪器。

是一种6自由度图形输入装置，名为鸟标BirdTM

组成：鸟标的主体，接收器和一个6-DOF鼠标。功能：由于每一个接收器每秒钟可以测定144个位置和方向，在144Hz下工作，因此当它跟踪用户的头或身体其他部位关节的动作时，用户感觉不到任何滞后，滞后率只有10ms。图14-22鸟标Date6314章虚拟设计14.4.2外围部分鸟标族FlokofBirdsTM组成：由4个鸟标主体。还有传送器、接收器、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。接收器的体积很小(25.4mmx25.4mm×20mm)，重是轻，可以方便地使用。多个接收器同时工作时，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Date6414章虚拟设计14.4.2外围部分9）球标（SpaceBall）。它的名称很多，如：三维鼠标(3DMouse)，空间鼠标(SpaceMouse)，立体鼠标（CubicMouse），6自由度鼠标(6-DOFMouse)，空间球(SpaceBall)，三维球(3Ball)等，其外形如图14-24所示。(b)球标2003(a)6个自由度的空间鼠标(c)球标3003(d)球标4000图14-24球标的外形Date6514章虚拟设计14.4.2外围部分普通的鼠标只能感受在平面的运动，而立体鼠标能够感受用户在6个自由度的运动，包括3个平移参数和3个旋转参数。球标2003(SpaceBall2003TM)。在主体座上有一个动力传感球(PowerSensorBall)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，可以察觉用户手指尖上非常细微的压力和扭矩；压力为0.5—20N，扭矩为15~600N·mm。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个自由度的范围内实时地移动和转动，它的功能是：可以单独使用，如果和另外一个数字化笔(DigitizerStylus)联合使用，效率更高。如果同时采用两种设备，球标2003控制3D图形，数字化笔可以通过菜单及指针来增加功能。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。Date6614章虚拟设计14.4.2外围部分球标3003(SpaceBall3003TM)。它与球标2003比较，用途更加广泛。它是无绳结构，不需要导线和计算机相联接。使用时，一手执球标3003，另一手执鼠标，作指点菜单用。球标4000(SpaceBall4000TM)。它是2003及3003型的换代产品。在结构方面，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、右手使用。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。Date6714章虚拟设计14.5虚拟设计的应用14.5.1虚拟概念设计VCDVirtualConceptualDesign14.5.2虚拟装配设计VADVirtualAssemblyDesign14.5.3虚拟人因学设计VEDVirtualErgonomicsDesign14.5.4虚拟电厂设计VPPDVirtualPowerPlantDesignDate6814章虚拟设计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始的原理方案构思，它的目的是为了捕捉产品的基本形状。产品在该阶段，其形状及精确尺寸尚未定死，设计人员有一定的变更自由。传统的CAD系统要求设计人员在进行CAD建模时必须给出产品的具体形状特性和精确尺寸，这些细节在该阶段可能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，无法与三维环境进行流畅地交互。1996年美国Wisconsin-Madisou大学研制出了一个概念虚拟设计系统COVIRDS（ConceptualVirtualDesignSystem）图14-25为应用场景。该系统克服了CAD建模的上述缺点，该系统包含三项技术：（1）CAD建模软件。（2）用户交互设计。（3）VR技术。Date6914章虚拟设计14.5.1虚拟概念设计图14-25利用COVIRDS进行虚拟设计的工作场景Date7014章虚拟设计14.5.1虚拟概念设计图14-26是系统结构。COVIRDS的虚拟环境生成器相当于CAD软件的应用部分。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。其应用部分需要加工数据以确定用户及其手的位置，要用到碰撞检测技术，以判断手与零件模型之间是否进行了交互。输入部分要有软件来驱动三维输入设备以取得数据;

输出部分若用头盔式显示器HMD，需把计算机的视频信号转为HMD可接受的信号。Date7114章虚拟设计14.5.1虚拟概念设计（1）CAD建模软件。它提供两种建模方式：1）参数建模。它是使用各种参数来定义设计对象，用于创建具有标准几何形体（如圆柱、圆锥、立方体等）的零件。2）自由式建模。它利用双手的活动勾画三维表面的草图，用于创建不能用标准几何形体描述的零件。（传统的CAD，自由式建模常采用“制控点”法来定义设计对象的表面。）Date7214章虚拟设计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，用以定义零件的形状尺寸。使用户可以更直观地与虚拟建模环境进行交互，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）对于无须形状的精确描绘和尺寸的定义，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述的同时发出语言命令：“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需要绘制具有自由表面的零件时，设计者可以发出口令：“绘制这样形状的零件”，同时通过手的移动来定义零件的形状。2）对于要精确定义对象的几何尺寸，可使用显示命令方式，即仅通过语音命令来确定操作内容和参数定义。例3发出语言命令：“创建立方体，长10，宽10，高5”，则添加一个立方体例4“放置对象：X=10，Y=10，Z=10”，则可改变对象的位置和方位Date7314章虚拟设计14.5.1虚拟概念设计（3）VR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行观察和操作。1）它能够为用户提供一个快速检查、修改设计的环境，它提供了基于语音识别和手势跟踪的交互式修改模式，设计者可方便地修改对象的参数或自由表面的形状。例5若要为现有的一个对象添加一个孔，设计者可指着需要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）在表面修改模式下，设计者可以对物体的材料类型（选择塑性的或弹性的），表面特征（为对象表面添加“凸台”或“过渡曲面”等）进行变更；也可利用系统提供的虚拟工具对物体表面进行精细的修改。例6可使用球面工具、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，用户来创建或修改对象类似于陶匠塑造陶器。Date7414章虚拟设计14.5.2虚拟装配设计图14-26COVIRDS系统结构三维音响Date7514章虚拟设计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，只需通过分析、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、最难发现的问题就是装配和维修方面的问题。因为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）”，要同时考虑装配及维修的需要。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。Date7614章虚拟设计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、决策理论、装配制造工艺及工具的开发等。在虚拟装配研究工作中，作为一个装配体中各零件之间的相互装配的交互基础，有两类方法：1）基于物理建模法Physically-basedModeling2）基于约束的几何建模法Constraint-basedGeometricModelingDate7714章虚拟设计14.5.2虚拟装配设计例1虚拟装配设计环境VADE为了探讨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”（VirtualAssembleDesignEnvironment），简称VADE的虚拟设计系统。利用该系统，设计者在设计工作初期，便可考虑有关装拆的问题，以避免这些方面的缺陷，可以获得装配轨迹和装配顺序等信息。供变更设计、培训设计人员、送入CAPP、生成机器人工作路径、辅助设计电子元件的专用装配工具等。VADE系统配置见图14-27。Date7814章虚拟设计14.5.2虚拟装配设计图14-27VADE系统配置Date7914章虚拟设计14.5.2虚拟装配设计例2研究发动机拆装过程的VDS美国麦道飞机公司采用了沉浸式的VR系统以帮助新型号发动机的设计。这个VDS首先用来研究发动机的拆装过程，尤其是用来发现拆装过程中发动机是否可能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行。若要进行拆卸，首先打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。接下去可使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，把发动机移出去进行维修或替换。安装发动机的过程与拆卸类似，只是过程相反。当发动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专用工具，检查零件拆装是否方便，零件安装有关困难等等。系统实时进行碰撞计算，如果发生了碰撞，那么一定会发出声音或放出火光的。若需要详细观察，可进行场景冻结。观察者可以利用虚拟量具测量两个对象的间距。用户可以跟踪、存储所有的动作和场景，并可再次播放。Date8014章虚拟设计14.5.2虚拟装配设计Date8114章虚拟设计14.5.2虚拟装配设计例3双手操作进行装配设计图14-28

这是一种在水平式显示屏幕上作装配设计的方法，可以多用户使用，并用双手操作，在屏幕上移动虚拟部件进行装配。优点：可以使多个用户在相互讨论的情况下同时在水平的屏幕上设计3D装配体，直观而方便地在屏幕上移动多个模型，不需要建模，提高了效率。它免除了戴头盔操作时一人使用的局限性和令人疲劳的弊病。硬件：水平显示装置，数据手套，跟踪传感