《智能制造基础与应用》3.7 虚拟现实与人工智能技术

智能制造基础与应用高等职业教育“十三五”规划教材

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第三章智能制造关键技术

第三章智能制造关键技术第二节工业物联网第三节工业机器人第四节3D打印技术第五节RFID射频技术第六节云计算与大数据第七节虚拟现实与人工智能技术第一节概述第八节智能制造的信息安全技术虚拟现实与人工智能技术7第七节图片

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第三章智能制造关键技术一、虚拟现实与人工智能定义及特点（一）

虚拟现实的特征及关键技术

虚拟现实技术是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机仿真系统，它利用计算机生成一种模拟环境。是一种多源信息融合的交互式的三维动态视景和实体行为的系统仿真，能够使用户沉浸到该环境中。

虚拟现实是一种环境，是高度现实化的虚幻。在其应用的领域中，为能达到虚拟现实这种环境而综合运用计算机图形学、图像处理与模式识别、计算机视觉、计算机网络／通信技术、语音处理与音响技术、心理／生理学、感知／认知科学、多传感器技术、人工智能技术以及高度并行的实时计算技术等多方面技术，营造出一个虚拟环境（VirtualEnvironment）。这些技术统称为虚拟现实技术。

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第三章智能制造关键技术1．虚拟现实的特征

（1）多感知性指除一般计算机所具有的视觉感知外，还有听觉感知、触觉感知、运动感知，甚至还包括味觉、嗅觉、感知等。理想的虚拟现实应该具有一切人所具有的感知功能。

（2）存在感指用户感到作为主角存在丁模拟环境中的真实程度。理想的模拟环境应该达到使用户难辨真假的程度。

（3）交互性指用户对模拟环境内物体的可操作程度和从环境得到反馈的自然程度。

（4）自主性指虚拟环境中的物体依据现实世界物理运动定律动作的程度。

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第三章智能制造关键技术2．虚拟现实的关键技术

虚拟现实是多种技术的综合，包括实时三维计算机图形技术，广角（宽视野）立体显示技术，对观察者头、眼和手的跟踪技术，以及触觉/力觉反馈、立体声、网络传输、语音输入输出技术等。

（1）实时三维计算机图形相比较而言，利用计算机模型产生图形图像并不是太难的事情。如果有足够准确的模型，又有足够的时间，我们就可以生成不同光照条件下各种物体的精确图像，但是这里的关键是实时。例如在飞行模拟系统中，图像的刷新相当重要，同时对图像质量的要求也很高，再加上非常复杂的虚拟环境，问题就变得相当困难。

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第三章智能制造关键技术

（2）显示

在VR系统中，双目立体视觉起了很大作用。用户的两只眼睛看到的不同图像是分别产生的，显示在不同的显示器上。有的系统采用单个显示器，但用户带上特殊的眼镜后，一只眼睛只能看到奇数帧图像，另一只眼睛只能看到偶数帧图像，奇、偶帧之间的不同也就是视差就产生了立体感。

在用户与计算机的交互中，键盘和鼠标是目前最常用的工具，但对于三维空间来说，它们都不太适合。在三维空间中因为有六个自由度，我们很难找出比较直观的办法把鼠标的平面运动映射成三维空间的任意运动。现在，已经有一些设备可以提供六个自由度，如3Space数字化仪和SpaceBall空间球等。另外一些性能比较优异的设备是数据手套和数据衣。

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（3）声音

人能够很好地判定声源的方向。在水平方向上，我们靠声音的相位差及强度的差别来确定声音的方向，因为声音到达两只耳朵的时间或距离有所不同。常见的立体声效果就是靠左右耳听到在不同位置录制的不同声音来实现的，所以会有一种方向感。现实生活里，当头部转动时，听到的声音的方向就会改变。但目前在VR系统中，声音的方向与用户头部的运动无关。

（4）感觉反馈

在一个VR系统中，用户可以看到一个虚拟的杯子。你可以设法去抓住它，但是你的手没有真正接触杯子的感觉，并有可能穿过虚拟杯子的“表面”，而这在现实生活中是不可能的。解决这一问题的常用装置是在手套内层安装一些可以振动的触点来模拟触觉。

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（5）语音

在VR系统中，语音的输入输出也很重要。这就要求虚拟环境能听懂人的语言，并能与人实时交互。而让计算机识别人的语音是相当困难的，因为语音信号和自然语言信号有其“多边性”和复杂性。例如，连续语音中词与词之间没有明显的停顿，同一词、同一字的发音受前后词、字的影响，不仅不同人说同一词会有所不同，就是同一人发音也会受到心理、生理和环境的影响而有所不同。

使用人的自然语言作为计算机输入目前有两个问题，首先是效率问题，为便于计算机理解，输入的语音可能会相当啰嗦。其次是正确性问题，计算机理解语音的方法是对比匹配，而没有人的智能。

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第三章智能制造关键技术

虚拟试衣间虚拟跑步机

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第三章智能制造关键技术虚拟游戏场景

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第三章智能制造关键技术（二）虚拟现实技术的应用沉浸式虚拟现实头盔虚拟军事训练

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第三章智能制造关键技术虚拟现实技术制作的房产效果图工业仿真界面虚拟现实技术制作的圆明园复原效果图

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第三章智能制造关键技术淘宝推出的VR购物虚拟现实技术制作的地理环境

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第三章智能制造关键技术波音787虚拟维修教室

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第三章智能制造关键技术（三）

人工智能的特征

人工智能（ArtificialIntelligence）简称AI，主要研究如何用人工的方法和技术，使用各种自动化机器或智能机器（主要指计算机）模仿、延伸和扩展人的智能，实现某些机器思维或脑力劳动自动化。

人工智能是那些与人的思维相关的活动，诸如决策、问题求解和学习等的自动化；人工智能是一种计算机能够思维，使机器具有智力的激动人心的新尝试；人工智能是研究如何让计算机做现阶段只有人才能做得好的事情；人工智能是那些使知觉、推理和行为成为可能的计算的研究。广义地讲，人工智能是关于人造物的智能行为，而智能行为包括知觉、推理、学习、交流和在复杂环境中的行为。

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第三章智能制造关键技术二、

虚拟现实在智能制造中的应用（一）虚拟制造定义及关键技术

虚拟制造技术涉及面很广，如环境构成技术、过程特征抽取、元模型、集成基础结构的体系结构、制造特征数据集成、多学科交叉功能、决策支持工具、接口技术、虚拟现实技术、建模与仿真技术等。其中后3项是虚拟制造的核心技术。

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第三章智能制造关键技术1．建模技术

虚拟制造系统VMS是现实制造系统RMS在虚拟环境下的映射，是RMS的模型化、形式化和计算机化的抽象描述和表示。VMS的建模包括生产模型、产品模型和工艺模型。

（1）生产模型。可归纳为静态描述和动态描述两个方面。静态描述是指系统生产能力和生产特性的描述。动态描述是指在已知系统状态和需求特性的基础上预测产品生产的全过程。

（2）产品模型。产品模型是制造过程中，各类实体对象模型的集合。目前产品模型描述的信息有产品结构、产品形状特征等静态信息。虚拟制造下的产品模型不再是单一的静态特征模型，它能通过映射、抽象等方法提取产品实施中各活动所需的模型，包括三维动态模型，干涉检查，应力分析等。

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（3）工艺模型。将工艺参数与影响制造功能的产品设计属性联系起来，以反应生产模型与产品模型之间的交互作用。工艺模型必须具备以下功能：计算机工艺仿真、制造数据表、制造规划、统计模型以及物理和数学模型。三维软件绘制的产品模型虚拟现实技术制作的模型

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第三章智能制造关键技术2．仿真技术

仿真就是应用计算机对复杂的现实系统经过抽象和简化形成系统模型，然后在分析的基础上运行此模型，从而得到系统一系列的统计性能。由于仿真是以系统模型为对象的研究方法，不会干扰实际生产系统，同时利用计算机的快速运算能力，仿真可以用很短时间模拟实际生产中需要很长时间的生产周期，因而可以缩短决策时间，避免资金、人力和时间的浪费，并可重复仿真，优化实施方案。

仿真的基本步骤为：研究系统——收集数据、建立系统模型——确定仿真算法、建立仿真模型、运行仿真模型——输出结果并分析。

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第三章智能制造关键技术

产品制造过程仿真，可归纳为制造系统仿真和加工过程仿真。虚拟制造系统中的产品开发涉及到产品建模仿真、设计过程规划仿真、设计思维过程和设计交互行为仿真等，以便对设计结果进行评价，实现设计过程早期反馈，减少或避免产品设计错误。

加工过程仿真，包括切削过程仿真、装配过程仿真、检验过程仿真以及焊接、压力加工、铸造仿真等。

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第三章智能制造关键技术3．虚拟现实技术VRT

虚拟现实技术是综合利用计算机图形系统、各种显示和控制等接口设备，在计算机上生成可交互的三维环境(称为虚拟环境)中提供沉浸感觉的技术。虚拟现实系统包括操作者、机器和人机接口3个基本要素。利用VRS可以对真实世界进行动态模拟，通过用户的交互输人，并及时按输出修改虚拟环境，使人产生身临其境的沉浸感觉。虚拟现实技术是VM的关键技术之一。

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第三章智能制造关键技术虚拟工厂

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第三章智能制造关键技术（二）

虚拟制造的分类

根据虚拟制造应用环境和对象的侧重点不同，虚拟制造分为三类：以设计为中心的虚拟制造，以生产为中心的虚拟制造和以控制为中心的虚拟制造。

（1）设计为中心的虚拟制造

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，以统一的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以对所设计的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，以获得对产品的设计评估与性能预测结果。

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（2）生产为中心的虚拟制造

为工艺师提供虚拟的制造车间现场环境和设备，用于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）的条件下，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，通过提供精确的生产成本信息对生产计划与调度进行合理化决策。

（3）控制为中心的虚拟制造

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。

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第三章智能制造关键技术（三）

虚拟设计与虚拟装配

虚拟设计就是指在设计阶段采用了虚拟现实技术，使设计人员可以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。虚拟装配实际上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。在广义上，虚拟设计、虚拟装配分别对应于以设计为中心和以控制为中心的虚拟制造。

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