系统仿真技术-第10章-虚拟设计课件

系统仿真技术

第10章虚拟设计陈无畏合肥工业大学机械与汽车工程学院

系统仿真技术

第10章虚拟设计陈无畏1主要内容一、前言二、虚拟产品开发三、虚拟现实技术四、虚拟设计技术五、应用事例主要内容一、前言2一、前言一、前言30102030405060产品定义产品开发工艺规划制造检验应用成本%避免错误、或尽早发现错误、尽早修正错误设计开发目标75%修改源于设计开发80%修改由制造后续阶段完成0102030405060产品定义产品开发工艺规划制造检验应4团队工作开发过程重组DFX实现策略并行工程虚拟产品开发虚拟产品建模与仿真虚拟产品开发过程建模与过程仿真团队工作实现策略并行工程虚拟产品开发虚拟产品建模与仿真5二、虚拟产品开发二、虚拟产品开发6现实产品开发设计评价产品报废品报废品制造原料外在因素变化设备厂房人员试制原料设备厂房人员现实产品开发设计评价产品报废报废制造原料外在因7数据/信息原料设备厂房产品实际制造人员报废品设计虚拟样机评价反馈信息虚拟加工虚拟装配虚拟检测市场信息虚拟产品开发数据/信息原料设备厂房产品实际制造人员报废品设计虚拟样机反馈8虚拟产品开发的定义虚拟产品开发技术是以计算机仿真和产品生命周期建模为基础，计算机图形学、人工智能、网络技术、多媒体技术和虚拟现实技术等在产品开发（包括产品构思、设计、制造、测试和分析等）的综合应用技术。虚拟产品开发的定义虚拟产品开发技术是以计算机仿真和产9虚拟产品开发过程建模与仿真虚拟产品开发过程建模与仿真10虚拟产品开发过程建模与仿真虚拟产品开发过程建模与仿真11虚拟产品开发技术的意义促进创新设计加快产品上市速度减少资源浪费降低产品开发风险推进远程协同产品开发提高技术培训与教育质量增强企业竞争力虚拟产品开发技术的意义促进创新设计12三、虚拟现实技术三、虚拟现实技术13何谓虚拟现实什么是虚拟现实？何谓虚拟现实什么是虚拟现实？14人类需要用工具来增强、延伸、扩大自己的感官、肢体和大脑的功能

杠杆、滑轮、千斤顶增强肢体的功能望远镜、显微镜、雷达增强眼睛的功能听诊器、助听器、收音机增强耳朵的功能计算机、仿真模拟器、精密分析仪器增强大脑的功能。这些基本上都只能帮助我们进行单方向的推理。对于广泛和复杂的世界，单方向的推理是远远不够的。人类盼望着能够找到…

人类需要用工具来增强、延伸、扩大自己的感官、肢体和大脑的功能15能够根据研究问题的需要，提供一个具有尽可能逼真的虚拟对象、虚拟环境的虚拟世界。能够帮助我们沉浸在这个虚实结合的环境中，身临其境地体验这个虚拟世界中的一切，在这样的环境中研究和分析问题。能够灵活地扩大或缩小虚拟世界的时间尺度和空间尺度。例如，在数秒钟内观察地壳的演变历程，在数分钟内细细品味子弹穿破玻璃时的精细过程。能够帮助我们跟这个虚拟世界交流、发生相互作用，我们不只是能移动和触摸虚拟世界中的虚拟物体，还能在虚拟世界的街巷楼宇之间漫游。能够根据研究问题的需要，提供一个具有尽可能逼真的虚拟对象、虚16总之：希望能帮助我们创建一个时域和空域可变的虚拟世界，使人能够：沉浸其中，超越其上，进出自如，交互作用获得“观古今于须臾，抚四海于一瞬”的效果。总之：17虚拟现实是用高科技手段构造出来的一种人工环境，它具有模仿人的视觉、听觉、触觉等感知功能的能力，具有使人可以亲身体验沉浸在这种虚拟环境中并与之相互作用的能力虚拟现实技术的最终目的是提高人的认识能力，促进人与环境的交流，更深入地开发人类的智慧这就是虚拟现实…虚拟现实是用高科技手段构造出来的一种人工环境，它具有模仿人的18虚拟现实：虚拟现实技术(VirtualReality,VR)是一种三维计算机图形技术与计算机硬件技术发展而实现的高级人机交互技术，允许用户通过视觉、听觉、触觉甚至嗅觉和味觉等多种知觉方式实时地与计算机所建造的仿真环境发生相互作用。虚拟现实：虚拟现实技术(VirtualR19虚拟现实的情景是怎样生成的？如何生成？虚拟现实的情景是怎样生成的？如何生成？20情景生成要使人能够产生：视觉、听觉、触觉、力感、运动感、味感、嗅感等。如何生成这些感觉呢？环境生成情景生成要使人能够产生：如何生成这些感觉呢？生成21跟踪系统发射器头部跟踪接收器头盔显示器立体声耳机话筒数据手套跟踪接收器手部3D跟踪系统语音识别3D声音处理器虚拟环境数据库图形处理器主计算机虚拟环境实时操作系统虚拟现实环境：跟踪系统发射器头部跟踪接收器头盔显示器立体声耳机话筒数据手套22一个典型的虚拟现实环境是由人和虚拟现实系统两大部分组成虚拟现实系统又由三部分构成：

基于先进传感器的人机接口具有多媒体功能的计算机系统面向虚拟现实的软件系统

虚拟现实系统一个典型的虚拟现实环境是由人和虚拟现实系统两大部分组成虚拟现23虚拟现实系统VR硬件计算机VR软件场景显示系统触觉反馈器方位跟踪系统声音识别系统操作者机器人机接口虚拟现实系统VR硬件计VR场景显示系统方位跟踪系统操机器人机24在虚拟现实系统中，关键之一是：如何实现多维信息的输入和输出如何实现人跟虚拟世界的交互作用最基本的人机接口设备是：头盔式显示器三维鼠标数据手套人机接口---先进传感器技术和产品在虚拟现实系统中，关键之一是：人机接口---先进传感器技术和25头盔式显示器的外形很像摩托车驾驶员所佩戴的头盔，左右两眼前是高分辨率的显示屏。当佩戴头盔式显示器的用户头部发生移动时，利用头盔上的方位跟踪器，就能向计算机报告用户头部的方位了。如果计算机系统的处理速度足够快的话，就能向显示屏提供与头部方位(准确地说是眼睛所注视的方位)相一致的图像佩戴头盔的人能随着头部的转动看到一个和头部方位相一致的、由计算机所输出的虚拟世界的图像，好像是头转到哪里就能看到哪里，这样从视觉上就感觉完全沉浸在这个虚拟世界中头盔式显示器头盔式显示器的外形很像摩托车驾驶员所佩戴的头盔，左右两眼前是26头盔式显示器头盔式显示器27头盔式显示器头盔式显示器28头戴头盔式显示器进入虚拟现实环境头戴头盔式显示器进入虚拟现实环境29在虚拟环境中最常用的人机接口工具之一是数据手套。数据手套通常是一种尼龙手套，在每个手指上安装有相应的弯曲和扭曲传感器。计算机利用传感器的信息，控制虚拟空间中物体的位置和方向，于是就产生了人能用自己的手，去控制虚拟空间中虚拟物体的感觉了数据手套在虚拟环境中最常用的人机接口工具之一是数据手套。数据手套30为了能使戴上数据手套的手不仅仅能搬动虚拟物体，还能感受虚拟物体“应有的”重量和质感，更先进的数据手套还具有触觉，最简单的做法是在手套上安装气压式和振动触感式的反馈器。在计算机的控制下，向手套的气袋充气时，戴上这种数据手套的手就感受到一定的压力了，用这种办法就可以模拟手触摸真实物体时的感觉数据手套为了能使戴上数据手套的手不仅仅能搬动虚拟物体，还能感受虚拟物31数据手套数据手套32不管是在头盔、三维鼠标上，还是在数据手套上，都需要安装能对空间位置进行跟踪定位的跟踪装置

基于超声波原理进行位置和方向的跟踪，即用三角形法测出位置发送器和接受器之间的相对方位。它的优点是工作可靠、价格较低，缺点是分辨率较低、时延较长，而且受回声的干扰影响较大

不管是在头盔、三维鼠标上，还是在数据手套上，都需要安装能对空33不管是在头盔、三维鼠标上，还是在数据手套上，都需要安装能对空间位置进行跟踪定位的跟踪装置

基于光学原理的跟踪器在固定的位置上(例如天花板上)安装排列成栅格状的一组发光二极管，在用户的头上安装一个照相机，发光二极管周期性地发光，通过照相机的感光就可测出头部的位置。它的优点是定位精度较高、时延较短，其缺点是受控的面积受发光二极管栅格面积的限制，如果要检测头部或手部的全方位的转动就有一定的困难

不管是在头盔、三维鼠标上，还是在数据手套上，都需要安装能对空34具有多媒体功能的计算机系统是虚拟现实系统的基石基于个人计算机（PC）的虚拟现实计算机

具有多媒体功能的计算机系统是虚拟现实系统的基石基于个人计算机35基于工作站的虚拟现实计算机

基于工作站的虚拟现实计算机36在虚拟现实技术中，软件的主要功能就是高效地产生与真实物体形似、质似和神似的虚拟物体和虚拟环境，“以假乱真”，从而取得“身临其境”的效果面向虚拟现实的软件系统在虚拟现实技术中，软件的主要功能就是高效地产生与真实物体形似37“几何建模”就是用许许多多各式各样的多边形，拼构成所模拟对象的立体外形，这个外形必须尽可能地跟所模拟的对象完全一致，达到“形似”。形似“几何建模”就是用许许多多各式各样的多边形，拼构成所模拟对象38对几何模型进行纹理、颜色和光照的处理，也就是所谓的“物理建模”，使它看上去具有“质感”。同样是一个球，通过这两种建模，就能分辨出是玻璃球、塑料球还是棉花球。为了使虚拟空间内的虚拟对象具有质感，有时还要为对象附加更多的物理属性。例如：橡皮球具有变形和弹性的双重属性，玻璃球掉在地上时可能要破碎，而木球就会发生反弹等等。这就是“质似”。质似对几何模型进行纹理、颜色和光照的处理，也就是所谓的“物理建模39最典型的例子就是用简单的线条描述舞蹈家的体型及四肢的舞蹈动作，用演员的面部表情模拟某个卡通形象的面部表情。寥寥数笔线条与舞蹈家的身材当然相差甚远，而动物卡通的一个拟人形象当然不能等同于真人，但如果我们能从线条的动态变化中分辨出是“梁山伯与祝英台”的双人舞还是“天鹅湖”双人舞，这就达到“神似”神似最典型的例子就是用简单的线条描述舞蹈家的体型及四肢的舞蹈动作40系统仿真技术_第10章_虚拟设计41系统仿真技术_第10章_虚拟设计42常用的软件系统：图形生成环境OpenGL(OpenGraphicsLibrary)用于创建复杂图景的虚拟现实的工具包VRT开发虚拟世界的工具集WTK(WorldToolKit)快速生成和观察虚拟现实系统的QuickTimeVR等。近来最受用户欢迎的虚拟现实软件工具之一是MultiGen常用的软件系统：43许多仿真公司和三维图像处理公司等已经利用MultiGen所提供的工具进行了二次开发，研制出满足某个特定领域需要的、成套的开发虚拟现实应用系统的软件,Vega就是较成功的一个实例。Vega是基于MultiGen软件工具所开发的一套专门用于实时仿真、可视化环境和虚拟现实系统的软件系统。利用Vega可以快速地生成一个交互的、三维的作战模拟环境或生产控制环境。Vega提供了建立快速原型系统、图形编辑、系统构成所需的工具，还能提供内容丰富的三维模型库和功能强大的虚拟现实环境

许多仿真公司和三维图像处理公司等已经利用MultiGen所提44通过Vega生成的作战模拟的场景图，其中甚至包括了火光、烟雾和云彩通过Vega生成的作战模拟的场景图，其中甚至包括了火光、烟雾45美国波土顿动力学公司(BDI，BostonDynamicslnc．)开发一个名为DI-Guy的虚拟现实软件工具。DI-Guy在虚拟现实中的应用分为三类：即沉浸式的训练(ImmersiveTraining)系统、交互式的训练(InteractiveTraining)系统和可视化想定(ScenarioVisualization)系统。

不论是哪一类虚拟现实应用系统，在DI-Guy的支持下，系统开发者都能用一些很简单的命令，自动地对虚拟物体、虚拟人物、虚拟场景赋予某种“仿生”的特征

美国波土顿动力学公司(BDI，BostonDynamics46仿战士:能逼真地重现一个训练有素的战士的动作和姿态；仿男人:有男子汉的刚劲有力；仿女人：有女人的婀娜多姿；仿运动员：就能分清体操、跑步、垒球、足球、排球、篮球运动员的不同的体型和节奏；仿现场：就能产生烟雾、火光、云雾的效果。

仿战士:47DI-Guy软件所产生的单兵作战动作

DI-Guy软件所产生的单兵作战动作48穿不同的军装；携带不同的武器；做着各种不同的动作

穿不同的军装；携带不同的武器；做着各种不同的动作49运动员翻腾跳跃

运动员翻腾跳跃50球场上激烈竞争

球场上激烈竞争51虚拟现实技术的新进展具有宽视野的立体眼镜虚拟现实技术的新进展具有宽视野的立体眼镜52虚拟现实技术的新进展美国的SGI公司推出了名为DataVlsor80的头盔式显示器。这是一种宽视野、高分辨率的头盔式显示器。显示部分是采用1英寸的阴极射线管，能得到24位的全彩色图像。其垂直视野可达80度，水平视野可达120度，分辨率可达1280×l024，用户佩戴这种头盔式显示器后，能获得较好的沉浸感,整个头盔重约2kg.虚拟现实技术的新进展美国的SGI公司推出了名为DataVl53虚拟现实技术的新进展SGI公司提供了一种类似双简望远镜式的手持式显示器。为了能使显示器中的图像随着人的头部的方位发生变化，所以在显示器上也安装有方位跟踪装置。由于是手持的，调整方位十分方便，视野小些，也不妨碍用户观看全景。这个显示器的分辨率为640×480和1280×1024两种，能产生24位彩色图像

虚拟现实技术的新进展SGI公司提供了一种类似双简望远镜式的54最常见的三维鼠标有两种跟踪球(trackL，a11)三维空间探针三维鼠标虚拟现实技术的新进展最常见的三维鼠标有两种三维鼠标虚拟现实技术的新进展55跟踪球跟踪球的中心是固定的，并有一个活动的外层，装有6个发光二极管和相应的6个光传感器。当使用者用手对该球的外层施加力和力矩时，根据“弹簧变形”规则，就可通过6个光传感器测出3个力和3个力矩的信息，传输给计算机后求出虚拟空间中某物体的位置和方向虚拟现实技术的新进展跟踪球跟踪球的中心是固定的，并有一个活动的外层，装有6个发光56三维空间探针是安装在一个固定的基座上，具有6个关节的机械臂。在每个关节上装有传感器，计算机接收传感器的信息，并计算出在虚拟空间的物体的位置和方向三维空间探针虚拟现实技术的新进展三维空间探针是安装在一个固定的基座上，具有6个关节的机械臂。57虚拟现实技术的新进展多人共享的沉浸式系统虚拟现实技术的新进展多人共享的沉浸式系统58虚拟现实技术的新进展大屏幕显示系统可以满足数十人、几百人同时观看虚拟现实技术的新进展大屏幕显示系统可以满足数十人、几百人同59虚拟现实技术的新进展手控式高分辨率CRT显示器虚拟现实技术的新进展手控式高分辨率CRT显示器60虚拟现实技术的新进展观察者只需佩戴一个非常轻巧的眼镜，效果较好：从视觉效果上可以达到120度的宽阔视野；具有很高的分辨率，可以形成1024线、每线具有1280像素的光栅，并且按72HZ的频率进行更新，因此几乎和人眼的分辨率一致。它还可以得到全色图像和足够的亮度，即使在户外观看也无影响。如果对两只眼睛分别产生两幅有一定视点差异的图像，就可产生三维立体图像的效果。必要时，它可以在原来视网膜上已经有的真实世界的图像上叠加上所产生的虚拟图像，取得了虚实结合的效果。虽然这种虚拟视网膜显示装置才刚刚诞生，但已显示出很大的应用潜力。虚拟视网膜显示器虚拟现实技术的新进展观察者只需佩戴一个非常轻巧的眼镜，效果61通过各种各样的显示系统，人们能够亲眼看见虚拟空间中的虚拟物体和虚拟景象，可以在一定程度上能够得到身临其境的感觉。人们并不满足这种“只能看、不能摸、不能碰”的局面。人们如何去搬动虚拟空间的一张虚拟桌子呢?如何能用一块虚拟的木板压扁一个虚拟的气球呢?如何实现用自己的手去掂量一下虚拟石头的重量？虚拟现实技术的新进展触觉和力反馈的装置通过各种各样的显示系统，人们能够亲眼看见虚拟空间中的虚拟物体62虚拟空间的虚拟物体仅仅是一个计算机生成的三维图像，它无真正的重量、无实在的质地，只是一个“虚幻的”图像。它的手指、手腕或手臂上的控制机构和执行机构，并通过“某种算法”，产生与人触摸到真实物体时同样的刺激或反馈，用户就得到如同触摸、搬动一个真实物体一样的感受。当计算机赋予这个图像某些属性数据，例如几何学属性、材料质地属性、动力学属性以及运动学属性等时，我们可以用“某种办法”，通过“某种设备”，触模到这个虚拟物体，计算机系统能够及时地把这些属性数据传送给用户虚拟现实技术的新进展触觉和力反馈的装置虚拟空间的虚拟物体仅仅是一个计算机生成的三维图像，它无真正的63虚拟现实技术的新进展触觉和力反馈的装置三维探针:用手操纵探针的把手，用探针尖去触碰虚拟物体，计算机把虚拟物体的属性数据反馈给探针把手，使人感受到虚拟物体的某些属性手指卡箍:卡箍与连杆及马达相连，戴上卡箍去触摸、旋转或搬动虚拟物体时，计算机能把这个虚拟物体的某些属性数据反馈给马达，通过连杆作用在卡箍上，使人获得触感和力感虚拟现实技术的新进展触觉和力反馈的装置三维探针:手指卡箍64一个VirtualWorkbench的工作平台虚拟现实技术的新进展一个VirtualWorkbench的工作平台虚拟现实技术65虚拟现实技术应用虚拟现实与教育、培训虚拟现实在其它领域的应用虚拟现实与文化娱乐虚拟现实与制造虚拟现实技术应用虚拟现实与教育、培训虚拟现实在其它领域的应用66将VR技术应用于教育可以使学生能够游览海底、遨游太空、观摩历史城堡，甚至深入原子内部观察电子的运动轨迹和体验爱因斯坦的相对论世界，从而更形象地获取知识，激发思维。虚拟现实与教育、培训将VR技术应用于教育可以使学生能够游览海底、遨游太空、观摩历67VR技术在文化、娱乐领域有着极其广泛的应用。第一个大规模的VR娱乐系统“BattleTech”，将每个“座舱”仿真器连网进行组之间的对抗，3维逼真视景、游戏杆、油门、刹车和受到打击时的晃动给用户很强的感官刺激。虚拟现实与文化娱乐VR技术在文化、娱乐领域有着极其广泛的应用。第一个大规模的V68虚拟现实与文化娱乐基于高速网络和虚拟现实技术的“虚拟美国国家艺术馆”能使任何一个在计算机网上工作的人，都能远距离地参观艺术馆，不仅仅使参观者能尽兴地仔细欣赏展品，获得身临其境的感受，并且还可以参加培训中心或研究中心，获得更多的知识。当您进入“虚拟美国国家艺术馆”时，您可根据自己的爱好选择摄影、雕塑、民间艺术、绘画、风景画、肖像画、微型艺术品、抽象画、城市景色、美国西部风光、美洲土著居民文化艺术、宗教艺术、儿童艺术、体育运动和动物艺术等选项。虚拟现实与文化娱乐基于高速网络和虚拟现实技术的“虚拟美国国家69虚拟现实与文化娱乐驯马罗马女神篱安娜

虚拟现实与文化娱乐驯马罗马女神篱安娜70虚拟现实与文化娱乐黄石公园山泉的奔腾黄石公园大峡谷的雄浑内华达丛岭的峻峭虚拟现实与文化娱乐黄石公园山泉的奔腾黄石公园大峡谷的雄浑内华71虚拟现实与文化娱乐可爱和美的女神维纳斯雕像

蒙娜丽沙画像虚拟现实与文化娱乐可爱和美的女神维纳斯雕像蒙娜丽沙画像72虚拟现实技术在制造业中的应用：利用虚拟样机在产品实际加工之前对其性能、可制造性进行评价，同时对制造全过程仿真，将制造过程可能发生的问题提前到设计阶段处理，以达到产品生产的最优目标。波音777飞机的设计是虚拟原型机的应用典型实例，这是飞机设计史上第一次在设计过程中没有采用实物模型。波音777由300万个零件组成，所有的设计在一个由数百台工作站组成的虚拟环境中进行。设计师戴上头盔显示器后，可以穿行于设计中的虚拟“飞机”，审视“飞机”的各项设计指标。虚拟现实与制造虚拟现实技术在制造业中的应用：虚拟现实与制造73系统仿真技术_第10章_虚拟设计74系统仿真技术_第10章_虚拟设计75四、虚拟设计技术及其应用四、虚拟设计技术及其应用76虚拟产品设计虚拟产品设计是以虚拟现实技术为基础，实现产品或工程设计与评价分析的技术，是新一代的计算机辅助设计技术。虚拟产品设计虚拟产品设计是以虚拟现实技术为基77虚拟产品设计技术的应用形状设计装配设计工程设计虚拟产品设计技术的应用形状设计78虚拟形状设计对于规则形体，可以采用语音识别、手势跟踪的交互系统实现实体生成、尺寸更改、形状变更、实体变换（移动、旋转等），从而完成形体设计虚拟形状设计对于规则形体，可以采用语音识别、手势跟踪的交互系79虚拟形状设计单独使用语音命令“产生高20mm、长100mm、宽50mm的长方体”“放置对象于X=10、Y=10、Z=20处”“将对象沿X移动10mm”语音与手势合用指着对象，“选择”确定双手间距，“长度这么长”“改变长度”，作手势虚拟形状设计单独使用语音命令“产生高20mm、长100mm、80虚拟形状设计对于自由曲面，主要采用手势和虚拟工具，完成曲面设计。虚拟形状设计对于自由曲面，主要采用手势和虚拟工具，完成曲面设81虚拟形状设计单独使用手势手势比划虚拟工具虚拟油泥建模(VirtualClayModeling)：允许工业造型技术人员以类似于传统的手工设计方式（刮、削、扫、抹等）制作出随心所欲的模型虚拟形状设计单独使用手势手势比划虚拟工具虚拟油泥建模(Vir82系统仿真技术_第10章_虚拟设计83虚拟装配设计设计人员可以利用手套或其它设备根据经验装配或拆卸零件，在虚拟环境中使用各种装配工具对产品的装配性进行分析，而且可以产生装配规划虚拟装配设计设计人员可以利用手套或其它设备根据经验装配或拆卸84系统仿真技术_第10章_虚拟设计85虚拟工程设计对于生产线、厂房车间、地铁等大型工程设计，虚拟设计技术提供对设计方案评价的非常直观的手段虚拟工程设计对于生产线、厂房车间、地铁等大型工程86虚拟厂房虚拟厂房87系统仿真技术_第10章_虚拟设计88系统仿真技术_第10章_虚拟设计89虚拟生产线虚拟生产线90虚拟工程虚拟工程91系统仿真技术_第10章_虚拟设计92虚拟设计、制造软件系统名称出品公司名称主要模块主要功能

Deneb

美国DenebRobotics公司EnvisionQuestVirtualNCAssemblyERGO虚拟样机设计分析、虚拟环境漫游、离散事件仿真、加工过程仿真、虚拟装配和拆卸仿真、人体建模与分析

dVISE

英国Division公司dv/WebFlydv/Playerdv/Reviewdv/Mock-Updv/Reality实时网上信息浏览虚拟样机装配拆卸仿真WorldToolKit美国Sense8公司WorldUp实时交互虚拟环境建立

EAI美国EngineeringAnimation,Inc.装配分析、装配设置评估、模型可视化、三维工程动画虚拟设计、制造软件系统名称出品公司名称主要模块主要功能

美93五、应用事例五、应用事例94虚拟人工拆卸虚拟人工拆卸95工程设计与仿真工程设计与仿真96由虚拟环境到CAD的数据交换问题数据接口数据缩减实时与复杂硬件方面的问题网络传输速度问题六、需要解决的问题由虚拟环境到CAD的数据交换问题六、需要解决的问题97由于虚拟设计系统在图形输出和模型操纵方法上与其他的计算机辅助应用系统如CAD、CAPP(计算机辅助工艺规划)等存在着很大的不同，从而导致虚拟现实系统的数据和信息不能很好地被其他现行的计算机辅助系统共享由虚拟环境到CAD的数据交换问题由于虚拟设计系统在图形输出和模型操纵方法上与其他的计算机辅助98目前所用的数据接口，例如IGES(基本图形转换规范)只能提供几何数据的转换。例如，它们只能提供一个孔的周边信息而不能提供孔本身的信息如孔径及中心位置，更不用说材料、质地、颜色、力学特性等。数据接口问题目前所用的数据接口，例如IGES(基本图形转换规范)只能提供99在硬件还不足够强大的情况下，若要保证足够的图像刷新率，CAD数据就需要转换为多边形格式并且很可能需要实施进一步的缩减处理巧妙的缩减算法可以将原数据缩减数据缩减问题在硬件还不足够强大的情况下，若要保证足够的图像刷新率，CAD100限于目前计算机的能力，为了在虚拟环境中完成较为理想的交互，系统必须在描绘的真实感和必要的刷新率之间进行折中。这样的折中应该考虑系统的具体应用环境和对沉浸感的要求，好在虚拟设计一般对沉浸感要求不是太高。适当地进行纹理渲染处理有利于增强图形的真实感并不增加三角形的数量。实时要求与复杂问题限于目前计算机的能力，为了在虚拟环境中完成较为理想的交互，系101处理器计算能力不足、头盔式显示器分辨率太低、触觉／力量反馈系统能力太差。跟踪系统能够精确跟踪的范围太小，抵抗外来干扰的能力不足。以上这些硬件问题是虚拟设计系统不能充分发挥其强大功能的主要障碍。硬件方面的问题处理器计算能力不足、头盔式显示器分辨率太低、触觉／力量反馈系102全球虚拟设计系统对实现异地设计和异地制造，帮助企业占领全球市场是极其重要的，但目前网络的传输速度实在难以满足这样的要求网络传输速度问题全球虚拟设计系统对实现异地设计和异地制造，帮助企业占领全球市103系统仿真技术_第10章_虚拟设计104虚拟设计技术使人类从虚拟的世界中获得巨大的现实效益使人类更多的梦想成真虚拟设计技术使人类从虚拟的世界中获得巨大的现实效益105系统仿真技术

第10章虚拟设计陈无畏合肥工业大学机械与汽车工程学院

系统仿真技术

第10章虚拟设计陈无畏106主要内容一、前言二、虚拟产品开发三、虚拟现实技术四、虚拟设计技术五、应用事例主要内容一、前言107一、前言一、前言1080102030405060产品定义产品开发工艺规划制造检验应用成本%避免错误、或尽早发现错误、尽早修正错误设计开发目标75%修改源于设计开发80%修改由制造后续阶段完成0102030405060产品定义产品开发工艺规划制造检验应109团队工作开发过程重组DFX实现策略并行工程虚拟产品开发虚拟产品建模与仿真虚拟产品开发过程建模与过程仿真团队工作实现策略并行工程虚拟产品开发虚拟产品建模与仿真110二、虚拟产品开发二、虚拟产品开发111现实产品开发设计评价产品报废品报废品制造原料外在因素变化设备厂房人员试制原料设备厂房人员现实产品开发设计评价产品报废报废制造原料外在因112数据/信息原料设备厂房产品实际制造人员报废品设计虚拟样机评价反馈信息虚拟加工虚拟装配虚拟检测市场信息虚拟产品开发数据/信息原料设备厂房产品实际制造人员报废品设计虚拟样机反馈113虚拟产品开发的定义虚拟产品开发技术是以计算机仿真和产品生命周期建模为基础，计算机图形学、人工智能、网络技术、多媒体技术和虚拟现实技术等在产品开发（包括产品构思、设计、制造、测试和分析等）的综合应用技术。虚拟产品开发的定义虚拟产品开发技术是以计算机仿真和产114虚拟产品开发过程建模与仿真虚拟产品开发过程建模与仿真115虚拟产品开发过程建模与仿真虚拟产品开发过程建模与仿真116虚拟产品开发技术的意义促进创新设计加快产品上市速度减少资源浪费降低产品开发风险推进远程协同产品开发提高技术培训与教育质量增强企业竞争力虚拟产品开发技术的意义促进创新设计117三、虚拟现实技术三、虚拟现实技术118何谓虚拟现实什么是虚拟现实？何谓虚拟现实什么是虚拟现实？119人类需要用工具来增强、延伸、扩大自己的感官、肢体和大脑的功能

杠杆、滑轮、千斤顶增强肢体的功能望远镜、显微镜、雷达增强眼睛的功能听诊器、助听器、收音机增强耳朵的功能计算机、仿真模拟器、精密分析仪器增强大脑的功能。这些基本上都只能帮助我们进行单方向的推理。对于广泛和复杂的世界，单方向的推理是远远不够的。人类盼望着能够找到…

人类需要用工具来增强、延伸、扩大自己的感官、肢体和大脑的功能120能够根据研究问题的需要，提供一个具有尽可能逼真的虚拟对象、虚拟环境的虚拟世界。能够帮助我们沉浸在这个虚实结合的环境中，身临其境地体验这个虚拟世界中的一切，在这样的环境中研究和分析问题。能够灵活地扩大或缩小虚拟世界的时间尺度和空间尺度。例如，在数秒钟内观察地壳的演变历程，在数分钟内细细品味子弹穿破玻璃时的精细过程。能够帮助我们跟这个虚拟世界交流、发生相互作用，我们不只是能移动和触摸虚拟世界中的虚拟物体，还能在虚拟世界的街巷楼宇之间漫游。能够根据研究问题的需要，提供一个具有尽可能逼真的虚拟对象、虚121总之：希望能帮助我们创建一个时域和空域可变的虚拟世界，使人能够：沉浸其中，超越其上，进出自如，交互作用获得“观古今于须臾，抚四海于一瞬”的效果。总之：122虚拟现实是用高科技手段构造出来的一种人工环境，它具有模仿人的视觉、听觉、触觉等感知功能的能力，具有使人可以亲身体验沉浸在这种虚拟环境中并与之相互作用的能力虚拟现实技术的最终目的是提高人的认识能力，促进人与环境的交流，更深入地开发人类的智慧这就是虚拟现实…虚拟现实是用高科技手段构造出来的一种人工环境，它具有模仿人的123虚拟现实：虚拟现实技术(VirtualReality,VR)是一种三维计算机图形技术与计算机硬件技术发展而实现的高级人机交互技术，允许用户通过视觉、听觉、触觉甚至嗅觉和味觉等多种知觉方式实时地与计算机所建造的仿真环境发生相互作用。虚拟现实：虚拟现实技术(VirtualR124虚拟现实的情景是怎样生成的？如何生成？虚拟现实的情景是怎样生成的？如何生成？125情景生成要使人能够产生：视觉、听觉、触觉、力感、运动感、味感、嗅感等。如何生成这些感觉呢？环境生成情景生成要使人能够产生：如何生成这些感觉呢？生成126跟踪系统发射器头部跟踪接收器头盔显示器立体声耳机话筒数据手套跟踪接收器手部3D跟踪系统语音识别3D声音处理器虚拟环境数据库图形处理器主计算机虚拟环境实时操作系统虚拟现实环境：跟踪系统发射器头部跟踪接收器头盔显示器立体声耳机话筒数据手套127一个典型的虚拟现实环境是由人和虚拟现实系统两大部分组成虚拟现实系统又由三部分构成：

基于先进传感器的人机接口具有多媒体功能的计算机系统面向虚拟现实的软件系统

虚拟现实系统一个典型的虚拟现实环境是由人和虚拟现实系统两大部分组成虚拟现128虚拟现实系统VR硬件计算机VR软件场景显示系统触觉反馈器方位跟踪系统声音识别系统操作者机器人机接口虚拟现实系统VR硬件计VR场景显示系统方位跟踪系统操机器人机129在虚拟现实系统中，关键之一是：如何实现多维信息的输入和输出如何实现人跟虚拟世界的交互作用最基本的人机接口设备是：头盔式显示器三维鼠标数据手套人机接口---先进传感器技术和产品在虚拟现实系统中，关键之一是：人机接口---先进传感器技术和130头盔式显示器的外形很像摩托车驾驶员所佩戴的头盔，左右两眼前是高分辨率的显示屏。当佩戴头盔式显示器的用户头部发生移动时，利用头盔上的方位跟踪器，就能向计算机报告用户头部的方位了。如果计算机系统的处理速度足够快的话，就能向显示屏提供与头部方位(准确地说是眼睛所注视的方位)相一致的图像佩戴头盔的人能随着头部的转动看到一个和头部方位相一致的、由计算机所输出的虚拟世界的图像，好像是头转到哪里就能看到哪里，这样从视觉上就感觉完全沉浸在这个虚拟世界中头盔式显示器头盔式显示器的外形很像摩托车驾驶员所佩戴的头盔，左右两眼前是131头盔式显示器头盔式显示器132头盔式显示器头盔式显示器133头戴头盔式显示器进入虚拟现实环境头戴头盔式显示器进入虚拟现实环境134在虚拟环境中最常用的人机接口工具之一是数据手套。数据手套通常是一种尼龙手套，在每个手指上安装有相应的弯曲和扭曲传感器。计算机利用传感器的信息，控制虚拟空间中物体的位置和方向，于是就产生了人能用自己的手，去控制虚拟空间中虚拟物体的感觉了数据手套在虚拟环境中最常用的人机接口工具之一是数据手套。数据手套135为了能使戴上数据手套的手不仅仅能搬动虚拟物体，还能感受虚拟物体“应有的”重量和质感，更先进的数据手套还具有触觉，最简单的做法是在手套上安装气压式和振动触感式的反馈器。在计算机的控制下，向手套的气袋充气时，戴上这种数据手套的手就感受到一定的压力了，用这种办法就可以模拟手触摸真实物体时的感觉数据手套为了能使戴上数据手套的手不仅仅能搬动虚拟物体，还能感受虚拟物136数据手套数据手套137不管是在头盔、三维鼠标上，还是在数据手套上，都需要安装能对空间位置进行跟踪定位的跟踪装置

基于超声波原理进行位置和方向的跟踪，即用三角形法测出位置发送器和接受器之间的相对方位。它的优点是工作可靠、价格较低，缺点是分辨率较低、时延较长，而且受回声的干扰影响较大

不管是在头盔、三维鼠标上，还是在数据手套上，都需要安装能对空138不管是在头盔、三维鼠标上，还是在数据手套上，都需要安装能对空间位置进行跟踪定位的跟踪装置

基于光学原理的跟踪器在固定的位置上(例如天花板上)安装排列成栅格状的一组发光二极管，在用户的头上安装一个照相机，发光二极管周期性地发光，通过照相机的感光就可测出头部的位置。它的优点是定位精度较高、时延较短，其缺点是受控的面积受发光二极管栅格面积的限制，如果要检测头部或手部的全方位的转动就有一定的困难

不管是在头盔、三维鼠标上，还是在数据手套上，都需要安装能对空139具有多媒体功能的计算机系统是虚拟现实系统的基石基于个人计算机（PC）的虚拟现实计算机

具有多媒体功能的计算机系统是虚拟现实系统的基石基于个人计算机140基于工作站的虚拟现实计算机

基于工作站的虚拟现实计算机141在虚拟现实技术中，软件的主要功能就是高效地产生与真实物体形似、质似和神似的虚拟物体和虚拟环境，“以假乱真”，从而取得“身临其境”的效果面向虚拟现实的软件系统在虚拟现实技术中，软件的主要功能就是高效地产生与真实物体形似142“几何建模”就是用许许多多各式各样的多边形，拼构成所模拟对象的立体外形，这个外形必须尽可能地跟所模拟的对象完全一致，达到“形似”。形似“几何建模”就是用许许多多各式各样的多边形，拼构成所模拟对象143对几何模型进行纹理、颜色和光照的处理，也就是所谓的“物理建模”，使它看上去具有“质感”。同样是一个球，通过这两种建模，就能分辨出是玻璃球、塑料球还是棉花球。为了使虚拟空间内的虚拟对象具有质感，有时还要为对象附加更多的物理属性。例如：橡皮球具有变形和弹性的双重属性，玻璃球掉在地上时可能要破碎，而木球就会发生反弹等等。这就是“质似”。质似对几何模型进行纹理、颜色和光照的处理，也就是所谓的“物理建模144最典型的例子就是用简单的线条描述舞蹈家的体型及四肢的舞蹈动作，用演员的面部表情模拟某个卡通形象的面部表情。寥寥数笔线条与舞蹈家的身材当然相差甚远，而动物卡通的一个拟人形象当然不能等同于真人，但如果我们能从线条的动态变化中分辨出是“梁山伯与祝英台”的双人舞还是“天鹅湖”双人舞，这就达到“神似”神似最典型的例子就是用简单的线条描述舞蹈家的体型及四肢的舞蹈动作145系统仿真技术_第10章_虚拟设计146系统仿真技术_第10章_虚拟设计147常用的软件系统：图形生成环境OpenGL(OpenGraphicsLibrary)用于创建复杂图景的虚拟现实的工具包VRT开发虚拟世界的工具集WTK(WorldToolKit)快速生成和观察虚拟现实系统的QuickTimeVR等。近来最受用户欢迎的虚拟现实软件工具之一是MultiGen常用的软件系统：148许多仿真公司和三维图像处理公司等已经利用MultiGen所提供的工具进行了二次开发，研制出满足某个特定领域需要的、成套的开发虚拟现实应用系统的软件,Vega就是较成功的一个实例。Vega是基于MultiGen软件工具所开发的一套专门用于实时仿真、可视化环境和虚拟现实系统的软件系统。利用Vega可以快速地生成一个交互的、三维的作战模拟环境或生产控制环境。Vega提供了建立快速原型系统、图形编辑、系统构成所需的工具，还能提供内容丰富的三维模型库和功能强大的虚拟现实环境

许多仿真公司和三维图像处理公司等已经利用MultiGen所提149通过Vega生成的作战模拟的场景图，其中甚至包括了火光、烟雾和云彩通过Vega生成的作战模拟的场景图，其中甚至包括了火光、烟雾150美国波土顿动力学公司(BDI，BostonDynamicslnc．)开发一个名为DI-Guy的虚拟现实软件工具。DI-Guy在虚拟现实中的应用分为三类：即沉浸式的训练(ImmersiveTraining)系统、交互式的训练(InteractiveTraining)系统和可视化想定(ScenarioVisualization)系统。

不论是哪一类虚拟现实应用系统，在DI-Guy的支持下，系统开发者都能用一些很简单的命令，自动地对虚拟物体、虚拟人物、虚拟场景赋予某种“仿生”的特征

美国波土顿动力学公司(BDI，BostonDynamics151仿战士:能逼真地重现一个训练有素的战士的动作和姿态；仿男人:有男子汉的刚劲有力；仿女人：有女人的婀娜多姿；仿运动员：就能分清体操、跑步、垒球、足球、排球、篮球运动员的不同的体型和节奏；仿现场：就能产生烟雾、火光、云雾的效果。

仿战士:152DI-Guy软件所产生的单兵作战动作

DI-Guy软件所产生的单兵作战动作153穿不同的军装；携带不同的武器；做着各种不同的动作

穿不同的军装；携带不同的武器；做着各种不同的动作154运动员翻腾跳跃

运动员翻腾跳跃155球场上激烈竞争

球场上激烈竞争156虚拟现实技术的新进展具有宽视野的立体眼镜虚拟现实技术的新进展具有宽视野的立体眼镜157虚拟现实技术的新进展美国的SGI公司推出了名为DataVlsor80的头盔式显示器。这是一种宽视野、高分辨率的头盔式显示器。显示部分是采用1英寸的阴极射线管，能得到24位的全彩色图像。其垂直视野可达80度，水平视野可达120度，分辨率可达1280×l024，用户佩戴这种头盔式显示器后，能获得较好的沉浸感,整个头盔重约2kg.虚拟现实技术的新进展美国的SGI公司推出了名为DataVl158虚拟现实技术的新进展SGI公司提供了一种类似双简望远镜式的手持式显示器。为了能使显示器中的图像随着人的头部的方位发生变化，所以在显示器上也安装有方位跟踪装置。由于是手持的，调整方位十分方便，视野小些，也不妨碍用户观看全景。这个显示器的分辨率为640×480和1280×1024两种，能产生24位彩色图像

虚拟现实技术的新进展SGI公司提供了一种类似双简望远镜式的159最常见的三维鼠标有两种跟踪球(trackL，a11)三维空间探针三维鼠标虚拟现实技术的新进展最常见的三维鼠标有两种三维鼠标虚拟现实技术的新进展160跟踪球跟踪球的中心是固定的，并有一个活动的外层，装有6个发光二极管和相应的6个光传感器。当使用者用手对该球的外层施加力和力矩时，根据“弹簧变形”规则，就可通过6个光传感器测出3个力和3个力矩的信息，传输给计算机后求出虚拟空间中某物体的位置和方向虚拟现实技术的新进展跟踪球跟踪球的中心是固定的，并有一个活动的外层，装有6个发光161三维空间探针是安装在一个固定的基座上，具有6个关节的机械臂。在每个关节上装有传感器，计算机接收传感器的信息，并计算出在虚拟空间的物体的位置和方向三维空间探针虚拟现实技术的新进展三维空间探针是安装在一个固定的基座上，具有6个关节的机械臂。162虚拟现实技术的新进展多人共享的沉浸式系统虚拟现实技术的新进展多人共享的沉浸式系统163虚拟现实技术的新进展大屏幕显示系统可以满足数十人、几百人同时观看虚拟现实技术的新进展大屏幕显示系统可以满足数十人、几百人同164虚拟现实技术的新进展手控式高分辨率CRT显示器虚拟现实技术的新进展手控式高分辨率CRT显示器165虚拟现实技术的新进展观察者只需佩戴一个非常轻巧的眼镜，效果较好：从视觉效果上可以达到120度的宽阔视野；具有很高的分辨率，可以形成1024线、每线具有1280像素的光栅，并且按72HZ的频率进行更新，因此几乎和人眼的分辨率一致。它还可以得到全色图像和足够的亮度，即使在户外观看也无影响。如果对两只眼睛分别产生两幅有一定视点差异的图像，就可产生三维立体图像的效果。必要时，它可以在原来视网膜上已经有的真实世界的图像上叠加上所产生的虚拟图像，取得了虚实结合的效果。虽然这种虚拟视网膜显示装置才刚刚诞生，但已显示出很大的应用潜力。虚拟视网膜显示器虚拟现实技术的新进展观察者只需佩戴一个非常轻巧的眼镜，效果166通过各种各样的显示系统，人们能够亲眼看见虚拟空间中的虚拟物体和虚拟景象，可以在一定程度上能够得到身临其境的感觉。人们并不满足这种“只能看、不能摸、不能碰”的局面。人们如何去搬动虚拟空间的一张虚拟桌子呢?如何能用一块虚拟的木板压扁一个虚拟的气球呢?如何实现用自己的手去掂量一下虚拟石头的重量？虚拟现实技术的新进展触觉和力反馈的装置通过各种各样的显示系统，人们能够亲眼看见虚拟空间中的虚拟物体167虚拟空间的虚拟物体仅仅是一个计算机生成的三维图像，它无真正的重量、无实在的质地，只是一个“虚幻的”图像。它的手指、手腕或手臂上的控制机构和执行机构，并通过“某种算法”，产生与人触摸到真实物体时同样的刺激或反馈，用户就得到如同触摸、搬动一个真实物体一样的感受。当计算机赋予这个图像某些属性数据，例如几何学属性、材料质地属性、动力学属性以及运动学属性等时，我们可以用“某种办法”，通过“某种设备”，触模到这个虚拟物体，计算机系统能够及时地把这些属性数据传送给用户虚拟现实技术的新进展触觉和力反馈的装置虚拟空间的虚拟物体仅仅是一个计算机生成的三维图像，它无真正的168虚拟现实技术的新进展触觉和力反馈的装置三维探针:用手操纵探针的把手，用探针尖去触碰虚拟物体，计算机把虚拟物体的属性数据反馈给探针把手，使人感受到虚拟物体的某些属性手指卡箍:卡箍与连杆及马达相连，戴上卡箍去触摸、旋转或搬动虚拟物体时，计算机能把这个虚拟物体的某些属性数据反馈给马达，通过连杆作用在卡箍上，使人获得触感和力感虚拟现实技术的新进展触觉和力反馈的装置三维探针:手指卡箍169一个VirtualWorkbench的工作平台虚拟现实技术的新进展一个VirtualWorkbench的工作平台虚拟现实技术170虚拟现实技术应用虚拟现实与教育、培训虚拟现实在其它领域的应用虚拟现实与文化娱乐虚拟现实与制造虚拟现实技术应用虚拟现实与教育、培训虚拟现实在其它领域的应用171将VR技术应用于教育可以使学生能够游览海底、遨游太空、观摩历史城堡，甚至深入原子内部观察电子的运动轨迹和体验爱因斯坦的相对论世界，从而更形象地获取知识，激发思维。虚拟现实与教育、培训将VR技术应用于教育可以使学生能够游览海底、遨游太空、观摩历172VR技术在文化、娱乐领域有着极其广泛的应用。第一个大规模的VR娱乐系统“BattleTech”，将每个“座舱”仿真器连网进行组之间的对抗，3维逼真视景、游戏杆、油门、刹车和受到打击时的晃动给用户很强的感官刺激。虚拟现实与文化娱乐VR技术在文化、娱乐领域有着极其广泛的应用。第一个大规模的V173虚拟现实与文化娱乐基于高速网络和虚拟现实技术的“虚拟美国国家艺术馆”能使任何一个在计算机网上工作的人，都能远距离地参观艺术馆，不仅仅使参观者能尽兴地仔细欣赏展品，获得身临其境的感受，并且还可以参加培训中心或研究中心，获得更多的知识。当您进入“虚拟美国国家艺术馆”时，您可根据自己的爱好选择摄影、雕塑、民间艺术、绘画、风景画、肖像画、微型艺术品、抽象画、城市景色、美国西部风光、美洲土著居民文化艺术、宗教艺术、儿童艺术、体育运动和动物艺术等选项。虚拟现实与文化娱乐基于高速网络和虚拟现实技术的“虚拟美国国家174虚拟现实与文化娱乐驯马罗马女神篱安娜

虚拟现实与文化娱乐驯马罗马女神篱安娜175虚拟现实与文化娱乐黄石公园山泉的奔腾黄石公园大峡谷的雄浑内华达丛岭的峻峭虚拟现实与文化娱乐黄石公园山泉的奔腾黄石公园大峡谷的雄浑内华176虚拟现实与文化娱乐可爱和美的女神维纳斯雕像

蒙娜丽沙画像虚拟现实与文化娱乐可爱和美的女神维纳斯雕像蒙娜丽沙画像177虚拟现实技术在制造业中的应用：利用虚拟样机在产品实际加工之前对其性能、可制造性进行评价，同时对制造全过程仿真，将制造过程可能发生的问题提前到设计阶段处理，以达到产品生产的最优目标。波音777飞机的设计是虚拟原型机的应用典型实例，这是飞机设计史上第一次在设计过程中没有采用实物模型。波音777由300万个零件组成，所有的设计在一个由数百台工作站组成的虚拟环境中进行。设计师戴上头盔显示器后，可以穿行于设计中的虚拟“飞机”，审视“飞机”的各项设计指标。虚拟现实与制造虚拟现实技术在制造业中的应用：虚拟现实与制造178系统仿真技术_第10章_虚拟设计179系统仿真技术_第10章_虚拟设计180四、虚拟设计技术及其应用四、虚拟设计技术及其应用181虚拟产品设计虚拟产品设计是以虚拟现实技术为基础，实现产品或工程设计与评价分析的技术，是新一代的计算机辅助设计技术。虚拟产品设计虚拟产品设计是以虚拟现实技术为基182虚拟产品设计技术的应用形状设计装配设计工程设计虚拟产品设计技术的应用形状设计183虚拟形状设计对于规则形体，可以采用语音识别、手势跟踪的交互系统实现实体生成、尺寸更改、形状变更、实体变