虛擬仿真3D輔助設(shè)計系統(tǒng)課件

1、虛擬仿真3D輔助設(shè)計系統(tǒng)讓虛擬現(xiàn)實設(shè)計直通工業(yè)生產(chǎn)Virtual reality to manufacture讓真實更近序 言 隨著全球化市場競爭的加劇，如何在產(chǎn)品設(shè)計階段節(jié)約時間和成本、設(shè)計出市場需求的產(chǎn)品成為工業(yè)領(lǐng)域的企業(yè)的突出痛點(diǎn)。 在這需求背景下，在產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)階段應(yīng)用先進(jìn)的虛擬仿真技術(shù)，搭建沉浸式顯示系統(tǒng)來可視化呈現(xiàn)產(chǎn)品模型或流程工藝，進(jìn)行設(shè)計、研究、分析、審核、評估或修改，使產(chǎn)品的開發(fā)、制造都置于計算機(jī)技術(shù)所構(gòu)造的嚴(yán)格的數(shù)據(jù)環(huán)境中，可極大程度降低設(shè)計成本、時間，加快設(shè)計和優(yōu)化合作過程中的決策進(jìn)度，加速產(chǎn)品開發(fā)和整個項目的規(guī)劃周期，節(jié)約相關(guān)成本，提高技術(shù)含量。The introduc

2、tion技術(shù)進(jìn)展虛擬仿真 工業(yè)設(shè)計ONE01虛擬仿真定義 虛擬仿真技術(shù)是計算機(jī)技術(shù)、計算機(jī)圖形學(xué)、計算機(jī)視覺、視覺生理學(xué)、視覺心理學(xué)、仿真技術(shù)、微電子技術(shù)、多媒體技術(shù)、信息技術(shù)、立體顯示技術(shù)、傳感與測量技術(shù)、軟件工程、語音識別與合成技術(shù)、人機(jī)接口技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及人工智能技術(shù)等多種高新技術(shù)集成之結(jié)晶?；陲@示器3D仿真桌面式VR交互系統(tǒng)CAVE系統(tǒng)沉浸式VR系統(tǒng)AR系統(tǒng) 虛擬仿真技術(shù)，或稱為模擬技術(shù)，就是用一個系統(tǒng)模仿另一個真實系統(tǒng)的技術(shù)。 模仿系統(tǒng)可是實物也可以是計算機(jī)圖形圖像，而現(xiàn)在虛擬仿真多指由計算機(jī)生成，可以是現(xiàn)實世界的再現(xiàn)，亦可以是構(gòu)想中的世界，用戶可借助視覺、聽覺及觸覺等多種傳感通道

3、與虛擬世界進(jìn)行自然的交互。虛擬仿真種類01.實物仿真 實物仿真是用實物模型采用機(jī)械式的方法模擬另一個實物系統(tǒng)原理、結(jié)構(gòu)、操作等。如樓花、沙盤、微縮機(jī)械模型等。實物虛擬仿真模型02.半實物仿真 半實物仿真是既有實際物體又有虛擬影像來模擬另一物體特征，半實物仿真多用來模擬宏大場景，如模擬飛行，駕駛等。03.全虛擬仿真 全虛擬仿真是完全用計算機(jī)圖形圖像顯示技術(shù)完全模擬另一物體，形狀、結(jié)構(gòu)、原理，流程，并實現(xiàn)對虛擬物體的交互操作。多通道投影系統(tǒng)（CAVE系統(tǒng)）VR虛擬仿真系統(tǒng)模擬駕駛模擬飛行虛擬仿真行業(yè)發(fā)展趨勢 隨著技術(shù)的發(fā)展，虛擬仿真的人機(jī)交互形式不斷創(chuàng)新進(jìn)化，目前變化趨勢主要是視覺及交互（輸入）形

4、式，使得更具有真實性和交互性，使用戶可以身臨其境的感知和支配這些內(nèi)容。二維圖像顯示基于平面顯示的三維仿真基于桌面式的3D VR交互顯示多通道顯示系統(tǒng)（CAVE)VR/AR系統(tǒng)趨勢視覺 正常人通過視覺接收的信息約占人腦接收到的所有外部信息的83%，完美的視覺體驗是完整沉浸式體驗的重要組成部分。隨著技術(shù)的不斷革新，視覺傳達(dá)更具沉浸感。虛擬仿真行業(yè)發(fā)展趨勢 每一次的技術(shù)革新及產(chǎn)品升級，都會帶來重大的人機(jī)交互方式變化。交互設(shè)計發(fā)展史上的每一個重要里程碑，都源自技術(shù)和人性的碰撞。從最初鍵盤輸入、鼠標(biāo)輸入，發(fā)展到現(xiàn)在的觸摸操作，語音識別，再到已經(jīng)到來的 3D 手勢識別、數(shù)據(jù)手套。未來還會實現(xiàn)腦波控制，意念

5、識別等。 目前主流應(yīng)用的3D 手勢識別、數(shù)據(jù)手套，已經(jīng)符合人體的自然動作，讓人們以最舒適的方式獲取信息。交互（輸入）鍵盤鼠標(biāo)VR手柄手勢識別數(shù)據(jù)手套語音識別 / 腦電波控制VR對虛擬仿真行業(yè)的改變 虛擬現(xiàn)實（ VR）技術(shù)是一場交互方式的新革命，人們正在實現(xiàn)由界面到空間的交互方式變遷。VR技術(shù)的誕生，讓虛擬仿真技術(shù)又上了一個新臺階，為人類創(chuàng)造出更多虛擬仿真情景進(jìn)行學(xué)習(xí)和創(chuàng)作。目前許多三維設(shè)計軟件增加了VR功能，給工業(yè)設(shè)計工程師帶來的最大變化是用VR模擬人眼鏡觀看現(xiàn)實物體的特點(diǎn)將三維畫面直觀呈現(xiàn)在人的眼前，而不是通過3D眼鏡方式，仿佛設(shè)計的產(chǎn)品就放在眼前。水平360視野垂直360視野VR頭盔現(xiàn)實技

6、術(shù)依據(jù)雙目3D成像原理，給佩戴者呈現(xiàn)一個360視野的沉浸場景。VR頭盔不同的全虛擬仿真方案載體優(yōu)劣對比優(yōu)勢布置簡單，成本低，沒有操作難度；受制顯示器畫面，對超大型物體三維細(xì)節(jié)表現(xiàn)欠佳，需要設(shè)計者三維空間思維能力強(qiáng)；缺點(diǎn)基于顯示器的三維畫面優(yōu)勢畫面質(zhì)量高，人佩戴東西少；眩暈，畫面畸變，難做多人，位置固定，布置復(fù)雜，操作難度大；缺點(diǎn)非沉浸多通道3D顯示（部分隔絕）優(yōu)勢所見即所得對三維物體表現(xiàn)好，可以上實現(xiàn)異地過多人，操作簡單；單個VR頭盔像素分辨率低；缺點(diǎn)沉浸式VR顯示（隔絕一切現(xiàn)實畫面）優(yōu)勢負(fù)重較少，同時能看到現(xiàn)實世界；視場角小，不能表現(xiàn)大型物件，細(xì)節(jié)表現(xiàn)差；缺點(diǎn)混合AR顯示系統(tǒng)（不隔絕現(xiàn)實畫面

7、）解決方案虛擬仿真 工業(yè)設(shè)計two02工業(yè)仿真沉浸漫游3D輔助設(shè)計系統(tǒng)-VR/AR解決方案 面向工業(yè)仿真設(shè)計領(lǐng)域，針對在虛擬環(huán)境中進(jìn)行評估與審核的需求，幫助企業(yè)審核設(shè)計項目，提供了一個高級的項目評審模式 : 身體運(yùn)動跟蹤解決方案+沉浸式體驗，一個順暢與高科技的用于解決虛擬設(shè)計審核與人體工程學(xué)優(yōu)化的解決方案。單人、多人、異地單人、多人、異地單人VR虛擬仿真多人VR虛擬仿真單人AR虛擬仿真多人AR虛擬仿真01.VR輔助3D設(shè)計系統(tǒng)02.AR輔助3D設(shè)計系統(tǒng)大空間VR/AR虛擬仿真原理X軸Z軸Y軸 大空間VR和AR系統(tǒng)是由動作捕捉相機(jī)捕捉區(qū)域構(gòu)成一個立體空間，這個虛擬立體空間內(nèi)被捕捉的物體具有相對于

8、這個空間的坐標(biāo)信息，動作捕捉捕捉相機(jī)可以對標(biāo)記點(diǎn)進(jìn)行6自由度跟蹤和鏈?zhǔn)竭\(yùn)動。由VR和AR呈現(xiàn)的場景跟動作捕捉區(qū)域形成的立體空間1:1重合，實現(xiàn)了在虛擬空間中自由行走，即人動，虛擬場景不動，把虛擬場景作為固定參考系來進(jìn)行視角調(diào)整?？蓪崿F(xiàn)多人、異地交互。大空間VR/AR仿真系統(tǒng)拓?fù)鋱D可支持200多種虛擬仿真軟件，工業(yè)設(shè)計軟件（SW,UG,),無須數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換；運(yùn)動跟蹤系統(tǒng)可進(jìn)行人體位置跟蹤或設(shè)備位置導(dǎo)航，為現(xiàn)有的3D應(yīng)用程序創(chuàng)建沉浸式體驗。RTS動作捕捉相機(jī)運(yùn)行服務(wù)器（動作捕捉軟件）POE交換機(jī)渲染服務(wù)器（techviz渲染組件）無線路由器運(yùn)行主機(jī)（ techviz、3d設(shè)計程序）VR頭盔交互手柄使用

9、者1AR眼鏡VR頭盔交互手柄使用者NAR眼鏡大空間VR/AR仿真系統(tǒng)特點(diǎn)異地聯(lián)機(jī)可進(jìn)行異地聯(lián)機(jī)，共享虛擬工作空間；自然行走用腳自由行走，1：1位移；定位捕捉可進(jìn)行實時定位捕捉身體姿態(tài)；兼容性強(qiáng)支持計多3D軟件，具有極高的系統(tǒng)利用率；交互操作多樣仿真交互操作，形式多樣，自然直覺沉浸式視覺體驗多人同場景沉浸式視覺體驗，將設(shè)計物體直觀成呈現(xiàn)在眼前，滿足多人不同角度觀看；真實還原虛擬場景還原真實物體大?。恢С殖?D軟件，具有極高的系統(tǒng)利用率Techviz支持200多種虛擬仿真軟件、工業(yè)設(shè)計軟件，可以大大提高系統(tǒng)的利用率，可在多種數(shù)據(jù)來源中不使用數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換即可將數(shù)據(jù)置入到一個單一的環(huán)境中，而無需軟件編程

10、開發(fā)或數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，可視化數(shù)據(jù)，只需要載入模型就可以瞬間在虛擬VR環(huán)境下顯示它。 系統(tǒng)特點(diǎn)大空間VR仿真交互操作形式抓取移動放大縮小標(biāo)注自然直覺交互操作形式體驗者可以上下左右360無死角看到體驗的虛擬場景，將設(shè)計物體直觀成呈現(xiàn)在眼前，滿足多人不同角度觀看。模擬在現(xiàn)實世界行走的視覺習(xí)慣將虛擬場景作為固定參照系，模擬現(xiàn)實世界中人走動而景不動的視覺習(xí)慣。多人同場景沉浸式視覺體驗多人360視野虛擬場景還原真實物體大小 VR頭戴顯示器通過透鏡原理，讓佩戴者透過VR頭戴顯示器所看到的虛擬物體物理尺寸都和實際物體大小相等，不會視覺印象失真。車長5m車長5m虛擬真實 動作捕捉技術(shù)實際在大空間多人互動VR方案中實現(xiàn)

11、兩種功能，其一是空間定位技術(shù)，將人在現(xiàn)實空間的位置信息定位到相應(yīng)的虛擬場景中，讓人能感知虛擬空間中自己的位置，其次就是對人的肢體活動進(jìn)行六自由度運(yùn)動捕捉，讓人在現(xiàn)實世界中的肢體活動同步到虛擬人物身上，讓虛擬人物活靈活現(xiàn)，更具有沉浸感和真實感。六自由度示意實時定位捕捉目前VR體驗移動多是用手柄指定位置進(jìn)行步進(jìn),場景的圖像快速推進(jìn)極易造成眩暈感。 大空間多人互動VR系統(tǒng)特點(diǎn)是讓體驗者直接用雙腳在虛擬空間行走，仿佛穿越到第二空間。傳統(tǒng)VR體驗大空間多人互動VR體驗VS用腳自由行走1：1位移 大空間多人互動VR最大的特點(diǎn)是可以讓佩戴者在虛擬場景中行走，虛擬場景模擬現(xiàn)實中的場景特點(diǎn)，將虛擬場景作為固定參

12、照系，讓人感知到自身移位和視角的轉(zhuǎn)動。如果說VR頭戴顯示器的是我們的眼睛的話，那么動作捕捉的作用就是相當(dāng)于我們的腳?？蛇M(jìn)行異地聯(lián)機(jī)，共享虛擬工作空間A地區(qū)B地區(qū)云服務(wù)器云端共享場景 對于部門或子公司遍布世界各地的全球公司，團(tuán)隊合作至關(guān)重要。沉浸漫游3D輔助設(shè)計系統(tǒng)可打破地理限制進(jìn)行協(xié)同工作，創(chuàng)建共享虛擬工作空間，不同地點(diǎn)的同事之間可以實現(xiàn)實時VR協(xié)作交互，可使得項目組成員加強(qiáng)溝通，節(jié)省時間，高效輕松交流想法。系統(tǒng)應(yīng)用虛擬仿真 工業(yè)設(shè)計three03應(yīng)用場景需求方工程師解決方案智力物力沉浸仿真系統(tǒng)可視化交互性真實性提出需求運(yùn)用創(chuàng)新手段，滿足需求。方案交付及反饋工具的升級，效率的提升常見應(yīng)用場景技

13、術(shù)評審驗證流程維護(hù)操作培訓(xùn)結(jié)果演示研發(fā)-生產(chǎn)地點(diǎn)管理-工程部門（跨域評審）研究人員概念設(shè)計-操作員人體工程學(xué)應(yīng)用模擬在專業(yè)環(huán)境中的操作者；可進(jìn)行“可達(dá)性”干涉檢查和人機(jī)工程學(xué)測試分析；查看人體模型能否從座椅位置接觸到控制設(shè)備；查看人體模型的視野查看狹小空間（例如潛艇中）內(nèi)能否布置多位操作人員；檢查可達(dá)性：操作人員能否觸摸到按鈕或命令裝置；檢測用戶與其環(huán)境之間的干涉：妨礙用戶的障礙物會發(fā)生干涉；同事查看多個虛擬人體，檢測它們相互之間的交互方式以及它們與虛擬環(huán)境之間的交互方式，研究有多個操作人員的工作環(huán)境。協(xié)同生產(chǎn)應(yīng)用A城市B城市聯(lián)機(jī)中協(xié)同生產(chǎn)在世界各地的部門之間實現(xiàn)VR協(xié)同跨域評審增進(jìn)公司連接無數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換支持多樣化顯示系統(tǒng)實時VR協(xié)同完全沉浸式多個地點(diǎn)實時協(xié)同虛擬裝配應(yīng)用1.逐步實現(xiàn)精細(xì)位移，顯示零件位置和方向2.可將模型的多個零件分組并整體移動3.關(guān)聯(lián)零件與跟蹤目標(biāo)，選擇對象并定義約束4.查看碰撞并記錄路徑，便于將來重新加載研究5.驗證拆裝任務(wù)、維護(hù)操作，或進(jìn)行培訓(xùn)6.連接到PLM產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹7.基于工業(yè)級物理引擎，遵循嚴(yán)格的物理仿真8.顯示力的大小和方向，支持力反饋設(shè)備數(shù)字樣機(jī)評審應(yīng)用測量：測量兩點(diǎn)間距離，測量兩面之間夾角，或測量圓的相關(guān)信息。保存視角（書簽）：保存用戶當(dāng)前視角，一遍在其他評