虛擬設(shè)計的基本概念

1、PAGE 168PAGE 第5章 虛擬設(shè)計5.1虛擬設(shè)計的基本概念科學(xué)技術(shù)的發(fā)展不斷推動著設(shè)計的進(jìn)步，日新月異的信息技術(shù)也深刻影響著設(shè)計的變革。信息技術(shù)發(fā)展的深度決定著設(shè)計師可在多大程度上利用信息技術(shù)為設(shè)計服務(wù)。早期引入計算機(jī)技術(shù)進(jìn)行文檔管理、二維圖形處理，把設(shè)計師從枯燥無味的事務(wù)性工作中解放出來；計算機(jī)軟、硬件的升級換代使得設(shè)計師能夠使用計算機(jī)進(jìn)行三維建模、渲染表現(xiàn)，人們可以從多個角度對產(chǎn)品進(jìn)行審視?，F(xiàn)在，信息技術(shù)的集成化、智能化發(fā)展使設(shè)計發(fā)生了全面、深刻的變化，設(shè)計進(jìn)入了一個新的時代虛擬設(shè)計時代。虛擬設(shè)計（Virtual Design，簡稱VD）代表了一種全新的制造體系和模式。虛擬設(shè)計是以

2、虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality，簡稱VR）技術(shù)為基礎(chǔ)，以機(jī)械產(chǎn)品為對象的設(shè)計手段，虛擬地制造產(chǎn)品，在計算機(jī)上對虛擬模型進(jìn)行產(chǎn)品的設(shè)計、制造、測試。它是計算機(jī)圖形學(xué)、人工智能、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、信息處理、機(jī)械設(shè)計與制造等技術(shù)綜合發(fā)展的產(chǎn)物。5.1.1虛擬現(xiàn)實虛擬設(shè)計的技術(shù)基礎(chǔ)為“虛擬現(xiàn)實”。“虛擬現(xiàn)實”一詞由美國VPL公司創(chuàng)建人拉尼爾（Jaron Lanier）在20世紀(jì)80年代初提出，是指綜合利用計算機(jī)圖形系統(tǒng)和各種顯示、控制等接口設(shè)備，生成可提供沉浸感覺和交互操作的三維環(huán)境技術(shù)。虛擬現(xiàn)實是種計算機(jī)界面技術(shù)，從本質(zhì)上講，虛擬現(xiàn)實就是種先進(jìn)的計算機(jī)用戶接口，它通過給用戶及時提供視覺、聽覺、觸

3、覺等各種客觀而又自然的實時感知交互手段，最大限度地方便用戶操作，從而減輕用戶的負(fù)擔(dān)，提高整個系統(tǒng)的工作效率，體驗比現(xiàn)實世界更加豐富的感受。簡言之，虛擬現(xiàn)實就是人與虛擬世界的交流。人的動作和情緒可以控制虛擬世界中的物體。反之，虛擬世界中的物體也能使人產(chǎn)生真實的感覺，包括視覺、聽覺、觸覺等。虛擬現(xiàn)實經(jīng)歷了以下發(fā)展歷程：(1) 1965年，在IFIP會議上，有VR“先鋒”之稱的計算機(jī)圖形學(xué)的創(chuàng)始人Ivan Sutherland作了題為“The Ultimate Display(終極的顯示)”的報告，提出了一項富有挑戰(zhàn)性的計算機(jī)圖形學(xué)研究課題。他首次提出了包括具有交互圖形顯示、力反饋設(shè)備以及聲音提示的

4、虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的基本思想，指出人們可以把顯示屏當(dāng)作一個窗口觀察一個虛擬世界，使觀察者有身臨其境的感覺。這一思想提出了虛擬現(xiàn)實概念的雛形。至此，人們正式開始了對虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的研究探索歷程。(2) 1966年，美國MIT的林肯實驗室正式開始了頭盔式顯示器的研制工作。在這第一個頭盔式顯示器(HMD)的樣機(jī)完成不久，研制者又把能模擬力量和觸覺的力反饋裝置加入到這個系統(tǒng)中。(3) 1968年，Ivan Sutherland使用兩個可以戴在眼睛上的陰極射線管(CRT)，研制出了第一臺頭盔式立體顯示器(HMD)，并發(fā)表了題為“A Head-Mounted 3D Display”的論文，對頭盔式三維顯示裝置的設(shè)

5、計要求、構(gòu)造原理進(jìn)行了深入的討論，并繪出了這種裝置的設(shè)計原型，成為三維立體顯示技術(shù)的奠基性成果。(4) 1975年，Myron Krueger提出了“人工現(xiàn)實(Artificial Reality)”的思想，展示了稱之為Video place的“并非存在的概念化環(huán)境”。(5) 20世紀(jì)80年代，美國宇航局(NASA)及美國國防部組織了一系列有關(guān)虛擬現(xiàn)實技術(shù)的研究，并取得了令人矚目的研究成果，從而引起了人們對虛擬現(xiàn)實技術(shù)的廣泛關(guān)注。(6) 1985年，Scott Fisher等研制了著名的稱之為VIEW的一種“數(shù)據(jù)手套(Data Glove)”，這種柔性、輕質(zhì)的手套裝置可以測量手指關(guān)節(jié)的動作、手

6、掌的彎曲以及手指間的分合，從而可編程實現(xiàn)各種“手語”。(7) 1986年，第一套基于HMD數(shù)據(jù)手套的VR系統(tǒng)VIEW研制成功。這是世界上第一個較為完整的多用途、多感知的VR系統(tǒng)，它使用了頭盔顯示器、數(shù)據(jù)手套、語音識別與跟蹤等技術(shù)，并應(yīng)用于空間技術(shù)、科學(xué)數(shù)據(jù)可視化、遠(yuǎn)程操作等領(lǐng)域，被公認(rèn)為當(dāng)初VR技術(shù)的發(fā)源地。(8) 1990年，在美國達(dá)拉斯召開的SIGGRAPH 會議上，對VR技術(shù)進(jìn)行了討論，明確提出了VR技術(shù)的主要內(nèi)容是實時三維圖形生成技術(shù)，多傳感交互技術(shù)，以及高分辨顯示技術(shù)。這為VR技術(shù)的發(fā)展確定了研究方向。(9) 20世紀(jì)90年代以來，在“需求牽引”和“技術(shù)推動”下，VR取得了突飛猛進(jìn)的

7、發(fā)展，并將技術(shù)成果成功地集成于些很有實用前景的應(yīng)用系統(tǒng)中，如Apple公司的人機(jī)接口實驗組(ATG)建立個基于實景的成像環(huán)境，用戶能在其中用Quick Time數(shù)字視頻數(shù)據(jù)交互，用虛擬現(xiàn)實技術(shù)設(shè)計波音777獲得成功，這是引起科技界矚目的一項工作。幾十年來，計算機(jī)輔助設(shè)計和制造技術(shù)取得了重大成功，虛擬現(xiàn)實則提供了一個通向虛擬工程空間的途徑。在虛擬工程空間中，我們可以設(shè)計、生產(chǎn)、檢測、組裝和測試各種模擬物體。虛擬現(xiàn)實技術(shù)廣泛應(yīng)用于航天發(fā)動機(jī)設(shè)計、潛艇設(shè)計、建筑設(shè)計、工業(yè)概念設(shè)計等領(lǐng)域。1997年5月福特公司宣布，其已成為第一個著眼于“地球村”概念，采用計算機(jī)虛擬設(shè)計裝配工藝的汽車廠商。使用“虛擬工

8、廠”的戰(zhàn)略目標(biāo)是減少其生產(chǎn)中采用的90的實體模型，這一目標(biāo)的實現(xiàn)為福特公司每年節(jié)省2億美元。據(jù)估計，使用“虛擬工廠”將在推出一輛新車的過程中，至少減少20的因生產(chǎn)原因修改最初設(shè)計的事件。美國通用汽車公司利用虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)CAVE(Computer-Assisted Virtual Environment)來體驗置于汽車之中的感受，其目標(biāo)是減少或消除人體模型，縮短開發(fā)周期。而以虛擬現(xiàn)實技術(shù)為基礎(chǔ)的虛擬設(shè)計是20世紀(jì)90年代發(fā)展起來的一個新的研究領(lǐng)域。所謂虛擬設(shè)計就是利用“仿真”與“虛擬現(xiàn)實”技術(shù)，在高性能計算機(jī)及高速網(wǎng)絡(luò)的支持下，采用群組協(xié)同工作，通過模型來模擬和預(yù)估產(chǎn)品功能、性能及可加工性等各方

9、面可能存在的問題，在計算機(jī)上實現(xiàn)產(chǎn)品制造的本質(zhì)的設(shè)計過程。與傳統(tǒng)的CAD軟件相比，虛擬設(shè)計有很大的優(yōu)勢。CAD軟件基本上只起到“電子圖板”的作用，在設(shè)計方面功能甚弱。而虛擬設(shè)計技術(shù)可考慮到受力、變形分析或與其它應(yīng)用軟件的集成，其輔助設(shè)計功能大大增強(qiáng)，更有利于計算機(jī)輔助設(shè)計制造裝配的集成。5.1.2虛擬設(shè)計的特點 虛擬設(shè)計具有以下特點。(1) 與真實相對的虛擬化 虛擬設(shè)計最主要的特征就是虛擬化。虛擬設(shè)計集三維動態(tài)顯示、仿真、實際工況模擬等多媒體技術(shù)于一體，設(shè)計者感受視覺、聽覺、觸覺和嗅覺等多種信息，發(fā)揮其多種潛能，增加設(shè)計的成功性。在科技用語中，把一個可能存在的特性理解為虛擬的，即它在一定的條件

10、下可能真實的出現(xiàn)。虛擬設(shè)計的各個環(huán)節(jié)都具有虛擬性的特點，它們也具有真實世界中一切有價值的特性。雖然它們的存在某種程度上是虛假的，但人們卻可以真實地感受到它們，以一種雙方都能夠理解的交流方式進(jìn)行溝通。當(dāng)設(shè)計階段的任務(wù)完成以后，這些虛擬的模型可以通過一些設(shè)備（如快速成型）轉(zhuǎn)化為真實的存在。虛擬是相對于真實而存在的，虛擬與真實存在著相互轉(zhuǎn)化的雙向可能性。(2) 由信息技術(shù)所達(dá)成的集成化 集成化是虛擬設(shè)計的根基所在，沒有技術(shù)設(shè)備的集成，就不會有虛擬設(shè)計的形成基礎(chǔ)，也就確立不了虛擬設(shè)計的基本原則。信息技術(shù)的發(fā)展把各個斷續(xù)的、形不成聯(lián)系的計算機(jī)輔助過程集成為一體化的系統(tǒng)，把以前的單獨(dú)的過程作為整體中的子系

11、統(tǒng)，在各個子系統(tǒng)形成可以共享的信息流。這些信息適應(yīng)不同子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)（或可以方便的轉(zhuǎn)換），流通中的信息內(nèi)容也是一致的。這樣一來，各個子系統(tǒng)之間互為支撐，它們獲得其它子系統(tǒng)的信息時，不會由于標(biāo)準(zhǔn)的差異遭到拒絕，也不用費(fèi)時費(fèi)力地對獲得的信息進(jìn)行復(fù)查。子系統(tǒng)間經(jīng)常不斷的進(jìn)行信息交流，也不斷更新、豐富著整個系統(tǒng)的信息庫。這不僅對于虛擬設(shè)計有重要意義，也是虛擬設(shè)計與虛擬產(chǎn)品開發(fā)其它階段進(jìn)行交流的依據(jù)。集成化從技術(shù)上保證了虛擬設(shè)計的內(nèi)外信息交流，有利于設(shè)計師不斷地調(diào)整自己的航向。(3) 人機(jī)交互的動態(tài)化 虛擬設(shè)計是一個動態(tài)思維、操作的過程。運(yùn)用多種交互手段(數(shù)據(jù)手套、聲音、命令等)支持更多的設(shè)計行為(建

12、模、仿真、預(yù)測、評估等)，設(shè)計師可以對虛擬模型進(jìn)行修改，虛擬模型也會馬上做出相應(yīng)的反應(yīng)，設(shè)計師能夠時刻看到自己修改的結(jié)果。這種人機(jī)互動的過程有利于設(shè)計師充分表達(dá)自己的想法成熟的或者不成熟的，虛擬模型也因此而更加細(xì)致。使用計算機(jī)建?？梢苑奖愕匕烟摂M攝像機(jī)擺在任何位置，既可以在人們慣常的視平線上，也可以是真實世界中達(dá)不到的位置。從這些視點上，人們可以看到習(xí)以為常的場景效果，也會看到難以想象的畫面。多媒體技術(shù)的發(fā)展使人們觀察模型從靜態(tài)轉(zhuǎn)向動態(tài)，可以觀看流暢的模型動畫，而且多媒體技術(shù)還可以刺激人的其它感官系統(tǒng)。人們不僅僅是對模型本身的賞析，深入了解設(shè)計的創(chuàng)意，甚至還是對設(shè)計過程、生產(chǎn)過程的享受。(4)

13、 信息互動的數(shù)字化 虛擬設(shè)計的信息都是以數(shù)字信息方式存儲的，數(shù)字化是虛擬設(shè)計形成信息流的關(guān)鍵。以數(shù)字化為基礎(chǔ)的虛擬設(shè)計數(shù)據(jù)具有相關(guān)性，每個子系統(tǒng)對數(shù)據(jù)的修改，馬上就會影響到整個虛擬設(shè)計過程，過程中每個與此有關(guān)的數(shù)據(jù)都會做出相應(yīng)的反應(yīng)。這種數(shù)據(jù)間的關(guān)聯(lián)性，可以使設(shè)計師很快知道自己的修改會對全局造成什么樣的影響。這與以前完全不同，那時還要把圖形重新描過，而且還不能保證相關(guān)的數(shù)據(jù)都因此發(fā)生了正確的變化。數(shù)字化的另一個好處是可以方便地存儲、調(diào)用，用不大的空間就可以記錄下設(shè)計過程的整個歷史。有了歷史記錄，就有了積累，這使得設(shè)計可以在以往經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，根據(jù)設(shè)計過程的歷史，做出符合要求的調(diào)整，如Pro/E中

14、Model Tree 。良好的可修改性，保證了設(shè)計和開發(fā)產(chǎn)品的效率。虛擬技術(shù)提供的可視化，不只是一般幾何型體的空間顯示，而且也可對噪聲、溫變、力變、磨損、振動等予以可視化，還可以把人的創(chuàng)新思維表達(dá)為可視化的虛擬實體，促進(jìn)人的創(chuàng)造靈感進(jìn)一步升華。因此，在虛擬狀態(tài)下，可以對產(chǎn)品生命周期的全過程(設(shè)計、加工制造、裝配、性能分析、使用及回收等各個環(huán)節(jié))進(jìn)行可視化跟蹤描述，更加強(qiáng)調(diào)在物料未形成物理模型，即產(chǎn)品加工之前，產(chǎn)品設(shè)計的高度可行性和可靠性，使在投入資金比例大的制造等后續(xù)階段的產(chǎn)品開發(fā)風(fēng)險降到最低限度。克萊斯勒汽車公司為迅速推出新產(chǎn)品，應(yīng)用了虛擬原型技術(shù)。該公司的工程師應(yīng)用虛擬環(huán)境實施一個名為克萊

15、斯勒數(shù)據(jù)可視化(CDV)的項目。通過這個項目的實施，工程師可以檢查Catia軟件所建模型的干涉情況，當(dāng)找到零件發(fā)生互相干涉的地方，工程師可圈出該部位，并加上批注，便于修改設(shè)計。其在98型汽車設(shè)計過程中，借助虛擬原型發(fā)現(xiàn)了1500多處零部件干涉，并在制作第一個物理原型之前就進(jìn)行了改正，避免了幾百萬美元的損失。目前，虛擬設(shè)計對傳統(tǒng)設(shè)計方法的革命性影響已經(jīng)逐漸顯現(xiàn)出來。由于虛擬設(shè)計系統(tǒng)基本上不消耗資源和能量，也不生產(chǎn)實際產(chǎn)品，而是產(chǎn)品的設(shè)計、開發(fā)與加工過程在計算機(jī)上的實現(xiàn)，即完成產(chǎn)品的數(shù)字化過程。與傳統(tǒng)的設(shè)計和制造相比較，虛擬設(shè)計具有高度集成、快速成型、分布合作等特征，具體的優(yōu)點如下：1)虛擬設(shè)計繼

16、承了虛擬現(xiàn)實技術(shù)的所有特點；2)虛擬設(shè)計繼承了傳統(tǒng)CAD設(shè)計的優(yōu)點，便于利用原有成果；3)具有仿真技術(shù)的可視化特點，便于改進(jìn)和修正原有設(shè)計；4)支持協(xié)同工作和異地設(shè)計，利于實現(xiàn)資源共享和優(yōu)勢互補(bǔ)，從而縮短產(chǎn)品開發(fā)周期；5)便于利用和補(bǔ)充各種先進(jìn)技術(shù)，保持技術(shù)上的領(lǐng)先優(yōu)勢。5.1.3虛擬設(shè)計的發(fā)展趨勢 (1) 全新的VRCAD系統(tǒng) 高交互、沉浸式、三維設(shè)計環(huán)境，可以進(jìn)行諸如虛擬曲面造型，在三維空間中拖動曲面的控制頂點；虛擬雕塑造型，“虛擬手”修改、操縱三維物體的表面幾何形狀；虛擬實體造型(概念設(shè)計)，三維感知、三維操作和快速草繪三維形狀。 (2) 協(xié)同式虛擬設(shè)計 沉浸式(有利于真實現(xiàn)場感)與半沉

17、浸式(有利于用戶間交流)協(xié)同虛擬設(shè)計，有利于優(yōu)化設(shè)計。 知識經(jīng)濟(jì)時代為我們革新設(shè)計思想和設(shè)計手段提供了契機(jī)，我們必須充分利用現(xiàn)代的、高科技的創(chuàng)新設(shè)計手段和技術(shù)來改造傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計方法，提高設(shè)計效率和設(shè)計質(zhì)量，開發(fā)出更多具有市場競爭能力的、擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品。虛擬設(shè)計技術(shù)不僅在科技界，而且在企業(yè)界引起了廣泛關(guān)注，成為研究的熱點。5.2 虛擬設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù) 虛擬設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)包括以下內(nèi)容： (1) 全息產(chǎn)品的建模理論與方法。(2) 基于知識的設(shè)計 包括設(shè)計知識的獲取、表達(dá)與應(yīng)用：設(shè)計信息和知識的合理流向、轉(zhuǎn)換與控制；設(shè)計知識的融合、管理與共享；從設(shè)計過程數(shù)據(jù)中挖掘設(shè)計知識。 (3) 設(shè)計過程的

18、規(guī)劃、集成與優(yōu)化 包括設(shè)計活動的預(yù)規(guī)劃和實時動態(tài)規(guī)劃、設(shè)計活動的并行運(yùn)作以及設(shè)計過程的沖突管理與協(xié)商處理。(4) 虛擬環(huán)境中的人機(jī)互動工程學(xué)。(5) 虛擬環(huán)境與設(shè)計過程的相互聯(lián)系。 (6) 產(chǎn)生虛擬環(huán)境的工具集 包括一般所需要的軟件支撐系統(tǒng)以及能夠接受各種高性能傳感器信息，能生成立體的顯示圖形，能調(diào)用和互連各種數(shù)據(jù)庫和CAD軟件的各種系統(tǒng)。 5.2.1建模技術(shù)(1) 幾何建模幾何建模在廣義上包括在計算機(jī)上處理幾何對象的所有方法。幾何建模的基礎(chǔ)匯集了多門學(xué)科，如拓?fù)鋵W(xué)、解析幾何學(xué)、微分幾何學(xué)、投影幾何學(xué)、數(shù)字?jǐn)?shù)學(xué)法、集合論和矩陣代數(shù)學(xué)等，從而形成理論和應(yīng)用信息科學(xué)專業(yè)領(lǐng)域，如軟件工程、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和

19、圖論等。各種領(lǐng)域的這種組合構(gòu)成幾何建模的基礎(chǔ)。 (a)線框建模 (b)表面建模 (c)實體建模圖5-1 三維建模三維幾何體的基本元素是點、線、面和體。如圖5-1所示，根據(jù)基本構(gòu)型的復(fù)雜程度不同，可將幾何模型分為線框模型、表面模型和實體模型三種形式。1)線框模型 線框模型是表面模型與實體模型的基礎(chǔ)，通過點元素和棱邊元素定義并按層次排列成體邊點關(guān)系，用物體的棱邊或輪廓線(曲線、直線、圓弧)描述零件或產(chǎn)品的形狀特征。識別一個物體，是以其棱邊的組合結(jié)構(gòu)表示的。頂點與棱邊一經(jīng)確定，物體就被唯一地確定。線框模型僅能描述物體的框架結(jié)構(gòu)，而沒有面的信息，故不能進(jìn)行隱藏線面的消除，不能顯示物體的真實圖像。2)表

20、面模型 用一組表面表示物體的外形，將棱邊有序連接而構(gòu)成實體的表面結(jié)構(gòu)。表面模型由于增加了面與棱邊的關(guān)系，所以在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)上比線框模型復(fù)雜，表面模型所定義的表面實際上完全定義了物體的邊界，但是物體的實心部分在邊界表面的哪一側(cè)是不明顯的。表面模型比線框模型增加了更多的幾何信息，可以實現(xiàn)圖形的消隱，產(chǎn)生色調(diào)圖，計算表面積以及數(shù)控加工軌跡。但表面模型沒有體的信息，因此，表面模型難以保證被描述實體的拓?fù)渲滦?，不能完整描述產(chǎn)品的幾何特征和物理特征。表面模型可以主要由表面特征確定，是曲面也可以是平面。對于曲面是自由曲面的情況，表面模型就理解為曲面模型。曲面模型在數(shù)學(xué)表示上有一套完整的理論和方法。曲面模型強(qiáng)調(diào)表

21、面的性質(zhì)，如光滑性、連續(xù)性、凸凹性。這里，表面模型主要是指曲面模型。圖5-2說明了自由曲面是如何生成的。在表面模型的基礎(chǔ)上可以構(gòu)造復(fù)雜的、具有美觀性的表面。除了用交互的方式生成自由表面以外，大多數(shù)三維表面建模系統(tǒng)都提供了生成標(biāo)準(zhǔn)表面的可能性，如平面、柱面、錐面、球面和環(huán)面。視系統(tǒng)的不同，這些表面可以利用解析法，或者插補(bǔ)法，亦或是逼近法來計算。表面模型的最大缺點在于表面無法自動形成一個實體，無法區(qū)別面的哪一側(cè)是體內(nèi)還是體外。在設(shè)計時，設(shè)計者必須自己注意生成一個無縫隙的封閉的模型，其截面也不能被系統(tǒng)識別，原因是表面模型只給出了外形特征而缺乏實體信息。3)實體模型 用基本體素構(gòu)造物體，是表達(dá)和處理三

22、維物體的一種完整表達(dá)模型。雖然控制點曲 線兩條曲線曲線和點 輸入的數(shù)據(jù)曲 面導(dǎo)曲線構(gòu)成曲面規(guī)則曲面帶點的規(guī)則曲面結(jié) 果圖5-2 自由曲面建模方法實體模型表示仍以表面模型的表面作為邊界，但從物體本身的意義講，物體是實心的。它的內(nèi)部在表面的哪一側(cè)是確定的，由表面圍成的區(qū)域內(nèi)部為物體的空間區(qū)域。在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)上實體模型要比表面模型復(fù)雜，它將表面模型的表面定義成有向面，從而定義體在面的哪一側(cè)。實體模型完整描述了物體的幾何信息和拓?fù)湫畔?。一個有效實體具有如下的性質(zhì)：剛件，即形狀與位置及方向無；有限性，即占有限空間；封閉性，即集合運(yùn)算與剛體運(yùn)動不改變其有效實體的性質(zhì)；邊界確定性；維數(shù)致性，即沒有懸面和懸邊?？?/p>

23、見這些模型的區(qū)別在于建?；驹睾突緮?shù)據(jù)的維數(shù)以及在于隱式或顯式描述拓?fù)潢P(guān)系的程度。建模幾何基本元素的維數(shù)是應(yīng)當(dāng)區(qū)別于物體的維數(shù)和包圍空間的維數(shù)的，它是根據(jù)模型形式區(qū)別的。不同的幾何模型對應(yīng)著不同的造型方法，例如曲面模型的造型方法適合自由曲面類表面的處理，在曲面的數(shù)控加工中有著廣泛的應(yīng)用。實體模型的造型方法則更適合于規(guī)則物體的處理。對于造型方法來說，主要是將各種模型的表示轉(zhuǎn)換成計算機(jī)能夠處理的形式，同時加入輸入及輸出功能，以配合造型所需的數(shù)據(jù)信息的處理。(2) 實體建模實體指的是在空間具有有限體積的物體，它既具有幾何特性，如面積、形狀和中心等，又有物理特性，如質(zhì)量、重心等。實體模型一般可以表

24、示實體的幾何和物理特性，采用這種模型，可以得到如NC編程、有限元分析、虛擬裝配等工程應(yīng)用所需要的各種信息。三維實體建模也稱體素建模，主要研究如何方便地定義簡單的幾何形體(即體素)，以及如何經(jīng)過適當(dāng)?shù)牟紶柤线\(yùn)算構(gòu)造出所需的復(fù)雜形體，并在圖形設(shè)備上輸出的方法。其核心問題是采用什么方法來表示實體，應(yīng)用較為廣泛的方法有構(gòu)造實體幾何法(CSG)、邊界表示法(B-rep)、掃描法。1)構(gòu)造實體幾何法(CSG) 將簡單的實體(又稱為基本體素)進(jìn)行一定的集合運(yùn)算構(gòu)成所需設(shè)計的復(fù)雜物體。這些體素可以是形狀簡單的規(guī)則物體(如長方體、圓柱體等)，也可以是由半空間構(gòu)成的，如正方體是由半空間x0，x1；y0，y1；z

25、0，z1經(jīng)集合運(yùn)算構(gòu)成。利用這種方法實現(xiàn)實體建模的過程就是集合運(yùn)算過程，這一過程可以形象地用一棵二叉樹CSG樹表示，CSG樹定義了物體的構(gòu)成體素和構(gòu)造方式，如圖5-3所示。樹中的非終端結(jié)點表示操作，如移動，正則化交、并、差運(yùn)算；樹的葉結(jié)點表示參與運(yùn)算的基本體素；樹的根結(jié)點表示集合運(yùn)算的最終結(jié)果。CSG樹表示法本身就是用來說明實體的構(gòu)造過程，記錄實體中所含體素的全部定義參數(shù)，必要時還可以（a）構(gòu)造方式 （b）實體 圖5-3 CSG操作生成實體附加實體和體素的各種屬性及特征的描述，但不反映物體的面、邊、頂點等有關(guān)信息。圖5-4 邊界顯示物體的層次結(jié)構(gòu)BodyFaceShellLoopEdgeVer

26、texSurfaceCurvePoint2)邊界表示法(B-rep) 如圖5-4所示，邊界表示法通過描述物體的表面邊界來表示一個物體。一個物體的邊界把物體分成物體的內(nèi)部和外部，同時邊界也構(gòu)成了物體與周圍環(huán)境之間的界面。邊界表示包含了兩類主要信息，一是幾何信息物體幾何元素的尺寸數(shù)據(jù)，它描述物體的大小、位置、形狀等；二是拓?fù)湫畔缀卧刂g的連接關(guān)系，構(gòu)成物體的“骨架”。物體的邊界一旦定義，就唯一地定義了該物體。邊界表示法的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是一個層次結(jié)構(gòu)，以體面邊點的拓?fù)溥B接確定物體的形狀。B-rep描述法強(qiáng)調(diào)實體的外表細(xì)節(jié)，詳細(xì)記錄構(gòu)成實體的幾何信息與拓?fù)湫畔?，可以直接取得實體的各個組成面、面的邊界以及

27、各個頂點的定義數(shù)據(jù)，有利于邊和面的運(yùn)算與操作。但是，其數(shù)據(jù)量大，數(shù)據(jù)關(guān)系復(fù)雜，對幾何特性的整體描述能力弱，不能反映實體的構(gòu)造過程和特點，也不能記錄實體組成元素的原始特性。3)掃描表示法 將一個點、一段直線或曲線、一個平面沿空間一定路徑運(yùn)動而生成一個二維或三維形體。這種方法被認(rèn)為是對某方向具有固定形狀剖面的產(chǎn)品進(jìn)行建模的實用而有效的方法。掃描法有兩種基本的類型：旋轉(zhuǎn)掃描法和平移掃描法。如圖5-5 所示，將圖（a）沿z軸正方向掃描，生成圖（b），將（a）繞x-x軸旋轉(zhuǎn)360，生成圖（c）。與線框建模、曲面建模等幾種建模技術(shù)相比，實體建模的突出優(yōu)點是計算機(jī)內(nèi)真正存儲了物體的三維幾何與拓?fù)湫畔?，這使物

28、體體積、面積、重心、慣性矩等的自動計算，隱藏線、隱藏面的消除，有限元xx圖5-5 掃描生成實體（a）（b） （c）網(wǎng)格自動劃分，物體截切及碰撞干涉檢查，CADCAM初步集成，動畫模擬，真實感圖形顯示等成為可能，從而使這一技術(shù)在CADCAM模擬仿真、醫(yī)學(xué)、廣告、計算機(jī)藝術(shù)等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。(3) 參數(shù)建模 除去前面所描述的顯式幾何建模外，對于許多設(shè)計任務(wù)要有目的地采用參數(shù)化建模。虛擬設(shè)計中最主要的任務(wù)在于設(shè)計要適應(yīng)新的要求。對現(xiàn)代設(shè)計系統(tǒng)的一個主要要求在于輔助變量設(shè)計和已有設(shè)計的可再使用性。用構(gòu)造復(fù)雜的模型輔助設(shè)計部件，為此部件必須要具有合適的描述形式，允許以各種表達(dá)方式進(jìn)行設(shè)計。 參數(shù)化

29、建?；騾?shù)化設(shè)計是虛擬設(shè)計的一個發(fā)展方向，它可以達(dá)到滿足上述要求的目的，消除傳統(tǒng)CAD系統(tǒng)的一系列缺陷。1)參數(shù)化設(shè)計(Parametric Design) 在生產(chǎn)設(shè)計中，設(shè)計人員經(jīng)常遇到這樣的情況，許多零件（如標(biāo)準(zhǔn)零件)的形狀具有相似性，僅尺寸的大小不同，或者一個新產(chǎn)品的設(shè)計是在一個原有產(chǎn)品的基礎(chǔ)上做些小的改動，希望修改后馬上產(chǎn)生新的模型。這樣的要求在傳統(tǒng)的幾何模型基礎(chǔ)上難以實現(xiàn)，一般只能重新建模。也就是說，傳統(tǒng)的建模方法(線框建模、曲面建模、實體建模)只能建立固定的設(shè)計模型，不能夠滿足設(shè)計自動化的要求，模型一旦建立，修改時則需更新建模，設(shè)計效率低。 參數(shù)化設(shè)計是以規(guī)則或代數(shù)方程的形式定義尺

30、寸間的約束關(guān)系，建立相應(yīng)的推理和求解驅(qū)動機(jī)制，把實體模型和曲面模型歸于統(tǒng)一的系統(tǒng)，實施模型變換，并力圖形成統(tǒng)一的數(shù)據(jù)，以使幾何造型、工藝規(guī)劃生成參數(shù)化，使尺寸變化與工藝規(guī)程的改變、零件裝配信息的改變、加工編程的改變實現(xiàn)自動或部分自動化。 參數(shù)化設(shè)計可直接面向工程應(yīng)用，當(dāng)模型修改或變形時，設(shè)計者可以分析修改某些數(shù)值的參數(shù)(如長度、角度)的值，得到相應(yīng)的幾何模型，并保持原有模型中相互的約束關(guān)系不變，從而實現(xiàn)動態(tài)修改產(chǎn)品幾何模型的需要。2)參數(shù)化設(shè)計的實現(xiàn) 要實現(xiàn)參數(shù)化設(shè)計，必須先建立零件的參數(shù)化模型。所謂參數(shù)化模型，就是標(biāo)有參數(shù)名的零件草圖，由用戶輸人，并在屏幕上顯示出來。一般情況下，模型的結(jié)構(gòu)（

31、即拓?fù)湫畔ⅲ┦遣蛔兊?，各個參數(shù)值是可變的，通過改變參數(shù)可再生成同一結(jié)構(gòu)不同尺寸的新模型。在某些情況下，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也可改變。 目前較為成熟的參數(shù)化設(shè)計方法是基于約束的尺寸驅(qū)動方法和基于特征的參數(shù)化建模方法?；诩s束的尺寸驅(qū)動方法的基本原理是：對初始圖形施加一定的約束(以尺寸進(jìn)行約束或?qū)嶓w關(guān)系進(jìn)行約束)，模型但建好后，尺寸的修改立即會自動轉(zhuǎn)變?yōu)槟Ｐ偷男薷?，即尺寸?qū)動模型(Dimension Driven Geometry)。如一個長方體，對其長L、寬W、高H賦予一定的尺寸，它的大小就確定了。當(dāng)改變L、W、H的值時，長方體的大小隨之改變。這里，不但包含了尺寸的約束，而且包含了隱含的幾何關(guān)系的約束，如相

32、對的兩個面互相平行，矩形的鄰邊互相垂直等。 基于約束的尺寸驅(qū)動是將幾何模型中的一些基本圖素進(jìn)行約束，當(dāng)尺寸變化時，必須仍滿足其約束條件，從而達(dá)到新的平衡。 約束一般分為兩類：一類為尺寸約束，包括線性尺寸、角度尺寸等一般尺寸標(biāo)注中的尺寸約束，也稱顯式約束；另類稱為幾何約束，它包括水平約束、垂直約束、平行約束、相切約束等，這類約束稱為隱式約束。圖5-6表示了約束的幾種類型。約束時可能存在過約束與欠約束問題。過約束是指對一個圖形的幾何形狀及關(guān)系設(shè)定了過多的約束，而欠約束則是約束未給夠，這些都可能導(dǎo)致求解時出現(xiàn)錯誤。 LLD（a）（b）（d）（e）（f）（g）A垂直線水平線垂直平行相切角度同心圖5-6

33、 約束的幾種類型（c）常用的基于約束的尺寸驅(qū)動方法有三種：1)變動幾何法(Variation Geometry) 是基于幾何約束的數(shù)學(xué)方法，是較早使用的參數(shù)化建模方法。它將給定的幾何約束轉(zhuǎn)化為一系列以特征點為變元的非線性方程組，通過數(shù)值方法求解非線性方程組確定幾何細(xì)節(jié)。2)幾何推理法(Geometric Reasoning) 是根據(jù)幾何模型的幾何特征，和各約束之間的相互關(guān)系，對給定的一組約束采用匹配方法，將約束條件與規(guī)則庫中的推理規(guī)則進(jìn)行匹配，逐步得到幾何模型的一種方法。3)參數(shù)驅(qū)動法 是一種基于對圖形數(shù)據(jù)庫的操作和對幾何約束處理。使用驅(qū)動樹來分析幾何約束，對圖形進(jìn)行編程處理的方法。 首先將復(fù)

34、雜的物體逐步分解為相對簡單的幾何體素，然后對圖形數(shù)據(jù)庫進(jìn)行操作，再通過圖形之間的約束對生成的簡單幾何體素進(jìn)行處理，得到所需的幾何模型。這種方法不涉及復(fù)雜的方程組的求解問題，簡單易用，能夠很好地處理相對復(fù)雜物體的三維建模問題。在參數(shù)概念設(shè)計基礎(chǔ)上，大部分創(chuàng)造性的面向概念設(shè)計的設(shè)計工作都可以采用計算機(jī)輔助的方法來完成。由此，概念設(shè)計的多樣性和靈活性也會有極大的提高。(4) 特征建模為了提高建模的效率，一種新的建模方法被研制出來。這種方法既可以減少輸入的費(fèi)用，又可以增加幾何設(shè)計的多樣性。與此同時，在制訂設(shè)計方案時設(shè)計者的創(chuàng)造性思維有了更廣闊的空間。這種新的建模方法就是特征建模法。 特征建模(Feat

35、urebased Modeling)是將一門新技術(shù)特征(Feature)技術(shù)引入到產(chǎn)品設(shè)計中，用更高層次的具有工程意義的特征體素來描述零件的種建模方法。特征建模從工程的角度講是對形體的組成及整體信息完整表達(dá)，使所描述的信息更具工程含義，而且面向加工。建模時以特征為操作對象，工藝設(shè)計時以特征為基本單位，加工時以特征為基礎(chǔ)。1)特征的含義 特征是具有工程含義的幾何實體，為了表達(dá)產(chǎn)品的完整信息而提出的一個概念。特征是對諸如零件形狀、工藝和功能等與零件描述相關(guān)的信息集的綜合描述，是反映零件特點的可按一定的規(guī)則分類的產(chǎn)品描述信息。特征是產(chǎn)品信息的集合，不僅具有按一定拓?fù)潢P(guān)系組成的特定形狀，而且反映特定的

36、工程語義，所以兼有形狀和功能兩種屬性。從其名稱和語義足以聯(lián)想其特定幾何形狀、拓?fù)潢P(guān)系、典型功能、繪圖表示方法、創(chuàng)造技術(shù)、公差要求，適宜在設(shè)計、分析和制造中使用。特征的分類方法有很多，主要有按產(chǎn)品定義數(shù)據(jù)的性質(zhì)分類，按幾何形狀分類，按功能分類，按制造方法分類等。各方面的信息有機(jī)地結(jié)合在一起，構(gòu)成了基于特征的零件信息模型，如圖5-7所示。零件形狀特征精度特征管理特征性能分析特征材料特征裝配特征屬性1屬性n屬性1屬性n幾何元素幾何級圖5-7 基于特征的零件信息模型級零件級屬性級特征級2)基于特征的模型生成方法 基于特征的建模方法中對于特征的描述是關(guān)鍵，特征描述應(yīng)該包含幾何形狀的表示和相關(guān)的處理機(jī)制以

37、及特征高層語義信息。目前主要探討機(jī)構(gòu)形狀特征，其常用描述方法主要有基于B-rep的方法、基于CSG的方法、基于混合CSG/B-rep的方法等三種方法。其中混合CSG/B-rep的方法是設(shè)計系統(tǒng)中表示特征的較好方法，這是因為它同時兼有CSG模型及B-rep模型的優(yōu)點，CSG模型易于對高層元素操作，B-rep模型易于與低層元素(點、線、面)附加尺寸、公差和其它屬性?；谔卣鞯哪Ｐ蜕煞绞街饕幸韵氯N：特征定義特征模型幾何模型設(shè)計員工作計劃員圖5-8 交互式特征定義幾何建模器1)交互式特征定義(Interactive Feature Definition) 如圖5-8 所示，交互式特征定義總是在一

38、個以定義的幾何模型的基礎(chǔ)上實現(xiàn)的，以人機(jī)交互的方式輔助識別特征，這種方式首先建立產(chǎn)品的幾何模型，然后由用戶直接通過圖形來提取定義特征所需的幾何要素，輸入工藝信息，建立零件或產(chǎn)品描述的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。交互式特征定義的原理利用B-rep數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可以很好地實現(xiàn)，但是效率低，且?guī)缀涡畔⑴c非幾何信息是分離的，產(chǎn)品的數(shù)據(jù)難以實現(xiàn)共享。利用這種方法其結(jié)果取決于用戶的正確選擇，如果選擇了錯誤的元素或選擇的元素數(shù)量不恰當(dāng)，就不可能對元素進(jìn)行定義，必須重新進(jìn)行選擇。因此，使用人員必須掌握系統(tǒng)和現(xiàn)行的匹配模型方面的精確知識。特征識別實體模型實體建模器特征分選特征圖5-9 自動特征識別2)自動的特征識別(Feature R

39、ecognition) 在建立幾何模型后，通過啟動專門的程序，利用實體建模信息，自動地處理幾何數(shù)據(jù)庫，識別特征，搜索并提取特征信息，產(chǎn)生特征模型，如圖5-9所示。特征識別方法主要有匹配、邊面延伸、體分解以及CSG識別等。這種方式應(yīng)用面廣，但識別能力有限，且提取特征信息很困難，應(yīng)用的零件范圍狹小。特征識別通常只對簡單形狀有效，難以處理復(fù)雜情況，處理結(jié)果也未必與原意圖相符，有很大的局限性。自動的特征識別是通過利用一個幾何建模器自動的生成加工計劃的第一步。與在銑削加工時直接從建模器數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)求得工件的合適區(qū)域的加工區(qū)識別方法不同，特征識別的任務(wù)是尋找一個幾何模型的范圍，這個范圍應(yīng)與先前定義的一般特征相

40、符合?？傊嬖谝粋€成熟的構(gòu)件模型是先決條件，一個特征識別系統(tǒng)的任務(wù)主要有以下幾方面：按照與預(yù)定義模型的拓?fù)?幾何一致性原則搜尋數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；從數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中分離和抽取已被識別的特征；求得特征參數(shù)(例如孔徑和槽深)；完備幾何特征模型；把簡單的幾何特征組合成高價值的特征。特征識別還有一系列其它的問題，比如在難以區(qū)別特征的語義方面；還有，用于完整識別在其中所含有特征的幾何模型必須由預(yù)定義的特征組成。特征識別在應(yīng)用復(fù)雜的、用戶定義的特征時會引起問題。特征識別的優(yōu)點在于在不同的應(yīng)用領(lǐng)域之間轉(zhuǎn)換時其原理上具有多面性。只要建模器數(shù)據(jù)本身的交換能夠得到保證，特征識別可以使得隨后的應(yīng)用與模型生成的類型無關(guān)，并因此也與

41、所應(yīng)用的設(shè)計系統(tǒng)無關(guān)。特征造型器幾何造型器特征模型幾何模型應(yīng)用系統(tǒng)圖5-10 基于特征的設(shè)計表示圖用戶3)基于特征的設(shè)計(Design by Feature) 如圖5-10所示，利用特征進(jìn)行零件設(shè)計，預(yù)先將大量的標(biāo)準(zhǔn)特征或用戶自定義的特征存儲進(jìn)特征庫，在設(shè)計階段就調(diào)出特征庫中的特征，將之作為基本建模單元進(jìn)行建模，再逐步輸入幾何信息、工藝信息建立起零件的特征數(shù)據(jù)模型，并將其存入數(shù)據(jù)庫。由于這種方法適用范圍廣，易于實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，因此，得到了廣泛的應(yīng)用。在基于特征的設(shè)計過程中，特征已經(jīng)融通在設(shè)計過程中，因此，在特征中含有的幾何的、拓?fù)涞暮驼Z義的信息保持在產(chǎn)品模型中。由此，盡管在后續(xù)安排的加工和過程計

42、劃系統(tǒng)中仍需進(jìn)行特征識別，卻不需唯一地通過建模器內(nèi)部的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)，而是可以在特征數(shù)據(jù)庫中實施。只要數(shù)據(jù)庫保證必要的一致性，通過特征的支持幫助，設(shè)計人員可以得到遠(yuǎn)比在一種簡單的幾何和拓?fù)浯_定時更多的建模自由空間?；谔卣鞯脑O(shè)計更多的是通過設(shè)計模型的一致性來支持設(shè)計人員，通過與特征聯(lián)系的語義可以確定信息、文件功能的關(guān)系并存儲在計算機(jī)內(nèi)部，并可以在進(jìn)一步的處理系統(tǒng)中得到利用，使設(shè)計人員有更多的使用空間及給出嚴(yán)格的格式化工作方式。采用特征時的一個關(guān)系重大的問題是在每種情況下的特征干擾問題，它可能產(chǎn)生不合適數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的后果，導(dǎo)致模型的不致性。這個問題一般可以通過對相應(yīng)規(guī)范和強(qiáng)制條件的動態(tài)審查來避免。如果

43、違反了建模時的規(guī)范，就會產(chǎn)生一個與相應(yīng)的問題處理有關(guān)聯(lián)的通告，把強(qiáng)制性條件直接分配給特征，這樣就可以對每項措施進(jìn)行檢驗。然而，執(zhí)行這樣的算法和設(shè)計所必需的規(guī)范是困難的，至今尚沒有完整實現(xiàn)上述功能的商用系統(tǒng)，這是在產(chǎn)品和過程建模模型系統(tǒng)方面需要加強(qiáng)研究的課題。 (5) 基于特征的參數(shù)化建模 基于特征的參數(shù)化建模是將特征造型技術(shù)與參數(shù)化技術(shù)有機(jī)地結(jié)合起來，實現(xiàn)對多種設(shè)計方式(自頂向下或自底而上等)和設(shè)計形式(初始設(shè)計、相似設(shè)計和變異設(shè)計等)的支持的一種建模方法?；谔卣鞯膮?shù)化建模主要過程如下： 1)基于約束的特征描述；2)特征結(jié)構(gòu)圖元參數(shù)化建模；3)特征之間的約束建模?；谔卣鞯膮?shù)化設(shè)計過程中

44、，最主要的是基于約束的特征描述，主要包括以下內(nèi)容： 1)將產(chǎn)品描述為幾何形狀特征的集合；2)將形狀特征分解為具有一定幾何體素的特征結(jié)構(gòu)圖元，結(jié)構(gòu)圖元一般可以是由線段、圓、圓弧、樣條曲線等組成的特征框模型；3)根據(jù)幾何體素及位置關(guān)系進(jìn)行分析結(jié)構(gòu)圖元的幾何構(gòu)成及其位置。在CAD參數(shù)化設(shè)計系統(tǒng)中，產(chǎn)品的主特征和輔助特征均要實現(xiàn)參數(shù)化，特征結(jié)構(gòu)圖元參數(shù)化一般為個主特征和部分輔助特征參數(shù)化。參數(shù)化定義過程可以描述如下：1)首先選擇并創(chuàng)建結(jié)構(gòu)特征的幾何體素，使用參數(shù)完整表達(dá)幾何形狀的結(jié)構(gòu)模型；2)指定足夠的測量實體，如組成實體的點、線、圓弧、倒角等測量基準(zhǔn)；3)建立定形尺寸，即各個標(biāo)注的尺寸單元；4)建立

45、定位尺寸，以定位點為基準(zhǔn)，確定各個特征點的對應(yīng)位置；5)確定尺寸約束和位置約束，建立約束方程，并對約束方程進(jìn)行求解。針對某一類產(chǎn)品的部分輔助特征還應(yīng)單獨(dú)定義，如軸類零件，其中的鍵槽、中心孔就應(yīng)作為輔助特征單獨(dú)定義，以滿足特殊主特征的需要。輔助特征實現(xiàn)參數(shù)化主要是將輔助特征用計算方程和邏輯方程表達(dá)，參數(shù)可以是邏輯謂詞或計算關(guān)系式的變量。在設(shè)計過程中，特征之間的約束建模主要包括下列三個方面：1)針對不同類型的產(chǎn)品，建立產(chǎn)品的形狀特征分解簡圖；2)分析構(gòu)成此類產(chǎn)品的各個特征之間的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)關(guān)系，并用二叉樹表示特征模型之間的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)關(guān)系；3)分析構(gòu)成此類產(chǎn)品的各個特征之間的約束關(guān)系，顯式地指定以完全滿足

46、產(chǎn)品建模所需確定的約束，這些約束主要是特征的空間位置關(guān)系、公差、裝配結(jié)構(gòu)等幾何約束。(6) 環(huán)境建模虛擬環(huán)境是虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的核心，是虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)人機(jī)交互的交互環(huán)境。虛擬環(huán)境的創(chuàng)建包括實景虛化與虛景實化兩個方面。實景虛化是將現(xiàn)實世界的多維感知信息映射到計算機(jī)的數(shù)字空間生成相應(yīng)的虛擬世界，主要包括虛擬景物模型構(gòu)建、空間跟蹤、聲音定位、視覺跟蹤等關(guān)鍵技術(shù)，這些技術(shù)使得真實感虛擬環(huán)境生成、虛擬環(huán)境對用戶實時交互信息的檢測與獲取成為可能；虛景實化是通過各種高性能計算和仿真技術(shù)使計算機(jī)生成的虛擬環(huán)境中的景物或客體能夠產(chǎn)生各種逼真的感官刺激，并以盡可能自然的方式反饋給用戶，主要包括具有真實感的視覺感知、聽覺

47、感知、力覺和觸覺感知等技術(shù)，例如HMD、立體眼鏡、大屏幕投影等立體顯示技術(shù)，三維立體聲音技術(shù)，力反饋手套、力反饋操縱桿等。當(dāng)前的虛擬環(huán)境建模方法一般分為以下三類：1)基于幾何造型(Geometry-based VE) 基于幾何造型方法通常利用造型軟件(如3DSMAX、AutoCAD等)手工搭建模型；或者通過對三維物體表面直接測量，獲得離散的三維數(shù)據(jù)，然后將這些三維數(shù)據(jù)進(jìn)行三角剖分，得到景物的多邊形描述。虛擬環(huán)境由各類三維幾何體合成，在虛擬環(huán)境中漫游是根據(jù)觀察點及其觀察方向通過實時計算、實時繪制三維幾何體來實現(xiàn)的。2)基于圖像繪制(Image-based VE) 基于圖像繪制方法利用全景圖集合來

48、構(gòu)建虛擬環(huán)境，在虛擬環(huán)境中漫游相當(dāng)于選擇不同的全景圖。全景圖可用計算機(jī)生成，也可用全景相機(jī)拍攝或用普通相機(jī)拍攝后再加以鑲嵌。這種方法制作簡單，場景逼真自然，能實時地顯示構(gòu)建的環(huán)境。3)基于幾何造型和圖像繪制的混合方法(Hybrid VE) 這種方法通過組合上述兩種建模方法的優(yōu)點而開發(fā)出更為優(yōu)化的虛擬環(huán)境?；旌戏椒ɡ没趫D像繪制的虛擬環(huán)境建模的快速、低價、方便的優(yōu)點，營造主體場景，在此基礎(chǔ)上能融合計算機(jī)繪制的幾何三維模型，實現(xiàn)互動式交互。5.2.2基于知識的虛擬設(shè)計虛擬設(shè)計必須是根據(jù)產(chǎn)品與零件的功能、強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性、疲勞和動平衡等的設(shè)計，決定產(chǎn)品零部件的結(jié)構(gòu)、造型和尺寸，即基于知識的虛擬設(shè)

49、計。反之，只有基于知識的虛擬設(shè)計才能符合真實制造的要求，能更深入地發(fā)展虛擬設(shè)計技術(shù)，使虛擬制造各階段的數(shù)據(jù)相互關(guān)聯(lián)、繼承、可重用和共享。為此，必須建立合適的設(shè)計系統(tǒng)模型?；谥R的虛擬設(shè)計過程中要用到各種標(biāo)準(zhǔn)和準(zhǔn)則，設(shè)計時要用到各種材料參數(shù)、圖表集等制作成基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，以便設(shè)計時進(jìn)行調(diào)用。每個零件的模型實際上是一個小的專家系統(tǒng)，根據(jù)不同零件設(shè)計要求，其結(jié)果是形成反映零件的尺寸、特征、形狀、功能、行為、意圖等屬性的數(shù)據(jù)，其特征包括方位特征、形狀特征、精度特征和技術(shù)管理特征等。圖5-11為元模型的結(jié)構(gòu)。(1) 元模型及基于知識的元模型建模1)元模型的結(jié)構(gòu) 產(chǎn)品設(shè)計的元模型為系統(tǒng)的基礎(chǔ)層，對應(yīng)機(jī)械零件

50、的模型。區(qū)別于一般CAD的直接幾何造型方法，元模型的建模是先采用人工設(shè)計零件時的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計方法，應(yīng)用理論計算、經(jīng)驗公式、循環(huán)修改、有限元法、邊界元法、分布參數(shù)、實驗推理等知識，對零件進(jìn)行強(qiáng)度、剛度、疲勞、穩(wěn)定、動平衡等設(shè)計，從而確定零件的材料、幾何形狀特征和尺寸數(shù)據(jù)，然后用計算出的數(shù)據(jù)選擇合適的計算機(jī)坐標(biāo)，利用圖形學(xué)的不同算法，如多邊形的頂點法、各種曲面曲線的樣條法、OpenGL函數(shù)庫法等形成零件的幾何造型，并加適當(dāng)?shù)墓庹?，使實際尺寸與計算機(jī)坐標(biāo)尺寸有一個映射，再根據(jù)材料參數(shù)進(jìn)行表面紋理映射和渲染，從而得到零件在計算機(jī)上的元模型。元模型零件N強(qiáng)度設(shè)計規(guī)則庫標(biāo)準(zhǔn)庫材料參數(shù)剛度設(shè)計疲勞設(shè)計剛度設(shè)計

51、疲勞設(shè)計零件2強(qiáng)度設(shè)計規(guī)則庫標(biāo)準(zhǔn)庫材料參數(shù)剛度設(shè)計疲勞設(shè)計剛度設(shè)計疲勞設(shè)計零件1圖5-11元模型的結(jié)構(gòu)2)元模型的建模 一個基于知識的元模型的建?？捎蓙砻枋?，其中，為零件類的名稱符號集合，例如可設(shè)齒輪類為集合，軸類為集合等，表示零件子類集合；是受力分析，其結(jié)果是得到所設(shè)計零件的載荷，；為輸入集，是設(shè)計過程中所需的常數(shù)，如標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)、經(jīng)驗參數(shù)、材料參數(shù)、工作環(huán)境等數(shù)據(jù)和圖表參數(shù)等；為設(shè)計種類的集合，這里是某種設(shè)計，可以為空，即有些零件的設(shè)計不是每種設(shè)計都要求的，但不全為空，例如假定為強(qiáng)度設(shè)計，為剛度設(shè)計，為疲勞設(shè)計等，可表示為，又是某種設(shè)計的不同公式或不同對應(yīng)規(guī)律。通過個設(shè)計，可求出某零件的一組特

52、征、形狀、尺寸、功能、行為、意圖等參數(shù)；是元模型，即，為元模型的各種屬性，由一些幾何物理特征參數(shù)、材質(zhì)、光照等來描述；為狀態(tài)轉(zhuǎn)移函數(shù)，也就是一個映射。(2) 機(jī)構(gòu)模型及建模方法1)機(jī)構(gòu)模型的結(jié)構(gòu) 機(jī)構(gòu)模型的結(jié)構(gòu)見圖5-12。對于機(jī)構(gòu)的虛擬設(shè)計，要將現(xiàn)有的實際機(jī)構(gòu)分類分級，不同機(jī)構(gòu)可能有不同的類、級、層，然后由零件構(gòu)造機(jī)構(gòu)，又由子機(jī)構(gòu)構(gòu)造父機(jī)構(gòu)，在此基礎(chǔ)上構(gòu)造機(jī)構(gòu)模型的結(jié)構(gòu)。機(jī)構(gòu)模型呈樹形，元模型作為葉節(jié)點，機(jī)構(gòu)模型要調(diào)用零件元模型的數(shù)據(jù)，父機(jī)構(gòu)要用到子機(jī)構(gòu)模型的數(shù)據(jù)，再上層的爺節(jié)點調(diào)用父節(jié)點的數(shù)據(jù)，依此類推，一直到一個獨(dú)立的部件或產(chǎn)品的獨(dú)立部分為止，而且各層機(jī)構(gòu)模型中要有一個機(jī)構(gòu)專家系統(tǒng)模塊，

53、以便對各層機(jī)構(gòu)的組成、功能及機(jī)理進(jìn)行映射。這樣分解機(jī)構(gòu)模型，即可使機(jī)構(gòu)機(jī)理清晰，又能降低建模難度。2)機(jī)構(gòu)模型的建模方法 產(chǎn)品設(shè)計通常是多人在計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)上同時進(jìn)行的，為此，機(jī)構(gòu)模型可采用元模型子機(jī)構(gòu)模型1元模型元模型父機(jī)構(gòu)模型1元模型子機(jī)構(gòu)模型N元模型元模型機(jī)構(gòu)組成專家系統(tǒng)N層父機(jī)構(gòu)模型n機(jī)構(gòu)部件模型圖5-12機(jī)構(gòu)模型的樹形結(jié)構(gòu)圖Agent系統(tǒng)的方法建模，每一個機(jī)構(gòu)可以成為一個Agent，一個大的Agent包含多個小的Agent。多Agent系統(tǒng)正好滿足機(jī)構(gòu)模型中的多個子機(jī)構(gòu)組成一個父機(jī)構(gòu)的模式，不同粒度的Agent恰好能表明機(jī)構(gòu)的不同層次。在設(shè)計時，不同設(shè)計人員可分別基于Internet/I

54、ntranet作為同一或不同Agent同時進(jìn)行機(jī)構(gòu)設(shè)計，從而形成多Agent系統(tǒng)。機(jī)構(gòu)虛擬設(shè)計的基本Agent結(jié)構(gòu)由感知器、效應(yīng)器、任務(wù)求解、角色分工列表和通信管理模塊組成，見圖5-13。角色列表任務(wù)求解感知器效應(yīng)器通信管理圖5-13機(jī)構(gòu)模型的基本Agent結(jié)構(gòu) 感知器是Agent接受外部世界信息的感覺通道，可以感知其它Agent已成功設(shè)計的機(jī)構(gòu)對本機(jī)構(gòu)設(shè)計的影響。通信管理模塊實際上是一個通信控制器，負(fù)責(zé)與其它Agent進(jìn)行交互的機(jī)制或協(xié)議，還可調(diào)用外部元模型庫中的元模型，它包括用來具體控制消息傳遞的消息門和對消息內(nèi)容進(jìn)行的解釋器。角色列表是本Agent在系統(tǒng)中所承擔(dān)的任務(wù)列表，并將任務(wù)定義成

55、可求解的具體問題。任務(wù)求解模塊是Agent的基于知識的設(shè)計核心部分，將從任務(wù)列表模塊中傳來的問題分別或同時指定給推理引擎和核心算法，推理引擎是利用元模型庫、機(jī)構(gòu)組成專家知識庫和數(shù)據(jù)庫等進(jìn)行設(shè)計求解；核心算法主要依賴載荷分析和數(shù)據(jù)庫進(jìn)行強(qiáng)度、剛度等設(shè)計求解，任務(wù)求解主要包括求解管理、推理引擎/核心算法、數(shù)據(jù)庫、知識庫及其管理系統(tǒng)，此知識庫包括機(jī)構(gòu)設(shè)計時所用到的多種專家系統(tǒng)，如某層機(jī)構(gòu)的組成、功能及機(jī)理等。效應(yīng)器是本Agent影響或改變其它Agent及環(huán)境的界面，完成的設(shè)計任務(wù)由它輸出給系統(tǒng)并被其它Agent所感知。(3) 產(chǎn)品模型及建模方法1)產(chǎn)品模型的結(jié)構(gòu) 產(chǎn)品模型可能是多個模型的集合，應(yīng)根據(jù)

56、不同類型產(chǎn)品建立不同類型的模型集合，即要進(jìn)行集成化建模。產(chǎn)品模型應(yīng)是產(chǎn)品最高一個層次的模型，其結(jié)構(gòu)見圖5-14。一般情況下，將整個系統(tǒng)按不同功能的不同性質(zhì)劃分為幾大模塊(不同于機(jī)構(gòu)的劃分方產(chǎn)品集成模型目的1目的2目的n性能仿真模型1性能仿真模型2性能仿真模型n性能仿真模型1性能仿真模型2性能仿真模型n模擬裝配模型圖514產(chǎn)品模型結(jié)構(gòu)法)，如機(jī)電產(chǎn)品模型的結(jié)構(gòu)有動力模塊、電氣及控制模塊、傳動變速模塊、執(zhí)行模塊等，然后再根據(jù)產(chǎn)品不同功能目的，為其建立產(chǎn)品的各方面性能的虛擬仿真模型；在各部件模型基礎(chǔ)上，繼承、歸納、綜合、抽象、提煉各機(jī)構(gòu)部件模型的信息而形成產(chǎn)品的裝配模型，從而形成集成化的產(chǎn)品模型?？?/p>

57、慮到集成化的產(chǎn)品模型的多目的虛擬仿真、虛擬裝配要求，即每一模型可以完成某一或多個仿真的目的，其中有可能包含面向結(jié)構(gòu)的、面向幾何的、面向特征的及面向知識的產(chǎn)品模型。對于具體仿真模型來說，它可能是連續(xù)的，也可能是離散的，可能是時變的，也可能是時不變的，基于不同目的仿真算法要根據(jù)具體情況來定，但總體上產(chǎn)品模型與元模型和機(jī)構(gòu)模型不同，它側(cè)重的是基于產(chǎn)品各方面性能的仿真模型。2)產(chǎn)品模型的建模 集成化產(chǎn)品模型中各模型的數(shù)據(jù)傳輸、交換和共享是極為重要的，它本身也是建模的一部分。為實現(xiàn)集成化產(chǎn)品建模，一種重要方法是使用ISO的產(chǎn)品數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)STEP，STEP標(biāo)準(zhǔn)定義了一種中性的格式，用于產(chǎn)品數(shù)據(jù)的表達(dá)與交

58、換。使用STEP標(biāo)準(zhǔn)可在產(chǎn)品生命周期中實現(xiàn)所有與產(chǎn)品相關(guān)的數(shù)據(jù)的完整表達(dá)，因此，它適合于集成建模。設(shè)為集成化的模型，其中，為基于特征的產(chǎn)品虛擬裝配模型，為基于不同目的的仿真模型，為基于某一目的的仿真模型，為基于知識的仿真表達(dá)式，為仿真時間，為仿真參數(shù)集，若，由此個仿真模型，得到組動態(tài)模型數(shù)據(jù)，通過觸發(fā)和推進(jìn)仿真進(jìn)程。每個性能仿真模型的數(shù)據(jù)格式都采用STEP標(biāo)準(zhǔn)，在產(chǎn)品層面上，由系統(tǒng)開發(fā)者根據(jù)開發(fā)目標(biāo)，對產(chǎn)品特征、性能仿真的需要進(jìn)行基于不同目的信息建模和集成，參照STEP應(yīng)用協(xié)議AP214，建立面向并行工程應(yīng)用的特征信息模型，用Express表達(dá)，該模型經(jīng)Express2expg處理后，可以轉(zhuǎn)換

59、成Express-G的圖形化模型，以便于虛擬現(xiàn)實的可視化。裝配模型D可用基于約束的層次方法建模。若干個元模型組成機(jī)構(gòu)模型，若干機(jī)構(gòu)模型組成產(chǎn)品的部件模型集，部件模型再構(gòu)成整個產(chǎn)品的裝配樹模型。根節(jié)點為產(chǎn)品，中間節(jié)點是部件和機(jī)構(gòu)，葉節(jié)點是元模型。5.3虛擬設(shè)計軟件 完整意義上的虛擬環(huán)境由硬件、軟件和用戶界面三個部分組成。如果把虛擬環(huán)境的硬件部分看作其肢體，則虛擬現(xiàn)實環(huán)境的軟件控制部分就是其大腦。(1) 語言類軟件語言類軟件如VRML、Fortran、C、Java、OpenGL等都可以作為開發(fā)應(yīng)用程序的語言工具。下面主要介紹VRML。虛擬現(xiàn)實造型語言VRML(Virtual Reality Mod

60、eling Language)是描述3D虛擬場景的一種標(biāo)準(zhǔn)，利用它可以在Internet上建立交互式的三維多媒體的境界。虛擬現(xiàn)實造型語言定義了三維應(yīng)用系統(tǒng)中常用的語言描述，如層次變換、光源、試點、幾何、動畫、霧、材料特性和紋理映射等，并具有簡單的行為特征描述功能。VRML的基本特征包括分布式、交互式、平臺無關(guān)、三維場景、多媒體集成、逼真自然等，被稱為“第二代WEB”，其應(yīng)用范圍相當(dāng)廣泛。VRML技術(shù)誕生于1994年，1997年VRML2.0成為第一個在網(wǎng)頁上發(fā)布的ISO國際標(biāo)準(zhǔn)(ISO/IECl4772)。發(fā)展至今，VRML已經(jīng)有了不少成功的案例。例如在美國火星探測器的行動中，人們用VRML實