系統(tǒng)仿真技術(shù)-第10章-虛擬設(shè)計課件

系統(tǒng)仿真技術(shù)

第10章虛擬設(shè)計陳無畏合肥工業(yè)大學(xué)機械與汽車工程學(xué)院

系統(tǒng)仿真技術(shù)

第10章虛擬設(shè)計陳無畏1主要內(nèi)容一、前言二、虛擬產(chǎn)品開發(fā)三、虛擬現(xiàn)實技術(shù)四、虛擬設(shè)計技術(shù)五、應(yīng)用事例主要內(nèi)容一、前言2一、前言一、前言30102030405060產(chǎn)品定義產(chǎn)品開發(fā)工藝規(guī)劃制造檢驗應(yīng)用成本%避免錯誤、或盡早發(fā)現(xiàn)錯誤、盡早修正錯誤設(shè)計開發(fā)目標(biāo)75%修改源于設(shè)計開發(fā)80%修改由制造后續(xù)階段完成0102030405060產(chǎn)品定義產(chǎn)品開發(fā)工藝規(guī)劃制造檢驗應(yīng)4團隊工作開發(fā)過程重組DFX實現(xiàn)策略并行工程虛擬產(chǎn)品開發(fā)虛擬產(chǎn)品建模與仿真虛擬產(chǎn)品開發(fā)過程建模與過程仿真團隊工作實現(xiàn)策略并行工程虛擬產(chǎn)品開發(fā)虛擬產(chǎn)品建模與仿真5二、虛擬產(chǎn)品開發(fā)二、虛擬產(chǎn)品開發(fā)6現(xiàn)實產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計評價產(chǎn)品報廢品報廢品制造原料外在因素變化設(shè)備廠房人員試制原料設(shè)備廠房人員現(xiàn)實產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計評價產(chǎn)品報廢報廢制造原料外在因7數(shù)據(jù)/信息原料設(shè)備廠房產(chǎn)品實際制造人員報廢品設(shè)計虛擬樣機評價反饋信息虛擬加工虛擬裝配虛擬檢測市場信息虛擬產(chǎn)品開發(fā)數(shù)據(jù)/信息原料設(shè)備廠房產(chǎn)品實際制造人員報廢品設(shè)計虛擬樣機反饋8虛擬產(chǎn)品開發(fā)的定義虛擬產(chǎn)品開發(fā)技術(shù)是以計算機仿真和產(chǎn)品生命周期建模為基礎(chǔ)，計算機圖形學(xué)、人工智能、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、多媒體技術(shù)和虛擬現(xiàn)實技術(shù)等在產(chǎn)品開發(fā)（包括產(chǎn)品構(gòu)思、設(shè)計、制造、測試和分析等）的綜合應(yīng)用技術(shù)。虛擬產(chǎn)品開發(fā)的定義虛擬產(chǎn)品開發(fā)技術(shù)是以計算機仿真和產(chǎn)9虛擬產(chǎn)品開發(fā)過程建模與仿真虛擬產(chǎn)品開發(fā)過程建模與仿真10虛擬產(chǎn)品開發(fā)過程建模與仿真虛擬產(chǎn)品開發(fā)過程建模與仿真11虛擬產(chǎn)品開發(fā)技術(shù)的意義促進創(chuàng)新設(shè)計加快產(chǎn)品上市速度減少資源浪費降低產(chǎn)品開發(fā)風(fēng)險推進遠程協(xié)同產(chǎn)品開發(fā)提高技術(shù)培訓(xùn)與教育質(zhì)量增強企業(yè)競爭力虛擬產(chǎn)品開發(fā)技術(shù)的意義促進創(chuàng)新設(shè)計12三、虛擬現(xiàn)實技術(shù)三、虛擬現(xiàn)實技術(shù)13何謂虛擬現(xiàn)實什么是虛擬現(xiàn)實？何謂虛擬現(xiàn)實什么是虛擬現(xiàn)實？14人類需要用工具來增強、延伸、擴大自己的感官、肢體和大腦的功能

杠桿、滑輪、千斤頂增強肢體的功能望遠鏡、顯微鏡、雷達增強眼睛的功能聽診器、助聽器、收音機增強耳朵的功能計算機、仿真模擬器、精密分析儀器增強大腦的功能。這些基本上都只能幫助我們進行單方向的推理。對于廣泛和復(fù)雜的世界，單方向的推理是遠遠不夠的。人類盼望著能夠找到…

人類需要用工具來增強、延伸、擴大自己的感官、肢體和大腦的功能15能夠根據(jù)研究問題的需要，提供一個具有盡可能逼真的虛擬對象、虛擬環(huán)境的虛擬世界。能夠幫助我們沉浸在這個虛實結(jié)合的環(huán)境中，身臨其境地體驗這個虛擬世界中的一切，在這樣的環(huán)境中研究和分析問題。能夠靈活地擴大或縮小虛擬世界的時間尺度和空間尺度。例如，在數(shù)秒鐘內(nèi)觀察地殼的演變歷程，在數(shù)分鐘內(nèi)細細品味子彈穿破玻璃時的精細過程。能夠幫助我們跟這個虛擬世界交流、發(fā)生相互作用，我們不只是能移動和觸摸虛擬世界中的虛擬物體，還能在虛擬世界的街巷樓宇之間漫游。能夠根據(jù)研究問題的需要，提供一個具有盡可能逼真的虛擬對象、虛16總之：希望能幫助我們創(chuàng)建一個時域和空域可變的虛擬世界，使人能夠：沉浸其中，超越其上，進出自如，交互作用獲得“觀古今于須臾，撫四海于一瞬”的效果?？傊?7虛擬現(xiàn)實是用高科技手段構(gòu)造出來的一種人工環(huán)境，它具有模仿人的視覺、聽覺、觸覺等感知功能的能力，具有使人可以親身體驗沉浸在這種虛擬環(huán)境中并與之相互作用的能力虛擬現(xiàn)實技術(shù)的最終目的是提高人的認識能力，促進人與環(huán)境的交流，更深入地開發(fā)人類的智慧這就是虛擬現(xiàn)實…虛擬現(xiàn)實是用高科技手段構(gòu)造出來的一種人工環(huán)境，它具有模仿人的18虛擬現(xiàn)實：虛擬現(xiàn)實技術(shù)(VirtualReality,VR)是一種三維計算機圖形技術(shù)與計算機硬件技術(shù)發(fā)展而實現(xiàn)的高級人機交互技術(shù)，允許用戶通過視覺、聽覺、觸覺甚至嗅覺和味覺等多種知覺方式實時地與計算機所建造的仿真環(huán)境發(fā)生相互作用。虛擬現(xiàn)實：虛擬現(xiàn)實技術(shù)(VirtualR19虛擬現(xiàn)實的情景是怎樣生成的？如何生成？虛擬現(xiàn)實的情景是怎樣生成的？如何生成？20情景生成要使人能夠產(chǎn)生：視覺、聽覺、觸覺、力感、運動感、味感、嗅感等。如何生成這些感覺呢？環(huán)境生成情景生成要使人能夠產(chǎn)生：如何生成這些感覺呢？生成21跟蹤系統(tǒng)發(fā)射器頭部跟蹤接收器頭盔顯示器立體聲耳機話筒數(shù)據(jù)手套跟蹤接收器手部3D跟蹤系統(tǒng)語音識別3D聲音處理器虛擬環(huán)境數(shù)據(jù)庫圖形處理器主計算機虛擬環(huán)境實時操作系統(tǒng)虛擬現(xiàn)實環(huán)境：跟蹤系統(tǒng)發(fā)射器頭部跟蹤接收器頭盔顯示器立體聲耳機話筒數(shù)據(jù)手套22一個典型的虛擬現(xiàn)實環(huán)境是由人和虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)兩大部分組成虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)又由三部分構(gòu)成：

基于先進傳感器的人機接口具有多媒體功能的計算機系統(tǒng)面向虛擬現(xiàn)實的軟件系統(tǒng)

虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)一個典型的虛擬現(xiàn)實環(huán)境是由人和虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)兩大部分組成虛擬現(xiàn)23虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)VR硬件計算機VR軟件場景顯示系統(tǒng)觸覺反饋器方位跟蹤系統(tǒng)聲音識別系統(tǒng)操作者機器人機接口虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)VR硬件計VR場景顯示系統(tǒng)方位跟蹤系統(tǒng)操機器人機24在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中，關(guān)鍵之一是：如何實現(xiàn)多維信息的輸入和輸出如何實現(xiàn)人跟虛擬世界的交互作用最基本的人機接口設(shè)備是：頭盔式顯示器三維鼠標(biāo)數(shù)據(jù)手套人機接口---先進傳感器技術(shù)和產(chǎn)品在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中，關(guān)鍵之一是：人機接口---先進傳感器技術(shù)和25頭盔式顯示器的外形很像摩托車駕駛員所佩戴的頭盔，左右兩眼前是高分辨率的顯示屏。當(dāng)佩戴頭盔式顯示器的用戶頭部發(fā)生移動時，利用頭盔上的方位跟蹤器，就能向計算機報告用戶頭部的方位了。如果計算機系統(tǒng)的處理速度足夠快的話，就能向顯示屏提供與頭部方位(準(zhǔn)確地說是眼睛所注視的方位)相一致的圖像佩戴頭盔的人能隨著頭部的轉(zhuǎn)動看到一個和頭部方位相一致的、由計算機所輸出的虛擬世界的圖像，好像是頭轉(zhuǎn)到哪里就能看到哪里，這樣從視覺上就感覺完全沉浸在這個虛擬世界中頭盔式顯示器頭盔式顯示器的外形很像摩托車駕駛員所佩戴的頭盔，左右兩眼前是26頭盔式顯示器頭盔式顯示器27頭盔式顯示器頭盔式顯示器28頭戴頭盔式顯示器進入虛擬現(xiàn)實環(huán)境頭戴頭盔式顯示器進入虛擬現(xiàn)實環(huán)境29在虛擬環(huán)境中最常用的人機接口工具之一是數(shù)據(jù)手套。數(shù)據(jù)手套通常是一種尼龍手套，在每個手指上安裝有相應(yīng)的彎曲和扭曲傳感器。計算機利用傳感器的信息，控制虛擬空間中物體的位置和方向，于是就產(chǎn)生了人能用自己的手，去控制虛擬空間中虛擬物體的感覺了數(shù)據(jù)手套在虛擬環(huán)境中最常用的人機接口工具之一是數(shù)據(jù)手套。數(shù)據(jù)手套30為了能使戴上數(shù)據(jù)手套的手不僅僅能搬動虛擬物體，還能感受虛擬物體“應(yīng)有的”重量和質(zhì)感，更先進的數(shù)據(jù)手套還具有觸覺，最簡單的做法是在手套上安裝氣壓式和振動觸感式的反饋器。在計算機的控制下，向手套的氣袋充氣時，戴上這種數(shù)據(jù)手套的手就感受到一定的壓力了，用這種辦法就可以模擬手觸摸真實物體時的感覺數(shù)據(jù)手套為了能使戴上數(shù)據(jù)手套的手不僅僅能搬動虛擬物體，還能感受虛擬物31數(shù)據(jù)手套數(shù)據(jù)手套32不管是在頭盔、三維鼠標(biāo)上，還是在數(shù)據(jù)手套上，都需要安裝能對空間位置進行跟蹤定位的跟蹤裝置

基于超聲波原理進行位置和方向的跟蹤，即用三角形法測出位置發(fā)送器和接受器之間的相對方位。它的優(yōu)點是工作可靠、價格較低，缺點是分辨率較低、時延較長，而且受回聲的干擾影響較大

不管是在頭盔、三維鼠標(biāo)上，還是在數(shù)據(jù)手套上，都需要安裝能對空33不管是在頭盔、三維鼠標(biāo)上，還是在數(shù)據(jù)手套上，都需要安裝能對空間位置進行跟蹤定位的跟蹤裝置

基于光學(xué)原理的跟蹤器在固定的位置上(例如天花板上)安裝排列成柵格狀的一組發(fā)光二極管，在用戶的頭上安裝一個照相機，發(fā)光二極管周期性地發(fā)光，通過照相機的感光就可測出頭部的位置。它的優(yōu)點是定位精度較高、時延較短，其缺點是受控的面積受發(fā)光二極管柵格面積的限制，如果要檢測頭部或手部的全方位的轉(zhuǎn)動就有一定的困難

不管是在頭盔、三維鼠標(biāo)上，還是在數(shù)據(jù)手套上，都需要安裝能對空34具有多媒體功能的計算機系統(tǒng)是虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的基石基于個人計算機（PC）的虛擬現(xiàn)實計算機

具有多媒體功能的計算機系統(tǒng)是虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的基石基于個人計算機35基于工作站的虛擬現(xiàn)實計算機

基于工作站的虛擬現(xiàn)實計算機36在虛擬現(xiàn)實技術(shù)中，軟件的主要功能就是高效地產(chǎn)生與真實物體形似、質(zhì)似和神似的虛擬物體和虛擬環(huán)境，“以假亂真”，從而取得“身臨其境”的效果面向虛擬現(xiàn)實的軟件系統(tǒng)在虛擬現(xiàn)實技術(shù)中，軟件的主要功能就是高效地產(chǎn)生與真實物體形似37“幾何建模”就是用許許多多各式各樣的多邊形，拼構(gòu)成所模擬對象的立體外形，這個外形必須盡可能地跟所模擬的對象完全一致，達到“形似”。形似“幾何建?！本褪怯迷S許多多各式各樣的多邊形，拼構(gòu)成所模擬對象38對幾何模型進行紋理、顏色和光照的處理，也就是所謂的“物理建?！保顾瓷先ゾ哂小百|(zhì)感”。同樣是一個球，通過這兩種建模，就能分辨出是玻璃球、塑料球還是棉花球。為了使虛擬空間內(nèi)的虛擬對象具有質(zhì)感，有時還要為對象附加更多的物理屬性。例如：橡皮球具有變形和彈性的雙重屬性，玻璃球掉在地上時可能要破碎，而木球就會發(fā)生反彈等等。這就是“質(zhì)似”。質(zhì)似對幾何模型進行紋理、顏色和光照的處理，也就是所謂的“物理建模39最典型的例子就是用簡單的線條描述舞蹈家的體型及四肢的舞蹈動作，用演員的面部表情模擬某個卡通形象的面部表情。寥寥數(shù)筆線條與舞蹈家的身材當(dāng)然相差甚遠，而動物卡通的一個擬人形象當(dāng)然不能等同于真人，但如果我們能從線條的動態(tài)變化中分辨出是“梁山伯與祝英臺”的雙人舞還是“天鵝湖”雙人舞，這就達到“神似”神似最典型的例子就是用簡單的線條描述舞蹈家的體型及四肢的舞蹈動作40系統(tǒng)仿真技術(shù)_第10章_虛擬設(shè)計41系統(tǒng)仿真技術(shù)_第10章_虛擬設(shè)計42常用的軟件系統(tǒng)：圖形生成環(huán)境OpenGL(OpenGraphicsLibrary)用于創(chuàng)建復(fù)雜圖景的虛擬現(xiàn)實的工具包VRT開發(fā)虛擬世界的工具集WTK(WorldToolKit)快速生成和觀察虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的QuickTimeVR等。近來最受用戶歡迎的虛擬現(xiàn)實軟件工具之一是MultiGen常用的軟件系統(tǒng)：43許多仿真公司和三維圖像處理公司等已經(jīng)利用MultiGen所提供的工具進行了二次開發(fā)，研制出滿足某個特定領(lǐng)域需要的、成套的開發(fā)虛擬現(xiàn)實應(yīng)用系統(tǒng)的軟件,Vega就是較成功的一個實例。Vega是基于MultiGen軟件工具所開發(fā)的一套專門用于實時仿真、可視化環(huán)境和虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)。利用Vega可以快速地生成一個交互的、三維的作戰(zhàn)模擬環(huán)境或生產(chǎn)控制環(huán)境。Vega提供了建立快速原型系統(tǒng)、圖形編輯、系統(tǒng)構(gòu)成所需的工具，還能提供內(nèi)容豐富的三維模型庫和功能強大的虛擬現(xiàn)實環(huán)境

許多仿真公司和三維圖像處理公司等已經(jīng)利用MultiGen所提44通過Vega生成的作戰(zhàn)模擬的場景圖，其中甚至包括了火光、煙霧和云彩通過Vega生成的作戰(zhàn)模擬的場景圖，其中甚至包括了火光、煙霧45美國波土頓動力學(xué)公司(BDI，BostonDynamicslnc．)開發(fā)一個名為DI-Guy的虛擬現(xiàn)實軟件工具。DI-Guy在虛擬現(xiàn)實中的應(yīng)用分為三類：即沉浸式的訓(xùn)練(ImmersiveTraining)系統(tǒng)、交互式的訓(xùn)練(InteractiveTraining)系統(tǒng)和可視化想定(ScenarioVisualization)系統(tǒng)。

不論是哪一類虛擬現(xiàn)實應(yīng)用系統(tǒng)，在DI-Guy的支持下，系統(tǒng)開發(fā)者都能用一些很簡單的命令，自動地對虛擬物體、虛擬人物、虛擬場景賦予某種“仿生”的特征

美國波土頓動力學(xué)公司(BDI，BostonDynamics46仿戰(zhàn)士:能逼真地重現(xiàn)一個訓(xùn)練有素的戰(zhàn)士的動作和姿態(tài)；仿男人:有男子漢的剛勁有力；仿女人：有女人的婀娜多姿；仿運動員：就能分清體操、跑步、壘球、足球、排球、籃球運動員的不同的體型和節(jié)奏；仿現(xiàn)場：就能產(chǎn)生煙霧、火光、云霧的效果。

仿戰(zhàn)士:47DI-Guy軟件所產(chǎn)生的單兵作戰(zhàn)動作

DI-Guy軟件所產(chǎn)生的單兵作戰(zhàn)動作48穿不同的軍裝；攜帶不同的武器；做著各種不同的動作

穿不同的軍裝；攜帶不同的武器；做著各種不同的動作49運動員翻騰跳躍

運動員翻騰跳躍50球場上激烈競爭

球場上激烈競爭51虛擬現(xiàn)實技術(shù)的新進展具有寬視野的立體眼鏡虛擬現(xiàn)實技術(shù)的新進展具有寬視野的立體眼鏡52虛擬現(xiàn)實技術(shù)的新進展美國的SGI公司推出了名為DataVlsor80的頭盔式顯示器。這是一種寬視野、高分辨率的頭盔式顯示器。顯示部分是采用1英寸的陰極射線管，能得到24位的全彩色圖像。其垂直視野可達80度，水平視野可達120度，分辨率可達1280×l024，用戶佩戴這種頭盔式顯示器后，能獲得較好的沉浸感,整個頭盔重約2kg.虛擬現(xiàn)實技術(shù)的新進展美國的SGI公司推出了名為DataVl53虛擬現(xiàn)實技術(shù)的新進展SGI公司提供了一種類似雙簡望遠鏡式的手持式顯示器。為了能使顯示器中的圖像隨著人的頭部的方位發(fā)生變化，所以在顯示器上也安裝有方位跟蹤裝置。由于是手持的，調(diào)整方位十分方便，視野小些，也不妨礙用戶觀看全景。這個顯示器的分辨率為640×480和1280×1024兩種，能產(chǎn)生24位彩色圖像

虛擬現(xiàn)實技術(shù)的新進展SGI公司提供了一種類似雙簡望遠鏡式的54最常見的三維鼠標(biāo)有兩種跟蹤球(trackL，a11)三維空間探針三維鼠標(biāo)虛擬現(xiàn)實技術(shù)的新進展最常見的三維鼠標(biāo)有兩種三維鼠標(biāo)虛擬現(xiàn)實技術(shù)的新進展55跟蹤球跟蹤球的中心是固定的，并有一個活動的外層，裝有6個發(fā)光二極管和相應(yīng)的6個光傳感器。當(dāng)使用者用手對該球的外層施加力和力矩時，根據(jù)“彈簧變形”規(guī)則，就可通過6個光傳感器測出3個力和3個力矩的信息，傳輸給計算機后求出虛擬空間中某物體的位置和方向虛擬現(xiàn)實技術(shù)的新進展跟蹤球跟蹤球的中心是固定的，并有一個活動的外層，裝有6個發(fā)光56三維空間探針是安裝在一個固定的基座上，具有6個關(guān)節(jié)的機械臂。在每個關(guān)節(jié)上裝有傳感器，計算機接收傳感器的信息，并計算出在虛擬空間的物體的位置和方向三維空間探針虛擬現(xiàn)實技術(shù)的新進展三維空間探針是安裝在一個固定的基座上，具有6個關(guān)節(jié)的機械臂。57虛擬現(xiàn)實技術(shù)的新進展多人共享的沉浸式系統(tǒng)虛擬現(xiàn)實技術(shù)的新進展多人共享的沉浸式系統(tǒng)58虛擬現(xiàn)實技術(shù)的新進展大屏幕顯示系統(tǒng)可以滿足數(shù)十人、幾百人同時觀看虛擬現(xiàn)實技術(shù)的新進展大屏幕顯示系統(tǒng)可以滿足數(shù)十人、幾百人同59虛擬現(xiàn)實技術(shù)的新進展手控式高分辨率CRT顯示器虛擬現(xiàn)實技術(shù)的新進展手控式高分辨率CRT顯示器60虛擬現(xiàn)實技術(shù)的新進展觀察者只需佩戴一個非常輕巧的眼鏡，效果較好：從視覺效果上可以達到120度的寬闊視野；具有很高的分辨率，可以形成1024線、每線具有1280像素的光柵，并且按72HZ的頻率進行更新，因此幾乎和人眼的分辨率一致。它還可以得到全色圖像和足夠的亮度，即使在戶外觀看也無影響。如果對兩只眼睛分別產(chǎn)生兩幅有一定視點差異的圖像，就可產(chǎn)生三維立體圖像的效果。必要時，它可以在原來視網(wǎng)膜上已經(jīng)有的真實世界的圖像上疊加上所產(chǎn)生的虛擬圖像，取得了虛實結(jié)合的效果。雖然這種虛擬視網(wǎng)膜顯示裝置才剛剛誕生，但已顯示出很大的應(yīng)用潛力。虛擬視網(wǎng)膜顯示器虛擬現(xiàn)實技術(shù)的新進展觀察者只需佩戴一個非常輕巧的眼鏡，效果61通過各種各樣的顯示系統(tǒng)，人們能夠親眼看見虛擬空間中的虛擬物體和虛擬景象，可以在一定程度上能夠得到身臨其境的感覺。人們并不滿足這種“只能看、不能摸、不能碰”的局面。人們?nèi)绾稳グ釀犹摂M空間的一張?zhí)摂M桌子呢?如何能用一塊虛擬的木板壓扁一個虛擬的氣球呢?如何實現(xiàn)用自己的手去掂量一下虛擬石頭的重量？虛擬現(xiàn)實技術(shù)的新進展觸覺和力反饋的裝置通過各種各樣的顯示系統(tǒng)，人們能夠親眼看見虛擬空間中的虛擬物體62虛擬空間的虛擬物體僅僅是一個計算機生成的三維圖像，它無真正的重量、無實在的質(zhì)地，只是一個“虛幻的”圖像。它的手指、手腕或手臂上的控制機構(gòu)和執(zhí)行機構(gòu)，并通過“某種算法”，產(chǎn)生與人觸摸到真實物體時同樣的刺激或反饋，用戶就得到如同觸摸、搬動一個真實物體一樣的感受。當(dāng)計算機賦予這個圖像某些屬性數(shù)據(jù)，例如幾何學(xué)屬性、材料質(zhì)地屬性、動力學(xué)屬性以及運動學(xué)屬性等時，我們可以用“某種辦法”，通過“某種設(shè)備”，觸模到這個虛擬物體，計算機系統(tǒng)能夠及時地把這些屬性數(shù)據(jù)傳送給用戶虛擬現(xiàn)實技術(shù)的新進展觸覺和力反饋的裝置虛擬空間的虛擬物體僅僅是一個計算機生成的三維圖像，它無真正的63虛擬現(xiàn)實技術(shù)的新進展觸覺和力反饋的裝置三維探針:用手操縱探針的把手，用探針尖去觸碰虛擬物體，計算機把虛擬物體的屬性數(shù)據(jù)反饋給探針把手，使人感受到虛擬物體的某些屬性手指卡箍:卡箍與連桿及馬達相連，戴上卡箍去觸摸、旋轉(zhuǎn)或搬動虛擬物體時，計算機能把這個虛擬物體的某些屬性數(shù)據(jù)反饋給馬達，通過連桿作用在卡箍上，使人獲得觸感和力感虛擬現(xiàn)實技術(shù)的新進展觸覺和力反饋的裝置三維探針:手指卡箍64一個VirtualWorkbench的工作平臺虛擬現(xiàn)實技術(shù)的新進展一個VirtualWorkbench的工作平臺虛擬現(xiàn)實技術(shù)65虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用虛擬現(xiàn)實與教育、培訓(xùn)虛擬現(xiàn)實在其它領(lǐng)域的應(yīng)用虛擬現(xiàn)實與文化娛樂虛擬現(xiàn)實與制造虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用虛擬現(xiàn)實與教育、培訓(xùn)虛擬現(xiàn)實在其它領(lǐng)域的應(yīng)用66將VR技術(shù)應(yīng)用于教育可以使學(xué)生能夠游覽海底、遨游太空、觀摩歷史城堡，甚至深入原子內(nèi)部觀察電子的運動軌跡和體驗愛因斯坦的相對論世界，從而更形象地獲取知識，激發(fā)思維。虛擬現(xiàn)實與教育、培訓(xùn)將VR技術(shù)應(yīng)用于教育可以使學(xué)生能夠游覽海底、遨游太空、觀摩歷67VR技術(shù)在文化、娛樂領(lǐng)域有著極其廣泛的應(yīng)用。第一個大規(guī)模的VR娛樂系統(tǒng)“BattleTech”，將每個“座艙”仿真器連網(wǎng)進行組之間的對抗，3維逼真視景、游戲桿、油門、剎車和受到打擊時的晃動給用戶很強的感官刺激。虛擬現(xiàn)實與文化娛樂VR技術(shù)在文化、娛樂領(lǐng)域有著極其廣泛的應(yīng)用。第一個大規(guī)模的V68虛擬現(xiàn)實與文化娛樂基于高速網(wǎng)絡(luò)和虛擬現(xiàn)實技術(shù)的“虛擬美國國家藝術(shù)館”能使任何一個在計算機網(wǎng)上工作的人，都能遠距離地參觀藝術(shù)館，不僅僅使參觀者能盡興地仔細欣賞展品，獲得身臨其境的感受，并且還可以參加培訓(xùn)中心或研究中心，獲得更多的知識。當(dāng)您進入“虛擬美國國家藝術(shù)館”時，您可根據(jù)自己的愛好選擇攝影、雕塑、民間藝術(shù)、繪畫、風(fēng)景畫、肖像畫、微型藝術(shù)品、抽象畫、城市景色、美國西部風(fēng)光、美洲土著居民文化藝術(shù)、宗教藝術(shù)、兒童藝術(shù)、體育運動和動物藝術(shù)等選項。虛擬現(xiàn)實與文化娛樂基于高速網(wǎng)絡(luò)和虛擬現(xiàn)實技術(shù)的“虛擬美國國家69虛擬現(xiàn)實與文化娛樂馴馬羅馬女神籬安娜

虛擬現(xiàn)實與文化娛樂馴馬羅馬女神籬安娜70虛擬現(xiàn)實與文化娛樂黃石公園山泉的奔騰黃石公園大峽谷的雄渾內(nèi)華達叢嶺的峻峭虛擬現(xiàn)實與文化娛樂黃石公園山泉的奔騰黃石公園大峽谷的雄渾內(nèi)華71虛擬現(xiàn)實與文化娛樂可愛和美的女神維納斯雕像

蒙娜麗沙畫像虛擬現(xiàn)實與文化娛樂可愛和美的女神維納斯雕像蒙娜麗沙畫像72虛擬現(xiàn)實技術(shù)在制造業(yè)中的應(yīng)用：利用虛擬樣機在產(chǎn)品實際加工之前對其性能、可制造性進行評價，同時對制造全過程仿真，將制造過程可能發(fā)生的問題提前到設(shè)計階段處理，以達到產(chǎn)品生產(chǎn)的最優(yōu)目標(biāo)。波音777飛機的設(shè)計是虛擬原型機的應(yīng)用典型實例，這是飛機設(shè)計史上第一次在設(shè)計過程中沒有采用實物模型。波音777由300萬個零件組成，所有的設(shè)計在一個由數(shù)百臺工作站組成的虛擬環(huán)境中進行。設(shè)計師戴上頭盔顯示器后，可以穿行于設(shè)計中的虛擬“飛機”，審視“飛機”的各項設(shè)計指標(biāo)。虛擬現(xiàn)實與制造虛擬現(xiàn)實技術(shù)在制造業(yè)中的應(yīng)用：虛擬現(xiàn)實與制造73系統(tǒng)仿真技術(shù)_第10章_虛擬設(shè)計74系統(tǒng)仿真技術(shù)_第10章_虛擬設(shè)計75四、虛擬設(shè)計技術(shù)及其應(yīng)用四、虛擬設(shè)計技術(shù)及其應(yīng)用76虛擬產(chǎn)品設(shè)計虛擬產(chǎn)品設(shè)計是以虛擬現(xiàn)實技術(shù)為基礎(chǔ)，實現(xiàn)產(chǎn)品或工程設(shè)計與評價分析的技術(shù)，是新一代的計算機輔助設(shè)計技術(shù)。虛擬產(chǎn)品設(shè)計虛擬產(chǎn)品設(shè)計是以虛擬現(xiàn)實技術(shù)為基77虛擬產(chǎn)品設(shè)計技術(shù)的應(yīng)用形狀設(shè)計裝配設(shè)計工程設(shè)計虛擬產(chǎn)品設(shè)計技術(shù)的應(yīng)用形狀設(shè)計78虛擬形狀設(shè)計對于規(guī)則形體，可以采用語音識別、手勢跟蹤的交互系統(tǒng)實現(xiàn)實體生成、尺寸更改、形狀變更、實體變換（移動、旋轉(zhuǎn)等），從而完成形體設(shè)計虛擬形狀設(shè)計對于規(guī)則形體，可以采用語音識別、手勢跟蹤的交互系79虛擬形狀設(shè)計單獨使用語音命令“產(chǎn)生高20mm、長100mm、寬50mm的長方體”“放置對象于X=10、Y=10、Z=20處”“將對象沿X移動10mm”語音與手勢合用指著對象，“選擇”確定雙手間距，“長度這么長”“改變長度”，作手勢虛擬形狀設(shè)計單獨使用語音命令“產(chǎn)生高20mm、長100mm、80虛擬形狀設(shè)計對于自由曲面，主要采用手勢和虛擬工具，完成曲面設(shè)計。虛擬形狀設(shè)計對于自由曲面，主要采用手勢和虛擬工具，完成曲面設(shè)81虛擬形狀設(shè)計單獨使用手勢手勢比劃虛擬工具虛擬油泥建模(VirtualClayModeling)：允許工業(yè)造型技術(shù)人員以類似于傳統(tǒng)的手工設(shè)計方式（刮、削、掃、抹等）制作出隨心所欲的模型虛擬形狀設(shè)計單獨使用手勢手勢比劃虛擬工具虛擬油泥建模(Vir82系統(tǒng)仿真技術(shù)_第10章_虛擬設(shè)計83虛擬裝配設(shè)計設(shè)計人員可以利用手套或其它設(shè)備根據(jù)經(jīng)驗裝配或拆卸零件，在虛擬環(huán)境中使用各種裝配工具對產(chǎn)品的裝配性進行分析，而且可以產(chǎn)生裝配規(guī)劃虛擬裝配設(shè)計設(shè)計人員可以利用手套或其它設(shè)備根據(jù)經(jīng)驗裝配或拆卸84系統(tǒng)仿真技術(shù)_第10章_虛擬設(shè)計85虛擬工程設(shè)計對于生產(chǎn)線、廠房車間、地鐵等大型工程設(shè)計，虛擬設(shè)計技術(shù)提供對設(shè)計方案評價的非常直觀的手段虛擬工程設(shè)計對于生產(chǎn)線、廠房車間、地鐵等大型工程86虛擬廠房虛擬廠房87系統(tǒng)仿真技術(shù)_第10章_虛擬設(shè)計88系統(tǒng)仿真技術(shù)_第10章_虛擬設(shè)計89虛擬生產(chǎn)線虛擬生產(chǎn)線90虛擬工程虛擬工程91系統(tǒng)仿真技術(shù)_第10章_虛擬設(shè)計92虛擬設(shè)計、制造軟件系統(tǒng)名稱出品公司名稱主要模塊主要功能

Deneb

美國DenebRobotics公司EnvisionQuestVirtualNCAssemblyERGO虛擬樣機設(shè)計分析、虛擬環(huán)境漫游、離散事件仿真、加工過程仿真、虛擬裝配和拆卸仿真、人體建模與分析

dVISE

英國Division公司dv/WebFlydv/Playerdv/Reviewdv/Mock-Updv/Reality實時網(wǎng)上信息瀏覽虛擬樣機裝配拆卸仿真WorldToolKit美國Sense8公司W(wǎng)orldUp實時交互虛擬環(huán)境建立

EAI美國EngineeringAnimation,Inc.裝配分析、裝配設(shè)置評估、模型可視化、三維工程動畫虛擬設(shè)計、制造軟件系統(tǒng)名稱出品公司名稱主要模塊主要功能

美93五、應(yīng)用事例五、應(yīng)用事例94虛擬人工拆卸虛擬人工拆卸95工程設(shè)計與仿真工程設(shè)計與仿真96由虛擬環(huán)境到CAD的數(shù)據(jù)交換問題數(shù)據(jù)接口數(shù)據(jù)縮減實時與復(fù)雜硬件方面的問題網(wǎng)絡(luò)傳輸速度問題六、需要解決的問題由虛擬環(huán)境到CAD的數(shù)據(jù)交換問題六、需要解決的問題97由于虛擬設(shè)計系統(tǒng)在圖形輸出和模型操縱方法上與其他的計算機輔助應(yīng)用系統(tǒng)如CAD、CAPP(計算機輔助工藝規(guī)劃)等存在著很大的不同，從而導(dǎo)致虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的數(shù)據(jù)和信息不能很好地被其他現(xiàn)行的計算機輔助系統(tǒng)共享由虛擬環(huán)境到CAD的數(shù)據(jù)交換問題由于虛擬設(shè)計系統(tǒng)在圖形輸出和模型操縱方法上與其他的計算機輔助98目前所用的數(shù)據(jù)接口，例如IGES(基本圖形轉(zhuǎn)換規(guī)范)只能提供幾何數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。例如，它們只能提供一個孔的周邊信息而不能提供孔本身的信息如孔徑及中心位置，更不用說材料、質(zhì)地、顏色、力學(xué)特性等。數(shù)據(jù)接口問題目前所用的數(shù)據(jù)接口，例如IGES(基本圖形轉(zhuǎn)換規(guī)范)只能提供99在硬件還不足夠強大的情況下，若要保證足夠的圖像刷新率，CAD數(shù)據(jù)就需要轉(zhuǎn)換為多邊形格式并且很可能需要實施進一步的縮減處理巧妙的縮減算法可以將原數(shù)據(jù)縮減數(shù)據(jù)縮減問題在硬件還不足夠強大的情況下，若要保證足夠的圖像刷新率，CAD100限于目前計算機的能力，為了在虛擬環(huán)境中完成較為理想的交互，系統(tǒng)必須在描繪的真實感和必要的刷新率之間進行折中。這樣的折中應(yīng)該考慮系統(tǒng)的具體應(yīng)用環(huán)境和對沉浸感的要求，好在虛擬設(shè)計一般對沉浸感要求不是太高。適當(dāng)?shù)剡M行紋理渲染處理有利于增強圖形的真實感并不增加三角形的數(shù)量。實時要求與復(fù)雜問題限于目前計算機的能力，為了在虛擬環(huán)境中完成較為理想的交互，系101處理器計算能力不足、頭盔式顯示器分辨率太低、觸覺／力量反饋系統(tǒng)能力太差。跟蹤系統(tǒng)能夠精確跟蹤的范圍太小，抵抗外來干擾的能力不足。以上這些硬件問題是虛擬設(shè)計系統(tǒng)不能充分發(fā)揮其強大功能的主要障礙。硬件方面的問題處理器計算能力不足、頭盔式顯示器分辨率太低、觸覺／力量反饋系102全球虛擬設(shè)計系統(tǒng)對實現(xiàn)異地設(shè)計和異地制造，幫助企業(yè)占領(lǐng)全球市場是極其重要的，但目前網(wǎng)絡(luò)的傳輸速度實在難以滿足這樣的要求網(wǎng)絡(luò)傳輸速度問題全球虛擬設(shè)計系統(tǒng)對實現(xiàn)異地設(shè)計和異地制造，幫助企業(yè)占領(lǐng)全球市103系統(tǒng)仿真技術(shù)_第10章_虛擬設(shè)計104虛擬設(shè)計技術(shù)使人類從虛擬的世界中獲得巨大的現(xiàn)實效益使人類更多的夢想成真虛擬設(shè)計技術(shù)使人類從虛擬的世界中獲得巨大的現(xiàn)實效益105系統(tǒng)仿真技術(shù)

第10章虛擬設(shè)計陳無畏合肥工業(yè)大學(xué)機械與汽車工程學(xué)院

系統(tǒng)仿真技術(shù)

第10章虛擬設(shè)計陳無畏106主要內(nèi)容一、前言二、虛擬產(chǎn)品開發(fā)三、虛擬現(xiàn)實技術(shù)四、虛擬設(shè)計技術(shù)五、應(yīng)用事例主要內(nèi)容一、前言107一、前言一、前言1080102030405060產(chǎn)品定義產(chǎn)品開發(fā)工藝規(guī)劃制造檢驗應(yīng)用成本%避免錯誤、或盡早發(fā)現(xiàn)錯誤、盡早修正錯誤設(shè)計開發(fā)目標(biāo)75%修改源于設(shè)計開發(fā)80%修改由制造后續(xù)階段完成0102030405060產(chǎn)品定義產(chǎn)品開發(fā)工藝規(guī)劃制造檢驗應(yīng)109團隊工作開發(fā)過程重組DFX實現(xiàn)策略并行工程虛擬產(chǎn)品開發(fā)虛擬產(chǎn)品建模與仿真虛擬產(chǎn)品開發(fā)過程建模與過程仿真團隊工作實現(xiàn)策略并行工程虛擬產(chǎn)品開發(fā)虛擬產(chǎn)品建模與仿真110二、虛擬產(chǎn)品開發(fā)二、虛擬產(chǎn)品開發(fā)111現(xiàn)實產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計評價產(chǎn)品報廢品報廢品制造原料外在因素變化設(shè)備廠房人員試制原料設(shè)備廠房人員現(xiàn)實產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計評價產(chǎn)品報廢報廢制造原料外在因112數(shù)據(jù)/信息原料設(shè)備廠房產(chǎn)品實際制造人員報廢品設(shè)計虛擬樣機評價反饋信息虛擬加工虛擬裝配虛擬檢測市場信息虛擬產(chǎn)品開發(fā)數(shù)據(jù)/信息原料設(shè)備廠房產(chǎn)品實際制造人員報廢品設(shè)計虛擬樣機反饋113虛擬產(chǎn)品開發(fā)的定義虛擬產(chǎn)品開發(fā)技術(shù)是以計算機仿真和產(chǎn)品生命周期建模為基礎(chǔ)，計算機圖形學(xué)、人工智能、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、多媒體技術(shù)和虛擬現(xiàn)實技術(shù)等在產(chǎn)品開發(fā)（包括產(chǎn)品構(gòu)思、設(shè)計、制造、測試和分析等）的綜合應(yīng)用技術(shù)。虛擬產(chǎn)品開發(fā)的定義虛擬產(chǎn)品開發(fā)技術(shù)是以計算機仿真和產(chǎn)114虛擬產(chǎn)品開發(fā)過程建模與仿真虛擬產(chǎn)品開發(fā)過程建模與仿真115虛擬產(chǎn)品開發(fā)過程建模與仿真虛擬產(chǎn)品開發(fā)過程建模與仿真116虛擬產(chǎn)品開發(fā)技術(shù)的意義促進創(chuàng)新設(shè)計加快產(chǎn)品上市速度減少資源浪費降低產(chǎn)品開發(fā)風(fēng)險推進遠程協(xié)同產(chǎn)品開發(fā)提高技術(shù)培訓(xùn)與教育質(zhì)量增強企業(yè)競爭力虛擬產(chǎn)品開發(fā)技術(shù)的意義促進創(chuàng)新設(shè)計117三、虛擬現(xiàn)實技術(shù)三、虛擬現(xiàn)實技術(shù)118何謂虛擬現(xiàn)實什么是虛擬現(xiàn)實？何謂虛擬現(xiàn)實什么是虛擬現(xiàn)實？119人類需要用工具來增強、延伸、擴大自己的感官、肢體和大腦的功能

杠桿、滑輪、千斤頂增強肢體的功能望遠鏡、顯微鏡、雷達增強眼睛的功能聽診器、助聽器、收音機增強耳朵的功能計算機、仿真模擬器、精密分析儀器增強大腦的功能。這些基本上都只能幫助我們進行單方向的推理。對于廣泛和復(fù)雜的世界，單方向的推理是遠遠不夠的。人類盼望著能夠找到…

人類需要用工具來增強、延伸、擴大自己的感官、肢體和大腦的功能120能夠根據(jù)研究問題的需要，提供一個具有盡可能逼真的虛擬對象、虛擬環(huán)境的虛擬世界。能夠幫助我們沉浸在這個虛實結(jié)合的環(huán)境中，身臨其境地體驗這個虛擬世界中的一切，在這樣的環(huán)境中研究和分析問題。能夠靈活地擴大或縮小虛擬世界的時間尺度和空間尺度。例如，在數(shù)秒鐘內(nèi)觀察地殼的演變歷程，在數(shù)分鐘內(nèi)細細品味子彈穿破玻璃時的精細過程。能夠幫助我們跟這個虛擬世界交流、發(fā)生相互作用，我們不只是能移動和觸摸虛擬世界中的虛擬物體，還能在虛擬世界的街巷樓宇之間漫游。能夠根據(jù)研究問題的需要，提供一個具有盡可能逼真的虛擬對象、虛121總之：希望能幫助我們創(chuàng)建一個時域和空域可變的虛擬世界，使人能夠：沉浸其中，超越其上，進出自如，交互作用獲得“觀古今于須臾，撫四海于一瞬”的效果?？傊?22虛擬現(xiàn)實是用高科技手段構(gòu)造出來的一種人工環(huán)境，它具有模仿人的視覺、聽覺、觸覺等感知功能的能力，具有使人可以親身體驗沉浸在這種虛擬環(huán)境中并與之相互作用的能力虛擬現(xiàn)實技術(shù)的最終目的是提高人的認識能力，促進人與環(huán)境的交流，更深入地開發(fā)人類的智慧這就是虛擬現(xiàn)實…虛擬現(xiàn)實是用高科技手段構(gòu)造出來的一種人工環(huán)境，它具有模仿人的123虛擬現(xiàn)實：虛擬現(xiàn)實技術(shù)(VirtualReality,VR)是一種三維計算機圖形技術(shù)與計算機硬件技術(shù)發(fā)展而實現(xiàn)的高級人機交互技術(shù)，允許用戶通過視覺、聽覺、觸覺甚至嗅覺和味覺等多種知覺方式實時地與計算機所建造的仿真環(huán)境發(fā)生相互作用。虛擬現(xiàn)實：虛擬現(xiàn)實技術(shù)(VirtualR124虛擬現(xiàn)實的情景是怎樣生成的？如何生成？虛擬現(xiàn)實的情景是怎樣生成的？如何生成？125情景生成要使人能夠產(chǎn)生：視覺、聽覺、觸覺、力感、運動感、味感、嗅感等。如何生成這些感覺呢？環(huán)境生成情景生成要使人能夠產(chǎn)生：如何生成這些感覺呢？生成126跟蹤系統(tǒng)發(fā)射器頭部跟蹤接收器頭盔顯示器立體聲耳機話筒數(shù)據(jù)手套跟蹤接收器手部3D跟蹤系統(tǒng)語音識別3D聲音處理器虛擬環(huán)境數(shù)據(jù)庫圖形處理器主計算機虛擬環(huán)境實時操作系統(tǒng)虛擬現(xiàn)實環(huán)境：跟蹤系統(tǒng)發(fā)射器頭部跟蹤接收器頭盔顯示器立體聲耳機話筒數(shù)據(jù)手套127一個典型的虛擬現(xiàn)實環(huán)境是由人和虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)兩大部分組成虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)又由三部分構(gòu)成：

基于先進傳感器的人機接口具有多媒體功能的計算機系統(tǒng)面向虛擬現(xiàn)實的軟件系統(tǒng)

虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)一個典型的虛擬現(xiàn)實環(huán)境是由人和虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)兩大部分組成虛擬現(xiàn)128虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)VR硬件計算機VR軟件場景顯示系統(tǒng)觸覺反饋器方位跟蹤系統(tǒng)聲音識別系統(tǒng)操作者機器人機接口虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)VR硬件計VR場景顯示系統(tǒng)方位跟蹤系統(tǒng)操機器人機129在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中，關(guān)鍵之一是：如何實現(xiàn)多維信息的輸入和輸出如何實現(xiàn)人跟虛擬世界的交互作用最基本的人機接口設(shè)備是：頭盔式顯示器三維鼠標(biāo)數(shù)據(jù)手套人機接口---先進傳感器技術(shù)和產(chǎn)品在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中，關(guān)鍵之一是：人機接口---先進傳感器技術(shù)和130頭盔式顯示器的外形很像摩托車駕駛員所佩戴的頭盔，左右兩眼前是高分辨率的顯示屏。當(dāng)佩戴頭盔式顯示器的用戶頭部發(fā)生移動時，利用頭盔上的方位跟蹤器，就能向計算機報告用戶頭部的方位了。如果計算機系統(tǒng)的處理速度足夠快的話，就能向顯示屏提供與頭部方位(準(zhǔn)確地說是眼睛所注視的方位)相一致的圖像佩戴頭盔的人能隨著頭部的轉(zhuǎn)動看到一個和頭部方位相一致的、由計算機所輸出的虛擬世界的圖像，好像是頭轉(zhuǎn)到哪里就能看到哪里，這樣從視覺上就感覺完全沉浸在這個虛擬世界中頭盔式顯示器頭盔式顯示器的外形很像摩托車駕駛員所佩戴的頭盔，左右兩眼前是131頭盔式顯示器頭盔式顯示器132頭盔式顯示器頭盔式顯示器133頭戴頭盔式顯示器進入虛擬現(xiàn)實環(huán)境頭戴頭盔式顯示器進入虛擬現(xiàn)實環(huán)境134在虛擬環(huán)境中最常用的人機接口工具之一是數(shù)據(jù)手套。數(shù)據(jù)手套通常是一種尼龍手套，在每個手指上安裝有相應(yīng)的彎曲和扭曲傳感器。計算機利用傳感器的信息，控制虛擬空間中物體的位置和方向，于是就產(chǎn)生了人能用自己的手，去控制虛擬空間中虛擬物體的感覺了數(shù)據(jù)手套在虛擬環(huán)境中最常用的人機接口工具之一是數(shù)據(jù)手套。數(shù)據(jù)手套135為了能使戴上數(shù)據(jù)手套的手不僅僅能搬動虛擬物體，還能感受虛擬物體“應(yīng)有的”重量和質(zhì)感，更先進的數(shù)據(jù)手套還具有觸覺，最簡單的做法是在手套上安裝氣壓式和振動觸感式的反饋器。在計算機的控制下，向手套的氣袋充氣時，戴上這種數(shù)據(jù)手套的手就感受到一定的壓力了，用這種辦法就可以模擬手觸摸真實物體時的感覺數(shù)據(jù)手套為了能使戴上數(shù)據(jù)手套的手不僅僅能搬動虛擬物體，還能感受虛擬物136數(shù)據(jù)手套數(shù)據(jù)手套137不管是在頭盔、三維鼠標(biāo)上，還是在數(shù)據(jù)手套上，都需要安裝能對空間位置進行跟蹤定位的跟蹤裝置

基于超聲波原理進行位置和方向的跟蹤，即用三角形法測出位置發(fā)送器和接受器之間的相對方位。它的優(yōu)點是工作可靠、價格較低，缺點是分辨率較低、時延較長，而且受回聲的干擾影響較大

不管是在頭盔、三維鼠標(biāo)上，還是在數(shù)據(jù)手套上，都需要安裝能對空138不管是在頭盔、三維鼠標(biāo)上，還是在數(shù)據(jù)手套上，都需要安裝能對空間位置進行跟蹤定位的跟蹤裝置

基于光學(xué)原理的跟蹤器在固定的位置上(例如天花板上)安裝排列成柵格狀的一組發(fā)光二極管，在用戶的頭上安裝一個照相機，發(fā)光二極管周期性地發(fā)光，通過照相機的感光就可測出頭部的位置。它的優(yōu)點是定位精度較高、時延較短，其缺點是受控的面積受發(fā)光二極管柵格面積的限制，如果要檢測頭部或手部的全方位的轉(zhuǎn)動就有一定的困難

不管是在頭盔、三維鼠標(biāo)上，還是在數(shù)據(jù)手套上，都需要安裝能對空139具有多媒體功能的計算機系統(tǒng)是虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的基石基于個人計算機（PC）的虛擬現(xiàn)實計算機

具有多媒體功能的計算機系統(tǒng)是虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的基石基于個人計算機140基于工作站的虛擬現(xiàn)實計算機

基于工作站的虛擬現(xiàn)實計算機141在虛擬現(xiàn)實技術(shù)中，軟件的主要功能就是高效地產(chǎn)生與真實物體形似、質(zhì)似和神似的虛擬物體和虛擬環(huán)境，“以假亂真”，從而取得“身臨其境”的效果面向虛擬現(xiàn)實的軟件系統(tǒng)在虛擬現(xiàn)實技術(shù)中，軟件的主要功能就是高效地產(chǎn)生與真實物體形似142“幾何建模”就是用許許多多各式各樣的多邊形，拼構(gòu)成所模擬對象的立體外形，這個外形必須盡可能地跟所模擬的對象完全一致，達到“形似”。形似“幾何建模”就是用許許多多各式各樣的多邊形，拼構(gòu)成所模擬對象143對幾何模型進行紋理、顏色和光照的處理，也就是所謂的“物理建?！保顾瓷先ゾ哂小百|(zhì)感”。同樣是一個球，通過這兩種建模，就能分辨出是玻璃球、塑料球還是棉花球。為了使虛擬空間內(nèi)的虛擬對象具有質(zhì)感，有時還要為對象附加更多的物理屬性。例如：橡皮球具有變形和彈性的雙重屬性，玻璃球掉在地上時可能要破碎，而木球就會發(fā)生反彈等等。這就是“質(zhì)似”。質(zhì)似對幾何模型進行紋理、顏色和光照的處理，也就是所謂的“物理建模144最典型的例子就是用簡單的線條描述舞蹈家的體型及四肢的舞蹈動作，用演員的面部表情模擬某個卡通形象的面部表情。寥寥數(shù)筆線條與舞蹈家的身材當(dāng)然相差甚遠，而動物卡通的一個擬人形象當(dāng)然不能等同于真人，但如果我們能從線條的動態(tài)變化中分辨出是“梁山伯與祝英臺”的雙人舞還是“天鵝湖”雙人舞，這就達到“神似”神似最典型的例子就是用簡單的線條描述舞蹈家的體型及四肢的舞蹈動作145系統(tǒng)仿真技術(shù)_第10章_虛擬設(shè)計146系統(tǒng)仿真技術(shù)_第10章_虛擬設(shè)計147常用的軟件系統(tǒng)：圖形生成環(huán)境OpenGL(OpenGraphicsLibrary)用于創(chuàng)建復(fù)雜圖景的虛擬現(xiàn)實的工具包VRT開發(fā)虛擬世界的工具集WTK(WorldToolKit)快速生成和觀察虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的QuickTimeVR等。近來最受用戶歡迎的虛擬現(xiàn)實軟件工具之一是MultiGen常用的軟件系統(tǒng)：148許多仿真公司和三維圖像處理公司等已經(jīng)利用MultiGen所提供的工具進行了二次開發(fā)，研制出滿足某個特定領(lǐng)域需要的、成套的開發(fā)虛擬現(xiàn)實應(yīng)用系統(tǒng)的軟件,Vega就是較成功的一個實例。Vega是基于MultiGen軟件工具所開發(fā)的一套專門用于實時仿真、可視化環(huán)境和虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)。利用Vega可以快速地生成一個交互的、三維的作戰(zhàn)模擬環(huán)境或生產(chǎn)控制環(huán)境。Vega提供了建立快速原型系統(tǒng)、圖形編輯、系統(tǒng)構(gòu)成所需的工具，還能提供內(nèi)容豐富的三維模型庫和功能強大的虛擬現(xiàn)實環(huán)境

許多仿真公司和三維圖像處理公司等已經(jīng)利用MultiGen所提149通過Vega生成的作戰(zhàn)模擬的場景圖，其中甚至包括了火光、煙霧和云彩通過Vega生成的作戰(zhàn)模擬的場景圖，其中甚至包括了火光、煙霧150美國波土頓動力學(xué)公司(BDI，BostonDynamicslnc．)開發(fā)一個名為DI-Guy的虛擬現(xiàn)實軟件工具。DI-Guy在虛擬現(xiàn)實中的應(yīng)用分為三類：即沉浸式的訓(xùn)練(ImmersiveTraining)系統(tǒng)、交互式的訓(xùn)練(InteractiveTraining)系統(tǒng)和可視化想定(ScenarioVisualization)系統(tǒng)。

不論是哪一類虛擬現(xiàn)實應(yīng)用系統(tǒng)，在DI-Guy的支持下，系統(tǒng)開發(fā)者都能用一些很簡單的命令，自動地對虛擬物體、虛擬人物、虛擬場景賦予某種“仿生”的特征

美國波土頓動力學(xué)公司(BDI，BostonDynamics151仿戰(zhàn)士:能逼真地重現(xiàn)一個訓(xùn)練有素的戰(zhàn)士的動作和姿態(tài)；仿男人:有男子漢的剛勁有力；仿女人：有女人的婀娜多姿；仿運動員：就能分清體操、跑步、壘球、足球、排球、籃球運動員的不同的體型和節(jié)奏；仿現(xiàn)場：就能產(chǎn)生煙霧、火光、云霧的效果。

仿戰(zhàn)士:152DI-Guy軟件所產(chǎn)生的單兵作戰(zhàn)動作

DI-Guy軟件所產(chǎn)生的單兵作戰(zhàn)動作153穿不同的軍裝；攜帶不同的武器；做著各種不同的動作

穿不同的軍裝；攜帶不同的武器；做著各種不同的動作154運動員翻騰跳躍

運動員翻騰跳躍155球場上激烈競爭

球場上激烈競爭156虛擬現(xiàn)實技術(shù)的新進展具有寬視野的立體眼鏡虛擬現(xiàn)實技術(shù)的新進展具有寬視野的立體眼鏡157虛擬現(xiàn)實技術(shù)的新進展美國的SGI公司推出了名為DataVlsor80的頭盔式顯示器。這是一種寬視野、高分辨率的頭盔式顯示器。顯示部分是采用1英寸的陰極射線管，能得到24位的全彩色圖像。其垂直視野可達80度，水平視野可達120度，分辨率可達1280×l024，用戶佩戴這種頭盔式顯示器后，能獲得較好的沉浸感,整個頭盔重約2kg.虛擬現(xiàn)實技術(shù)的新進展美國的SGI公司推出了名為DataVl158虛擬現(xiàn)實技術(shù)的新進展SGI公司提供了一種類似雙簡望遠鏡式的手持式顯示器。為了能使顯示器中的圖像隨著人的頭部的方位發(fā)生變化，所以在顯示器上也安裝有方位跟蹤裝置。由于是手持的，調(diào)整方位十分方便，視野小些，也不妨礙用戶觀看全景。這個顯示器的分辨率為640×480和1280×1024兩種，能產(chǎn)生24位彩色圖像

虛擬現(xiàn)實技術(shù)的新進展SGI公司提供了一種類似雙簡望遠鏡式的159最常見的三維鼠標(biāo)有兩種跟蹤球(trackL，a11)三維空間探針三維鼠標(biāo)虛擬現(xiàn)實技術(shù)的新進展最常見的三維鼠標(biāo)有兩種三維鼠標(biāo)虛擬現(xiàn)實技術(shù)的新進展160跟蹤球跟蹤球的中心是固定的，并有一個活動的外層，裝有6個發(fā)光二極管和相應(yīng)的6個光傳感器。當(dāng)使用者用手對該球的外層施加力和力矩時，根據(jù)“彈簧變形”規(guī)則，就可通過6個光傳感器測出3個力和3個力矩的信息，傳輸給計算機后求出虛擬空間中某物體的位置和方向虛擬現(xiàn)實技術(shù)的新進展跟蹤球跟蹤球的中心是固定的，并有一個活動的外層，裝有6個發(fā)光161三維空間探針是安裝在一個固定的基座上，具有6個關(guān)節(jié)的機械臂。在每個關(guān)節(jié)上裝有傳感器，計算機接收傳感器的信息，并計算出在虛擬空間的物體的位置和方向三維空間探針虛擬現(xiàn)實技術(shù)的新進展三維空間探針是安裝在一個固定的基座上，具有6個關(guān)節(jié)的機械臂。162虛擬現(xiàn)實技術(shù)的新進展多人共享的沉浸式系統(tǒng)虛擬現(xiàn)實技術(shù)的新進展多人共享的沉浸式系統(tǒng)163虛擬現(xiàn)實技術(shù)的新進展大屏幕顯示系統(tǒng)可以滿足數(shù)十人、幾百人同時觀看虛擬現(xiàn)實技術(shù)的新進展大屏幕顯示系統(tǒng)可以滿足數(shù)十人、幾百人同164虛擬現(xiàn)實技術(shù)的新進展手控式高分辨率CRT顯示器虛擬現(xiàn)實技術(shù)的新進展手控式高分辨率CRT顯示器165虛擬現(xiàn)實技術(shù)的新進展觀察者只需佩戴一個非常輕巧的眼鏡，效果較好：從視覺效果上可以達到120度的寬闊視野；具有很高的分辨率，可以形成1024線、每線具有1280像素的光柵，并且按72HZ的頻率進行更新，因此幾乎和人眼的分辨率一致。它還可以得到全色圖像和足夠的亮度，即使在戶外觀看也無影響。如果對兩只眼睛分別產(chǎn)生兩幅有一定視點差異的圖像，就可產(chǎn)生三維立體圖像的效果。必要時，它可以在原來視網(wǎng)膜上已經(jīng)有的真實世界的圖像上疊加上所產(chǎn)生的虛擬圖像，取得了虛實結(jié)合的效果。雖然這種虛擬視網(wǎng)膜顯示裝置才剛剛誕生，但已顯示出很大的應(yīng)用潛力。虛擬視網(wǎng)膜顯示器虛擬現(xiàn)實技術(shù)的新進展觀察者只需佩戴一個非常輕巧的眼鏡，效果166通過各種各樣的顯示系統(tǒng)，人們能夠親眼看見虛擬空間中的虛擬物體和虛擬景象，可以在一定程度上能夠得到身臨其境的感覺。人們并不滿足這種“只能看、不能摸、不能碰”的局面。人們?nèi)绾稳グ釀犹摂M空間的一張?zhí)摂M桌子呢?如何能用一塊虛擬的木板壓扁一個虛擬的氣球呢?如何實現(xiàn)用自己的手去掂量一下虛擬石頭的重量？虛擬現(xiàn)實技術(shù)的新進展觸覺和力反饋的裝置通過各種各樣的顯示系統(tǒng)，人們能夠親眼看見虛擬空間中的虛擬物體167虛擬空間的虛擬物體僅僅是一個計算機生成的三維圖像，它無真正的重量、無實在的質(zhì)地，只是一個“虛幻的”圖像。它的手指、手腕或手臂上的控制機構(gòu)和執(zhí)行機構(gòu)，并通過“某種算法”，產(chǎn)生與人觸摸到真實物體時同樣的刺激或反饋，用戶就得到如同觸摸、搬動一個真實物體一樣的感受。當(dāng)計算機賦予這個圖像某些屬性數(shù)據(jù)，例如幾何學(xué)屬性、材料質(zhì)地屬性、動力學(xué)屬性以及運動學(xué)屬性等時，我們可以用“某種辦法”，通過“某種設(shè)備”，觸模到這個虛擬物體，計算機系統(tǒng)能夠及時地把這些屬性數(shù)據(jù)傳送給用戶虛擬現(xiàn)實技術(shù)的新進展觸覺和力反饋的裝置虛擬空間的虛擬物體僅僅是一個計算機生成的三維圖像，它無真正的168虛擬現(xiàn)實技術(shù)的新進展觸覺和力反饋的裝置三維探針:用手操縱探針的把手，用探針尖去觸碰虛擬物體，計算機把虛擬物體的屬性數(shù)據(jù)反饋給探針把手，使人感受到虛擬物體的某些屬性手指卡箍:卡箍與連桿及馬達相連，戴上卡箍去觸摸、旋轉(zhuǎn)或搬動虛擬物體時，計算機能把這個虛擬物體的某些屬性數(shù)據(jù)反饋給馬達，通過連桿作用在卡箍上，使人獲得觸感和力感虛擬現(xiàn)實技術(shù)的新進展觸覺和力反饋的裝置三維探針:手指卡箍169一個VirtualWorkbench的工作平臺虛擬現(xiàn)實技術(shù)的新進展一個VirtualWorkbench的工作平臺虛擬現(xiàn)實技術(shù)170虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用虛擬現(xiàn)實與教育、培訓(xùn)虛擬現(xiàn)實在其它領(lǐng)域的應(yīng)用虛擬現(xiàn)實與文化娛樂虛擬現(xiàn)實與制造虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用虛擬現(xiàn)實與教育、培訓(xùn)虛擬現(xiàn)實在其它領(lǐng)域的應(yīng)用171將VR技術(shù)應(yīng)用于教育可以使學(xué)生能夠游覽海底、遨游太空、觀摩歷史城堡，甚至深入原子內(nèi)部觀察電子的運動軌跡和體驗愛因斯坦的相對論世界，從而更形象地獲取知識，激發(fā)思維。虛擬現(xiàn)實與教育、培訓(xùn)將VR技術(shù)應(yīng)用于教育可以使學(xué)生能夠游覽海底、遨游太空、觀摩歷172VR技術(shù)在文化、娛樂領(lǐng)域有著極其廣泛的應(yīng)用。第一個大規(guī)模的VR娛樂系統(tǒng)“BattleTech”，將每個“座艙”仿真器連網(wǎng)進行組之間的對抗，3維逼真視景、游戲桿、油門、剎車和受到打擊時的晃動給用戶很強的感官刺激。虛擬現(xiàn)實與文化娛樂VR技術(shù)在文化、娛樂領(lǐng)域有著極其廣泛的應(yīng)用。第一個大規(guī)模的V173虛擬現(xiàn)實與文化娛樂基于高速網(wǎng)絡(luò)和虛擬現(xiàn)實技術(shù)的“虛擬美國國家藝術(shù)館”能使任何一個在計算機網(wǎng)上工作的人，都能遠距離地參觀藝術(shù)館，不僅僅使參觀者能盡興地仔細欣賞展品，獲得身臨其境的感受，并且還可以參加培訓(xùn)中心或研究中心，獲得更多的知識。當(dāng)您進入“虛擬美國國家藝術(shù)館”時，您可根據(jù)自己的愛好選擇攝影、雕塑、民間藝術(shù)、繪畫、風(fēng)景畫、肖像畫、微型藝術(shù)品、抽象畫、城市景色、美國西部風(fēng)光、美洲土著居民文化藝術(shù)、宗教藝術(shù)、兒童藝術(shù)、體育運動和動物藝術(shù)等選項。虛擬現(xiàn)實與文化娛樂基于高速網(wǎng)絡(luò)和虛擬現(xiàn)實技術(shù)的“虛擬美國國家174虛擬現(xiàn)實與文化娛樂馴馬羅馬女神籬安娜

虛擬現(xiàn)實與文化娛樂馴馬羅馬女神籬安娜175虛擬現(xiàn)實與文化娛樂黃石公園山泉的奔騰黃石公園大峽谷的雄渾內(nèi)華達叢嶺的峻峭虛擬現(xiàn)實與文化娛樂黃石公園山泉的奔騰黃石公園大峽谷的雄渾內(nèi)華176虛擬現(xiàn)實與文化娛樂可愛和美的女神維納斯雕像

蒙娜麗沙畫像虛擬現(xiàn)實與文化娛樂可愛和美的女神維納斯雕像蒙娜麗沙畫像177虛擬現(xiàn)實技術(shù)在制造業(yè)中的應(yīng)用：利用虛擬樣機在產(chǎn)品實際加工之前對其性能、可制造性進行評價，同時對制造全過程仿真，將制造過程可能發(fā)生的問題提前到設(shè)計階段處理，以達到產(chǎn)品生產(chǎn)的最優(yōu)目標(biāo)。波音777飛機的設(shè)計是虛擬原型機的應(yīng)用典型實例，這是飛機設(shè)計史上第一次在設(shè)計過程中沒有采用實物模型。波音777由300萬個零件組成，所有的設(shè)計在一個由數(shù)百臺工作站組成的虛擬環(huán)境中進行。設(shè)計師戴上頭盔顯示器后，可以穿行于設(shè)計中的虛擬“飛機”，審視“飛機”的各項設(shè)計指標(biāo)。虛擬現(xiàn)實與制造虛擬現(xiàn)實技術(shù)在制造業(yè)中的應(yīng)用：虛擬現(xiàn)實與制造178系統(tǒng)仿真技術(shù)_第10章_虛擬設(shè)計179系統(tǒng)仿真技術(shù)_第10章_虛擬設(shè)計180四、虛擬設(shè)計技術(shù)及其應(yīng)用四、虛擬設(shè)計技術(shù)及其應(yīng)用181虛擬產(chǎn)品設(shè)計虛擬產(chǎn)品設(shè)計是以虛擬現(xiàn)實技術(shù)為基礎(chǔ)，實現(xiàn)產(chǎn)品或工程設(shè)計與評價分析的技術(shù)，是新一代的計算機輔助設(shè)計技術(shù)。虛擬產(chǎn)品設(shè)計虛擬產(chǎn)品設(shè)計是以虛擬現(xiàn)實技術(shù)為基182虛擬產(chǎn)品設(shè)計技術(shù)的應(yīng)用形狀設(shè)計裝配設(shè)計工程設(shè)計虛擬產(chǎn)品設(shè)計技術(shù)的應(yīng)用形狀設(shè)計183虛擬形狀設(shè)計對于規(guī)則形體，可以采用語音識別、手勢跟蹤的交互系統(tǒng)實現(xiàn)實體生成、尺寸更改、形狀變更、實體變