14章虛擬設(shè)計18講90課件

16四月202414章虛擬設(shè)計18講90第14章虛擬設(shè)計14.1虛擬現(xiàn)實14.2虛擬設(shè)計的概念與技術(shù)體系14.3虛擬設(shè)計系統(tǒng)的功能與結(jié)構(gòu)14.4虛擬設(shè)計系統(tǒng)的硬件配置14.5虛擬設(shè)計的應(yīng)用Date214章虛擬設(shè)計14.1虛擬現(xiàn)實14.1.1虛擬現(xiàn)實的發(fā)展與組成14.1.2虛擬現(xiàn)實的功能與特征14.1.3虛擬環(huán)境14.1.4虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的類型與結(jié)構(gòu)Date314章虛擬設(shè)計14.1.1虛擬現(xiàn)實的發(fā)展與組成產(chǎn)品開發(fā)流程已從斷續(xù)的計算機(jī)輔助向計算機(jī)支持產(chǎn)品開發(fā)的全過程轉(zhuǎn)變。這種過程的結(jié)合性在數(shù)字化的過程描述中得到了表達(dá)。由于對集成的要求，幾何的二維處理已逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槿S處理。幾何模型轉(zhuǎn)變?yōu)樘摂M的產(chǎn)品模型，借助虛擬的產(chǎn)品模型，產(chǎn)品開發(fā)過程的所有任務(wù)都可以得到支持。圖14-1基于頭盔式顯示器的系統(tǒng)Date414章虛擬設(shè)計14.1.1虛擬現(xiàn)實的發(fā)展與組成“虛擬”有三層含義：①它意味著完全數(shù)字化的方法；②它是在虛擬企業(yè)的意義上通過網(wǎng)絡(luò)分布式的工作方式來達(dá)到；③它使用虛擬現(xiàn)實（VirtualReality，VR）技術(shù)。專家預(yù)言：未來所有復(fù)雜產(chǎn)品都可用虛擬方式產(chǎn)生有人稱21世紀(jì)為“VR時代”。

Date514章虛擬設(shè)計14.1.1虛擬現(xiàn)實的發(fā)展與組成虛擬現(xiàn)實(VirtualReality，VR)是計算機(jī)交互界面上的一種技術(shù)，在交互界面上用戶所看到的世界是真實的，動作起來是真實的，聲音聽起來是真實的，感覺起來是真實的。用戶進(jìn)入這個界面后，是界面上所顯示的世界中的一個參與者而不是一個被動的觀察者。VR利用一種特殊環(huán)境，使用戶可以陶醉在工作之中，體驗比現(xiàn)實世界更加豐富的感受。

Date614章虛擬設(shè)計14.1.1虛擬現(xiàn)實的發(fā)展與組成虛擬現(xiàn)實鼻祖是20世紀(jì)30年代的飛行模擬器。60年代出現(xiàn)了電影攝影師的街道摩托車模擬器。70年代開發(fā)了一種允許人們通過電視屏幕操作一個彈跳的乒乓球的電子游戲。1963年IvanSwthland提出“虛擬現(xiàn)實”這個概念。1985年用頭盔顯示器(HeadMountedDisplay，HMD)來顯示計算機(jī)圖形。第一臺基于LCD的封閉頭盔顯示器，使用了獨特的棱鏡系統(tǒng)，提供較寬的立體視角。它的分辨率很低，且顯示器是單色的。目前已有20多家廠商提供的40多種HMD產(chǎn)品。虛擬現(xiàn)實引用了CAD中的圖形學(xué)，獨立發(fā)展為一種新領(lǐng)域Date714章虛擬設(shè)計14.1.1虛擬現(xiàn)實的發(fā)展與組成虛擬現(xiàn)實VR的組成圖14-2VR系統(tǒng)為用戶提供視覺、聽覺、觸覺、嗅覺甚至味覺的多感知。VR技術(shù)的相關(guān)技術(shù)包括計算機(jī)圖形學(xué)圖像處理與模式識別智能接口技術(shù)人工智能技術(shù)多傳感器技術(shù)多媒體技術(shù)（語音處理與音響技術(shù)）計算機(jī)仿真技術(shù)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)并行處理技術(shù)高性能計算機(jī)系統(tǒng)圖14-2虛擬現(xiàn)實的組成1－交互作用Interaction2－視覺VisualPerception3－聽覺AcousticPerception4－觸覺TactilePerception5－嗅覺OlfactoryPerceptionDate814章虛擬設(shè)計14.1.2虛擬現(xiàn)實的功能與特征(1)虛擬現(xiàn)實的功能1)給用戶制造一個三維現(xiàn)實世界的感覺。2)使用戶能夠與界面中的環(huán)境交互，并能在其中動作，使用戶能直接和界面上的圖形實時地交互。用戶作為界面中的主人在虛擬世界中遨游。3)用戶能從任意的觀察點來觀察他所想看到的物體，改變物體的位置和方向，控制物體的行為和外形，對界面中的物體進(jìn)行評價而不需要預(yù)先編程。虛擬現(xiàn)實是要達(dá)到增強(qiáng)現(xiàn)實的目的，即用虛擬物體來豐富、增強(qiáng)真實的環(huán)境，而不是用它來代替真實的環(huán)境。

Date914章虛擬設(shè)計14.1.2虛擬現(xiàn)實的功能與特征（2）虛擬現(xiàn)實的3個基本特征Immersion沉浸：

在虛擬環(huán)境中，操作者應(yīng)能很好地感覺各種不同的刺激Interaction交互：

操作者能對虛擬環(huán)境中的對象進(jìn)行操作，并能感覺操作的結(jié)果Imagination想象：

操作者能感到虛擬環(huán)境中的對象是自主的、可操作的，對象的行為符合物理規(guī)律圖14-3虛擬現(xiàn)實的3個IDate1014章虛擬設(shè)計14.1.3虛擬環(huán)境虛擬環(huán)境VirtualEnvironment是體現(xiàn)了虛擬現(xiàn)實所具備的功能的一種計算機(jī)環(huán)境圖14-4中采用的設(shè)備：①顯示器：頭盔或立體眼鏡和屏幕，顯示出虛擬環(huán)境的影像；②6自由度跟蹤器，包括信息手套，信息接收器，聲音識別裝置等。軟件有：圖形處理器，聲音處理器等。圖14-4虛擬環(huán)境的組成Date1114章虛擬設(shè)計14.1.3虛擬環(huán)境虛擬環(huán)境必備的三個條件：1)和用戶交互。用戶可以用各種方法和虛擬環(huán)境交互，如手的姿勢、頭部的動作或身體其他部位的動作，通過傳感器、跟蹤器及接收器和虛擬環(huán)境中的顯示裝置交互?？梢杂寐曇艚换ィ部梢杂|摸交互。2)實時反映所交互的影像。顯幀率(Framerate)最好是25幀/s，最少是10幀/s。每幀安排1300~5000個多面體。3)用戶有自主性。用戶作為環(huán)境中的一分子，有感覺地參與到虛擬環(huán)境中去，要達(dá)到這個目的，首先要具備1)、2)兩個條件。用戶的感受是沉浸在虛擬環(huán)境之中。在虛擬環(huán)境中，可以使用戶形成一種直覺的感受。例如，用戶可以在汽車中來分析和考察駕駛室內(nèi)各種配置及其功能。可以在一個車間內(nèi)來回走動，考查仿真加工的效果。Date1214章虛擬設(shè)計14.1.4虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的類型與結(jié)構(gòu)根據(jù)用戶參與的形式及沉浸的程度不同，VRS可劃分為4類。1）分布式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)。它是可供多用戶同時異地參與的、基于網(wǎng)絡(luò)的、分布式虛擬環(huán)境。2）增強(qiáng)現(xiàn)實性的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)。它不僅利用VR技術(shù)來模擬現(xiàn)實世界，而且利用它增強(qiáng)現(xiàn)實中無法或不方便感知的感受。典型的實例是戰(zhàn)斗機(jī)飛行員的平視顯示器。3）沉浸的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)。提供完全沉浸的功能，使用戶有一種置身于虛擬境界之中的感覺。4）桌面虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)。它利用個人計算機(jī)和低檔工作站進(jìn)行仿真，將計算機(jī)的屏幕作為用戶觀察虛擬境界的一個窗口，通過各種輸入設(shè)備實現(xiàn)與虛擬現(xiàn)實世界的充分交互。Date1314章虛擬設(shè)計14.1.4虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的類型與結(jié)構(gòu)目前，分布式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的研究基于兩類網(wǎng)絡(luò)平臺。①在Internet上，這可追溯到早期基于文本的多參與者游戲MUD，還有基于虛擬現(xiàn)實建模語言(VRML)標(biāo)準(zhǔn)的遠(yuǎn)程虛擬購物等。VRML是一種可以發(fā)布3D網(wǎng)頁的跨平臺語言，可提供—種更自然的體驗方式，包括交互性、動態(tài)效果、延續(xù)性，以及用戶參與探索。②在高速專用網(wǎng)上，如采用異步傳輸模式(ATM)技術(shù)的美國軍方的國防仿真互聯(lián)網(wǎng)。最早的是1983年美國陸軍制定的虛擬環(huán)境研究計劃，進(jìn)行各種復(fù)雜任務(wù)的作戰(zhàn)演練。從1994年開始，美國陸車與美國大西洋司令部聯(lián)合開展了戰(zhàn)爭綜合演練場的研究，建成了—個包括海陸空多兵種、有3700多個仿真實體參與的地域范圍覆蓋500km×750km的軍事演練環(huán)境。Date1414章虛擬設(shè)計14.1.4虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的類型與結(jié)構(gòu)常見的沉浸式系統(tǒng)有3種：①基于頭盔式顯示器的系統(tǒng)。在這種系統(tǒng)中，參與虛擬體驗者要戴上一個頭盔式顯示器，視覺、聽覺與外界限絕，根據(jù)應(yīng)用的不同，系統(tǒng)將提供能隨頭部轉(zhuǎn)動而隨之產(chǎn)生的具有立體視覺的三維空間。通過語音識別、數(shù)據(jù)手套、數(shù)據(jù)服裝等先進(jìn)的接口設(shè)備，使參與者以自然的方式與虛擬世界進(jìn)行交互，如同現(xiàn)實世界一樣。圖14-1基于頭盔式顯示器的系統(tǒng)Date1514章虛擬設(shè)計14.1.4虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的類型與結(jié)構(gòu)常見的沉浸式系統(tǒng)有3種②投影式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)圖，攝像機(jī)，計算機(jī)，視頻投影儀，屏幕它可以讓參與者從一個屏幕上看到他本身在虛擬境界中的形象。參與者還可以與虛擬空間進(jìn)行實時交互，計算機(jī)可識別參與者的動作，并根據(jù)用戶的動作改變虛擬空間。如，來回拍一個虛擬的球或走動等，這可使得參與者感覺就像是在真實空間一樣。圖14-5投影式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)Date1614章虛擬設(shè)計14.1.4虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的類型與結(jié)構(gòu)常見的沉浸式系統(tǒng)有3種：③遠(yuǎn)程存在系統(tǒng)。遠(yuǎn)程存在系統(tǒng)是一種虛擬現(xiàn)實與機(jī)器人控制技術(shù)相結(jié)合的系統(tǒng)。當(dāng)某處的參與者操縱一個虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)時，其結(jié)果卻在另一個地方發(fā)生，參與者通過分體顯示器獲得深度感，顯示器與遠(yuǎn)地的攝像機(jī)相連；通過運(yùn)動跟蹤與反饋裝置跟蹤操作者的運(yùn)動，反饋遠(yuǎn)地的運(yùn)動過程（如阻尼、碰撞等)，并把動作傳送到遠(yuǎn)地完成。Date1714章虛擬設(shè)計14.1.4虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的類型與結(jié)構(gòu)虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)虛擬手部控制器圖14-6虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的一種結(jié)構(gòu)Date1814章虛擬設(shè)計14.2虛擬設(shè)計的概念與技術(shù)體系14.2.1虛擬設(shè)計14.2.2虛擬制造14.2.3虛擬原型14.2.4虛擬設(shè)計與其他概念之間的關(guān)系14.2.5虛擬設(shè)計技術(shù)體系Date1914章虛擬設(shè)計14.2.1虛擬設(shè)計虛擬設(shè)計VirtualDesign，VD是指設(shè)計者在虛擬環(huán)境中進(jìn)行設(shè)計。主要表現(xiàn)在設(shè)計者可以用不同的交互手段在虛擬環(huán)境中對參數(shù)化的模型進(jìn)行修改。虛擬不等于虛幻、虛無，而是“本質(zhì)”的意思，是指通過數(shù)字化手段對物質(zhì)世界的真實表現(xiàn)，亦即對真實世界的動態(tài)模擬。設(shè)計則泛指圍繞產(chǎn)品全生命周期的整個設(shè)計活動過程。虛擬設(shè)計是虛擬現(xiàn)實技術(shù)在產(chǎn)品設(shè)計中的應(yīng)用或?qū)崿F(xiàn)。

圖14-7汽車的虛擬設(shè)計Date2014章虛擬設(shè)計14.2.2虛擬制造VD和虛擬制造(VirtualManufacture，VM)既有聯(lián)系又有區(qū)別VM是指利用計算機(jī)模型和仿真來實現(xiàn)產(chǎn)品的制造。從某種意義上說，VD是VM的重要組成部分。根據(jù)目前VM研究中不同的側(cè)重點，可將VM歸納成3類1)以設(shè)計為中心的虛擬制造。這就是虛擬設(shè)計。它將制造信息加入到產(chǎn)品設(shè)計與工藝設(shè)計過程中,并且在計算機(jī)中進(jìn)行數(shù)字化的“制造”。其主要目的是盡早發(fā)現(xiàn)設(shè)計中潛在的問題。2)以生產(chǎn)為中心的虛擬制造。將仿真能力加入到生產(chǎn)計劃模型中．其目的是方便和快捷地評價多種生產(chǎn)計劃，優(yōu)化制造環(huán)境的配置和生產(chǎn)的供給計劃。3)以控制為中心的虛擬制造。將仿真能力增加到設(shè)備控制模型中，提供對實際生產(chǎn)過程仿真的環(huán)境。其目的是優(yōu)化制造過程，改進(jìn)制造系統(tǒng)。Date2114章虛擬設(shè)計14.2.3虛擬原型虛擬原型(VirtualPrototype)也叫虛擬產(chǎn)品(VirtualProduct)、虛擬樣機(jī)VP是虛擬環(huán)境中的產(chǎn)品模型，是基于知識的產(chǎn)品模型,是現(xiàn)實世界中的產(chǎn)品模型在虛擬環(huán)境中的映像。虛擬原型的核心是機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)仿真技術(shù)，同時還包括：三維CAD建模技術(shù)、有限元分析技術(shù)、機(jī)電液控制技術(shù)、最優(yōu)化技術(shù)等相關(guān)技術(shù)。Date2214章虛擬設(shè)計14.2.3虛擬原型虛擬原型的特點：1）是數(shù)字化定義的產(chǎn)品模型。圖14-8

2)應(yīng)該具有其物理原型的形體和表現(xiàn)，可以在計算機(jī)上逼真展示產(chǎn)品性能。幾何外形信息是全面和完整的；產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)信息是詳盡的。3)應(yīng)該能以自然方式被人感受虛擬原型的發(fā)展將增強(qiáng)虛擬設(shè)計的能力，虛擬設(shè)計為虛擬原型提供了應(yīng)用環(huán)境。圖14-8渲染幾何體的細(xì)部Date2314章虛擬設(shè)計14.2.4虛擬設(shè)計與其他概念之間的關(guān)系(1)虛擬設(shè)計與仿真。虛擬設(shè)計依靠仿真技術(shù)來模擬設(shè)計、裝配和生產(chǎn)過程，使設(shè)計者可以在計算機(jī)中“制造”產(chǎn)品。仿真是虛擬設(shè)計的基礎(chǔ)，而虛擬設(shè)計是仿真的擴(kuò)展。傳統(tǒng)意義上的仿真一般不強(qiáng)調(diào)實時性，用戶基本上是“旁觀者”，沒有“身臨其境”的感覺。在虛擬設(shè)計中，模型往往是動態(tài)的。用戶看到的景象會隨視點的變化即時改變、可以和場景中物體進(jìn)行交互、讓感官接收到在真實情況中才能接收到的信息，增加了現(xiàn)場的沉浸感．使人“身臨其境”。Date2414章虛擬設(shè)計14.2.4虛擬設(shè)計與其他概念之間的關(guān)系(2)虛擬設(shè)計與計算機(jī)圖形學(xué)。虛擬設(shè)計依靠計算機(jī)圖形學(xué)來建立計算機(jī)內(nèi)的數(shù)字化模型，這種模型可以表達(dá)三維的立體數(shù)據(jù)，還可以像真實物品一樣可視、可運(yùn)動。從人機(jī)交互的自然程度來看，虛擬設(shè)計要遠(yuǎn)勝于在計算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)上建立的CAD系統(tǒng)，而且虛擬設(shè)計更強(qiáng)調(diào)用戶感知方式的多樣性，可使用戶更“直接”地感知模型的物理特性。CAD模型往往是提供給專業(yè)人員使用，而虛擬設(shè)計更支持不同技術(shù)背景，甚至非專業(yè)人員進(jìn)行評價與討論。從基礎(chǔ)技術(shù)上看，計算機(jī)圖形學(xué)又是虛擬設(shè)計的基礎(chǔ)，虛擬設(shè)計采用的虛擬現(xiàn)實技術(shù)，大量采用計算機(jī)圖形技術(shù)來渲染場景，增加場景真實性。Date2514章虛擬設(shè)計14.2.4虛擬設(shè)計與其他概念之間的關(guān)系(3)虛擬設(shè)計與可視化?？梢暬且环N計算機(jī)方法，它將信號轉(zhuǎn)換成圖形或圖像，使研究者能觀察他們的模擬與計算，以豐富科學(xué)發(fā)現(xiàn)的過程。按模擬執(zhí)行與結(jié)果圖像的結(jié)合程度，可視化研究分為3個層次：后置處理：圖形顯示是在數(shù)據(jù)計算后產(chǎn)生的，與數(shù)據(jù)源之間沒有交互，其優(yōu)點是結(jié)果圖像可方便地重復(fù)顯示，如計算流體力學(xué)、有限元計算結(jié)果的后置處理跟蹤：圖形顯示與計算過程同時進(jìn)行，特點：①是計算中間結(jié)果及最后結(jié)果都能及時顯示，因而對計算中的錯誤可以及早發(fā)現(xiàn)，必要時可以停止執(zhí)行，②圖像直接從數(shù)據(jù)中產(chǎn)生，甚至數(shù)據(jù)無須寫入存儲介質(zhì)中?？刂疲涸谟嬎氵^程中對參數(shù)進(jìn)行修改，對數(shù)值模擬進(jìn)行直接控制和引導(dǎo)。當(dāng)可視化達(dá)到控制層次時，應(yīng)可納入VR的范疇，

可視化主要強(qiáng)調(diào)了“視覺”通道的人機(jī)界面。虛擬設(shè)計為了揭露虛擬原型的本質(zhì)——功能、性能，

可視化技術(shù)是其關(guān)鍵的支撐技術(shù)。Date2614章虛擬設(shè)計14.2.4虛擬設(shè)計與其他概念之間的關(guān)系(4)虛擬設(shè)計與多媒體技術(shù)。多媒體技術(shù)中的“媒體”Multimedia一詞，其含義是信息的載體，如圖形、文字、聲音、圖像等。計算機(jī)中的信息通過這些媒體來表達(dá)。如果媒體攜帶的信息種類僅有一種，則此媒體稱單媒體如果媒體攜帶的信息是文、圖和聲的綜合，則稱多媒體多媒體技術(shù)就是以計算機(jī)為核心的集圖、文、聲、像處理技術(shù)于—體的綜合性處理技術(shù)。多媒體技術(shù)雖然強(qiáng)調(diào)了多種信息“通道”，但主要還是提供視覺與聽覺，感知范圍沒有虛擬設(shè)計中關(guān)鍵技術(shù)VR廣，虛擬設(shè)計還包括了觸覺、力覺等感知。一般說來，多媒體技術(shù)不強(qiáng)調(diào)人機(jī)交互性，如可視場景不隨用戶視點而變，因此，它提供的真實感不同于VR的存在感。Date2714章虛擬設(shè)計14.2.4虛擬設(shè)計與其他概念之間的關(guān)系(5)虛擬設(shè)計與虛擬企業(yè)。VirtualEnterprise虛擬企業(yè)是敏捷制造的動態(tài)組織形態(tài)。它是指為了贏得某—市場機(jī)遇，圍繞某種新產(chǎn)品開發(fā)，通過選用不同組織或公司的優(yōu)勢資源，綜合成單一的靠網(wǎng)絡(luò)通信聯(lián)系的階段性經(jīng)營實體，也稱動態(tài)聯(lián)盟。動態(tài)聯(lián)盟具有集成性和實效性兩大特點，它實質(zhì)上是不同組織或企業(yè)間的動態(tài)集成，隨市場機(jī)遇的存亡而聚散。在虛擬企業(yè)中的伙伴能共享受生產(chǎn)、工藝和產(chǎn)品的信息，這些信息以數(shù)據(jù)的形式表示，能夠分布到不同的計算環(huán)境中。虛擬企業(yè)和虛擬設(shè)計沒有很強(qiáng)的相互依賴關(guān)系。虛擬企業(yè)強(qiáng)調(diào)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下快速和敏捷的生產(chǎn)經(jīng)營組織和管理。虛擬設(shè)計的重點是仿真產(chǎn)品的生命周期中的各個活動。Date2814章虛擬設(shè)計VD與7個概念的辨別虛擬設(shè)計VD的概念與相關(guān)的7個概念有相對獨立性。虛擬制造是指利用計算機(jī)模型和仿真來實現(xiàn)產(chǎn)品的制造。

以設(shè)計為中心的虛擬制造就是VD。虛擬原型增強(qiáng)VD的能力，VD為虛擬原型提供了應(yīng)用環(huán)境。仿真不強(qiáng)調(diào)實時性。仿真是VD的基礎(chǔ)，而VD是仿真的擴(kuò)展。計算機(jī)圖形學(xué)是建立CAD系統(tǒng)的基礎(chǔ)。

VD依靠計算機(jī)圖形學(xué)來建立計算機(jī)內(nèi)的數(shù)字化模型?？梢暬_(dá)到控制層次，就進(jìn)入VD的范疇，

可視化技術(shù)是VD關(guān)鍵的支撐技術(shù)。多媒體技術(shù)一般不強(qiáng)調(diào)人機(jī)交互。它主要是提供視覺與聽覺，VD包括了觸覺、力覺等感知。虛擬企業(yè)強(qiáng)調(diào)環(huán)境下快速和敏捷的生產(chǎn)經(jīng)營組織和管理。

VD的重點是仿真產(chǎn)品的生命周期中的各個活動?！顳ate2914章虛擬設(shè)計14.2.5虛擬設(shè)計技術(shù)體系虛擬設(shè)計的“三要素”是：產(chǎn)品定義數(shù)據(jù)、環(huán)境定義數(shù)據(jù)、產(chǎn)品與環(huán)境的交互作用規(guī)律。虛擬設(shè)計意味著用數(shù)字模型代替物理原型來進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計中的分析與評價。它以產(chǎn)品的CAD模型為基礎(chǔ)，應(yīng)用不同的分析方法可以檢驗并改進(jìn)設(shè)計結(jié)果。CAE系統(tǒng)，如有限元方法(FEM)動力學(xué)和運(yùn)動學(xué)仿真可以提供有關(guān)產(chǎn)品性能的詳細(xì)信息。虛擬設(shè)計將動畫和虛擬現(xiàn)實技術(shù)與建模和仿真方法結(jié)合，為產(chǎn)品開發(fā)提供了新的可能方法，使不同的設(shè)計方案可以進(jìn)行快速評價。與物理原型相比，虛擬原型生成快，能直接操作和修改，數(shù)據(jù)是可重用的。應(yīng)用虛擬設(shè)計技術(shù)可以大大減少對真實原型的需求數(shù)量，并加快產(chǎn)品和工藝開發(fā)。這意味著極大地減少開發(fā)費(fèi)用。Date3014章虛擬設(shè)計14.2.5虛擬設(shè)計技術(shù)體系圖14-9虛擬環(huán)境下的產(chǎn)品開發(fā)從概念設(shè)計、詳細(xì)設(shè)計、數(shù)字原型支持下的各種性能分析和仿真、以及虛擬原型支持下的各種性能分析，在各種技術(shù)的支撐下，實現(xiàn)產(chǎn)品開發(fā)的各個階段在計算機(jī)上的虛擬化。圖14-9虛擬設(shè)計技術(shù)的體系框圖概念設(shè)計用戶需求系統(tǒng)功能分功能系統(tǒng)綜合初模型詳細(xì)設(shè)計功能設(shè)計結(jié)構(gòu)設(shè)計性能設(shè)計數(shù)字原型有限元分析性能分析運(yùn)動學(xué)仿真試驗動力學(xué)仿真試驗虛擬原型…可制造性分析人因工程分析可維修性分析可裝配性分析虛擬試驗與測試產(chǎn)品開發(fā)產(chǎn)品生命周期管理技術(shù)集成技術(shù)支撐技術(shù)優(yōu)化技術(shù)可視化技術(shù)虛擬現(xiàn)實技術(shù)仿真技術(shù)建模技術(shù)評價方法數(shù)據(jù)庫技術(shù)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)人因工程學(xué)Date3114章虛擬設(shè)計14.3虛擬設(shè)計系統(tǒng)的功能與結(jié)構(gòu)14.3.1需要傳送數(shù)據(jù)的VDS14.3.2不需要傳送數(shù)據(jù)的VDS14.3.3虛擬設(shè)計系統(tǒng)的特點Date3214章虛擬設(shè)計14.3.1需要傳送數(shù)據(jù)的VDS虛擬設(shè)計系統(tǒng)(VDS)：基于VR技術(shù)的CAD系統(tǒng)。一個VDS要具備3個功能：1)3D用戶界面。設(shè)計者用手勢、聲音、球標(biāo)等多種方式進(jìn)行交互。2)選擇參數(shù)。設(shè)計者用各種交互方式選擇或激活一個在虛擬環(huán)境中的數(shù)據(jù)修改原來的數(shù)據(jù)。參數(shù)修改后，在虛擬環(huán)境中的模型變成新模型。3)數(shù)據(jù)傳送機(jī)制。模型修改后所生成的數(shù)據(jù)要傳送到CAD/CAM系統(tǒng)，在虛擬環(huán)境中所修改的模型有時還要返回到CAD/CAM系B/S統(tǒng)中進(jìn)行精確整理和再輸出圖形。這是雙向數(shù)據(jù)傳送機(jī)制。Date3314章虛擬設(shè)計14.3.1需要傳送數(shù)據(jù)的VDS圖中下方的方框中比較成熟的部分。VR部分由數(shù)據(jù)源、數(shù)據(jù)接口、核心層、VR應(yīng)用層、C/S層或者B/S層組成，通過網(wǎng)絡(luò)與客戶取得聯(lián)系；開展協(xié)同工作。圖14-10虛擬設(shè)計系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)Client/Server層虛擬現(xiàn)實應(yīng)用層核心層Date3414章虛擬設(shè)計14.3.1需要傳送數(shù)據(jù)的VDS根據(jù)是否需要傳送數(shù)據(jù)，可以將VDS分為兩種：1）需要傳送數(shù)據(jù)的VDS，

它包含一個獨立的CAD/CAM系統(tǒng)，為虛擬環(huán)境提供建造模型的功能。2）不必有數(shù)據(jù)傳送的VDS，

在虛擬環(huán)境中建造模型，稱為VR-CAD系統(tǒng)。Date3514章虛擬設(shè)計14.3.1需要傳送數(shù)據(jù)的VDS圖14-11VEDAM-虛擬設(shè)計、裝配和制造系統(tǒng)主界面用戶數(shù)據(jù)集成器參數(shù)化CAD/CAM系統(tǒng)VDEVAEVMEMMEVEDAMDate3614章虛擬設(shè)計14.3.1需要傳送數(shù)據(jù)的VDS圖14-11一個設(shè)計、裝配和制造虛擬環(huán)境系統(tǒng)（VEDAM）的基本原理。VAE是虛擬裝配環(huán)境，VME是虛擬制造環(huán)境，VDE是虛擬設(shè)計環(huán)境。在本系統(tǒng)中，VDE、VAE和VME可獨立使用。參數(shù)化CAD/CAM系統(tǒng)可以Pro/Engineer，或AutoCAD等。1）MME。它是用戶用“參數(shù)化CAD/CAM系統(tǒng)”建造產(chǎn)品模型后的儲存處。它是VEDAM系統(tǒng)中唯一的一個不在沉浸環(huán)境中的模塊。2）主界面。它是用戶和虛擬環(huán)境交互的主要界面，它可以是頭盔中的顯示器，也可以是計算機(jī)屏幕、大投影屏幕。3）數(shù)據(jù)集成器。它是“模型管理器”的一部分，負(fù)責(zé)在虛擬環(huán)境和CAD/CAM系統(tǒng)之間的雙向傳送數(shù)據(jù)的任務(wù)。4）VEDAM的軟件配置。①C++，用于寫所有的對象類程序；②Performer2.0，生成圖形；③Pro/Engineer，生成三維圖形。圖14-11VEDAM-虛擬設(shè)計、裝配和制造系統(tǒng)主界面用戶數(shù)據(jù)集成器參數(shù)化CAD/CAM系統(tǒng)VDEVAEVMEMMEVEDAMDate3714章虛擬設(shè)計14.3.1需要傳送數(shù)據(jù)的VDS(2)需要傳送數(shù)據(jù)的VDS的組成該系統(tǒng)中有兩大分支：①用于建立虛擬環(huán)境主界面的對象類；②用于開發(fā)虛擬環(huán)境中的軟件工具的對象類。每個分支所包含的對象類及其相互關(guān)系，圖14-12。該圖只表示各對象類之間的主要關(guān)系，有些對象類，如幾何類、參數(shù)類和兩大分支都有關(guān)系。對象類之間的錯綜關(guān)系在編制軟件時先編制一個相互關(guān)系的流程圖。Date3814章虛擬設(shè)計14.3.1需要傳送數(shù)據(jù)的VDS圖14-12需要傳送數(shù)據(jù)的虛擬設(shè)計系統(tǒng)的組成Date3914章虛擬設(shè)計14.3.1需要傳送數(shù)據(jù)的VDS（3）需要傳送數(shù)據(jù)的VDS的開發(fā)步驟1)確定一個設(shè)計的產(chǎn)品；2)選定一個和虛擬環(huán)境協(xié)同工作的CAD/CAM系統(tǒng)，了解其數(shù)據(jù)表達(dá)和傳送的機(jī)制，并用它來建造所要設(shè)計產(chǎn)品的零件和部件的三維模型；3)確定一個需要建立的虛擬環(huán)境，明確其功能、規(guī)模和使用的硬件設(shè)備、工具軟件、編程語言及數(shù)據(jù)表達(dá)；4)確定CAD／CAM系統(tǒng)和所要建立的虛擬環(huán)境之間的數(shù)據(jù)交換方式；5)建立各對象類的模塊，明確各模塊之間的關(guān)系，集成起來，進(jìn)行調(diào)試。測試雙向數(shù)據(jù)交換的效果和考核整體效果。Date4014章虛擬設(shè)計14.3.2不需要傳送數(shù)據(jù)的VDSVR-CAD最主要的特點是用戶直接在3D虛擬環(huán)境中造型?；谶@個特點，VR-CAD系統(tǒng)的組成和建造方法可歸納如下：1)建立一個基本體系庫，包括：長方體、圓柱體、球體、圓環(huán)體等，選擇一個在虛擬環(huán)境中建模工具軟件，如WKTTM。2)確定在虛擬環(huán)境中基本體素之間的交互方法。選擇合適的硬件來完成交互操作，例如用手勢控制、聲音控制。3)確定用基本體素完成機(jī)械零部件造型以后所要求的精度。對精度要求不高的場所，如概念設(shè)計階段，可采用一般的碰撞檢查方法；對精度要求高的場所，如需要完成零部件的詳細(xì)設(shè)計，可采用基于約束的方法或許用運(yùn)動法等達(dá)到一定的裝配精度。4)建造一個交互界面，觀察造型過程及結(jié)果，選用不同的圖形顯示裝置，例如選用PC及立體眼鏡。

Date4114章虛擬設(shè)計14.3.3虛擬設(shè)計系統(tǒng)的特點VDS一般應(yīng)具有兩個基本模式：漫游模式和造型模式。在漫游模式下，用戶可以在設(shè)計空間中，依靠手、眼的運(yùn)動和語音命令的導(dǎo)航來查看已經(jīng)生成的幾何形體，系統(tǒng)為用戶提供實時三維圖象、聲音和觸覺反饋。在造型模式下，用戶可以通過手、眼的運(yùn)動和語音命令來創(chuàng)建和修改幾何形體．系統(tǒng)也為用戶提供視覺、聽覺和觸覺的反饋。設(shè)計人員在產(chǎn)品設(shè)計中可在兩種模式間方便地切換。用以定義用戶行為的結(jié)點網(wǎng)絡(luò)是建立界面結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，用戶的每一個行為都用網(wǎng)絡(luò)的一個結(jié)點來表示，由于一個行為的前后又有可供選擇的行為，因此這個網(wǎng)絡(luò)就形成了一個代表這個關(guān)系的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。Date4214章虛擬設(shè)計14.3.3虛擬設(shè)計系統(tǒng)的特點初步的分析認(rèn)為與漫游模式和造型模式關(guān)系最密切的結(jié)點有l(wèi)0個(也就是一種行為)，圖14-14。設(shè)計人員可以在這些結(jié)點間自由切換并通過語音命令來創(chuàng)建形體。例如，生成形體的行為(結(jié)點②)可以后續(xù)尺寸定義(結(jié)點④)和定位(結(jié)點⑤)等行為。

圖14-14虛擬設(shè)計系統(tǒng)的特點Date4314章虛擬設(shè)計14.4虛擬設(shè)計系統(tǒng)的硬件配置14.4.1虛擬環(huán)境生成器14.4.2外圍部分Date4414章虛擬設(shè)計14.4.1虛擬環(huán)境生成器（1）功能與結(jié)構(gòu)虛擬環(huán)境生成器的功能是根據(jù)任務(wù)的性質(zhì)和用戶的要求在工具軟件和數(shù)據(jù)庫的支持下產(chǎn)生任務(wù)所需的、多維的、宜人化的情景和實例。它由計算機(jī)的基本軟硬件、軟件開發(fā)工具和其他配件（如聲卡、圖形卡等）組成，實際上就是一個包括各種數(shù)據(jù)庫的高性能圖形的計算機(jī)系統(tǒng)。數(shù)據(jù)庫包含著對虛擬對象的描述，以及對象運(yùn)動、行為、碰撞等性質(zhì)的描述。它可能包括多臺計算機(jī)，這些計算機(jī)協(xié)調(diào)作業(yè)完成圖像的實時顯示以及處理其他各種數(shù)據(jù)。這個部分還包含著三維聲音處理器、計算機(jī)仿真模擬管理器和應(yīng)用系統(tǒng)等。Date4514章虛擬設(shè)計14.4.1虛擬環(huán)境生成器幾何造型系統(tǒng)是VDS的關(guān)鍵。它提供描述虛擬物體外形、顏色、位置等的各種信息。圖14-14是一個采用了兩塊圖形加速卡的基本PC機(jī)的虛擬環(huán)境生成器。圖中的兩塊三維圖形加速卡分擔(dān)了CPU大量的計算任務(wù)，并減少了通過PC總線的通信。圖形命令由CPU以壓縮形式發(fā)送給圖形卡，然后分別對兩眼視圖進(jìn)行成像處理。Date4614章虛擬設(shè)計14.4.1虛擬環(huán)境生成器圖14-14虛擬環(huán)境生成器RGB-NTSC轉(zhuǎn)換頭盔式顯示器三維聲卡三維圖形加速卡位置方向跟蹤三維圖形加速卡RGB-NTSC轉(zhuǎn)換CPUPC總線Date4714章虛擬設(shè)計14.4.1虛擬環(huán)境生成器（2）VDS中的三維立體圖像的顯示原理在現(xiàn)實世界中，人看到各種物體，實際上看到的是物體反射過來的光波。人看到物體的顏色和現(xiàn)狀的同時，也看到了它的深度和運(yùn)動。在用計算機(jī)產(chǎn)生虛擬圖像時，應(yīng)考慮到：人是用兩只眼睛從稍稍不同的觀察點觀察三維景物的，然后大腦將這些稍有不同的觀察點組合成一個立體圖像，這樣人就能感到圖像的深度，這就是人的立體視覺。在虛擬環(huán)境中，人眼并未直接接收來自真實世界的反射光波，而是接收計算機(jī)生成的信號并由VDS顯示設(shè)備轉(zhuǎn)換成可見光的光波。人腦對這種代替光波進(jìn)行解釋，供用戶產(chǎn)生可以看見真實世界的感受。Date4814章虛擬設(shè)計14.4.1虛擬環(huán)境生成器傳統(tǒng)CAD的立體圖形有三種：1）采用線框圖構(gòu)成的三維圖形。這是最基本的圖形，它實際是在二維屏幕展示具有三維效果的圖形。

2）三維實體圖形。它是以各種顏色、圖案、紋理等填充過的圖形，在視覺上具有三維的效果。3）三維立體圖形。它借助于光照、濃淡和明暗技術(shù)，產(chǎn)生了真正的三維立體效果。這三種都是由常見的二維圖解輸入/輸出設(shè)備創(chuàng)建的，都不是VDS中的三維圖形。Date4914章虛擬設(shè)計14.4.1虛擬環(huán)境生成器VDS的三維圖形與一般圖形系統(tǒng)的立體圖形的主要區(qū)別是：在VDS中三維立體圖，以左右眼為視點，分別計算它們的透視投影視圖，然后把這兩幅視圖信息分別送到左右眼顯示器，通常這種立體顯示設(shè)備在兩只眼鏡前面的顯示器是彼此獨立運(yùn)動的，顯示的圖像是根據(jù)對應(yīng)單只眼的視點坐標(biāo)分別計算出來的。當(dāng)左右眼接收到圖像后，再通過大腦把左右眼個別觀察到的兩幅圖像疊加并融合到一起，便產(chǎn)生出一幅具有深度感的三維立體圖像。普通立體圖形的透視圖，只考慮了單個視點，左右眼視線交于屏幕的同一點。它的視覺立體感效果是通過透視、消隱、陰影、紋理等處理而獲得的，其立體感不強(qiáng)，且常依賴于人的經(jīng)驗的想象。Date5014章虛擬設(shè)計14.4.1虛擬環(huán)境生成器VDS中的三維圖像與傳統(tǒng)的計算機(jī)三維圖形在成像技術(shù)上有下列不同：⑴成像速度快。通常應(yīng)在1/10~1/25s產(chǎn)生一幀圖像，而傳統(tǒng)計算機(jī)三維圖形需要幾分鐘甚至幾小時產(chǎn)生一幀圖像。⑵成像質(zhì)量較好。具有較強(qiáng)的真實性。但不同于要求很高的真實感圖像。⑶采用關(guān)有接近人眼視覺深度成像模型。⑷能產(chǎn)生大范圍、復(fù)雜的環(huán)境圖像，包括復(fù)雜的地形、建筑物等，并能清楚地查看物體的細(xì)節(jié)。Date5114章虛擬設(shè)計14.4.2外圍部分交互工具。包括能為用戶提供各種感受的輸出工具，如頭盔式顯示器、立體眼鏡、立體聲音耳機(jī)、觸覺反饋裝置等，以及能測定視線方向、識別手勢和語言等的輸入裝置，如頭部跟蹤器、數(shù)據(jù)手套、數(shù)據(jù)衣和空間跟蹤器等。虛擬環(huán)境生成器聲音系統(tǒng)語音命令觸覺系統(tǒng)手勢及動作視覺系統(tǒng)眼的運(yùn)動三維聲場觸覺反饋三維圖像輸入輸出圖14-15虛擬設(shè)計系統(tǒng)的主要交互方式Date5214章虛擬設(shè)計14.4.2外圍部分1)頭盔式顯示器HMDHead-MountedDisplay也有人稱它是VR眼鏡。它是一種比較高級的視覺顯示裝置。它將圖像直接提供給眼睛，而將所有的無關(guān)視覺信息進(jìn)行過濾。它要配合頭部跟蹤設(shè)備一起使用。跟蹤設(shè)備將用戶頭部的位置及方向告訴計算機(jī)，計算機(jī)就可以調(diào)整用戶所要看到的視景。它一般有兩個液晶顯示器協(xié)調(diào)工作，為用戶實時提供三維立體圖像。圖14-16是早期的一種頭盔式顯示器外形。圖14-16V8TM頭盔的外形（重1kg）Date5314章虛擬設(shè)計14.4.2外圍部分圖14-17表示了該頭盔的機(jī)械調(diào)節(jié)部位。頭盔中裝有廣角電路，還有隨著頭部運(yùn)動的檢測裝置。優(yōu)點：沉浸感強(qiáng)、用戶行走自由等。缺點：用戶頭部有壓迫感，不便于查看和處理現(xiàn)實空間中的事物，液晶顯示器分辯率較低。圖14-17V8TM頭盔的機(jī)械調(diào)節(jié)部位Date5414章虛擬設(shè)計14.4.2外圍部分2）立體眼鏡。它是一副特殊的服鏡，用戶戴在眼睛上能從顯示器上看到立體的圖像。立體眼鏡（圖14-18）的鏡片由液晶快門組成，通電后能實現(xiàn)高速（60Hz）的左右切換，讓用戶左右眼看到的圖像不相同，并融合圖像為單一的場景和景深，從而產(chǎn)生立體感覺。圖14-18立體眼鏡（CrystalEye公司生產(chǎn)）Date5514章虛擬設(shè)計14.4.2外圍部分3）立體聲音耳機(jī)。三維聲音處理包括聲間合成、3D聲音定位和語言識別。三維聲音輸出可以作為一個獨立的反饋通道與視覺反饋并行處理。在三維聲場中，聲音會根據(jù)具體的視覺場景使用戶聽到的聲音好象發(fā)自相應(yīng)的物體，從而使用戶感到虛擬環(huán)境更加真實。Date5614章虛擬設(shè)計14.4.2外圍部分4）觸覺反饋裝置觸覺內(nèi)容十分豐富，包括接觸反饋、力覺反饋和動覺反饋。動覺反饋也可歸屬于力覺反饋

的范圍，它主要向用戶提供沖力和動感。接觸反饋是指系統(tǒng)提供給用戶的有關(guān)物體表面紋理、材質(zhì)、溫度、運(yùn)動阻力等感覺。常見的模擬不同觸覺紋理的方法是，利用電信號或振動來刺激人手的相應(yīng)特征。提供力覺反饋的常見方法是采用操縱桿時通過機(jī)械臂傳遞給用戶對虛擬物體的作用力，如圖14-19所示。力覺反饋裝置一般對力經(jīng)過適當(dāng)縮放，主要應(yīng)用于虛擬雕刻和裝配。圖14-19力覺反饋裝置Date5714章虛擬設(shè)計14.4.2外圍部分5）頭部跟蹤器常用的是電磁式跟蹤器，其原理是發(fā)射器順序生成3個電磁場，3個接收器每周期接收9個場強(qiáng)數(shù)據(jù)。通過分析9個場強(qiáng)數(shù)據(jù)的便可計算出頭部的位置和方向。發(fā)射器和接收器分別置于某一固定位置和用戶的頭盔上。Date5814章虛擬設(shè)計14.4.2外圍部分6）數(shù)據(jù)手套它是最有用的三維輸入工具。它以數(shù)字的形式將手和手指的運(yùn)動傳給計算機(jī)。CyberGlove是CyberCAD虛擬設(shè)計環(huán)境中虛擬技術(shù)一個理想的接口設(shè)備，被廣泛用來創(chuàng)建、終止、定位三維物體。圖14-20。Date5914章虛擬設(shè)計14.4.2外圍部分CyberGlove有22個傳感器，每個手指有三個彎曲傳感器和一個外展肌傳感器。拇指與小手指由一個傳感器相連，手腕處有一個傳感器。它是一種高精度設(shè)備，能夠提供準(zhǔn)確而連續(xù)的輸出。CyberGlove的傳感器輸出僅依賴手指關(guān)節(jié)的角度，而與關(guān)節(jié)的突出無關(guān)。其傳感器輸出和彎曲角度成線性關(guān)系，因此對于關(guān)節(jié)彎曲極點，分辨率不會下降。圖14-20數(shù)據(jù)手套的外形a）5DTDataGlove16c）CyberGloveb）CyberGraspDate6014章虛擬設(shè)計14.4.2外圍部分?jǐn)?shù)據(jù)手套工作原理圖14-21當(dāng)手活動時，數(shù)據(jù)手套對手指的彎曲、張角和手的絕對位置進(jìn)行檢測。由主機(jī)通過25條指令集進(jìn)行控制。數(shù)據(jù)手套以30~60Hz的速率傳送記錄。用同步命令可以使用左、右手套。當(dāng)兩個跟蹤系統(tǒng)被同時使用時，我們就不得不對各自的傳輸器進(jìn)行改進(jìn)。圖14-21數(shù)據(jù)手套的工作原理Date6114章虛擬設(shè)計14.4.2外圍部分7）數(shù)據(jù)衣它是一種利用人體姿勢的計算機(jī)輸入系統(tǒng)。它采用了與數(shù)據(jù)手套相同的光纖彎曲傳感技術(shù)。數(shù)據(jù)手套中測量５個手指的彎曲一般用12根或15根光維導(dǎo)線。數(shù)據(jù)衣要對人體大約50個不同的關(guān)節(jié)進(jìn)行測量。包括膝蓋、手臂、軀干和腳。另外數(shù)據(jù)衣上也使用了4個磁跟蹤器：每只手上一個、頭上一個，另一個裝在衣服的背部。它的確是一種很理想的數(shù)據(jù)輸入工具，但由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、過于笨重以及標(biāo)定困難等問題，目前難以普通采用。Date6214章虛擬設(shè)計14.4.2外圍部分8）空間跟蹤器。

是一種6自由度圖形輸入裝置，名為鳥標(biāo)BirdTM

組成：鳥標(biāo)的主體，接收器和一個6-DOF鼠標(biāo)。功能：由于每一個接收器每秒鐘可以測定144個位置和方向，在144Hz下工作，因此當(dāng)它跟蹤用戶的頭或身體其他部位關(guān)節(jié)的動作時，用戶感覺不到任何滯后，滯后率只有10ms。圖14-22鳥標(biāo)Date6314章虛擬設(shè)計14.4.2外圍部分鳥標(biāo)族FlokofBirdsTM組成：由4個鳥標(biāo)主體。還有傳送器、接收器、6-DOF鼠標(biāo)，一個電子箱和功率供應(yīng)器。功能：鳥標(biāo)族可以同時跟蹤30個接受器，可以全面地跟蹤人體的各部分活動。接收器的體積很小(25.4mmx25.4mm×20mm)，重是輕，可以方便地使用。多個接收器同時工作時，可以同時測定各部位的位置和方向，鳥標(biāo)族的實時圖形顯示功能很強(qiáng)。圖14-23鳥標(biāo)族Date6414章虛擬設(shè)計14.4.2外圍部分9）球標(biāo)（SpaceBall）。它的名稱很多，如：三維鼠標(biāo)(3DMouse)，空間鼠標(biāo)(SpaceMouse)，立體鼠標(biāo)（CubicMouse），6自由度鼠標(biāo)(6-DOFMouse)，空間球(SpaceBall)，三維球(3Ball)等，其外形如圖14-24所示。(b)球標(biāo)2003(a)6個自由度的空間鼠標(biāo)(c)球標(biāo)3003(d)球標(biāo)4000圖14-24球標(biāo)的外形Date6514章虛擬設(shè)計14.4.2外圍部分普通的鼠標(biāo)只能感受在平面的運(yùn)動，而立體鼠標(biāo)能夠感受用戶在6個自由度的運(yùn)動，包括3個平移參數(shù)和3個旋轉(zhuǎn)參數(shù)。球標(biāo)2003(SpaceBall2003TM)。在主體座上有一個動力傳感球(PowerSensorBall)和前方的8個功能鍵，并有導(dǎo)線和圖形顯示器相聯(lián)接。球的直徑為61mm，可以察覺用戶手指尖上非常細(xì)微的壓力和扭矩；壓力為0.5—20N，扭矩為15~600N·mm。當(dāng)手指尖上的壓力和扭矩沿x、y、z鈾的方向施加在球上時，計算機(jī)屏幕上的3D圖形便可以在6個自由度的范圍內(nèi)實時地移動和轉(zhuǎn)動，它的功能是：可以單獨使用，如果和另外一個數(shù)字化筆(DigitizerStylus)聯(lián)合使用，效率更高。如果同時采用兩種設(shè)備，球標(biāo)2003控制3D圖形，數(shù)字化筆可以通過菜單及指針來增加功能。用戶可以用他習(xí)慣的手(如右手)握住數(shù)字化筆，而用另一只手(左手)來操作球標(biāo)2003。Date6614章虛擬設(shè)計14.4.2外圍部分球標(biāo)3003(SpaceBall3003TM)。它與球標(biāo)2003比較，用途更加廣泛。它是無繩結(jié)構(gòu)，不需要導(dǎo)線和計算機(jī)相聯(lián)接。使用時，一手執(zhí)球標(biāo)3003，另一手執(zhí)鼠標(biāo)，作指點菜單用。球標(biāo)4000(SpaceBall4000TM)。它是2003及3003型的換代產(chǎn)品。在結(jié)構(gòu)方面，一邊有9個功能鍵，用手指操作；另一邊有3個功能鍵，用大姆指操作。另外還有10個可供編程的軟件功能鍵。4000型的本體上半部可以翻轉(zhuǎn)180°和下半部結(jié)合，以便用戶左、右手使用。球的直徑稍小(56mm)，便于操作。當(dāng)用戶選擇某一種CAD軟件(如Pro/Engineer)后，在計算機(jī)窗口上就可顯示各功能鍵的作用。Date6714章虛擬設(shè)計14.5虛擬設(shè)計的應(yīng)用14.5.1虛擬概念設(shè)計VCDVirtualConceptualDesign14.5.2虛擬裝配設(shè)計VADVirtualAssemblyDesign14.5.3虛擬人因?qū)W設(shè)計VEDVirtualErgonomicsDesign14.5.4虛擬電廠設(shè)計VPPDVirtualPowerPlantDesignDate6814章虛擬設(shè)計14.5.1虛擬概念設(shè)計概念設(shè)計是指對產(chǎn)品或零件的從頭開始的原理方案構(gòu)思，它的目的是為了捕捉產(chǎn)品的基本形狀。產(chǎn)品在該階段，其形狀及精確尺寸尚未定死，設(shè)計人員有一定的變更自由。傳統(tǒng)的CAD系統(tǒng)要求設(shè)計人員在進(jìn)行CAD建模時必須給出產(chǎn)品的具體形狀特性和精確尺寸，這些細(xì)節(jié)在該階段可能沒有必要或者根本無法確定。傳統(tǒng)的CAD系統(tǒng)往往采用一維的鍵盤和二維的鼠標(biāo)作為輸入工具，無法與三維環(huán)境進(jìn)行流暢地交互。1996年美國Wisconsin-Madisou大學(xué)研制出了一個概念虛擬設(shè)計系統(tǒng)COVIRDS（ConceptualVirtualDesignSystem）圖14-25為應(yīng)用場景。該系統(tǒng)克服了CAD建模的上述缺點，該系統(tǒng)包含三項技術(shù)：（1）CAD建模軟件。（2）用戶交互設(shè)計。（3）VR技術(shù)。Date6914章虛擬設(shè)計14.5.1虛擬概念設(shè)計圖14-25利用COVIRDS進(jìn)行虛擬設(shè)計的工作場景Date7014章虛擬設(shè)計14.5.1虛擬概念設(shè)計圖14-26是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。COVIRDS的虛擬環(huán)境生成器相當(dāng)于CAD軟件的應(yīng)用部分。它的外圍部分相當(dāng)于CAD軟件的輸入輸出部分，其適用性大為加強(qiáng)。其應(yīng)用部分需要加工數(shù)據(jù)以確定用戶及其手的位置，要用到碰撞檢測技術(shù)，以判斷手與零件模型之間是否進(jìn)行了交互。輸入部分要有軟件來驅(qū)動三維輸入設(shè)備以取得數(shù)據(jù);

輸出部分若用頭盔式顯示器HMD，需把計算機(jī)的視頻信號轉(zhuǎn)為HMD可接受的信號。Date7114章虛擬設(shè)計14.5.1虛擬概念設(shè)計（1）CAD建模軟件。它提供兩種建模方式：1）參數(shù)建模。它是使用各種參數(shù)來定義設(shè)計對象，用于創(chuàng)建具有標(biāo)準(zhǔn)幾何形體（如圓柱、圓錐、立方體等）的零件。2）自由式建模。它利用雙手的活動勾畫三維表面的草圖，用于創(chuàng)建不能用標(biāo)準(zhǔn)幾何形體描述的零件。（傳統(tǒng)的CAD，自由式建模常采用“制控點”法來定義設(shè)計對象的表面。）Date7214章虛擬設(shè)計14.5.1虛擬概念設(shè)計（2）用戶交互設(shè)計。它為了更好地模擬自然的交互方式，把語音命令和手勢命令配合起來，用以定義零件的形狀尺寸。使用戶可以更直觀地與虛擬建模環(huán)境進(jìn)行交互，完成快速的概念設(shè)計。還消除了鼠標(biāo)、鍵盤等輸入方式對用戶的限制。1）對于無須形狀的精確描繪和尺寸的定義，采用隱含命令方式，即用語音命令定義雙手動作的內(nèi)容，手的位置定義對象的尺寸等參數(shù)。例1設(shè)計者可以在手勢描述的同時發(fā)出語言命令：“這么寬、這么高”（當(dāng)說到“這么”時，設(shè)計者手的位置確定了零件模型的尺寸）。零件的尺寸就這樣以隱含的方式得到了定義。例2需要繪制具有自由表面的零件時，設(shè)計者可以發(fā)出口令：“繪制這樣形狀的零件”，同時通過手的移動來定義零件的形狀。2）對于要精確定義對象的幾何尺寸，可使用顯示命令方式，即僅通過語音命令來確定操作內(nèi)容和參數(shù)定義。例3發(fā)出語言命令：“創(chuàng)建立方體，長10，寬10，高5”，則添加一個立方體例4“放置對象：X=10，Y=10，Z=10”，則可改變對象的位置和方位Date7314章虛擬設(shè)計14.5.1虛擬概念設(shè)計（3）VR技術(shù)。系統(tǒng)還可以為用戶提供三維立體圖像，用戶可在三維空間中對設(shè)計對象進(jìn)行觀察和操作。1）它能夠為用戶提供一個快速檢查、修改設(shè)計的環(huán)境，它提供了基于語音識別和手勢跟蹤的交互式修改模式，設(shè)計者可方便地修改對象的參數(shù)或自由表面的形狀。例5若要為現(xiàn)有的一個對象添加一個孔，設(shè)計者可指著需要打孔的位置并發(fā)出語音命令：“打孔，直徑12，深15”，一個孔就這樣在該位置被創(chuàng)建了。2）在表面修改模式下，設(shè)計者可以對物體的材料類型（選擇塑性的或彈性的），表面特征（為對象表面添加“凸臺”或“過渡曲面”等）進(jìn)行變更；也可利用系統(tǒng)提供的虛擬工具對物體表面進(jìn)行精細(xì)的修改。例6可使用球面工具、圓錐面工具加工出高層的過渡曲面。也可把設(shè)計者的手看作一種虛擬的成型工具，用戶來創(chuàng)建或修改對象類似于陶匠塑造陶器。Date7414章虛擬設(shè)計14.5.2虛擬裝配設(shè)計圖14-26COVIRDS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)三維音響Date7514章虛擬設(shè)計14.5.2虛擬裝配設(shè)計虛擬裝配設(shè)計簡稱虛擬裝配VA。定義：無需產(chǎn)品或支撐過程的物理實現(xiàn)，只需通過分析、實驗?zāi)Ｐ汀⒖梢暬蛿?shù)據(jù)表達(dá)等手段，利用計算機(jī)工具來安排或輔助與裝配有關(guān)的工程決策。對于概念設(shè)計，并行設(shè)計，虛擬裝配都很重要。產(chǎn)品設(shè)計中最常見的、最難發(fā)現(xiàn)的問題就是裝配和維修方面的問題。因為VA可幫設(shè)計者考核產(chǎn)品設(shè)計方案的可裝配性和可維修性，可幫設(shè)計者預(yù)先考核該產(chǎn)品上市的時間的快慢和提高產(chǎn)品的質(zhì)量。利用虛擬裝配技術(shù)獲得裝配信息。先進(jìn)設(shè)計系統(tǒng)可以為特殊的零部件裝配創(chuàng)建一定的“區(qū)域（Zone）”，要同時考慮裝配及維修的需要。這些信息對裝配工藝的選擇具有很大的意義，因此也影響著設(shè)計方案的選擇。Date7614章虛擬設(shè)計14.5.2虛擬裝配設(shè)計虛擬裝配技術(shù)。它包括VR技術(shù)、高級可視化技術(shù)、仿真技術(shù)、決策理論、裝配制造工藝及工具的開發(fā)等。在虛擬裝配研究工作中，作為一個裝配體中各零件之間的相互裝配的交互基礎(chǔ)，有兩類方法：1）基于物理建模法Physically-basedModeling2）基于約束的幾何建模法Constraint-basedGeometricModelingDate7714章虛擬設(shè)計14.5.2虛擬裝配設(shè)計例1虛擬裝配設(shè)計環(huán)境VADE為了探討虛擬裝配設(shè)計的可行性以及虛擬系統(tǒng)與CAD系統(tǒng)的數(shù)據(jù)共享技術(shù)，華盛頓州立大學(xué)開發(fā)研制了一個名為“虛擬裝配設(shè)計環(huán)境”（VirtualAssembleDesignEnvironment），簡稱VADE的虛擬設(shè)計系統(tǒng)。利用該系統(tǒng)，設(shè)計者在設(shè)計工作初期，便可考慮有關(guān)裝拆的問題，以避免這些方面的缺陷，可以獲得裝配軌跡和裝配順序等信息。供變更設(shè)計、培訓(xùn)設(shè)計人員、送入CAPP、生成機(jī)器人工作路徑、輔助設(shè)計電子元件的專用裝配工具等。VADE系統(tǒng)配置見圖14-27。Date7814章虛擬設(shè)計14.5.2虛擬裝配設(shè)計圖14-27VADE系統(tǒng)配置Date7914章虛擬設(shè)計14.5.2虛擬裝配設(shè)計例2研究發(fā)動機(jī)拆裝過程的VDS美國麥道飛機(jī)公司采用了沉浸式的VR系統(tǒng)以幫助新型號發(fā)動機(jī)的設(shè)計。這個VDS首先用來研究發(fā)動機(jī)的拆裝過程，尤其是用來發(fā)現(xiàn)拆裝過程中發(fā)動機(jī)是否可能與其他零件發(fā)生干擾。整個發(fā)動機(jī)的拆裝過程可以在虛擬環(huán)境中進(jìn)行。若要進(jìn)行拆卸，首先打開虛擬的發(fā)動機(jī)艙門，把拖車放到發(fā)動機(jī)的下面，然后用千斤頂將拖車頂?shù)揭欢ǖ母叨取＝酉氯タ墒褂锰摂M工具把固定發(fā)動機(jī)的螺栓松開，再把發(fā)動機(jī)固定在拖車上，降低拖車，把發(fā)動機(jī)移出去進(jìn)行維修或替換。安裝發(fā)動機(jī)的過程與拆卸類似，只是過程相反。當(dāng)發(fā)動機(jī)從飛機(jī)上拆下以后，這個虛擬發(fā)動機(jī)的某些部件還可以再拆。利用VDS，人們可以為特定的零件開發(fā)專用工具，檢查零件拆裝是否方便，零件安裝有關(guān)困難等等。系統(tǒng)實時進(jìn)行碰撞計算，如果發(fā)生了碰撞，那么一定會發(fā)出聲音或放出火光的。若需要詳細(xì)觀察，可進(jìn)行場景凍結(jié)。觀察者可以利用虛擬量具測量兩個對象的間距。用戶可以跟蹤、存儲所有的動作和場景，并可再次播放。Date8014章虛擬設(shè)計14.5.2虛擬裝配設(shè)計Date8114章虛擬設(shè)計14.5.2虛擬裝配設(shè)計例3雙手操作進(jìn)行裝配設(shè)計圖14-28

這是一種在水平式顯示屏幕上作裝配設(shè)計的方法，可以多用戶使用，并用雙手操作，在屏幕上移動虛擬部件進(jìn)行裝配。優(yōu)點：可以使多個用戶在相互討論的情況下同時在水平的屏幕上設(shè)計3D裝配體，直觀而方便地在屏幕上移動多個模型，不需要建模，提高了效率。它免除了戴頭盔操作時一人使用的局限性和令人疲勞的弊病。硬件：水平顯示裝置，數(shù)據(jù)手套，跟蹤傳感