1、第10章虚拟设计 第第10章虚拟设计章虚拟设计 10.1概述概述 10.2虚拟设计系统虚拟设计系统 10.3虚拟原型及其生成虚拟原型及其生成 第10章虚拟设计 10.1概述概述 1虚拟现实虚拟现实1）虚拟现实的定义虚拟现实（VirtualReality，VR）技术又称“灵境”技术，是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机系统。它不仅融合了数字图像处理、计算机图形学、人工智能、多媒体技术、智能接口技术、传感器技术、网络以及并行处理和高性能计算机系统等多个信息技术分支的最新成果，还涉及数学、物理、地理、美学等学科领域。第10章虚拟设计 实际上，虚拟现实就是一种先进的计算机用户接口，它利用计算机生成各种
2、模拟环境（如飞机驾驶舱、操作现场等），并通过各种传感设备，使人能对虚拟场景中的物体进行操作与观察，并使用户沉浸到环境中，实现用户与该环境直接进行自然交互，体验比现实世界更加丰富的感受。所谓模拟环境，就是利用计算机生成的具有表面色彩的立体图形，它可以是某一特定现实世界的真实体现，也可以是纯粹构想的世界。传感设备包括立体头盔、数据手套、数据衣等穿戴于用户身上的装置和设置于现实环境中的传感装置（不直接带在身上）。自然交互是指用日常使用的方式对环境内的物体进行操作（如用手拿东西、行走等）并得到实时反馈。第10章虚拟设计 虚拟现实生成的视觉环境是立体的，音效是立体的，人机交互是和谐友好的，因此虚拟现实技
3、术一改人与计算机之间枯燥、生硬和被动的现状，即计算机创造的环境使人们陶醉在工作之中。虚拟现实可用于构造当前不存在的环境，人类不可能到达的环境和代替耗资巨大的现实环境。虚拟现实的模型为从CAD的几何造型到物理造型，即从考虑几何数据、拓扑关系的模型到考虑包括是否刚体、弹性体、质量、转动惯量和表面光滑程度等物理性质的模型。虚拟现实要达到增强现实的目的，即用虚拟物体来丰富、增强真实的环境，而不是用它来代替真实的环境。虚拟现实的成果是给用户一个将现实世界和计算机中虚拟模型结合起来的工作环境。第10章虚拟设计 2）虚拟现实的特征虚拟现实系统不同于一般的计算机绘图系统，也不同于一般的模拟仿真系统，它不仅能让
4、用户真实地看到一个环境，而且能让用户真正感受到这个环境的存在，并能和该环境进行自然交互。虚拟现实系统具有以下特性：第10章虚拟设计（1）交互性：是指在虚拟环境中，参与者能对虚拟环境中的物体进行操作，并且操作的结果能反过来被参与者准确地、真实地感受到。交互的产生要借助于计算机的输入设备（如键盘、鼠标、头盔显示器、数据手套等），使人能够利用自然技能，如同在真实的环境中一样与虚拟环境的对象发生交互关系。例如，用户可以用手去直接抓取模拟环境中的物体，这时手有握着东西的感觉，并可以感觉物体的重量（其实这时手里并没有实物），视场中被抓的物体也立刻随着手的移动而移动。在系统中用户还可以直接控制对象的各种参数
5、等，而系统也可以向用户反馈信息。第10章虚拟设计（2）沉浸感：又称临场感，是指参与者感到作为主角存在于模拟环境中的真实程度。理想的模拟环境应该达到使用户难以分辨真假的程度（例如，可视场景应随着视点的变化而变化），如实现比现实更理想化的照明和音响效果等。在虚拟环境中，参与者应该能很好地感觉各种不同的刺激，沉浸感的强弱与虚拟表达的详细度、精确度、真实度有密不可分的关系。虚拟现实技术最主要的技术特征就是使参与者具备一种在计算机环境中的沉浸感，即让参与者觉得自己是计算机系统所创建的虚拟环境中的一部分，使人由一般模拟系统中被动的观察者变为主动的参与者，参与者利用他的视觉、触觉和操作寻找数据的重要特性，而
6、不是通过严密的思考来分析数据，而且参与者能全身心地投入到计算机世界，并沉浸于其中。第10章虚拟设计（3）想象：指参与者沉浸在多维信息空间中，依靠自己的感知和认识能力全方位获取知识，发挥主观能动性，寻求解答以形成新的概念的过程。对一般的仿真系统而言，用户所获得的主要是视觉感知，比较成熟的仿真系统有听觉感知；虚拟现实系统提供除了一般计算机技术所具有的视觉感知之外，还有听觉感知、触觉感知、运动感知，甚至还包括味觉感知、嗅觉感知等，即理想的虚拟现实技术应该具有一切人所具有的感知功能，使人们通过多种渠道与客观世界进行交互作用，并沉浸在客观世界中。第10章虚拟设计 2虚拟设计虚拟设计虚拟设计以“虚拟现实”
7、为技术基础。借助这样的设计手段设计人员可以通过多种传感器与多维的信息环境进行自然的交互，实现从定性和定量综合集成环境中得到感性和理性的认识，从而帮助深化概念和萌发新意。虚拟设计技术充分利用了模拟仿真技术，但又不同于一般的模拟仿真技术。虚拟设计系统比现行的CAD系统具有更强的人机交互能力，设计人员可以通过视觉、听觉、触觉及语音、手势等与设计对象在虚拟的环境中进行自然地、直观的交互。从某种意义上讲，虚拟设计技术是虚拟制造技术的重要组成部分，它目标明确，支持技术较成熟，易于启动，这项技术将有助于实现真正意义上的虚拟制造。第10章虚拟设计 1）虚拟设计的特点虚拟设计具有以下特点：（1）虚拟设计继承了虚
8、拟现实技术的所有特点。（2）继承了传统CAD设计的优点，便于利用原有成果。（3）具备仿真技术的可视化特点，便于改进和修正原有设计。（4）支持协同工作和异地设计，利于资源共享和优势互补，从而缩短了产品开发周期。（5）便于利用和补充各种先进技术，保持技术上的领先优势。第10章虚拟设计 2）虚拟设计与传统CAD/CAM系统的区别（1）在讲区别的同时，首先重在继承，尤其是继承原有CAD技术的资源和成果；其次，虚拟设计是以硬件的相对的高投入为代价的。（2）CAD技术往往重在交互，设计阶段可视化程度不高，到原型生产出来后才暴露出问题。（3）CAD技术无法利用除视觉以外的其它感知功能。（4）CAD技术无法进
9、行深层次的设计，如可装配性分析和干涉检验等。第10章虚拟设计 10.2虚拟设计系统虚拟设计系统 1虚拟环境生成系统虚拟环境生成系统虚拟环境生成系统是虚拟设计系统的核心部分，它的功能是根据任务的性质和用户的要求，在工具软件和数据库的支持下产生任务所需的、多维的、适人化的情景和实例。它由计算机的基本软/硬件、软件开发工具和其它配件（如声卡、图形卡等）组成，其实质就是一个包括各种数据库的高性能图形计算机系统。数据库中包含着对虚拟对象的描述以及对对象运动、行为、碰撞等性质的描述。虚拟环境构造程序由一系列子程序构成，主要用于完成对虚拟环境中物体及其运动、行为、碰撞等特性的描述。第10章虚拟设计 图10-
10、1虚拟设计系统结构示意图第10章虚拟设计 虚拟环境生成部分可能包括多台计算机，这些计算机协调作业完成图像的实时显示并处理其它各种数据。这个部分还包含着三维声音处理器、计算机仿真模拟管理器和应用系统等。产生虚拟环境的基本方法有两种：基于图像的方法和基于模型的方法。1）基于图像的方法全景图生成技术是基于图像的方法的关键技术。了解全景图首先要了解视点和视点空间。视点是指用户某一时刻在虚拟场景空间中的观察点。视点空间是指某一视点处用户所观察到的场景。第10章虚拟设计 全景图实际上是空间中一个视点对周围环境的360的全封闭视图。根据全景图允许浏览的空间自由度，全景图可分为柱面全景图和球面全景图。柱面全景
11、图允许用户对场景进行水平空间360环绕浏览，球面全景图允许用户对场景进行经纬360全方位的环绕浏览。全景图生成方法涉及基于图像无缝连接技术和纹理映射技术，其原始资料是利用照相机的平移或旋转得到的部分重叠的序列图像样本。纹理映射技术用于形成封闭的纹理映射空间，如柱面纹理映射空间和球面纹理映射空间。用户可以在柱面全景空间中进行水平360范围内任意视线切换，在球面全景空间中进行经纬360范围内任意视线切换。基于图像的三维重建和虚拟浏览是基于图像的虚拟现实的关键技术。第10章虚拟设计 2）基于模型的方法基于模型的方法又称为基于景物几何的方法，是指以几何实体建立虚拟环境。几何实体可采用计算机图形学技术绘
12、制，也可用已有的建模工具（如AutoCAD、3Dstudio等）建立模型，然后以统一数据格式输出，进行实时渲染。建立虚拟现实模型后，通过加入事件响应，实现移动、旋转、视点变换等操作，从而实现交互式虚拟环境。第10章虚拟设计 基于模型的方法涉及的关键技术如下：（1）三维实体几何建模技术。虚拟环境的建模是虚拟现实技术的核心内容，动态建模则是建模技术的难点。动态建模技术的目的是获取实际环境的三维数据，并根据应用的需要，利用获取的三维数据建立相应的虚拟环境模型。（2）实时渲染技术。实时渲染是实现虚拟环境真实感的关键技术之一。如果实时性不好，则用户在虚拟环境中浏览或操作时，会出现视觉或听觉滞后；如果从一
13、个视点转向另一个视点，或操作虚拟环境中的物体，则需要等待很长的时间，这样用户很难在虚拟环境中获得参与感和沉浸感。第10章虚拟设计（3）碰撞检测、干涉校验及关联运动。为使虚拟环境对事件产生与真实环境相同的反馈，碰撞检测、干涉校验及关联运动是不可缺少的技术。在机械虚拟装配、机械设备虚拟布局等技术中，碰撞检测和干涉校验显得尤为重要。关联运动则反映虚拟环境中物体之间的联动关系。（4）物理属性。物理属性包括实体表面的光滑程度、光学效果、软硬程度、密度、力学特性等。软触觉与力反馈是基于模型的虚拟环境其物理属性的主要实现方法。由于软件瓶颈的限制，虚拟环境的物理属性一直是虚拟现实技术的难点。第10章虚拟设计
14、2交互技术交互技术为了实现人机交互，必须使用特殊的人机接口与外部设备，既要允许用户将信息输入到计算机，也要使计算机能反馈信息给用户。这些交互设备包括：能为用户提供各种感受的输出工具，如头盔式显示器、立体声耳机、触觉装置等，以及能测定视线方向、识别手势和语音等的输入装置，如三维鼠标、数据手套、数据衣等。目前对于虚拟设计系统交互技术的研究集中于三个方面：触觉、视觉和听觉。每一种感觉系统都存在两种模式：输入和输出，所以也可以说在目前的虚拟设计技术中人们重视对六种交互方式的研究：视觉输入、听觉输入、触觉输入、视觉输出、听觉输出和触觉输出。第10章虚拟设计 实践证明，在利用虚拟设计系统进行产品及零件设计
15、时，语音命令和手势命令比视线命令更为有效，视觉反馈比听觉和触觉更为重要，但听觉和触觉对视觉的辅助和补充作用不可忽视，尤其是对于虚拟装配设计。1）视觉输出视觉输出是虚拟设计系统最重要的反馈。立体视觉的显示与普通计算机屏幕显示有所不同，它要求提供大视野和双眼立体显示。虚拟现实技术的发展已为视觉输出提供了多种显示设备，如桌面显示器、光闸眼镜、头盔式显示器等，并且这些设备已很快被引入到虚拟设计系统之中。人们也常根据视觉输出设备的不同对虚拟设计系统进行分类，如采用桌面显示器和光闸眼镜输出的系统称为桌面虚拟设计系统，采用沉浸性好的头盔式显示器或双目全方位显示器的系统称为沉浸式系统等。第10章虚拟设计（1）
16、桌面显示器及光闸眼镜。由计算机分别为左、右眼生成独立的图像，同时或交替地输出到桌面显示器上，用户需要通过光闸眼镜来接收屏幕上显示的图像。眼镜的作用是保证用户的左眼只能看到屏幕上为左眼显示的图像，而右眼只能看到屏幕上为右眼显示的图像，大脑将接收到的左、右眼图像合成立体视觉。这样的显示器置于桌面可多人共享，用户头部压迫感小，易于实现交互；但视角小，无环绕视觉感，用户头部和身体不能自由运动，以始终保持显示器在其视野范围之内。一般要求桌面显示器与光闸眼镜配合使用，并配有头部跟踪装置。第10章虚拟设计（2）头盔式显示器。头盔式显示器亦称虚拟现实眼镜，是一种比较高级的视觉显示装置，它将图像直接提供给眼睛，
17、而将所有的无关视觉信息进行过滤。这种显示器要配合头部跟踪设备一起使用，跟踪设备将用户头部的位置及方向告诉计算机，计算机就可以调整用户所要看到的视景。头盔式显示器一般由两个液晶显示器协调工作，为用户实时提供三维立体图像。头盔中安装有广角光路，同时附有头部运动检测装置，用户走动自由，但约束感很强，另外，液晶显示器分辨率较低。第10章虚拟设计（3）双目全方位显示器。头盔式显示器具有沉浸感强、用户行走方便等很多优点，但也有缺点。第一，它的重量由用户头部负担，对用户有压迫感；第二，当戴上头盔后，若需要查看和处理现实空间中的事物，则不得不将头盔摘下。为了克服上述缺点，人们提出了更为灵活的设计方案，即可移开
18、式显示器，用户可以方便地把显示器置于眼前，并可快速移开。例如，由NASA研制的双目全方位显示器类似于双目望远镜，它把两个独立的CRT显示器捆绑在一起，用户可以用手操作显示器的位置，以观察一个可移动的、宽视角的虚拟空间。该显示器装在一个小盒子里，而小盒子挂在机械支撑上，用户的位置及姿势由跟踪系统测量，精度较高。用户用手操纵，约束感适中，便于“戴上”和“取下”，显示器的分辨率比头盔式显示器有较大提高，跟踪更新速率可达60Hz，而且没有延迟和噪声。第10章虚拟设计（4）洞穴型视觉装置。洞穴式自动虚拟环境系统是一种完全沉浸型系统。该显示器是一个300cm300cm300cm大小的空间。在这个空间内，前
19、、左、右和地板均有向内的投影屏，它最多允许10人完全投入该虚拟境界。其中必有一人作向导，跟踪装置对他的位置进行跟踪，从而控制虚拟环境，而其它的人则是被动观察者，所有的人员都需要佩带光闸眼镜。这种显示系统有利于邀请产品的最终用户参与设计，其视角大，分辨率高，环绕视觉感强。用户只需佩带光闸眼镜即可，约束感小，可多人共享，但需较大的工作空间和复杂的投影系统，造价较高。第10章虚拟设计 2）三维声音处理器三维声音与人们熟悉的立体声是有本质区别的，立体声虽有左右声道之分，但听起来声源总在某个平面之内；而三维声音能使用户感觉到声源恰好处在应该所在的位置，可能在用户的前方、后方，也可能在左方、右方，还可能在
20、上方、下方，即声源可能在围绕用户的球形空间的任何位置。三维声音是由计算机生成的、能由人工设定声源在空间中三维位置的一种声音。三维声音处理器是利用人类定位声音的特点生成三维声音的一套系统。第10章虚拟设计 人类进行声音的定位依据两个要素：两耳的时间差和两耳的强度差。当声源放置在头部的右侧时，由于声源离右耳比离左耳近，因此声音先到达右耳，可以感受到声音到达两耳的时间差。当听者正好在声源传播的路径上时，声音的强度在两耳间变化很大。据此研究人员模拟人耳对声音的反射现象进行三维声音的研究。研究人员位于一个圆顶房子内，在房间内放置特定空间位置的声源，将微小的麦克风放置在研究人员的耳朵内，然后把声源依次打开
21、，并存储麦克风的输出，通过计算麦克风输出的频率响应，便可把声音虚拟地定位在空间的任何位置。第10章虚拟设计 三维声音输出可以作为一个独立的反馈通道与视觉反馈并行处理。在三维声场中，声音会根据具体的视觉场景使用户听到的声音好像发自相应的物体，从而达到增强虚拟场景的真实感受。三维声音系统相当复杂，涉及的基础技术较多。第10章虚拟设计 3）触觉与力反馈系统触觉是皮肤、毛发等与物体接触时产生的感觉。研究发现，在视频显示的基础上加入触觉感知比只使用视频显示的准确率可提高10。在没有视频显示的情况下，触觉感知的作用就更明显，可使准确率提高20。在虚拟环境中，人们若能亲手操作虚拟环境中的物体，并能得到丰富的
22、感觉信息，那么将大大增加虚拟环境的沉浸感和真实感。要使人们得到对虚拟物体的这些感知，一方面要考虑如何定义虚拟物体的质地等物理量，另一方面必须考虑如何将这些物理量转换为人的触觉感知。人的触觉感知形式多样，为研究方便，可以将其分为两类：接触反馈和力量反馈。第10章虚拟设计（1）接触反馈是指人与物体对象接触所得到的全部感觉，是摸觉、压觉、振动觉、刺痛觉等皮肤感觉的统称。常见的模拟不同触觉纹理的方法是利用电信号或振动来刺激人手的相应部位。例如，麻省理工学院的触觉反馈装置砂纸系统利用一个像老鼠似的装置来提供触觉反馈，当装置掠过虚拟物体时，这个“老鼠”的表面会根据虚拟物体表面的不同而发生实时变化。第10章
23、虚拟设计（2）力量反馈是在肌肉、关节和韧带等受到拉伸、压缩或扭曲时而得到的受力感知，它感知的是物体的重量、冲力和运动等。提供力量反馈的常见方法是采用一些机械装置来抵抗用户对虚拟物体的作用力。例如，马里兰大学研制的一种具有力量反馈的手持控制器可用于操纵机械手。当机械手捡起一个物体或推拉东西时，操作者就会感到力和力矩的作用，因此操作者可以知道作用在机械手上的力量大小。第10章虚拟设计 4）跟踪探测常见的跟踪探测设备有以下几种。（1）头部跟踪。在虚拟环境中，一切物体都有自己的坐标位置和姿态，用户也不例外。用户看到的景象是由头的位置和视线的方向决定的，如果用户挪动头的位置或改变注视的方向，那么视景就会
24、跟着改变。在一般的计算机图形技术中，视景的改变是通过鼠标和键盘来实现的，景象的改变与用户的头和眼睛的运动没有必然的联系，这样的视觉系统缺乏沉浸感。在虚拟环境中通过对用户头部跟踪来相应地改变视景，就会增强视觉上的逼真程度。另外，用户不仅可以从双目立体视觉中获得对环境的认识，而且还可以通过头部的运动来观察认识环境，这样便可以得到更多的关于距离远近的信息。跟踪器多种多样，除常用的跟踪器外，还有大范围跟踪器和自跟踪器等。第10章虚拟设计（2）手、手势及人体姿势的跟踪。在用户与计算机的交互中，键盘和鼠标是目前最常用的工具。键盘对文字的输入是极为有效的，但对图形、图像就显得不太好用。鼠标对于二维空间的操作
25、很有效，但对于三维空间却很不方便。在三维空间中，因为物体具有六个自由度，所以很难找到一个比较直接的方法把鼠标的平面运动映射成三维空间中的任意运动。为了实现对三维对象的方便操作，人们研制了各种各样的三维交互工具，如数据手套、三维跟踪球以及数据衣等。第10章虚拟设计 数据手套是最有用的三维输入工具，它看起来简单，制作技术却相当复杂，它由很轻的弹性材料构成，紧贴在手上，该系统包括位置、方向传感器和沿每个手指背部安装的一组光 纤导线，用于检测手和手指的运动，可以将手的运动转化为计算机的输入信号。其工作原理是：当手活动时，数据手套对这些活动进行检测并向计算机送入相应的电信号，而后计算机将这些信号转换为虚
26、拟手的动作，这样虚拟手就可以随着用户手的移动而移动。数据手套可以跟踪手的位置和手势命令，这样的系统有助于对虚拟物体的定位、移动等操作。数据手套的外形如图102所示。第10章虚拟设计 图102数据手套的外形第10章虚拟设计 图103力矩球的外形 第10章虚拟设计 三维跟踪球可看做是由鼠标演变而来的数据输入工具，与它相似的三维跟踪设备还有力矩球、操纵杆、操纵棒和其它三维探测器等。三维跟踪球是一个像台球的东西，球被挖空，里面装有三维传感器，球上有开关可用来选择对象，当用户手握三维球在空间运动时，球的运动就会转换为虚拟空间中物体的运动，可用于短时操作和导航。力矩球可测量用户作用在球上的三个方向的力和三
27、个方向的力矩，力和力矩测量的依据是弹性定律。当用户转动或侧向推动小球时，就能移动和操纵虚拟物体，如图103所示。力矩球的技术像鼠标一样简单，在空心球里面安装了红外线发光二极管，球里的红外线传感器能感知从二极管中射出的光线。每个发光二极管代表一个自由度：上下、左右、前后、俯仰、摇摆和滚动，当用户手握小球使它在某一方向运动时，光传感器便记录这个动作并把信号传给处理系统。它的显著特点是这个球和底座是放置在桌面上的，而不像三维球那样需要拿到半空中。第10章虚拟设计 在虚拟环境中，如果只是利用一个漂浮的虚拟手来表示人，那是不够理想的。若要使用户真正成为虚拟环境中的角色，那么就要求计算机系统能够识别人体的
28、姿势，如身体的位置、面部表情以及人体其它各部位的动作。为此有公司研制了数据衣，它采用了和数据手套相同的光纤弯曲传感技术，数据手套中测量5个手指的弯曲一般用12根或l5根光纤导线，而数据衣要对人体大约50个不同的关节进行测量，其中包括膝盖、手臂、躯干和脚。数据衣上使用了四个磁跟踪器：每只手上一个，头上一个，另一个装在衣服的背部。这种数据衣的确是很理想的数据输入工具，但是由于结构复杂，过于笨重以及标定困难等，因此目前很难普遍采用。第10章虚拟设计 3语音识别与理解语音识别与理解交谈是人们之间以及人机之间最快的通信方式，因此语音输入和语音识别技术已成为虚拟现实技术研究的重要课题。语音识别是一门跨学科
29、的技术，它是在人们几个世纪以来对语音学、声学、生理学及自动化理论研究的基础上发展而来的，直到21世纪这些基础研究取得了进展才使自动语音识别成为现实。让计算机识别人的语音是相当困难的，因为语音信号和自然语言具有多变性和复杂性。例如，在连续语音中词与词之间没有明显停顿，同一个字词的发音受到其前、后字词的影响；不同人发音有所不同，就是同一人因受环境、心理和生理的影响对同一字词的发音也会有所不同。第10章虚拟设计 为了避开连续语音识别中这些复杂的语言现象，最初的研究都是针对孤立的词进行的，词汇量也很小，并且大都限定了说话者。贝尔实验室发明的语图仪极大地促进了现代声学语音学的发展。语图仪能把语音信号转换
30、为二维图形，其横坐标对应于时间，纵坐标为声音的频率，任意频率成分在给定时刻的强弱由相应点的灰度表示。这样语图仪就能提供语音的大量细节。1952年他们开发出了第一个完整的语音识别器，它将频谱分为900Hz以上及900Hz以下两部分，分别计算各自的过零率，通过与事先已存储的10个数字的模式相比较来识别输入的每一个发音，为后来语音识别的研究奠定了基础。第10章虚拟设计 另一个研究方向是“语音理解”，这对于虚拟环境系统可能更加重要。在这个系统中，并不关心发音中的每个词，关键是整个句子的正确意思，通常可以采用把关键词检出的方法来实现识别。这种系统可以在噪声环境下正常工作，而且不限定说话者。在当前的虚拟设
31、计系统中，语音识别系统已成为最重要的命令输入工具。不过相对而言，虚拟设计系统的情景毕竟比较简单，不需要很多对话，语音识别主要用于对虚拟对象的一些操作，不必使用很长的句子，所以现有的语音识别技术基本上可以满足虚拟设计系统目前的需要。第10章虚拟设计 4虚拟现实接口虚拟现实接口众所周知，现行CAD系统人机交互效率较低，尤其是在产品的概念设计阶段，这些系统显得相当笨拙。其主要原因有二：其一，这些系统采用二维的交互工具，而用户加工的对象却是三维的机械零件或产品；其二，这些CAD系统大都要求定义零件的尺寸，而在产品的概念设计阶段这些尺寸可能无法精确得到，或者没必要精确定义。为克服这些不足，人们开始将虚拟
32、现实的交互技术引入到CAD系统之中，从而形成了基于虚拟现实技术的CAD系统，即所谓的虚拟设计系统。第10章虚拟设计 从图形学的角度来看，产品的形状设计一般包括基本形体的生成和形体组合两个过程，而每个过程都包含多个步骤。不管产品的设计多么复杂，主要应该抓住任何产品概念设计过程中的共同任务，例如零件的几何设计和产品的装配设计。利用虚拟设计系统，设计人员可以置身于虚拟现实环境之中，利用语音命令、手和手指的动作来创建三维实体，可以用手抓住物体使其在设计空间中移动，将其从部件上拆下或将新的零件添加到部件之上。在这样的场景中，多维的人机交互系统扮演着非常重要的角色。一般来说，在产品的形状设计中存在三个基本
33、活动：生成、修改和查看。生成是指零部件从无到有的设计活动；修改是对现存零部件的变更；查看是指对设计结果从不同方向、不同角度的考察。第10章虚拟设计 1）零部件的生成在生成一个零件时，设计人员向系统发出语音命令，系统就会根据命令提供一个具有缺省尺寸的形体，然后设计人员便可在其上添加不同的属性。设计人员可以设定零件或属性的尺寸、位置和方向，当完成各项设定后，属性就可以被添加到零件之上。有些形状属性不符合形体标准，例如自由表面。对于这些属性，设计者需要显式地向计算机进行“描述”，例如，可以利用手的运动配合语音命令方式加以实现。虚拟设计系统允许用户像进行泥塑造型一样用双手在设计空间中来回运动，塑造自由
34、表面直到满意为止。第10章虚拟设计 部件的生成涉及对现有零件或小部件的修改、平移、旋转和组合等过程。利用现行的CAD设计系统进行部件组合时，用户需要通过传统的二维接口（例如屏幕、鼠标和键盘等）来定义零部件的结合面，以便系统能将它们组合在一起，由于利用二维接口进行三维操作的能力有限，因此部件的形成耗时很大。虚拟现实接口为设计人员提供了更为直观的部件生成手段。设计人员可以用双手拿住两个零件或小部件，使它们的结合面靠近，等靠近到一定程度时，发出组合的语音命令，计算机便将两个零件或小部件组合成新的部件。第10章虚拟设计 2）零部件的变更零部件的变更主要是指对其形状、尺寸、位置以及属性间关系的修改。在进
35、行修改前，需要选定接受修改的实体（如尺寸、点、棱、曲面、属性及其关系）。对于简单的几何体，可以在它的上面标明实体的编号或名称，设计人员可以直接呼叫实体的编号或名称来实现选择。但是对于复杂的几何体，实体的编号或名称不得不加以隐藏以便减少环境的混乱。在这种情况下，对需要修改的实体进行选择时，设计人员可用手指“指向”实体，而后发出诸如“选择立方体”、“选择曲面”或“选择棱”的语音命令。当一个实体被选中后，便可以通过眼、手的运动和语音命令进行修改。例如，要变更一个盲孔的深度，设计人员可以先选择盲孔的深度尺寸，然后发出如“将深度改变为20mm”的语音命令,也可以用手将盲孔拉伸或压缩到需要的尺寸。第10章
36、虚拟设计 若要改变属性的位置，则首先应将这个属性与零件分离，这个过程可以采用像“分离”这样的语音命令，也可以利用手势来完成。将属性和零件分离之后，便可以将其移到新的位置。若要从零件上删除某些属性，则可以通过向系统发出像“删除”这样的语音命令。限定或修改属性和零件的关系需要首先选择相关实体，然后发出语音命令对属性关系进行修改。例如，若要将两孔的间距限定为一个常值，则可当选择了两孔后发出语音命令来设置这个尺寸约束。设定约束以后，当一个孔移动时，另一个孔也会随着移动。第10章虚拟设计 3）设计效果查看虚拟设计系统应该允许设计人员从不同方面和不同角度来考察零部件的设计效果。为了不增加系统的复杂度，在查
37、看过程中，系统一般不提供对产品设计的变更功能。这样查看过程只涉及两项基本任务：零件、部件及属性的选择；零件、部件及属性的查询。选择的方式与上述谈到的选择方式相同。查询是指对设计对象某个方面信息的询问。例如通过询问来断定属性在零件上的位置，若要得到这个信息，则用户可以发出像“位置”这样的语音命令，接着系统就会有声音输出：“这个属性的位置是x15.0，y20.0和z10.0”。当然系统也可以通过视觉输出来回答用户的询问，视觉输出的方式对于复杂零部件的查询更加有效。第10章虚拟设计 5设计空间接口界面设计空间接口界面虚拟设计系统一般应具有两个基本模式：漫游模式和造型模式。在漫游模式下，用户可以在设计
38、空间中，依靠手、眼的运动和语音命令的导航来查看已经生成的几何形体，系统为用户提供实时三维图像、声音和触觉反馈。在造型模式下，用户可以通过手、眼的运动和语音命令来创建和修改几何形体，系统也为用户提供视觉、听觉和触觉的反馈。设计人员在产品设计过程中可以在这两种模式间方便地切换。第10章虚拟设计 用以定义用户行为的节点网络是建立界面结构的基础，用户的每一个行为都用网络的一个节点来表示，由于一个行为的前后又有可供选择的行为，因此这个网络就形成了一个代表这个关系的数据结构。初步的分析认为与漫游模式和造型模式关系最密切的节点有10个：漫游；生成调用；选择；尺寸定义；定位；拆卸；删除；关系定义；询问；添加。
39、设计人员可以在这些节点间自由切换并通过语音命令来创建形体。例如，生成形体的行为（节点）可以后续尺寸定义（节点）和定位（节点）等行为。第10章虚拟设计 根据节点网络定义的交互方法有以下几种。（1）设计空间。虚拟设计系统将设计人员的工作环境称为设计空间。设计人员可以在工作台上通过手、眼的动作以及语音命令来进行零件设计。为了帮助设计人员在虚拟空间中用手来准确指定具体位置，可以在虚拟手的食指指尖处引出一条射线。为了在设计空间中漫游，用户可以“抓住”整个设计空间进行平移和旋转，另外，用户可以通过语音命令对视景进行缩放处理。虚拟设计系统可以为用户提供三种输入模式（语音命令、手的运动和手势、眼的运动）来创建
40、几何形体。在这三种输入模式中，语音命令具有高级优先权。这是因为语音命令能够更有效、更直接地将用户的意图传送给计算机系统。第10章虚拟设计（2）节点间的转移。设计人员可以通过两个节点进入造型模式：生成缺省实体/调用已有实体；选择实体。语音命令是进入“生成”、“调用”和“选择”的最有效方法。进入造型模式以后，就可以利用下面的语音命令在各节点间转移：“尺寸定义”、“定位”、“拆卸”、“删除”、“关系定义”、“询问”和“添加”。无论在任何节点都可以发出“撤消”的语音命令来返回上一个节点，同时放弃在当前节点的操作结果。第10章虚拟设计 除“拆卸”节点外，用户可以从任何节点直接返回漫游模式，而不必通过其它
41、节点。“拆卸”节点比较特殊，当用户从组合体上拆下一个实体后，必须在设计空间中重新放置这个实体或者从设计空间中删除这个实体，而后才能返回漫游模式。若要返回漫游模式，则只需发出像“完成”这样的语音命令。由于系统对尺寸和位置设定有缺省值，因此在退出造型模式前系统不要求用户对实体的所有尺寸和位置进行显式定义。第10章虚拟设计 10.3虚拟原型及其生成虚拟原型及其生成10.3.1概述概述虚拟原型是产品的综合信息模型，它包含着产品的各种属性，描述了产品在虚拟环境中的设计、装配和制造的规划和过程。虚拟原型不仅是产品外形的三维几何表达，也可以表达零件与部件之间的层次关系，是一种有组织的信息。第10章虚拟设计
42、虚拟原型是建立在CAD/CAM模型基础上并综合虚拟技术与仿真方法为产品原型而提供的新方法，是一种利用数字化的或虚拟的数字模型代替产品的物理模型，可大幅度缩短产品开发周期的工程方法。所构造的虚拟原型不消耗实际材料，也不需要机床设备，它只是一种图像和声音相结合的所谓的数字产品，是对产品物理模型的替换。第10章虚拟设计 虚拟原型具有分析功能和评价功能，可在产品的设计阶段模拟出产品的物理原型，帮助设计者容易发现设计的缺陷，并通过模拟测试和改进产品结构布局及性能参数，优化产品设计质量，优化生成管理和资源规划，可以减少生产投资，加快设计和生产的进程，有时可以代替费时和费资金的产品实体样品的生产。虚拟原型可
43、以是一个机械零件，一个大产品（如汽车或飞机），也可以是一个车间、一个工厂或一个企业。因此，虚拟原型的规模大小和功能多少要根据具体的生产对象而定。设计虚拟原型系统时，基本应具有如下功能，当然也可根据产品的不同适当增加或减少某些功能。第10章虚拟设计（1）自动数据传送。（2）实时操作并获得最佳的图形。（3）可以用人体模型进入虚拟环境的方法评价所设计产品在美学和人类工程学方面的特点。（4）可以和用户交互地评价不同的模型。（5）可以支持不同水平的硬件。（6）有处理大规模数据的能力。（7）能支持对设计的修改。（8）能在虚拟环境和CAD/CAM系统中作双向数据传送。（9）能对虚拟产品进行分布式的或协同式的
44、评价。（10）虚拟原型系统要容易扩充，能够修改或删除不需要的内容。第10章虚拟设计 基于虚拟原型技术的虚拟产品开发的基本思路就是用计算机完成整个产品的开发过程。设计者在计算机上建立产品模型，通过建立的数字模型，用数字化的形式来代替传统的实物原型，在数字状态下对模型进行静态和动态分析，然后改进产品设计方案。虚拟产品开发由从事产品设计、分析、仿真、制造以及产品销售和服务等方面的各种人员组成，他们可通过网络通信建成“虚拟”的产品开发小组，不管他们所处何处，都可以实现异地协同工作。第10章虚拟设计 10.3.2虚拟原型的类型及其生成方法虚拟原型的类型及其生成方法1虚拟原型的类型虚拟原型的类型虚拟原型大
45、致可分为三类：（1）综合性的虚拟原型。功能较多，适应面较广。（2）产品设计的虚拟原型。针对某一产品的专用原型。（3）设计过程的虚拟原型。解决某一种设计过程，如概念设计、产品模型生成等。第10章虚拟设计 2虚拟原型的生成过程虚拟原型的生成过程虚拟原型的生成是将虚拟原型实现为计算机工具的过程。虚拟原型的生成过程应包括为实现虚拟原型所应具备功能的硬件和软件手段。虚拟原型的生成是一个综合的过程，要求用户在虚拟环境中对虚拟原型进行生成、调试和评价。这个过程可以自动生成，也可以让用户参与、修改和完善。因此，要求虚拟环境具备实时和交互的功能。第10章虚拟设计 虚拟原型的生成过程大致可分为三个阶段。（1）准备
46、阶段。对于要和CAD/CAM系统进行数据交换的虚拟现实系统，产品模型要在CAD/CAM系统中生成。对于虚拟现实环境下的CAD系统，产品模型直接在虚拟环境中生成。（2）生成阶段。在产品模型的基础上，在虚拟环境中完成虚拟原型中各种功能模块的生成，最后完成全部虚拟原型系统，并进行调试和测试。（3）完善阶段。用人工交互的方法完善虚拟原型系统。第10章虚拟设计 3综合性的虚拟原型的生成综合性的虚拟原型的生成综合性的虚拟原型不针对某一产品，但针对某些功能，如针对产品的设计、装配或制造。综合性的虚拟原型提供了一种能实现某种功能的框架结构，可以启发用户建造虚拟原型的思路，建立自己的虚拟原型。例如支持产品装配、
47、拆卸和服务的系统（DesignForAssemblyDisassemblyandService，DFADS），如图104所示。DFADS由以下三部分组成。（1）模型生成部分。它属于生成虚拟原型的准备阶段。首先确定所要处理的产品的设计方案（或装配方案或制造方案），然后采用一种传统的CAD系统建立产品模型，将其输入到虚拟环境中。该阶段的首要问题是解决数据交换问题。第10章虚拟设计 图104DFADS虚拟原型示意图 第10章虚拟设计（2）生成虚拟原型部分。本阶段包括很多内容，例如，首先根据所处理问题的目标，规划虚拟原型的组成部分和各组成部分之间的联系等；其次生成虚拟原型，由计算机按照预先设计好的生成
48、步骤自动生成；最后，根据运行结果进一步完善虚拟原型，这个步骤需要用户参与。上述步骤之间是可以反馈操作的，以便调整和完善虚拟原型。在该阶段生成虚拟原型时，也可以按照所提供的步骤生成虚拟装配原型、虚拟制造原型或虚拟服务原型。第10章虚拟设计（3）模拟产品的设计过程。在虚拟环境中用虚拟原型对产品进行设计模拟，然后对设计结果进行评价。评价合格后，可输出设计结果。上述只是建立虚拟原型和生成虚拟原型的一般方法和原则，并不是一种固定的模式。用户需要根据自己的要求自行设计虚拟原型及生成虚拟原型。第10章虚拟设计 4产品设计的虚拟原型的生成产品设计的虚拟原型的生成产品设计的虚拟原型生成的通用模式如图105所示。
49、该模式可分成以下三个阶段：（1）准备阶段。在现实世界中应用CAD系统建立产品的模型，首先要确定所设计产品的功能，然后进行概念设计，生成草图。一般来说，多由设计者徒手勾画产品的设计草图。在计算机中，用2D鼠标来完成3D草图比较困难。根据概念设计草图的要求，进入一般的CAD系统中进行初步的3D造型设计，生成产品模型。如果用户已有现存的产品模型，则可充分利用原有的资源。第10章虚拟设计（2）生成阶段。用户开始进入虚拟世界，一方面将CAD系统所生成的产品模型经过数据交换送入虚拟环境中，另一方面要根据产品的功能要求设计产品的虚拟原型。在此阶段必须选择和配置虚拟环境中使用的硬件和软件。完成上述工作后，已具
50、备完成产品虚拟原型生成的全部条件，可以生成初步的产品虚拟原型。第10章虚拟设计（3）完善阶段。通过对产品功能的考核和评价进一步完善虚拟原型。一方面，经过数据交换，进入CAD系统，修改产品的模型；另一方面，用交互的方式在虚拟环境内修改虚拟原型。这两种方式或采用其中的一种，或两种并用，视需要而定。一般来说，这个过程由用户人工参与修改和完善。第10章虚拟设计 图105产品设计的虚拟原型生成的通用模式 第10章虚拟设计 考核满意后，由虚拟世界进入现实世界一般有以下三种途径。（1）经过数据交换，进入CAD系统，产生生产图纸，生产产品；也可以进入CIM系统生产产品。（2）对产品进行虚拟装配考核，认为满意，
