仿真与虚拟设计技术24

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1、第1章 绪论伴随着科学的不断发展，人类社会步入了崭新的世纪。各种新技术层出不穷，而各个学科相互融合发展，又产生了许多新的学科技术。产品设计就是这样的一门学科。每一次新科技的出现，都会给产品设计的途径、方式带来新的发展和变化。下面的例图总结了几个世纪以来产品设计的演变过程。仿真与虚拟现实技术是以计算机支持的仿真技术为前提的，对设计、加工、装配、维护等等，经过统一建模形成虚拟的环境，虚拟的过程，虚拟的产品。仿真与虚拟技术产生于20世纪40年代，到90年代才逐步发展完善起来，现在已经应用到了制造、军工、医学、航天、建筑等很多领域，并且都取得了很大的成功。仿真与虚拟技术应用到产品设计中，更会体现出它的

2、很多优势，给设计业带来全新的理念和方式。 虚拟现实仿真是一门以系统科学、计算机科学和概率论与数理统计学为基础，结合各应用领域的技术特点和应用中的需要，逐渐发展起来的边缘性技术，同时它也是一门实验性科学，随着各门学科的发展，虚拟现实仿真也得到日新月异的发展，已成为近年来十分活跃的新兴技术。虚拟现实概念从1984年被William Gibson提出来以前，在系统仿真领域造成了巨大的影响。20世纪90年代初，FRobert探讨了可视化仿真的发展前景，此后CJames提出用三维图形渲染二维动画仿真环境的机制。MBarnes讨论了虚拟现实和系统仿真结合所需要的方法和硬件设备。1996年，Arnold H

3、Buss在离散系统仿真机制的基础上，研究开发了一种基于Java语言的离散事件仿真系统JavaSim，可用于在一般民用企事业单位的Internet网上模拟建模。Macredie在1996年阐述了虚拟现实仿真环境对模拟训练的应用，并提出面向对象的建模机制；顺应计算机发展的潮流，Wolfgong Kreutzer在1997年按Java语言的多线程特点开发了一种开放式仿真语言SimJava，并通过互联网提供源代码，它是一种基于事件推进的仿真系统，将仿真实体按独立的线程运行，通过实体接口发送或接受事件消息，为仿真实时控制创造了条件。另一个知名的Java仿真系统是由Thread Tec公司研究开发的Sil

4、k仿真系统，基于当时网络技术和仿真界”免编程”思想的重新认识，利用Java本身的平台无关性提出了一种通用性网上仿真系统。通过面向过程的机制，构成了可在任何Java开发环境中应用的仿真支持系统，为用户提供建模的方便性。这些仿真系统研究开发的思想和方法，为进一步和开发虚拟现实仿真系统铺平了道路。20世纪90年代末期，在虚拟现实仿真理论与开发方面，国内研究和国外研究工作几乎处于同步阶段。在同一时期分别提出了基于虚拟现实建模的仿真实验系统。北方交通大学在1999年设计了基于OpenGL的三维交通模拟系统；北京航空航天大学管理系统仿真实验室在1999年利用虚拟现实模拟语言（VRML）提出了可在PC机上运

5、行的虚拟现实仿真系统的构想，并实现但服务台排队系统的虚拟现实仿真。接着，北京航空航天大学管理系统仿真实验室又提出并实现了在虚拟现实仿真环境下进行序贯决策的实验系统，可在虚拟环境中进行飞机装配过程的序贯决策，并在互联网上进行了虚拟现实仿真实验，与此同时，美国乔治亚理工学院在2000年也提出基于VRML的虚拟现实仿真系统并实现了在制造系统中的应用。2001年北京航空航天大学管理系统仿真实验室在已有研究成果的基础上，进一步研究和实现了虚拟现实环境下的序贯决策仿真优化，进行了相应的实证研究。近年来，我国在虚拟现实和仿真方面的研究工作也又迅速发展，特别是国防院校、科研单位，在虚拟现实研究和虚拟现实系统开

6、发与应用等方面都有重要进展。如虚拟样机开发、虚拟装备和虚拟训练系统、虚拟装备维修系统、虚拟战场模拟系统、基于HLA或RTI（Run-Time Infrastructure）的虚拟建模系统等。随着虚拟现实技术的发展，基于更新的虚拟现实系统MultiGen（Open Creator Vega）、WTK(World Tool Kit)、STK(Satellite Tool Kit)的虚拟现实仿真系统正在研究和开发中，预期在不久的将来，这些新的系统将会面世。第2章 技术概述计算机仿真技术是以计算机为工具, 对工程过程进行建模、数值模拟、结果显示与处理。对于机械产品的设计, 仿真建模主要是用现代力学的理

7、论与方法对产品的使用过程、生产过程以及事故过程等进行数学描述, 并根据数值模拟方法的要求将所涉及工程过程的几何、物理等参数进行量化。数值模拟是根据仿真模型的特点选择合适的数值求解技术, 对仿真过程进行全方位的求解, 目前应用最广泛的包括有限元方法、有限差分法等。结果显示与处理就是将数值模拟的结果可视化并经处理得出工程上有意义的量和结论。仿真技术的本质是对真实的物理、化学系统或其他系统在某一层次上的抽象, 在抽象出来的模型上, 可以更深入, 更灵活、更安全地对系统进行解析和设计。人们在使用仿真系统时希望在仿真系统中与在真实系统中所得到的感受尽量相同, 需要仿真系统具有身临其境的逼真感。另一方面,

8、 某些实际应用领域希望从仿真系统中得到在真实世界中无法亲身体验到的感受, 从而能突破物理空间和时间的限制, 避开危及生命和环境危险而又真切地体会和感受某一过程。即需要仿真系统具有超越现实的虚拟性。以上客观需求推动了一种新兴的技术虚拟现实(VR) 也称为灵境技术的发展。近年来不断涌现和迅速发展的高新技术, 如计算机仿真建模、CAD/ CAM 及先期技术演示验证、可视化计算、遥控机器、计算机艺术等, 都有一个共同的需求, 这就是建立一个比现有计算机系统更为真实方便的输入输出系统, 使其能与各种传感器相连,组成更为友好的人机界面, 人能进入其中, 超越其上, 进出自如又能交互作用的多维化信息环境。这

9、个环境就是计算机虚拟现实系统(VRS) , 在此环境中从事设计的技术称之为虚拟设计(VD)。什么是仿真仿真Simulation属于一门基础性学科，仿真就是利用模型进行的一种试验，它可极为有效而经济地用于科研设计训练以及系统的试验。仿真技术是以控制理论相似原理数模与计算技术信息技术系统技术及其应用领域相关专业技术为基础，以计算机和多种专用物理效应设备为工具借助系统模型，对实际的或设想的系统进行动态试验研究的一门新兴综合性技术。其特点是它属于一种可控制的、无破坏性的、耗费小的、并允许多次重复的试验手段，它以其高效、优质、低廉体现其强大的生命力和潜在的能力，它是迄今为止最有效的、经济的综合集成方法，

10、是推动技术进步的战略技术。在科技领域，人们常用实物试验和理论分析，对现实对象进行研究。随着模拟技术的发展，逐步采用易于实现的物理过程来描述、分析、研究、再现给一定的对象。这就是指采用模拟装置研究，或者建立数字模型，使用计算机进行仿真分析。仿真技术则是模拟技术的进一步发展。特别是随着电子计算机技术的发展，仿真技术更成为现代科学研究的强大、有效的工具。仿真技术大体上可分为三类。一类是全实物模拟，这也可认为是实验技术的发展。用研究对象的实体或实物模型配以先进的测量手段和设备进行实物试验，获得必要的结沦。这种试验真实可靠、效果直观，但耗费大。如流体力学等学科发展了相似理论，开展了大规模的模型实验、风洞

11、实验，推动了流体机械、航空、航天、导弹等飞行器的发展。第二类是数字仿真，即建立系统的数学模型，通过计算机求解，从而再现系统的工作过程。这种仿真不受时空条件的限制，人为地在不同参数下运行，可随时引人更好的参数，从而确定系统的最佳模型和状态。计算机仿真成本低，操作方便快捷，计算准确。随着计算机技术的迅猛发展，这项技术的应用有着十分广阔的前景。但计算机仿真受建模能力的限制，对有些问题还不能得到完善、正确的模型和仿真结果。第三类仿真是基于信息技术、多媒体技术、机电技术、人文科学技术等生成的，使人处于一种同时具有沉浸、交互、投人等综合感觉的拟实世界的综合高科技技术，称为虚拟现实( Virtual Rea

12、lity)技术。什么是虚拟现实（）1984年Willian Gibson写了一本名为Neuromancerd的书，幻想人类可以漫游于计算机模拟生成的世界之中，他称这个世界为Virtual Reality。不过大多数人认为，虽然Gibson最早提出了VR一词，但真正赋与VR科学含义的应是美国的计算机科学家Jaron Lanier，他于1989年提出使用虚拟现实一词来统一表述新的人机交互技术。VR领域的研究再往前可追溯到1965年，Ivan Sutherland写了一篇文章”The Ultimate Display”，后来他还开发了早期的头盔式显示器。2.2.1 VR的概念虚拟现实(Virtual

13、 reality简称VR)，是人类与计算机和极其复杂的数据进行交互的一种方法。虚拟现实技术是指利用人工智能、计算机图形学、人机接口技术、多媒体技术、网络技术、电子技术、机械技术、视听技术等高新技术模拟人在特定环境中视、听、动等行为的高级人机交互技术。虚拟环境技术的体系结构可以用图所示的3-I”三角形”来表示，所谓的”3-I”是：Immersion-Interaction-Imagination(沉浸-交互-构想)。这三个I是VR系统的三个基本特征。它表示VR系统使人从过去的只能从计算机系统的外部去观测计算处理的结果，发展到能够沉浸到计算机系统所创建的系统中；从过去人只能通过键盘、鼠标与计算环境

14、中的数字化信息发生交互作用，到能够利用多种传感器与多维化信息的环境发生交互作用；从过去的人只能从以定量计算为主的结果中得到启发从而加深对事物的认识，到有可能从定性和定量综合集成的环境中得到感性和理性的认识从而深化概念和萌发新意。也就是说，在VR系统中，人们的目的是使计算机及其他传感器组成的信息处理系统去尽量”满足”人的需要，而不是强迫人去”凑合”那些不很亲切的计算机系统。2.2.2 VR的特点及类型理想的VR系统应具有如下的几个特点： (1)多媒体信息感知性：VR系统具有感知视、听、触、嗅、味等多种信息的能力； (2)沉浸感(Imersive)：用户将感觉不到身体所处的外部环境而”融合”到虚拟

15、世界中去； (3)交互性(Interactive)：用户可通过三维交互设备直接控制虚拟世界中的对象； (4)自主性(Autonomy)：VR世界中的物体可按各自的模型和规则自主运动。虽然在理论上VR系统应具有上述的特征，但由于实现时各种条件的限制而有所差异。根据交互界面的不同，可将VR系统分为几种不同的类型：(1)世界之窗(Window on World Systems-WoW)：这种系统使用普通的计算机监视器来显示虚拟世界，用户通过键盘、鼠标来控制在虚拟世界中的运动，如同通过窗户观察世界一样。这个概念来自于Ivan Sutherland 1965年的文章”The Ultimate Displ

16、ay”。这也是目前应用最多、实现最方便、最经济的一类VR系统。(2)视频映射(Video Mapping)：这是WoW系统的一个变种，它使用视频输入设备将用户的身影与虚拟世界的图象合成在一起，用户通过监视器来观察自身与世界的交互。(3)沉浸式系统(Immersive Systems)：这种系统完全将用户的视角及感觉包容在虚拟世界内部，用户所看到、听到、碰到乃至闻到和尝到的都是虚拟世界中的物体。这是最理想的VR系统。这种系统的一种实现方案是使用头盔显示器提供视场和音效，另外一种方法就是用多个投影显示建造一个”洞穴”或房间，观察者站在其中。(4)遥控系统(Telepresence)：这种系统不同于

17、完全由计算机生成虚拟世界的系统，它是真实世界的反映。这种技术是把真实世界中的远程传感器与操作者的感觉联系起来。比如用在异地带有摄像机的机器人处理危险情况、医生用窥镜做手术等。(5)混合系统(Mixed Reality)：是遥控系统和VR系统的集成。这种技术将计算机生成的图象与真实世界的图象合成在一起。比如医生在做脑外科手术时看到的可能是预先用CT扫描获得的图象与实时超声波扫描图象的叠加图象；或者战斗机驾驶员看到的是地图与数据的合成图象等。2.2.3VR的技术组成及本质从技术上来看，VR是现代科技的集大成者，它涉及到诸多技术领域如图形图象处理、实时分布系统、数据库、立体环绕音响、跟踪定位装置等等

18、。在硬件上，实现较理想的VR系统需要有头盔显示器、数据手套/数据服、高性能计算机等。在软件上，VR软件的基本组成包括输入处理、仿真引擎、声音处理、虚拟世界的渲染、触觉与反馈力的处理、其他知觉的处理、世界数据库等。对于一个系统，软件是灵魂。而对于VR系统的软件，其核心是仿真引擎。VR系统依赖于仿真引擎来推动虚拟世界时间的流逝，处理交互事件、对象的行为，模拟自然规律并决定虚拟世界的状态。总而言之，仿真引擎是整个VR系统的控制核心，没有仿真引擎的驱动，这个系统就不可能表现出类似或等同于真实世界的特征。所以从本质上来说，VR系统也是一类仿真系统。以上各种类型仿真的层次关系可用图3来表示。如果单纯从仿真

19、、多媒体、虚拟现实三者的概念角度来讲，它们的关系也可用图4来表示。一个VR基本系统的组成如图5所示 一个典型的虚拟现实系统的构成如图6所示其中：检测模块：检测用户的操作命令，并通过传感器模块作用于虚拟环境。反馈模块：接受来自传感器模块信息，为用户提供实时反馈。传感器模块：一方面接受来自用户的操作命令，并将其作用于虚拟环境；另一方面将操作后产生的结果以各种反馈的形式提供给用户。控制模块：对传感器进行控制，使其对用户、虚拟环境和现实世界产生作用。建模模块：获取现实世界组成部分的三维表示，并由此构成对应的虚拟环境。2.2.4VR关键技术：(1)动态环境建模技术虚拟环境的建立是虚拟现实技术的核心内容。

20、动态环境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。三维数据的获取可以采用CAD技术(有规则的环境)，而更多的环境则需要采用非接触式的视觉建模技术，两者的有机结合可以有效地提高数据获取的效率。(2)实时三维图形生成技术三维图形的生成技术已经较为成熟，其关键是如何实现”实时”生成。为了达到实时的目的，至少要保证图形的刷新率不低于15帧/秒，最好是高于30帧/秒。在不降低图形的质量和复杂度的前提下，如何提高刷新频率将是该技术的研究内容。(3)立体显示和传感器技术虚拟现实的交互能力依赖于立体显示和传感器技术的发展。现有的虚拟现实还远远不能满足系

21、统的需要，例如，数据手套有延迟大、分辨率低、作用范围小、使用不便等缺点；虚拟现实设备的跟踪精度和跟踪范围也有待提高，因此有必要开发新的三维显示技术。(4)应用系统开发工具虚拟现实应用的关键是寻找合适的场合和对象，即如何发挥想象力和创造力。选择适当的应用对象可以大幅度地提高生产效率、减轻劳动强度、提高产品开发质量。为了达到这一目的，必须研究虚拟现实的开发工具。例如，虚拟现实系统开发平台、分布式虚拟现实技术等。(5)系统集成技术由于虚拟现实中包括大量的感知信息和模型，因此系统的集成技术起着至关重要的作用。集成技术包括信息的同步技术、模型的标定技术、数据转换技术、数据管理模型、识别和合成技术等等。

22、第3章 虚拟设计1虚拟设计技术3.1.1虚拟概念设计产品设计过程可以概括分为两个步骤：概念设计(Conceptual Design)和构型设计(Configuration De-sign)1。前者的目的是制定出设计方案，后者的目的是设计出具体构型。概念设计是设计的初步阶段，它的目的是获得足够多的有关产品式样和形状的信息。它是设计过程的重要阶段，因为产品成本的60%70%是由这个阶段决定的。在概念设计阶段，人们需要研究大量可行的设计方案，从而确定经济效益最好的设计。 虚拟概念设计使用虚拟现实技术，为设计者提供基于语音识别和手势跟踪的输入方式，设计者可以很方便地在三维虚拟环境中操纵产品及零件，进行

23、各种形状建模和修改。利用这种系统进行计算机建模，无须精确的尺寸定义。虚拟现实技术消除了鼠标、键盘等的输入方式给用户带来的限制，同时系统还可以为用户提供三维立体图像，设计者可以在三维空间中对设计对象进行观察和操作。2002年10月Journal of KunmingUniversity of Science and Technology Oct。 2002Wisconsin大学开发的虚拟概念设计系统COVIRDS1，弥补了一般CAD系统的缺陷。COVIRDS提供两种建模方式：参数建模和自由建模。创建标准形状如圆柱、圆锥、立方体等规则形体采用参数建模，参数建模是使用各种参数来定义设计对象。这样的设

24、计原理允许设计者使用高级几何形体(如表面模型、实体模型等)来进行产品形体设计，而不再采用低级的实体(面、边、顶点等)。创建不能用标准几何形体描述的零件，需要采用自由式建模方式来进行设计。在许多CAD系统中，自由式建模常采用所谓”制控点”法来完成对对象表面的定义。用这种方法定义表面的困难在于难以确定制控点的位置以便形成满意的表面形状。最理想的情况是设计者不必定义制控点位置便可直接建立具有自由表面的形体，实现快速的概念设计。利用CONVIRDS系统，设计者可以用双手的活动勾画三维表面的草图。三维表面的草图创建以后，便可利用先进的”非制控点”法进行修改。3.1.2虚拟装配设计借助虚拟装配设计系统，设

25、计人员可以在虚拟环境中使用各种装配工具对设计的机构进行装配检验。在产品设计中最常见的也是最难发现的问题就是装配和维修方面的问题，这些问题往往当零件进行装配时，甚至在进行维修时才会反映出来，这样会造成极大的浪费，甚至会威胁到公司的生存。对于这样的问题，通常只能靠设计人员的知识和经验尽可能地加以避免。虚拟装配设计技术的出现为彻底解决这个问题带来了希望，它可以帮助设计人员及时地发现设计中的装配缺陷。虚拟装配设计需要多种支持技术，除了虚拟现实技术外还有CAD技术等，这些支持技术必须共同发展才能促成虚拟装配技术的工业应用。由于现行的CAD系统和虚拟现实系统不能很好地融合，因此阻碍了虚拟装配技术的应用。尽

26、管虚拟装配技术尚未充分地应用于产品的分析和评价，但是这项技术的可靠及应用价值已得到了广泛的肯定。华盛顿州立大学开发研制了一个名为”虚拟装配设计环境”(Virtual Assembly Design Environment)简称VADE1的虚拟设计系统。利用这个系统，设计人员在设计工作的初期便可考虑有关装拆的问题以避免这些方面的设计缺陷。在进行虚拟装配时，设计人员可以获得许多有关产品的设计和制造工艺信息。VADE系统由虚拟现实的软硬件组成，以保证设计人员沉浸于虚拟环境之中开展工作。头盔式显示器提供高质量的三维图形，电磁跟踪装置跟踪探测用户的头部运动，头盔的显示可根据用户的头部自动刷新。另外，该系

27、统还配有手位和手势跟踪装置，数据手套随时监视手指和手腕的动作，其信息用于创建和操纵虚拟环境中手的模型。工程师可以利用这个虚拟环境评价产品的公差、选择零部件的装配顺序、确定装拆工艺并将结果进行可视化处理。3.1.3虚拟环境中的声音系统听觉通道是虚拟设计系统的重要的接口之一，被认为是仅次于视觉反馈的第二信息通道。实践证明：听觉反馈有时比视觉反馈更容易引起用户的注意，使用户更快地做出反映。例如，在一个虚拟装配系统中，若在视觉显示的同时配合三维声音提示，那么虚拟装配会容易得多。无疑，用户在具有视听配合的虚拟环境中能获取更多的信息。在虚拟环境中，三维声音是多维通道的重要组成部分。三维音响效果会增强用户在

28、虚拟环境中的沉浸感，并能帮助用户与虚拟物体进行更加成功的交互。另外由于三维声音系统对虚拟环境沉浸感的加强，便可以减缓人们对视觉系统的依赖，降低系统对视觉的要求。三维虚拟声音与人们熟悉的立体声是有本质不同的，立体声虽有左右声道之分，但听起来总在某个平面之内；三维虚拟声音能使用户感到声源恰好处在客观世界的经验应该所在的位置，它可能在用户的前、后方，也可能在用户的左、右面，又可能在上、下方。即声源可能在围绕用户的球形空间的任何位置。Crystal River Engineering公司推出的Convolvotron系统是一个典型的三维虚拟声音处理系统。该系统具有很强的音频数字信号处理功能，可以完成对

29、声音的”头部相关转换函数”的转换，并将声音信号转换为立体声。Convolvotron系统可以模拟4个独立的静态和动态声源，它采用磁性定位系统来跟踪用户的运动，计整合成的声音。这样当用户在室内运动时，环境的立体声能保持稳定。这里实现了立体声和用户运动跟踪的结合。另外，为了满足更高的模拟要求，Crystal River Engineering公司又研制了Beachtron和Maxitron系统，后来又开发了功能强大的Acoustetron工作站，它允许最多2个Convolvotron和一个Beachtron同时工作。虚拟声源可增至16个，对每个声源可处理6个传播途径，障碍物反射系数以及位置都可以设

30、置。3.1.4虚拟设计系统中的接触及力量反馈虚拟触觉主要是通过数据手套来实现的。用户的大脑向手发出动作的命令，手根据来自大脑的命令做出不同的手势动作。手的动作启动数据手套的传感器，传感器将手的动作数据传给计算机，计算机根据一定的算法来指挥虚拟手的运动。计算机对虚拟手和虚拟物体进行碰撞检测，而后将位置、力量信号反馈给数据手套，手套根据这些信息启动触觉执行机构，执行机构对用户进行各种按摩动作，从而使用户产生各种触觉感知。另外用户也可以通过视觉、听觉对手的动作得到附加反馈。接触反馈和力量反馈对一个虚拟设计系统非常重要，但是人们在这个方面的研究相对不足，因此在今后一个阶段这个方面的研究将是虚拟现实技术

31、的研究重点，一旦在这个方面有所突破，那必将大大推动虚拟现实技术的发展。2虚拟设计系统的构成将虚拟技术应用于产品的开发设计，我们可以称之为虚拟设计。虚拟设计系统按照配置的档次可以分为两大类：一是基于PC机的廉价设计系统，另一种是基于工作站的高档产品开发设计系统。两种设计系统的构成原理是大同小异的。图7是典型的虚拟设计系统的构造示意图。 由图可以看出，一般的虚拟设计系统都包括两部分：一是虚拟环境生成器，这是虚拟设计系统的主体，另一个是外围设备(人机交互工具以及数据传输、信号控制装备)。虚拟环境生成器是虚拟设计系统的核心部分，它可以根据任务的性能和用户的要求，在工具软件和数据库的支持下产生任务所需的

32、、多维的、适人化的情景和实例。它由计算机基本软硬件、软件开发工具和其他设备组成，实际上就是一个包括各种数据库的高性能的图形工作站。虚拟设计系统的交互技术是虚拟设计优势的体现。目前虚拟设计系统的交互技术主要集中于三个方面：触觉、听觉、视觉。这三个方面的输入和输出设备是虚拟交互的主要方式。例如：头盔式显示器、数据手套、三位声音处理器、视点跟踪、数据衣、语音输入等等，都是现在已经研究开发出来的输入输出设备。虚拟设计技术应用1998年，美国航空航天局向新闻界公布了火星表面图像，这些图像逼真清晰，给人以身临其境之感，它们是根据火星探测器发回的大量数据应用虚拟现实技术合成的。那么，虚拟现实技术是怎样起源的

33、呢?它起源于远程操作，即在人无法到达或有危险的环境中使用机器人，而人则在与其类似的虚拟环境中控制机器人进行操作。从本质上说，虚拟现实技术并非一门全新的技术，它是计算机图形学、机器人学、人机工程学、机械学、控制理论和认知科学的综合和延伸。随着计算机技术尤其是多媒体技术的迅速发展，虚拟现实技术已成为计算机科学中发展最快的领域之一。1.虚拟现实技术已成为军事和航天领域的先锋技术虚拟技术最初是美国航空航天局与军事部门为了模拟训练而开发的。现在广泛用于各兵种部队的战术研究、演习、模拟训练和培训等，战斗实验室已成为数控战士的战场。”司令部军事演习”也已成为一种军事演习的重要形式，这类演习可用于为未来战争组

34、织装备、主导原则和综合训练等决策提供参考数据。美国航空航天局埃姆斯研究中心还建立了一座虚拟实验室，它所拥有的飞机模型器无论从规模上还是从逼真程度来看都处于世界之最，主要用于研究现在的或拟议中的飞机飞行控制、制导、座舱显示、自动化和操纵的品质，它能够获得有关飞机性能的实时数据和视图，并且航空研究人员和设计师坐在家里就可以”进入”该实验室进行操作，其灵敏度远远高于现在的任何其他此类研究手段。2.虚拟现实技术已成为一种商业经营手段和战略国际企业管理挑战赛的核心是一套完善的电脑软件系统，它用模拟方式把一个企业在国际标准市场环境中所面临的各种管理问题反映出来，参赛者作为虚拟企业的领导人就此进行决策。由于

35、它与市场中变化莫测的真实商战相吻合，国际上许多公司将其作为训练员工的手段。虚拟仿真技术已日渐成熟，如虚拟仿真技术的汽车演示厅，人们可以在汽车上面对虚拟道路。了解汽车的性能。虚拟仿真技术的驾驶厅，可以帮助驾驶员在虚拟道路上训练等等。现在许多公司都把代理人模拟软件视为企业经营的有力工具。在美国思想工具公司所开发的项目挑战模拟装置中，挑战者以形神兼备的虚拟工作组成员的面貌出现，展开激烈的商战。虚拟公司和虚拟经营策略越来越受到各大公司的青睐。3.虚拟现实技术成为学校教学手段和教学方式的重要组成部分早在1995年，华盛顿的中小学校就开始了虚拟教学。教室里没有黑板和讲台，每个座位的前方都有特殊的头盔和操纵

36、杆。孩子们只要带上头盔，手握操纵杆，眼前就会出现一幅幅栩栩如生的景象，既生动又形象，这是虚拟教学。传统的教学理论和教学实践一直忽视形象思维的发展与完善，片面强调抽象思维，这是目前课堂教学普遍存在的枯燥、乏味、抽象、难懂的重要原因之一。美国加州和印第安纳州之间的一堂关于宇航和太空知识的远程教学课也是一个很好的实例。远在美国东部印第安纳州的教师和他的学生们一起出现在大屏幕电视上。老师用生动的讲解和大量的影视资料把孩子带进了太空，为了激发学习兴趣和参与意识，课堂上还特意准备了五颜六色的小墨镜和小扇子，这样当孩子们和屏幕上的宇航员一起”飞向”太空时，孩子们戴上小塑料墨镜并扇起小纸扇，仿佛真的有耀眼的太

37、阳和灼热的高温需要抵御。同时课堂上还可以品尝到宇航员常吃的脱水后的鸡蛋、苹果酱和冰激凌在整个的教学活动中，孩子们都能和远隔千里的老师交流自己的感受和体会所以说，利用虚拟技术就能实现形象思维教学，增强学生们的学习兴趣，提高素质教学的水平。虚拟教学已开始走向全球化，相信我国的教学在这一方面的应用将越来越广泛。4.虚拟现实技术将成为工程设计的得力助手“身临其境”和”可视化”是虚拟现实技术的两个最基本特征。他借助于计算机图形学等技术手段，被誉为科学技术之眼，因而在工程技术设计方面显示出无可比拟的优越性。设计人员可以在交互式虚拟空间中精心设计，并对所涉及的产品加以观察、操作和反复试验。3.3.1虚拟技术

38、应用到工业设计中的途径1.产品的外形设计采用虚拟现实技术的外形设计，可随时修改、评测，方案确定后的建模数据可直接用于冲压模具设计、仿真和加工，甚至用于广告和宣传。在其它产品(如飞机、建筑和装修、家用电器、化妆品包装等)的外形设计中同样有极大的优势。2.产品的布局设计在复杂产品的布局设计中，通过虚拟现实技术可以直观地进行设计，避免可能出现的干涉和其它不合理问题。例如，在复杂的管道系统设计中，采用虚拟技术，设计者可以”进入其中”进行管道布置，并检查可能的干涉等问题。3.产品的运动和动力学仿真产品设计必须解决运动构件工作时的运动协调关系、运动范围设计、可能的运动干涉检查、产品动力学性能、强度、刚度等

39、。例如，生产线上各个环节的动作协调和配合是比较复杂的，采用仿真技术，可以直观地进行配置和设计，保证工作的协调。4.产品的广告与漫游用虚拟现实或三维动画技术制作的产品广告具有逼真的效果，不仅可显示产品的外形，还可显示产品的内部结构、装配和维修过程、使用方法、工作过程、工作性能等，尤其是利用网络进行的产品介绍，生动、直观，广告效果很好。网上漫游技术使人们能在城市、工厂、车间、机器内部乃至图样和零部件之间进行漫游，直观方便地获取信息。虚拟产品更为网络购物提供了方便虚拟现实技术应用到产品设计中的作用1、提高设计直观性和真实性虚拟设计系统不同于一般的计算机辅助设计系统。现在普遍应用的计算机辅助设计并没有

40、从根本上、理念上改变原来的设计方式，只是用显示器、鼠标和键盘取代了纸笔的设计。而虚拟设计系统中的设计人员，不必受到这些外界设备的各种约束，可以通过虚拟设备自由的在虚拟空间内发挥自己的想象力和创造力。它不仅能让设计者(用户)真实的看到设计对象，而且可以感觉到它存在，并与之进行自然交互。现在的产品三维设计只是在二维的平面显示三维的物体，只能称之为二维设计。而虚拟技术可以实现完全的三维立体设计。Burden G在1993年Electro国际会议上发表了题为”虚拟现实技术及其应用”的文章，描述了虚拟现实技术的基本特征，既3I，(Imagination， In-teraction，Immersion)。

41、Imagination(想象)虚拟设计系统中可以通过语音控制系统、配合数据手套等设备控制设计的过程，从而摆脱现在很多设计软件、设计信息的反馈等条件的束缚，更能发挥出设计人员的想象力。Interaction(交互性)虚拟设计系统具有友好的交互界面，视觉输出、语音输入、触觉反馈等系统改变现在的一些设计软件复杂的菜单、命令，使得设计人员不必花大量的时间去熟悉软件的使用，也可以不必收到软件的格式、命令的约束。Immersion(沉浸感)虚拟设计系统可以使设计者身临其境的设计产品，沉浸在虚拟设计系统中，这是虚拟设计最大的特点。2、缩短设计流程，提高设计效率传统的设计流程过程：如图8所示：将虚拟设计应用到

42、流程后，可以省去原来的样品试制，而且产品的实验(试用)都是虚拟完成的，从而缩短产品设计周期、提高效率。国际上许多大的制造厂商都争先在设计中引入虚拟技术，如：通用汽车公司(General Motors)、波音公司(Boeing Corporation)、英国航空公司(British Aerospace)等。其中波音公司的777飞机的设计就是采用了虚拟设计技术，开发周期从通常的8年减少到了5年。3、降低设计成本，提高产品竞争力在商品竞争日益激烈的今天，对于任何一个制造商而言，组合机床与自动化加工技术低产品成本无疑是应该首先考虑的问题之一。在以往的产品设计中，光是实物模型和样机的制作就花去了很多人力

43、物力财力，还有对产品的实验更是费时费力。波音公司在设计707客机机舱时，曾出资50万美元，由设计师泰格(Walter DorwinTeague)和他的助手季更斯(Frank de Giudice)合作完成了1：1的机舱模型。为了对机舱座椅和食品服务舱进行人体工程分析试验、模型被用于”模拟飞行”。虚拟技术可以虚拟产品建模，也可以对产品的性能进行物理仿真、动力学仿真，测试产品的性能和可靠性等等，从而降低成本，提高效率。虚拟设计技术充分利用了模拟仿真技术，但它又不同于一般的模拟仿真技术，它具有虚拟现实的特征，如自主性、交互性、沉浸感等。可以说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

44、技术较为成熟、易于启动。相信这项技术的优先发展定会有助于实现真正意义上的虚拟制造。第4章 国内外虚拟设计技术的研究现状国外虚拟设计技术的研究现状4.1.1美国的研究现状美国是在VR技术方面最具权威性的国家。美国VR技术的研究水平基本上就代表国际VR发展的水平。美国数十年来虚拟技术的发展历程基本上可分为三个阶段:1970年代以前为第一阶段；1980年代初到1980年代中期为第二阶段;第三阶段从1980年代末期至今。1.虚拟现实技术思想的产生1929年，Edwin A.Link发明了飞行模拟器，使乘坐者的感觉和坐在真的飞机上是一样的。1956年，Morton Heileg开发了一个叫做Sensor

45、ama的摩托车仿真器。Sensorama具有三维显示及立体声效果并能产生振动、风吹的感觉。1962年，Morton Heilig的专“利全传感仿真器”的发明，有振动、声的感觉。该专利也蕴涵了虚拟现实技术的思想。1965年计算机图形学的奠基者Ivan Sutherlan发表“了终极显示（”The Ultimate Display）的论文,提出了感觉真实、交互真实的人机协作新理论。1966年,美国的MIT林肯实验室在海军科研办公室的资助下,研制出了第一个头盔式显示器(HMD),随后又将模拟力和触觉的反馈装置加入到系统中。1967年,美国北卡罗来纳大学开始了Grup计划,探讨力反馈（Force Fe

46、edback）装置,该装置将物理压力通过用户接口引向用户，可以使人感到一种计算机仿真力。1968年，Sutherlan在哈佛大学的组织下研制了头盔式立体显示器（Helmet Mounted Display即HMD），后来他又开发了一个虚拟系统可称得上是第一个虚拟现实系统。1970年，美国的MIT林肯实验室研制出了第一个功能较齐全的HMD系统。1973年Myron Krurger提出了“Artificial Reality”，这是早期出现的虚拟现实的词。2.虚拟现实技术初步发展1980年代初到1980年代中期。此阶段开始形成虚拟现实技术的基本概念。这一时期出现了两个比较典型的虚拟现实系统，即VI

47、DEOPLACE与VIEW系统。1980年代初，美国的DARPA（Defense Advenced Re-search Projects Agency）为坦克编队作战训练开发了一个实用的虚拟战场系统SIMNET。1984年，M.McGreevy和J.Humphries博士开发了虚拟环境视觉显示器，用于火星探测，将探测器发回地面的数据输入计算机，构造了火星表面的三维虚拟环境。1985年，WPAFB的Dean Kocian共同开发了VCASS飞行系统仿真器。1986年可谓硕果累累，Furness提出了一个叫作“虚拟工作台（”Virtual Crew Station）的革命性概念；Robinett与

48、合作者Fisher，Scott S，James Humphries，MichaelMcGreevy发表了早期的虚拟现实系统方面的论文“TheVirtual Environment Display System；Jesse Eichenlaub提出开发一个全新的三维可视系统，其目标是使观察者不要那些立体眼镜、头跟踪系统、头盔等笨重的辅助东西也能达到同样效果的三维逼真的VR世界。这一愿望在1996年得以实现，发明了2D/3D转换立体显示器（DTI3D display）。1987年，James.D.Foley教授在具有影响力的Scientific American上发表了一篇题为先进的计算机界面（I

49、nterfaces for Advanced Computing）一文；美国Scientific American杂志还发表了一篇报导数据手套的文章，这篇文章及其后在各种报刊上发表的虚拟现实技术的文章引起了人们的极大兴趣。1989年，美国Jarn Lanier正式提出“Virtual Reality（虚拟现实）”一词。3.虚拟现实技术的日趋完善1992年Sense8公司开发了WTK开发包，为VR技术提供更高层次上的应用。1994年3月在日内瓦召开的第一届WWW大会上，首次正式提出了VRML这个名字。后来又出现了大量的VR建模语言，如：X3D，Java3D等。1994年，Burdea G和Coi

50、ffet出版了虚拟现实技术一书，在书中他用（3IImagination、Interaction、Immersion）概括VR的三个基本特征。进入1990年代，迅速发展的计算机软件、硬件系统使得基于大型数据集合的声音和图像的实时动画制作成为可能，越来越多的新颖、实用的输入输出设备相继进入市场，而人机交互系统的设计也在不断创新，这些都为虚拟现实系统的发展打下了良好的基础。其中，利用虚拟现实技术设计波音777获得成功，是近几年来又一件引起科技界瞩目的伟大成果。4.1.2 VR技术在欧洲的研究开发英国在VR开发的某些方面，特别是在分布并行处理、辅助设备（包括触觉反馈）设计和应用研究方面，在欧洲是领先的

51、。英国Bristol公司发现，VR应用的交点集中在整体综合技术上，他们在软件和硬件的某些领域处于领先地位。英国ARRL公司关于远地呈现的研究实验，主要包括VR重构问题。他们的产品还包括建筑和科学可视化计算。英国从事VR研究的机构主要集中在以下四个中心：（1）Windustri（es工业集团公司），以工业设计和可视化等重要领域而闻名于世。（2）British Aerospac（e英国航空公司BAe），其主要从事的研究项目有：利用VR技术设计高级战斗机座舱；VECTA（Virtual Environment Configurable Training Aid）是一个高级测试平台，用于研究VR技术以

52、及考察用VR替代传统模拟器方法的潜力;VECTA的子项目RAVE(RealAnd Virtual Environment)就是专门为在座舱内训练飞行员而研制的。（3）Dimension Internation是桌面VR的先驱，该公司以生产一系列以Superscape命名的商业VR软件包而闻名。（4）Division Ltd公司，它的成就是在开发Vision、ProVision和Supervision系统/模块化高速图形引擎中，率先使用了Transputer和i860技术。在欧洲，其它一些较发达的国家如：荷兰、德国、瑞典等也积极进行了VR的研究与应用。瑞典的DIVE分布式虚拟交互环境，是一个基于

53、Unix的、不同节点上的多个进程可以在同一世界中工作的异质分布式系统。荷兰海牙TNO研究所的物理电子实验室（TNO-PEL）开发的训练和模拟系统，通过改进人机界面来改善现有模拟系统，以使用户完全介入模拟环境。德国的计算机图形研究所（IGD）的测试平台，用于评估VR对未来系统和界面的影响，以及向用户和生产者提供通向先进的可视化、模拟技术和VR技术的途径。另外，德国在建筑业、汽车工业及医学界等也较早应用了VR技术，如德国一些著名的汽车企业奔驰、宝马、大众等都使用了VR技术；制药企业将VR用于新药的开发；医院开始用人体数字模型进行手术实验。4.1.3日本的研究现状日本的虚拟现实技术的发展在世界相关领

54、域的研究中具有举足轻重的地位，它在建立大规模VR知识库和虚拟现实的游戏方面作出了很大的成就。东京技术学院精密和智能实验室研究了一个用于建立三维模型的人性化界面。NEC公司开发了一种虚拟现实系统，用代用手来处理CAD中的三维形体模型，通过数据手套把对模型的处理与操作者的手联系起来。京都的先进电子通信研究所（ATR）正在开发一套系统，它能用图像处理来识别手势和面部表情，并把它们作为系统输入。东京技术学院研究了一个用于建立三维模型的人性化界面，称为SPmAR。日本国际工业和商业部产品科学研究院开发了一种采用X、Y记录器的受力反馈装置。东京大学的高级科学研究中心的研究重点主要集中在远程控制方面，他们最

55、近的研究项目是可以使用户控制远程摄像系统和一个模拟人手的随动机械人手臂的主从系统。东京大学原岛研究室开展了3项研究：人类面部表情特征的提取；三维结构的判定和三维形状的表示；动态图像的提取。东京大学广濑研究室重点研究虚拟现实的可视化问题。他们正在开发一种虚拟全息系统，用于克服当前显示和交互作用技术的局限性。筑波大学研究一些力反馈显示方法，开发了九自由度的触觉输入器，虚拟行走原型系统。富士通实验室有限公司通过研究虚拟生物与VR环境的作用、VR中的手势识别，开发了一套神经网络姿势识别系统国内虚拟设计技术的研究现状北京航空航天大学计算机系是国内最早进行VR研究、最有权威的单位之一，他们首先进行了一些基

56、础知识方面的研究，并着重研究了虚拟环境中物理特性的表示与处理；在虚拟现实中的视觉接口方面开发了部分硬件，并提出了有关算法及实现方法；实现了分布式虚拟环境网络设计，建立了网上虚拟现实研究论坛，可以提供实时三维动态数据库，提供用于飞行训练的虚拟现实系统，提供开发虚拟现实应用系统的开发平台，并将要实现与有关单位的远程连接。浙江大学CAD&CG国家重点实验室开发了一套桌面型虚拟建筑环境实时漫游系统，该系统采用了层面迭加的绘制技术和预消隐技术，实现了立体视觉，同时还提供了方便的交互工具，使整个系统的实时性技术和画面的真实感都达到了较高的水平。另外，他们还研制出了在虚拟环境中一种新的快速漫游算法和一种递进

57、网格的快速生成算法。哈尔滨工业大学计算机系已经成功地虚拟出了人的高级行为中特定人脸图像的合成，表情的合成和唇动的合成等技术问题，并正在研究人说话时头势和手势动作，语音和语调的同步等。清华大学计算机科学和技术系对虚拟现实和临场感等方面进行了研究，例如球面屏幕显示和图像随动、克服立体图闪烁的措施和深度感实验等方面都具有不少独特的方法。他们还针对室内环境水平特征丰富的特点，提出借助图像变换，使立体视觉图像中对应水平特征呈现形状一致性，以利于实现特征匹配，并获取三维结构的新颖算法。西安交通大学信息工程研究所对虚拟现实中的关键技术立体显示技术进行了研究。他们在借鉴人类视觉特性的基础上提出了一种基于JPE

58、G标准压缩编码新方案，并获得了较高的压缩比、信噪比以及解压速度，并且已经通过实验结果证明了这种方案的优越性。中国科技开发院威海分院主要研究虚拟现实中视觉接口技术，完成了虚拟现实中的体视图像对算法回显及软件接口。他们在硬件开发上已经完成了LCD红外立体眼镜，并且已经实现商品化。另外，西北工业大学CAD/CAM研究中心，上海交通大学图像处理及模式识别研究所，长沙国防科技大学计算机研究所、华东船舶工业学院计算机系、安徽大学电子工程与信息科学系等单位也进行了一些工作和尝试。第5章 虚拟设计存在的问题从长远的观点来看，人们可以利用各种虚拟设计系统在虚拟环境中进行三维产品设计，而后直接根据虚拟设计发展现状

59、及未来发展方向设计出的三维模型进行加工，这样就不需要传统的二维图样。由于这样的实践还处于刚刚起步阶段，从而会遇到各种各样的问题。其中在产品的各个阶段(构思、设计、加工和装配等)不同环境之间的数据传递就是一个急待解决的问题。另外虚拟设计系统的最主要的特色就是它的直观性，它应使设计者甚至产品的最终用户在直观自然的环境中对近乎真实的模型进行设计和评价，这就要求实时处理大量的数据并具有一整套性能优良的交互设备。然而，目前市场上的硬件尚难以满足这样的需要。1由虚拟环境到CAD的数据交换问题由于虚拟设计系统在图形输出和模型操纵方法上与其他计算机辅助应用系统如CAD、CAPP(计算机辅助工艺规划)等存在很大

60、的不同，从而导致虚拟现实系统的数据和信息不能很好地被其它现行的计算机辅助系统共享。直到目前，由虚拟环境到CAD环境的数据交换能力仍非常薄弱，主要的问题是一般虚拟环境中多采用多边形格式，而CAD环境常采用参数建模。2数据接口目前所用的数据接口例如IGES(基本图形转换规范)只能提供几何数据的转换。例如，它们只能提供一个孔的周边信息而不能提供孔本身的信息如孔径及中心位置，更不能提供孔的材料、质地、颜色、力学特性等。3数据缩减在硬件还不够强大的情况下，若要保证足够的图像刷新率，CAD数据就需要转换为多边形格式并且很可能需要实施进一步的缩减处理。4实时与真实限于目前计算机的能力，为了在虚拟环境中完成较

61、为理想的交互，系统必须在描绘的真实感和必要的刷新率之间进行折衷。这样的折衷应该考虑系统的具体应用环境和对沉浸感的要求。适当地进行纹理渲染处理有利于增强图形的真实感并不增加三角形的数量。5硬件方面的问题处理器计算能力不足、头盔式显示器分辨率太低、触觉/力量反馈系统能力太差。跟踪系统能够精确跟踪的范围太小，抵抗外来干扰的能力不足。以上这些硬件问题是虚拟设计系统不能充分发挥其强大功能的主要障碍。6网络传输速度问题全球虚拟设计系统对实现异地设计和异地制造，帮助企业占领全球市场是极其重要的，但目前网络的传输速度难以满足这样的要求。第6章 仿真与虚拟设计未来发展方向仿真与虚拟设计系统大体可分为两大类，即增

62、强的可视化系统和基于虚拟现实的CAD系统。增强的可视化系统：利用现行CAD系统进行建模，在对数据格式进行适当的转换后输入虚拟环境系统。在虚拟环境中便可利用三维交互设备(如数据手套，三维显示监视器等)在一个”真实”的环境中对模型进行不同角度的观察。增强的可视化系统通常采用空间球、飞行鼠标等进行导航，并采用带有光闸眼镜的立体监视器来增强产品的真实感。基于虚拟现实的CAD系统：利用这样的设计系统用户可以在虚拟现实中进行设计活动。与纯粹的可视化系统相反，这种系统不再使用传统的二维交互手段进行建模，而直接进行三维设计。它们提供各种输入设备(数据手套、三维导航装置等)与虚拟环境进行交互。另外，它们也支持其

63、他的输入方法，如语音识别、手势跟踪等。这样的虚拟设计系统不需要进行系统的培训就可以掌握，一般的设计人员稍加熟悉后便能成功地利用这样的系统进行产品设计。目前投入使用的虚拟设计系统大都属于增强的可视化系统，这是因为基于虚拟现实的建模系统还不够完善，相比之下现行的CAD建模技术比较成熟，可以利用。随着虚拟现实技术的快速发展，新的方法和支持技术不断涌现。在三维建模方面，已经出现了基于手势识别、语音识别等的直接建模方法。尽管这些方法尚不够成熟，但已经现出强大的活力，它们使虚拟环境的建造向着多感知、更直观、更自然的方向迈进语音识别和手势跟踪已经成为目前人机交互研究的重要内容。A&T公司研制了一个语音识别和

64、手势跟踪系统，它采用数据手套跟踪手的位置，并依靠简单的语音识别系统便可以进行虚拟设计。另外，麻省理工学院也在研制基于语音识别和手势跟踪的交互系统，它们的系统将采用双手数据手套输入并伴有语音和眼神识别系统。可以看出，基于虚拟现实的CAD系统将是虚拟设计系统的未来发展方向。技术发展趋势建模/ 仿真方法学、仿真计算机和仿真软件将仍然是计算机仿真技术中的重要课题。科学计算的可视化(VISC) 作为仿真的重要基础将进一步发展, 为了适应VD 环境的要求, 高质量的跟踪和控制仿真模型运行方式将有很大发展; 鉴于网络环境是由多台处理机(异构或同构) 连接而成的分布仿真系统, 将可以支持多个子仿真任务协调统一

65、执行。分布仿真系统将成为我国电力、邮电、铁路、金融等行业的通用技术。面向对象的建模/ 仿真技术将逐步发展到面向特征、面向产品的加工和装配等; 并发仿真环境将作为并行设计技术的一种支撑技术而形成通用的支撑系统; 专家系统、模糊决策和人工神经网络技术将全面引入仿真系统。在仿真建模、仿真实验设计、仿真结果分析和模型的修正及维护等多个方面大大改善仿真系统的适应性和仿真的准确性, 形成高效的智能仿真系统。VR 技术将很快进入一个快速发展的时期, 其主要趋势是头盔式显示器(HMD) 等可视化设备、人体(或四肢) 方位跟踪系统、触觉系统等VR 专用硬件将全面上市, 其性能价格比会迅速提高, VR 技术所需求的高性能计算机将以用户可以接