【正文】 第1章 緒論伴隨著科學(xué)的不斷發(fā)展，人類社會步入了嶄新的世紀(jì)。各種新技術(shù)層出不窮，而各個學(xué)科相互融合發(fā)展，又產(chǎn)生了許多新的學(xué)科技術(shù)。產(chǎn)品設(shè)計就是這樣的一門學(xué)科。每一次新科技的出現(xiàn)，都會給產(chǎn)品設(shè)計的途徑、方式帶來新的發(fā)展和變化。下面的例圖１總結(jié)了幾個世紀(jì)以來產(chǎn)品設(shè)計的演變過程。仿真與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是以計算機(jī)支持的仿真技術(shù)為前提的，對設(shè)計、加工、裝配、維護(hù)等等，經(jīng)過統(tǒng)一建模形成虛擬的環(huán)境，虛擬的過程，虛擬的產(chǎn)品。仿真與虛擬技術(shù)產(chǎn)生于20世紀(jì)40年代，到90年代才逐步發(fā)展完善起來，現(xiàn)在已經(jīng)應(yīng)用到了制造、軍工、醫(yī)學(xué)、航天、建筑等很多領(lǐng)域，并且都取得了很大的成功。仿真與虛擬技術(shù)應(yīng)用到產(chǎn)品設(shè)計中，更會體現(xiàn)出它的很多優(yōu)勢，給設(shè)計業(yè)帶來全新的理念和方式。 虛擬現(xiàn)實(shí)仿真是一門以系統(tǒng)科學(xué)、計算機(jī)科學(xué)和概率論與數(shù)理統(tǒng)計學(xué)為基礎(chǔ)，結(jié)合各應(yīng)用領(lǐng)域的技術(shù)特點(diǎn)和應(yīng)用中的需要，逐漸發(fā)展起來的邊緣性技術(shù)，同時它也是一門實(shí)驗(yàn)性科學(xué)，隨著各門學(xué)科的發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)仿真也得到日新月異的發(fā)展，已成為近年來十分活躍的新興技術(shù)。虛擬現(xiàn)實(shí)概念從1984年被William Gibson提出來以前，在系統(tǒng)仿真領(lǐng)域造成了巨大的影響。20世紀(jì)90年代初，F(xiàn)．Robert探討了可視化仿真的發(fā)展前景，此后C．James提出用三維圖形渲染二維動畫仿真環(huán)境的機(jī)制。M．Barnes討論了虛擬現(xiàn)實(shí)和系統(tǒng)仿真結(jié)合所需要的方法和硬件設(shè)備。1996年，Arnold H．Buss在離散系統(tǒng)仿真機(jī)制的基礎(chǔ)上，研究開發(fā)了一種基于Java語言的離散事件仿真系統(tǒng)JavaSim，可用于在一般民用企事業(yè)單位的Internet網(wǎng)上模擬建模。Macredie在1996年闡述了虛擬現(xiàn)實(shí)仿真環(huán)境對模擬訓(xùn)練的應(yīng)用，并提出面向?qū)ο蟮慕C(jī)制；順應(yīng)計算機(jī)發(fā)展的潮流，Wolfgong Kreutzer在1997年按Java語言的多線程特點(diǎn)開發(fā)了一種開放式仿真語言SimJava，并通過互聯(lián)網(wǎng)提供源代碼，它是一種基于事件推進(jìn)的仿真系統(tǒng)，將仿真實(shí)體按獨(dú)立的線程運(yùn)行，通過實(shí)體接口發(fā)送或接受事件消息，為仿真實(shí)時控制創(chuàng)造了條件。另一個知名的Java仿真系統(tǒng)是由Thread Tec公司研究開發(fā)的Silk仿真系統(tǒng)，基于當(dāng)時網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和仿真界”免編程”思想的重新認(rèn)識，利用Java本身的平臺無關(guān)性提出了一種通用性網(wǎng)上仿真系統(tǒng)。通過面向過程的機(jī)制，構(gòu)成了可在任何Java開發(fā)環(huán)境中應(yīng)用的仿真支持系統(tǒng)，為用戶提供建模的方便性。這些仿真系統(tǒng)研究開發(fā)的思想和方法，為進(jìn)一步和開發(fā)虛擬現(xiàn)實(shí)仿真系統(tǒng)鋪平了道路。20世紀(jì)90年代末期，在虛擬現(xiàn)實(shí)仿真理論與開發(fā)方面，國內(nèi)研究和國外研究工作幾乎處于同步階段。在同一時期分別提出了基于虛擬現(xiàn)實(shí)建模的仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。北方交通大學(xué)在1999年設(shè)計了基于OpenGL的三維交通模擬系統(tǒng)；北京航空航天大學(xué)管理系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)室在1999年利用虛擬現(xiàn)實(shí)模擬語言（VRML）提出了可在PC機(jī)上運(yùn)行的虛擬現(xiàn)實(shí)仿真系統(tǒng)的構(gòu)想，并實(shí)現(xiàn)但服務(wù)臺排隊系統(tǒng)的虛擬現(xiàn)實(shí)仿真。接著，北京航空航天大學(xué)管理系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)室又提出并實(shí)現(xiàn)了在虛擬現(xiàn)實(shí)仿真環(huán)境下進(jìn)行序貫決策的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，可在虛擬環(huán)境中進(jìn)行飛機(jī)裝配過程的序貫決策，并在互聯(lián)網(wǎng)上進(jìn)行了虛擬現(xiàn)實(shí)仿真實(shí)驗(yàn)，與此同時，美國喬治亞理工學(xué)院在2000年也提出基于VRML的虛擬現(xiàn)實(shí)仿真系統(tǒng)并實(shí)現(xiàn)了在制造系統(tǒng)中的應(yīng)用。2001年北京航空航天大學(xué)管理系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)室在已有研究成果的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究和實(shí)現(xiàn)了虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境下的序貫決策仿真優(yōu)化，進(jìn)行了相應(yīng)的實(shí)證研究。近年來，我國在虛擬現(xiàn)實(shí)和仿真方面的研究工作也又迅速發(fā)展，特別是國防院校、科研單位，在虛擬現(xiàn)實(shí)研究和虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用等方面都有重要進(jìn)展。如虛擬樣機(jī)開發(fā)、虛擬裝備和虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)、虛擬裝備維修系統(tǒng)、虛擬戰(zhàn)場模擬系統(tǒng)、基于HLA或RTI（RunTime Infrastructure）的虛擬建模系統(tǒng)等。隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展，基于更新的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)MultiGen（Open Creator Vega）、WTK(World Tool Kit)、STK(Satellite Tool Kit)的虛擬現(xiàn)實(shí)仿真系統(tǒng)正在研究和開發(fā)中，預(yù)期在不久的將來，這些新的系統(tǒng)將會面世。第2章 技術(shù)概述計算機(jī)仿真技術(shù)是以計算機(jī)為工具, 對工程過程進(jìn)行建模、數(shù)值模擬、結(jié)果顯示與處理。對于機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計, 仿真建模主要是用現(xiàn)代力學(xué)的理論與方法對產(chǎn)品的使用過程、生產(chǎn)過程以及事故過程等進(jìn)行數(shù)學(xué)描述, 并根據(jù)數(shù)值模擬方法的要求將所涉及工程過程的幾何、物理等參數(shù)進(jìn)行量化。數(shù)值模擬是根據(jù)仿真模型的特點(diǎn)選擇合適的數(shù)值求解技術(shù), 對仿真過程進(jìn)行全方位的求解, 目前應(yīng)用最廣泛的包括有限元方法、有限差分法等。結(jié)果顯示與處理就是將數(shù)值模擬的結(jié)果可視化并經(jīng)處理得出工程上有意義的量和結(jié)論。仿真技術(shù)的本質(zhì)是對真實(shí)的物理、化學(xué)系統(tǒng)或其他系統(tǒng)在某一層次上的抽象, 在抽象出來的模型上, 可以更深入, 更靈活、更安全地對系統(tǒng)進(jìn)行解析和設(shè)計。人們在使用仿真系統(tǒng)時希望在仿真系統(tǒng)中與在真實(shí)系統(tǒng)中所得到的感受盡量相同, 需要仿真系統(tǒng)具有身臨其境的逼真感。另一方面, 某些實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域希望從仿真系統(tǒng)中得到在真實(shí)世界中無法親身體驗(yàn)到的感受, 從而能突破物理空間和時間的限制, 避開危及生命和環(huán)境危險而又真切地體會和感受某一過程。即需要仿真系統(tǒng)具有超越現(xiàn)實(shí)的虛擬性。以上客觀需求推動了一種新興的技術(shù)———虛擬現(xiàn)實(shí)(VR) 也稱為靈境技術(shù)的發(fā)展。近年來不斷涌現(xiàn)和迅速發(fā)展的高新技術(shù), 如計算機(jī)仿真建模、CAD/ CAM 及先期技術(shù)演示驗(yàn)證、可視化計算、遙控機(jī)器、計算機(jī)藝術(shù)等, 都有一個共同的需求, 這就是建立一個比現(xiàn)有計算機(jī)系統(tǒng)更為真實(shí)方便的輸入輸出系統(tǒng), 使其能與各種傳感器相連,組成更為友好的人機(jī)界面, 人能進(jìn)入其中, 超越其上, 進(jìn)出自如又能交互作用的多維化信息環(huán)境。這個環(huán)境就是計算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)(VRS) , 在此環(huán)境中從事設(shè)計的技術(shù)稱之為虛擬設(shè)計(VD)。２．１什么是仿真仿真Simulation屬于一門基礎(chǔ)性學(xué)科，仿真就是利用模型進(jìn)行的一種試驗(yàn)，它可極為有效而經(jīng)濟(jì)地用于科研設(shè)計訓(xùn)練以及系統(tǒng)的試驗(yàn)。仿真技術(shù)是以控制理論相似原理數(shù)模與計算技術(shù)信息技術(shù)系統(tǒng)技術(shù)及其應(yīng)用領(lǐng)域相關(guān)專業(yè)技術(shù)為基礎(chǔ)，以計算機(jī)和多種專用物理效應(yīng)設(shè)備為工具借助系統(tǒng)模型，對實(shí)際的或設(shè)想的系統(tǒng)進(jìn)行動態(tài)試驗(yàn)研究的一門新興綜合性技術(shù)。其特點(diǎn)是它屬于一種可控制的、無破壞性的、耗費(fèi)小的、并允許多次重復(fù)的試驗(yàn)手段，它以其高效、優(yōu)質(zhì)、低廉體現(xiàn)其強(qiáng)大的生命力和潛在的能力，它是迄今為止最有效的、經(jīng)濟(jì)的綜合集成方法，是推動技術(shù)進(jìn)步的戰(zhàn)略技術(shù)。在科技領(lǐng)域，人們常用實(shí)物試驗(yàn)和理論分析，對現(xiàn)實(shí)對象進(jìn)行研究。隨著模擬技術(shù)的發(fā)展，逐步采用易于實(shí)現(xiàn)的物理過程來描述、分析、研究、再現(xiàn)給一定的對象。這就是指采用模擬裝置研究，或者建立數(shù)字模型，使用計算機(jī)進(jìn)行仿真分析。仿真技術(shù)則是模擬技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。特別是隨著電子計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，仿真技術(shù)更成為現(xiàn)代科學(xué)研究的強(qiáng)大、有效的工具。仿真技術(shù)大體上可分為三類。一類是全實(shí)物模擬，這也可認(rèn)為是實(shí)驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展。用研究對象的實(shí)體或?qū)嵨锬Ｐ团湟韵冗M(jìn)的測量手段和設(shè)備進(jìn)行實(shí)物試驗(yàn)，獲得必要的結(jié)淪。這種試驗(yàn)真實(shí)可靠、效果直觀，但耗費(fèi)大。如流體力學(xué)等學(xué)科發(fā)展了相似理論，開展了大規(guī)模的模型實(shí)驗(yàn)、風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)，推動了流體機(jī)械、航空、航天、導(dǎo)彈等飛行器的發(fā)展。第二類是數(shù)字仿真，即建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，通過計算機(jī)求解，從而再現(xiàn)系統(tǒng)的工作過程。這種仿真不受時空條件的限制，人為地在不同參數(shù)下運(yùn)行，可隨時引人更好的參數(shù)，從而確定系統(tǒng)的最佳模型和狀態(tài)。計算機(jī)仿真成本低，操作方便快捷，計算準(zhǔn)確。隨著計算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，這項技術(shù)的應(yīng)用有著十分廣闊的前景。但計算機(jī)仿真受建模能力的限制，對有些問題還不能得到完善、正確的模型和仿真結(jié)果。第三類仿真是基于信息技術(shù)、多媒體技術(shù)、機(jī)電技術(shù)、人文科學(xué)技術(shù)等生成的，使人處于一種同時具有沉浸、交互、投人等綜合感覺的擬實(shí)世界的綜合高科技技術(shù)，稱為虛擬現(xiàn)實(shí)( Virtual Reality)技術(shù)。２．２什么是虛擬現(xiàn)實(shí)（ＶＲ）1984年Willian Gibson寫了一本名為Neuromancerd的書，幻想人類可以漫游于計算機(jī)模擬生成的世界之中，他稱這個世界為Virtual Reality。不過大多數(shù)人認(rèn)為，雖然Gibson最早提出了VR一詞，但真正賦與VR科學(xué)含義的應(yīng)是美國的計算機(jī)科學(xué)家Jaron Lanier，他于1989年提出使用虛擬現(xiàn)實(shí)一詞來統(tǒng)一表述新的人機(jī)交互技術(shù)。VR領(lǐng)域的研究再往前可追溯到1965年，Ivan Sutherland寫了一篇文章”The Ultimate Display”，后來他還開發(fā)了早期的頭盔式顯示器。 VR的概念虛擬現(xiàn)實(shí)(Virtual reality簡稱VR)，是人類與計算機(jī)和極其復(fù)雜的數(shù)據(jù)進(jìn)行交互的一種方法。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是指利用人工智能、計算機(jī)圖形學(xué)、人機(jī)接口技術(shù)、多媒體技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、電子技術(shù)、機(jī)械技術(shù)、視聽技術(shù)等高新技術(shù)模擬人在特定環(huán)境中視、聽、動等行為的高級人機(jī)交互技術(shù)。虛擬環(huán)境技術(shù)的體系結(jié)構(gòu)可以用圖２所示的3I”三角形”來表示，所謂的”3I”是：ImmersionInteractionImagination(沉浸交互構(gòu)想)。這三個I是VR系統(tǒng)的三個基本特征。它表示VR系統(tǒng)使人從過去的只能從計算機(jī)系統(tǒng)的外部去觀測計算處理的結(jié)果，發(fā)展到能夠沉浸到計算機(jī)系統(tǒng)所創(chuàng)建的系統(tǒng)中；從過去人只能通過鍵盤、鼠標(biāo)與計算環(huán)境中的數(shù)字化信息發(fā)生交互作用，到能夠利用多種傳感器與多維化信息的環(huán)境發(fā)生交互作用；從過去的人只能從以定量計算為主的結(jié)果中得到啟發(fā)從而加深對事物的認(rèn)識，到有可能從定性和定量綜合集成的環(huán)境中得到感性和理性的認(rèn)識從而深化概念和萌發(fā)新意。也就是說，在VR系統(tǒng)中，人們的目的是使計算機(jī)及其他傳感器組成的信息處理系統(tǒng)去盡量”滿足”人的需要，而不是強(qiáng)迫人去”湊合”那些不很親切的計算機(jī)系統(tǒng)。 VR的特點(diǎn)及類型理想的VR系統(tǒng)應(yīng)具有如下的幾個特點(diǎn)： (1)多媒體信息感知性：VR系統(tǒng)具有感知視、聽、觸、嗅、味等多種信息的能力； (2)沉浸感(Imersive)：用戶將感覺不到身體所處的外部環(huán)境而”融合”到虛擬世界中去； (3)交互性(Interactive)：用戶可通過三維交互設(shè)備直接控制虛擬世界中的對象； (4)自主性(Autonomy)：VR世界中的物體可按各自的模型和規(guī)則自主運(yùn)動。雖然在理論上VR系統(tǒng)應(yīng)具有上述的特征，但由于實(shí)現(xiàn)時