機(jī)電產(chǎn)品虛擬設(shè)計(jì)與仿真(已修改)
2025-01-31 20:50 本頁面
【正文】 機(jī)電產(chǎn)品的虛擬設(shè)計(jì)與仿真 姚進(jìn) 教授 本次課的內(nèi)容 1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)概述 2 虛擬樣機(jī)技術(shù) 3 課程教學(xué)與考試 1 虛擬技術(shù)（ (Virtual Reality) ） ? 定義和特征 ? 虛擬設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)體系及支撐技術(shù) ? 虛擬現(xiàn)實(shí)的發(fā)展歷程 ? 虛擬現(xiàn)實(shí)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 ? 虛擬現(xiàn)實(shí)的主要應(yīng)用領(lǐng)域 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)概述 定義和特征 ? 概念 “虛擬現(xiàn)實(shí)”（ virtual reality，簡(jiǎn)稱 vr）是用 計(jì)算機(jī)技術(shù) 來生成一個(gè)逼真的三維視覺、聽覺、觸覺或嗅覺等感覺世界，讓用戶可以從自己的視點(diǎn)出發(fā)，利用自然的技能 和 某些設(shè)備對(duì) 這一生成的虛擬世界客體進(jìn)行瀏覽和交互考察。 ?桌面虛擬現(xiàn)實(shí) ?沉浸的虛擬現(xiàn)實(shí) ?增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)性的虛擬現(xiàn)實(shí) ?分布式虛擬現(xiàn)實(shí) 虛擬現(xiàn)實(shí)類別： 桌面虛擬現(xiàn)實(shí)利用個(gè)人計(jì)算機(jī)和低級(jí)工作站進(jìn)行仿真，將計(jì)算機(jī)的屏幕作為用戶觀察虛擬境界的一個(gè)窗口。 ?桌面虛擬現(xiàn)實(shí) 高級(jí)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)提供完全沉浸的體驗(yàn)，使用戶有一種置身于虛擬境界之中的感覺。 ?沉浸的虛擬現(xiàn)實(shí) 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)性的虛擬現(xiàn)實(shí)不僅是利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)來模擬現(xiàn)實(shí)世界、仿真現(xiàn)實(shí)世界，而且要利用它來增強(qiáng)參與者對(duì)真實(shí)環(huán)境的感受，也就是增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)中無法感知或不方便的感受。 ?增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)性的虛擬現(xiàn)實(shí) 如果多個(gè)用戶通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)連接在一起，同時(shí)參加一個(gè)虛擬空間，共同體驗(yàn)虛擬經(jīng)歷，那虛擬現(xiàn)實(shí)則提升到了一個(gè)更高的境界，這就是分布式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。 1 ?分布式虛擬現(xiàn)實(shí) 虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)結(jié)構(gòu)體系 ? 虛擬設(shè)計(jì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)結(jié)構(gòu)體系 ?虛擬設(shè)計(jì)軟件技術(shù) ? 虛擬環(huán)境中采用的軟件有四類： ? 1)語言類： 如 C++、 VBML等； ? 2)建模軟件類：如 AuoCAD、 SolidWorks、 Pro／E、 CATIA等。 ? 3)應(yīng)用軟件類：指用戶自己的各種需求，選擇或者開發(fā)的自用軟件。 ? 4)通用的商用工具軟件包：如： WTK， VRML等。 虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)結(jié)構(gòu)體系 ?虛擬現(xiàn)實(shí)硬件基礎(chǔ) ? （ 1）概論 ? 虛擬現(xiàn)實(shí)常用的主要硬件設(shè)備包括：高性能計(jì)算機(jī)；廣角（寬視野）的立體顯示設(shè)備；觀察者（頭、眼）的跟蹤設(shè)備；人體姿勢(shì)的跟蹤設(shè)備；立體聲；觸覺、力學(xué)反饋；語音輸入輸出等硬件設(shè)備。 ? （ 2） 3D位置跟蹤器 ? 在 3D空間中移動(dòng)對(duì)象共有三個(gè)平移參數(shù)和三個(gè)旋轉(zhuǎn)參數(shù)。這些參數(shù)可組成一個(gè) 6維的數(shù)據(jù)集。在早期，人們主要采用機(jī)械方式測(cè)量上述參數(shù)；當(dāng)今，非接觸 3D跟蹤技術(shù)已經(jīng)取代了機(jī)械測(cè)量。 3D非接觸跟蹤技術(shù)包括磁場(chǎng)、超聲波、雷達(dá)和攝象機(jī)等。 ? （ 3） 傳感手套 數(shù)據(jù)手套可以幫助計(jì)算機(jī)測(cè)試人手的位置與指向 ， 從而可以實(shí)時(shí)的生成手與物體接近和遠(yuǎn)離的圖像 。 但迄今為止 ， 商品化的數(shù)據(jù)手套都不提供觸覺反饋?zhàn)饔?。 常見的數(shù)據(jù)手套 虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)結(jié)構(gòu)體系 （ 4） 三維鼠標(biāo) 普通的鼠標(biāo)只能感受在平面的運(yùn)動(dòng) ， 而立體鼠標(biāo)能夠感受用戶在六個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng) 。 虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)結(jié)構(gòu)體系 ? （ 5）數(shù)據(jù)衣 數(shù)據(jù)衣采用與數(shù)據(jù)手套相同的光纖彎曲傳感技術(shù)，將大量的光纖安裝在一個(gè)緊身衣服上，它能測(cè)量肢體的位置，然后用計(jì)算機(jī)重建出圖像。目前，數(shù)據(jù)衣還不是真正的商品，還在進(jìn)一步研究之中。 虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)結(jié)構(gòu)體系 ? （ 6）觸覺和力反饋的裝置 ? 為了產(chǎn)生虛擬的觸摸感覺，研究人員開發(fā)了觸覺和力反饋裝置。雖然它們的樣式和大小各不相同，但它們大致上做相同的事情：推我們的手臂，并把機(jī)械或動(dòng)力信號(hào)記錄下來。力反饋的裝置相對(duì)于觸覺要容易，國(guó)際上已有一些機(jī)械的力反饋裝置。 ? （ 7）立體顯示設(shè)備 ? 頭盔式顯示器 HMD；特殊的頭部顯示器BOOM（雙目全方位監(jiān)視器）；立體眼鏡（用戶戴在眼睛上能從顯示器上看到立體的圖像）；立體投影顯示； 3D顯示器。 頭盔式顯示器 HMD 虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)結(jié)構(gòu)體系 ? （ 8） 3D聲音生成器 “ 3D聲音”不是立體聲的概念，它是指由計(jì)算機(jī)生成的、能由人工設(shè)定聲源在空間中三維位置的一種聲音。 3D聲音生成器是利用人類定位聲音的特點(diǎn)生成出 3D聲音的一套軟硬件系統(tǒng)。 人類進(jìn)行聲音的定位依據(jù)兩個(gè)要素：兩耳時(shí)間差和兩耳強(qiáng)度差 其他硬件 ? 雙筒全方位顯示器 (Binocular OmniOrientation Monitor— BOOM） ? 立體投影顯示 ? 立體眼鏡 ? 等等 虛擬現(xiàn)實(shí)的發(fā)展歷程與現(xiàn)狀 ? 發(fā)展歷程 1965年 Sutherland提出 1966年 開始 HDM的研究 1968年 研制出第一臺(tái) HMD 1975年 Myron Krueger提出 AR的思想 1985年 研制出數(shù)據(jù)手套 1986年 VIEW系統(tǒng)研制成功 1990年 Siggraph會(huì)議確定VR技術(shù)的發(fā)展方向 20世紀(jì) 90年代以來 VR應(yīng)用到眾多領(lǐng)域 ? 國(guó)外虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的研究現(xiàn)狀 – 美國(guó)宇航局 (NASA) ? 美國(guó)宇航局 (NASA)的 Ames實(shí)驗(yàn)室完善了 HMD， 并將 VPL的數(shù)據(jù)手套工程化 ， 使其成為可用性較高的產(chǎn)品 。 ? NASA完成的一項(xiàng)著名的工作是對(duì)哈勃太空望遠(yuǎn)鏡的仿真 。 ? 現(xiàn)在 NASA已經(jīng)建立了航空 、 衛(wèi)星維護(hù) VR訓(xùn)練系統(tǒng) 、空間站 VR訓(xùn)練系統(tǒng) ， 并且已經(jīng)建立了可供全國(guó)使用的 VR教育系統(tǒng) 。 ? ASA的 Ames現(xiàn)在正在致力于一個(gè)叫 “ 虛擬行星探索 (VPE)” 的實(shí)驗(yàn)計(jì)劃 ， 這一項(xiàng)目能使 “ 虛擬探索者 (Virtual Explorer)” 利用虛擬環(huán)境來考察遙遠(yuǎn)的行星 ， 他們的第一個(gè)目標(biāo)是火星 。 虛擬現(xiàn)實(shí)的國(guó)內(nèi)外研究
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