【正文】 應用”的文章，描述了虛擬現(xiàn)實技術的基本特征，既3I，(Imagination， Interaction，Immersion)。而虛擬設計系統(tǒng)中的設計人員，不必受到這些外界設備的各種約束，可以通過虛擬設備自由的在虛擬空間內(nèi)發(fā)揮自己的想象力和創(chuàng)造力。用虛擬現(xiàn)實或三維動畫技術制作的產(chǎn)品廣告具有逼真的效果，不僅可顯示產(chǎn)品的外形，還可顯示產(chǎn)品的內(nèi)部結構、裝配和維修過程、使用方法、工作過程、工作性能等，尤其是利用網(wǎng)絡進行的產(chǎn)品介紹，生動、直觀，廣告效果很好。在復雜產(chǎn)品的布局設計中，通過虛擬現(xiàn)實技術可以直觀地進行設計，避免可能出現(xiàn)的干涉和其它不合理問題。他借助于計算機圖形學等技術手段，被譽為科學技術之眼，因而在工程技術設計方面顯示出無可比擬的優(yōu)越性。老師用生動的講解和大量的影視資料把孩子帶進了太空，為了激發(fā)學習興趣和參與意識，課堂上還特意準備了五顏六色的小墨鏡和小扇子，這樣當孩子們和屏幕上的宇航員一起”飛向”太空時，孩子們戴上小塑料墨鏡并扇起小紙扇，仿佛真的有耀眼的太陽和灼熱的高溫需要抵御。孩子們只要帶上頭盔，手握操縱桿，眼前就會出現(xiàn)一幅幅栩栩如生的景象，既生動又形象，這是虛擬教學。在美國思想工具公司所開發(fā)的項目挑戰(zhàn)模擬裝置中，挑戰(zhàn)者以形神兼?zhèn)涞奶摂M工作組成員的面貌出現(xiàn)，展開激烈的商戰(zhàn)。虛擬仿真技術已日漸成熟，如虛擬仿真技術的汽車演示廳，人們可以在汽車上面對虛擬道路。”司令部軍事演習”也已成為一種軍事演習的重要形式，這類演習可用于為未來戰(zhàn)爭組織裝備、主導原則和綜合訓練等決策提供參考數(shù)據(jù)。從本質(zhì)上說，虛擬現(xiàn)實技術并非一門全新的技術，它是計算機圖形學、機器人學、人機工程學、機械學、控制理論和認知科學的綜合和延伸。這三個方面的輸入和輸出設備是虛擬交互的主要方式。虛擬環(huán)境生成器是虛擬設計系統(tǒng)的核心部分，它可以根據(jù)任務的性能和用戶的要求，在工具軟件和數(shù)據(jù)庫的支持下產(chǎn)生任務所需的、多維的、適人化的情景和實例。虛擬設計系統(tǒng)按照配置的檔次可以分為兩大類：一是基于PC機的廉價設計系統(tǒng)，另一種是基于工作站的高檔產(chǎn)品開發(fā)設計系統(tǒng)。計算機對虛擬手和虛擬物體進行碰撞檢測，而后將位置、力量信號反饋給數(shù)據(jù)手套，手套根據(jù)這些信息啟動觸覺執(zhí)行機構，執(zhí)行機構對用戶進行各種按摩動作，從而使用戶產(chǎn)生各種觸覺感知。虛擬聲源可增至16個，對每個聲源可處理6個傳播途徑，障礙物反射系數(shù)以及位置都可以設置。Convolvotron系統(tǒng)可以模擬4個獨立的靜態(tài)和動態(tài)聲源，它采用磁性定位系統(tǒng)來跟蹤用戶的運動，計整合成的聲音。三維虛擬聲音與人們熟悉的立體聲是有本質(zhì)不同的，立體聲雖有左右聲道之分，但聽起來總在某個平面之內(nèi)；三維虛擬聲音能使用戶感到聲源恰好處在客觀世界的經(jīng)驗應該所在的位置，它可能在用戶的前、后方，也可能在用戶的左、右面，又可能在上、下方。無疑，用戶在具有視聽配合的虛擬環(huán)境中能獲取更多的信息。工程師可以利用這個虛擬環(huán)境評價產(chǎn)品的公差、選擇零部件的裝配順序、確定裝拆工藝并將結果進行可視化處理。在進行虛擬裝配時，設計人員可以獲得許多有關產(chǎn)品的設計和制造工藝信息。由于現(xiàn)行的CAD系統(tǒng)和虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)不能很好地融合，因此阻礙了虛擬裝配技術的應用。在產(chǎn)品設計中最常見的也是最難發(fā)現(xiàn)的問題就是裝配和維修方面的問題，這些問題往往當零件進行裝配時，甚至在進行維修時才會反映出來，這樣會造成極大的浪費，甚至會威脅到公司的生存。最理想的情況是設計者不必定義制控點位置便可直接建立具有自由表面的形體，實現(xiàn)快速的概念設計。這樣的設計原理允許設計者使用高級幾何形體(如表面模型、實體模型等)來進行產(chǎn)品形體設計，而不再采用低級的實體(面、邊、頂點等)。2002年10月Journal of KunmingUniversity of Science and Technology Oct。在概念設計階段，人們需要研究大量可行的設計方案，從而確定經(jīng)濟效益最好的設計?！? 第3章 虛擬設計３．1虛擬設計技術產(chǎn)品設計過程可以概括分為兩個步驟：概念設計(Conceptual Design)和構型設計(Configuration Design)[1]。為了達到這一目的，必須研究虛擬現(xiàn)實的開發(fā)工具。(3)立體顯示和傳感器技術虛擬現(xiàn)實的交互能力依賴于立體顯示和傳感器技術的發(fā)展。三維數(shù)據(jù)的獲取可以采用CAD技術(有規(guī)則的環(huán)境)，而更多的環(huán)境則需要采用非接觸式的視覺建模技術，兩者的有機結合可以有效地提高數(shù)據(jù)獲取的效率。④控制模塊：對傳感器進行控制，使其對用戶、虛擬環(huán)境和現(xiàn)實世界產(chǎn)生作用。如果單純從仿真、多媒體、虛擬現(xiàn)實三者的概念角度來講，它們的關系也可用圖4來表示。VR系統(tǒng)依賴于仿真引擎來推動虛擬世界時間的流逝，處理交互事件、對象的行為，模擬自然規(guī)律并決定虛擬世界的狀態(tài)。在硬件上，實現(xiàn)較理想的VR系統(tǒng)需要有頭盔顯示器、數(shù)據(jù)手套/數(shù)據(jù)服、高性能計算機等。(5)混合系統(tǒng)(Mixed Reality)：是遙控系統(tǒng)和VR系統(tǒng)的集成。這種系統(tǒng)的一種實現(xiàn)方案是使用頭盔顯示器提供視場和音效，另外一種方法就是用多個投影顯示建造一個”洞穴”或房間，觀察者站在其中。這也是目前應用最多、實現(xiàn)最方便、最經(jīng)濟的一類VR系統(tǒng)。 VR的特點及類型理想的VR系統(tǒng)應具有如下的幾個特點： (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)則自主運動。虛擬環(huán)境技術的體系結構可以用圖２所示的3I”三角形”來表示，所謂的”3I”是：ImmersionInteractionImagination(沉浸交互構想)。不過大多數(shù)人認為，雖然Gibson最早提出了VR一詞，但真正賦與VR科學含義的應是美國的計算機科學家Jaron Lanier，他于1989年提出使用虛擬現(xiàn)實一詞來統(tǒng)一表述新的人機交互技術。隨著計算機技術的迅猛發(fā)展，這項技術的應用有著十分廣闊的前景。如流體力學等學科發(fā)展了相似理論，開展了大規(guī)模的模型實驗、風洞實驗，推動了流體機械、航空、航天、導彈等飛行器的發(fā)展。仿真技術大體上可分為三類。隨著模擬技術的發(fā)展，逐步采用易于實現(xiàn)的物理過程來描述、分析、研究、再現(xiàn)給一定的對象。２．１什么是仿真仿真Simulation屬于一門基礎性學科，仿真就是利用模型進行的一種試驗，它可極為有效而經(jīng)濟地用于科研設計訓練以及系統(tǒng)的試驗。即需要仿真系統(tǒng)具有超越現(xiàn)實的虛擬性。結果顯示與處理就是將數(shù)值模擬的結果可視化并經(jīng)處理得出工程上有意義的量和結論。隨著虛擬現(xiàn)實技術的發(fā)展，基于更新的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)MultiGen（Open Creator Vega）、WTK(World Tool Kit)、STK(Satellite Tool Kit)的虛擬現(xiàn)實仿真系統(tǒng)正在研究和開發(fā)中，預期在不久的將來，這些新的系統(tǒng)將會面世。接著，北京航空航天大學管理系統(tǒng)仿真實驗室又提出并實現(xiàn)了在虛擬現(xiàn)實仿真環(huán)境下進行序貫決策的實驗系統(tǒng)，可在虛擬環(huán)境中進行飛機裝配過程的序貫決策，并在互聯(lián)網(wǎng)上進行了虛擬現(xiàn)實仿真實驗，與此同時，美國喬治亞理工學院在2000年也提出基于VRML的虛擬現(xiàn)實仿真系統(tǒng)并實現(xiàn)了在制造系統(tǒng)中的應用。這些仿真系統(tǒng)研究開發(fā)的思想和方法，為進一步和開發(fā)虛擬現(xiàn)實仿真系統(tǒng)鋪平了道路。1996年，Arnold H．Buss在離散系統(tǒng)仿真機制的基礎上，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。 虛擬現(xiàn)實仿真是一門以系統(tǒng)科學、計算機科學和概率論與數(shù)理統(tǒng)計學為基礎，結合各應用領域的技術特點和應用中的需要，逐漸發(fā)展起來的邊緣性技術，同時它也是一門實驗性科學，隨著各門學科的發(fā)展，虛擬現(xiàn)實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。下面的例圖１總結了幾個世紀以來產(chǎn)品設計的演變過程。第1章 緒論伴隨著科學的不斷發(fā)展，人類社會步入了嶄新的世紀。每一次新科技的出現(xiàn)，都會給產(chǎn)品設計的途徑、方式帶來新的發(fā)展和變化。仿真與虛擬技術應用到產(chǎn)品設計中，更會體現(xiàn)出它的很多優(yōu)勢，給設計業(yè)帶來全新的理念和方式。M．Barnes討論了虛擬現(xiàn)實和系統(tǒng)仿真結合所需要的方法和硬件設備。通過面向過程的機制，構成了可在任何Java開發(fā)環(huán)境中應用的仿真支持系統(tǒng)，為用戶提供建模的方便性。北方交通大學在1999年設計了基于OpenGL的三維交通模擬系統(tǒng)；北京航空航天大學管理系統(tǒng)仿真實驗室在1999年利用虛擬現(xiàn)實模擬語言（VRML）提出了可在PC機上運行的虛擬現(xiàn)實仿真系統(tǒng)的構想，并實現(xiàn)但服務臺排隊系統(tǒng)的虛擬現(xiàn)實仿真。如虛擬樣機開發(fā)、虛擬裝備和虛擬訓練系統(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。數(shù)值模擬是根據(jù)仿真模型的特點選擇合適的數(shù)值求解技術, 對仿真過程進行全方位的求解, 目前應用最廣泛的包括有限元方法、有限差分法等。另一方面, 某些實際應用領域希望從仿真系統(tǒng)中得到在真實世界中無法親身體驗到的感受, 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。這個環(huán)境就是計算機虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)(VRS) , 在此環(huán)境中從事設計的技術稱之為虛擬設計(VD)。在科技領域，人們常用實物試驗和理論分析，對現(xiàn)實對象進行研究。特別是隨著電子計算機技術的發(fā)展，仿真技術更成為現(xiàn)代科學研究的強大、有效的工具。這種試驗真實可靠、效果直觀，但耗費大。計算機仿真成本低，操作方便快捷，計算準確。２．２什么是虛擬現(xiàn)實（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模擬生成的世界之中，他稱這個世界為Virtual Reality。虛擬現(xiàn)實技術是指利用人工智能、計算機圖形學、人機接口技術、多媒體技術、網(wǎng)絡技術、電子技術、機械技術、視聽技術等高新技術模擬人在特定環(huán)境中視、聽、動等行為的高級人機交互技術。也就是說，在VR系統(tǒng)中，人們的目的是使計算機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，而不是強迫人去”湊合”那些不很親切的計算機系統(tǒng)。這個概念