【正文】 這些外界設(shè)備的各種約束，可以通過虛擬設(shè)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。縮短設(shè)計(jì)流程，提高設(shè)計(jì)效率傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程過程：如圖8所示：將虛擬設(shè)計(jì)應(yīng)用到流程后，可以省去原來的樣品試制，而且產(chǎn)品的實(shí)驗(yàn)(試用)都是虛擬完成的，從而縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期、提高效率。虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)充分利用了模擬仿真技術(shù)，但它又不同于一般的模擬仿真技術(shù)，它具有虛擬現(xiàn)實(shí)的特征，如自主性、交互性、沉浸感等。1956年，Morton Heileg開發(fā)了一個(gè)叫做Sensorama的摩托車仿真器。1970年，美國的MIT林肯實(shí)驗(yàn)室研制出了第一個(gè)功能較齊全的HMD系統(tǒng)。1986年可謂碩果累累，F(xiàn)urness提出了一個(gè)叫作“虛擬工作臺(tái)（”Virtual Crew Station）的革命性概念；Robinett與合作者Fisher，Scott S，James Humphries，MichaelMcGreevy發(fā)表了早期的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)方面的論文“TheVirtual Environment Display System；Jesse Eichenlaub提出開發(fā)一個(gè)全新的三維可視系統(tǒng)，其目標(biāo)是使觀察者不要那些立體眼鏡、頭跟蹤系統(tǒng)、頭盔等笨重的輔助東西也能達(dá)到同樣效果的三維逼真的VR世界。進(jìn)入1990年代，迅速發(fā)展的計(jì)算機(jī)軟件、硬件系統(tǒng)使得基于大型數(shù)據(jù)集合的聲音和圖像的實(shí)時(shí)動(dòng)畫制作成為可能，越來越多的新穎、實(shí)用的輸入輸出設(shè)備相繼進(jìn)入市場(chǎng)，而人機(jī)交互系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也在不斷創(chuàng)新，這些都為虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的發(fā)展打下了良好的基礎(chǔ)。VECTA的子項(xiàng)目RAVE(RealAnd Virtual Environment)就是專門為在座艙內(nèi)訓(xùn)練飛行員而研制的。日本的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展在世界相關(guān)領(lǐng)域的研究中具有舉足輕重的地位，它在建立大規(guī)模VR知識(shí)庫和虛擬現(xiàn)實(shí)的游戲方面作出了很大的成就。東京大學(xué)廣瀨研究室重點(diǎn)研究虛擬現(xiàn)實(shí)的可視化問題。清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)和技術(shù)系對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)和臨場(chǎng)感等方面進(jìn)行了研究，例如球面屏幕顯示和圖像隨動(dòng)、克服立體圖閃爍的措施和深度感實(shí)驗(yàn)等方面都具有不少獨(dú)特的方法。由于這樣的實(shí)踐還處于剛剛起步階段，從而會(huì)遇到各種各樣的問題。3．?dāng)?shù)據(jù)縮減在硬件還不夠強(qiáng)大的情況下，若要保證足夠的圖像刷新率，CAD數(shù)據(jù)就需要轉(zhuǎn)換為多邊形格式并且很可能需要實(shí)施進(jìn)一步的縮減處理。第6章 仿真與虛擬設(shè)計(jì)未來發(fā)展方向仿真與虛擬設(shè)計(jì)系統(tǒng)大體可分為兩大類，即增強(qiáng)的可視化系統(tǒng)和基于虛擬現(xiàn)實(shí)的CAD系統(tǒng)。這樣的虛擬設(shè)計(jì)系統(tǒng)不需要進(jìn)行系統(tǒng)的培訓(xùn)就可以掌握，一般的設(shè)計(jì)人員稍加熟悉后便能成功地利用這樣的系統(tǒng)進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)?？梢钥闯?，基于虛擬現(xiàn)實(shí)的CAD系統(tǒng)將是虛擬設(shè)計(jì)系統(tǒng)的未來發(fā)展方向。在仿真建模、仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、仿真結(jié)果分析和模型的修正及維護(hù)等多個(gè)方面大大改善仿真系統(tǒng)的適應(yīng)性和仿真的準(zhǔn)確性, 形成高效的智能仿真系統(tǒng)。面向?qū)ο蟮姆抡婕夹g(shù)主要體現(xiàn)在2 個(gè)方面, 一是利用通用的面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)語言, 如C+ + Smalltalk 等, 建立仿真軟件包。 定性和定量模型的實(shí)時(shí)算法。虛擬產(chǎn)品方面,主要包括神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、電子商務(wù)系統(tǒng)和太空模擬系統(tǒng)等。只有當(dāng)真正開始涉及并找到對(duì)這些問題的技術(shù)實(shí)現(xiàn)途徑時(shí)，人和信息處理系統(tǒng)間的隔閡才有可能被徹底的克服了。我們必須清醒地認(rèn)識(shí)到，雖然這個(gè)領(lǐng)域的技術(shù)潛力是巨大的，應(yīng)用前景也是很廣闊的，但仍存在著許多尚未解決的理論問題和尚未克服的技術(shù)障礙?；A(chǔ)研究方面,早在1998年,美國克林頓總統(tǒng)就美國政府、學(xué)術(shù)界、產(chǎn)業(yè)界聯(lián)合開發(fā)下一代英特網(wǎng)發(fā)表國情咨文,并呼吁此行動(dòng)立即著手開始。 輔助模型的修正與維護(hù)等。分布式仿真主要研究的問題是仿真模型和實(shí)驗(yàn)的并行化分配, 以及有效的分布仿真環(huán)境的建立, 如靜、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)及模型和功能分割技術(shù), 防止通訊死鎖技術(shù)等。 并發(fā)仿真環(huán)境將作為并行設(shè)計(jì)技術(shù)的一種支撐技術(shù)而形成通用的支撐系統(tǒng)。T公司研制了一個(gè)語音識(shí)別和手勢(shì)跟蹤系統(tǒng)，它采用數(shù)據(jù)手套跟蹤手的位置，并依靠簡單的語音識(shí)別系統(tǒng)便可以進(jìn)行虛擬設(shè)計(jì)。它們提供各種輸入設(shè)備(數(shù)據(jù)手套、三維導(dǎo)航裝置等)與虛擬環(huán)境進(jìn)行交互。以上這些硬件問題是虛擬設(shè)計(jì)系統(tǒng)不能充分發(fā)揮其強(qiáng)大功能的主要障礙。2．?dāng)?shù)據(jù)接口目前所用的數(shù)據(jù)接口例如IGES(基本圖形轉(zhuǎn)換規(guī)范)只能提供幾何數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。另外，西北工業(yè)大學(xué)CAD/CAM研究中心，上海交通大學(xué)圖像處理及模式識(shí)別研究所，長沙國防科技大學(xué)計(jì)算機(jī)研究所、華東船舶工業(yè)學(xué)院計(jì)算機(jī)系、安徽大學(xué)電子工程與信息科學(xué)系等單位也進(jìn)行了一些工作和嘗試。另外，他們還研制出了在虛擬環(huán)境中一種新的快速漫游算法和一種遞進(jìn)網(wǎng)格的快速生成算法。東京大學(xué)的高級(jí)科學(xué)研究中心的研究重點(diǎn)主要集中在遠(yuǎn)程控制方面，他們最近的研究項(xiàng)目是可以使用戶控制遠(yuǎn)程攝像系統(tǒng)和一個(gè)模擬人手的隨動(dòng)機(jī)械人手臂的主從系統(tǒng)。德國的計(jì)算機(jī)圖形研究所（IGD）的測(cè)試平臺(tái)，用于評(píng)估VR對(duì)未來系統(tǒng)和界面的影響，以及向用戶和生產(chǎn)者提供通向先進(jìn)的可視化、模擬技術(shù)和VR技術(shù)的途徑。英國從事VR研究的機(jī)構(gòu)主要集中在以下四個(gè)中心：（1）Windustri（es工業(yè)集團(tuán)公司），以工業(yè)設(shè)計(jì)和可視化等重要領(lǐng)域而聞名于世。后來又出現(xiàn)了大量的VR建模語言，如：X3D，Java3D等。1984年，用于火星探測(cè)，將探測(cè)器發(fā)回地面的數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)，構(gòu)造了火星表面的三維虛擬環(huán)境。1967年,美國北卡羅來納大學(xué)開始了Grup計(jì)劃,探討力反饋（Force Feedback）裝置,該裝置將物理壓力通過用戶接口引向用戶，可以使人感到一種計(jì)算機(jī)仿真力。第三階段從1980年代末期至今。為了對(duì)機(jī)艙座椅和食品服務(wù)艙進(jìn)行人體工程分析試驗(yàn)、模型被用于”模擬飛行”。Interaction(交互性)—虛擬設(shè)計(jì)系統(tǒng)具有友好的交互界面，視覺輸出、語音輸入、觸覺反饋等系統(tǒng)改變現(xiàn)在的一些設(shè)計(jì)軟件復(fù)雜的菜單、命令，使得設(shè)計(jì)人員不必花大量的時(shí)間去熟悉軟件的使用，也可以不必收到軟件的格式、命令的約束。虛擬產(chǎn)品更為網(wǎng)絡(luò)購物提供了方便３．４虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用到產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的作用提高設(shè)計(jì)直觀性和真實(shí)性虛擬設(shè)計(jì)系統(tǒng)不同于一般的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)。采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的外形設(shè)計(jì)，可隨時(shí)修改、評(píng)測(cè)，方案確定后的建模數(shù)據(jù)可直接用于沖壓模具設(shè)計(jì)、仿真和加工，甚至用于廣告和宣傳。美國加州和印第安納州之間的一堂關(guān)于宇航和太空知識(shí)的遠(yuǎn)程教學(xué)課也是一個(gè)很好的實(shí)例。虛擬仿真技術(shù)的駕駛廳，可以幫助駕駛員在虛擬道路上訓(xùn)練等等。虛擬技術(shù)最初是美國航空航天局與軍事部門為了模擬訓(xùn)練而開發(fā)的。虛擬設(shè)計(jì)系統(tǒng)的交互技術(shù)是虛擬設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)的體現(xiàn)。接觸反饋和力量反饋對(duì)一個(gè)虛擬設(shè)計(jì)系統(tǒng)非常重要，但是人們?cè)谶@個(gè)方面的研究相對(duì)不足，因此在今后一個(gè)階段這個(gè)方面的研究將是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的研究重點(diǎn)，一旦在這個(gè)方面有所突破，那必將大大推動(dòng)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展。這里實(shí)現(xiàn)了立體聲和用戶運(yùn)動(dòng)跟蹤的結(jié)合。三維音響效果會(huì)增強(qiáng)用戶在虛擬環(huán)境中的沉浸感，并能幫助用戶與虛擬物體進(jìn)行更加成功的交互。頭盔式顯示器提供高質(zhì)量的三維圖形，電磁跟蹤裝置跟蹤探測(cè)用戶的頭部運(yùn)動(dòng)，頭盔的顯示可根據(jù)用戶的頭部自動(dòng)刷新。虛擬裝配設(shè)計(jì)技術(shù)的出現(xiàn)為徹底解決這個(gè)問題帶來了希望，它可以幫助設(shè)計(jì)人員及時(shí)地發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中的裝配缺陷。在許多CAD系統(tǒng)中，自由式建模常采用所謂”制控點(diǎn)”法來完成對(duì)對(duì)象表面的定義。利用這種系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算機(jī)建模，無須精確的尺寸定義。(5)系統(tǒng)集成技術(shù)由于虛擬現(xiàn)實(shí)中包括大量的感知信息和模型，因此系統(tǒng)的集成技術(shù)起著至關(guān)重要的作用。為了達(dá)到實(shí)時(shí)的目的，至少要保證圖形的刷新率不低于15幀/秒，最好是高于30幀/秒。②反饋模塊：接受來自傳感器模塊信息，為用戶提供實(shí)時(shí)反饋。對(duì)于一個(gè)系統(tǒng)，軟件是靈魂。這種技術(shù)是把真實(shí)世界中的遠(yuǎn)程傳感器與操作者的感覺聯(lián)系起來。根據(jù)交互界面的不同，可將VR系統(tǒng)分為幾種不同的類型：(1)世界之窗(Window on World SystemsWoW)：這種系統(tǒng)使用普通的計(jì)算機(jī)監(jiān)視器來顯示虛擬世界，用戶通過鍵盤、鼠標(biāo)來控制在虛擬世界中的運(yùn)動(dòng)，如同通過窗戶觀察世界一樣。 VR的概念虛擬現(xiàn)實(shí)(Virtual reality簡稱VR)，是人類與計(jì)算機(jī)和極其復(fù)雜的數(shù)據(jù)進(jìn)行交互的一種方法。這種仿真不受時(shí)空條件的限制，人為地在不同參數(shù)下運(yùn)行，可隨時(shí)引人更好的參數(shù)，從而確定系統(tǒng)的最佳模型和狀態(tài)。仿真技術(shù)則是模擬技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。近年來不斷涌現(xiàn)和迅速發(fā)展的高新技術(shù), 如計(jì)算機(jī)仿真建模、CAD/ CAM 及先期技術(shù)演示驗(yàn)證、可視化計(jì)算、遙控機(jī)器、計(jì)算機(jī)藝術(shù)等, 都有一個(gè)共同的需求, 這就是建立一個(gè)比現(xiàn)有計(jì)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。對(duì)于機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì), 仿真建模主要是用現(xiàn)代力學(xué)的理論與方法對(duì)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。在同一時(shí)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)。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(dòng)畫仿真環(huán)境的機(jī)制。產(chǎn)品設(shè)計(jì)就是這樣的一門學(xué)科。仿真與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是以計(jì)算機(jī)支持的仿真技術(shù)為前提的，對(duì)設(shè)計(jì)、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。Macredie在1996年闡述了虛擬現(xiàn)實(shí)仿真環(huán)境對(duì)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(jì)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(shí)控制創(chuàng)造了條件。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。仿真技術(shù)的本質(zhì)是對(duì)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(duì)系統(tǒng)進(jìn)行解析和設(shè)計(jì)。仿真技術(shù)是以控制理論相似原理數(shù)模與計(jì)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(jì)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(duì)實(shí)際的或設(shè)想的系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)試驗(yàn)研究的一門新興綜合性技術(shù)。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。但計(jì)算機(jī)仿真受建模能力