【文章內(nèi)容簡介】 nvolvotron和一個Beachtron同時工作。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(shè)置。虛擬觸覺主要是通過數(shù)據(jù)手套來實現(xiàn)的。用戶的大腦向手發(fā)出動作的命令，手根據(jù)來自大腦的命令做出不同的手勢動作。手的動作啟動數(shù)據(jù)手套的傳感器，傳感器將手的動作數(shù)據(jù)傳給計算機，計算機根據(jù)一定的算法來指揮虛擬手的運動。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(gòu)，執(zhí)行機構(gòu)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。另外用戶也可以通過視覺、聽覺對手的動作得到附加反饋。接觸反饋和力量反饋對一個虛擬設(shè)計系統(tǒng)非常重要，但是人們在這個方面的研究相對不足，因此在今后一個階段這個方面的研究將是虛擬現(xiàn)實技術(shù)的研究重點，一旦在這個方面有所突破，那必將大大推動虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展。３．2虛擬設(shè)計系統(tǒng)的構(gòu)成將虛擬技術(shù)應(yīng)用于產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計，我們可以稱之為虛擬設(shè)計。虛擬設(shè)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(shè)計系統(tǒng)，另一種是基于工作站的高檔產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計系統(tǒng)。兩種設(shè)計系統(tǒng)的構(gòu)成原理是大同小異的。圖7是典型的虛擬設(shè)計系統(tǒng)的構(gòu)造示意圖。 由圖可以看出，一般的虛擬設(shè)計系統(tǒng)都包括兩部分：一是虛擬環(huán)境生成器，這是虛擬設(shè)計系統(tǒng)的主體，另一個是外圍設(shè)備(人機交互工具以及數(shù)據(jù)傳輸、信號控制裝備)。虛擬環(huán)境生成器是虛擬設(shè)計系統(tǒng)的核心部分，它可以根據(jù)任務(wù)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(wù)所需的、多維的、適人化的情景和實例。它由計算機基本軟硬件、軟件開發(fā)工具和其他設(shè)備組成，實際上就是一個包括各種數(shù)據(jù)庫的高性能的圖形工作站。虛擬設(shè)計系統(tǒng)的交互技術(shù)是虛擬設(shè)計優(yōu)勢的體現(xiàn)。目前虛擬設(shè)計系統(tǒng)的交互技術(shù)主要集中于三個方面：觸覺、聽覺、視覺。這三個方面的輸入和輸出設(shè)備是虛擬交互的主要方式。例如：頭盔式顯示器、數(shù)據(jù)手套、三位聲音處理器、視點跟蹤、數(shù)據(jù)衣、語音輸入等等，都是現(xiàn)在已經(jīng)研究開發(fā)出來的輸入輸出設(shè)備。３．３虛擬設(shè)計技術(shù)應(yīng)用1998年，美國航空航天局向新聞界公布了火星表面圖像，這些圖像逼真清晰，給人以身臨其境之感，它們是根據(jù)火星探測器發(fā)回的大量數(shù)據(jù)應(yīng)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)合成的。那么，虛擬現(xiàn)實技術(shù)是怎樣起源的呢?它起源于遠程操作，即在人無法到達或有危險的環(huán)境中使用機器人，而人則在與其類似的虛擬環(huán)境中控制機器人進行操作。從本質(zhì)上說，虛擬現(xiàn)實技術(shù)并非一門全新的技術(shù)，它是計算機圖形學(xué)、機器人學(xué)、人機工程學(xué)、機械學(xué)、控制理論和認知科學(xué)的綜合和延伸。隨著計算機技術(shù)尤其是多媒體技術(shù)的迅速發(fā)展，虛擬現(xiàn)實技術(shù)已成為計算機科學(xué)中發(fā)展最快的領(lǐng)域之一。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。現(xiàn)在廣泛用于各兵種部隊的戰(zhàn)術(shù)研究、演習(xí)、模擬訓(xùn)練和培訓(xùn)等，戰(zhàn)斗實驗室已成為數(shù)控戰(zhàn)士的戰(zhàn)場?！彼玖畈寇娛卵萘?xí)”也已成為一種軍事演習(xí)的重要形式，這類演習(xí)可用于為未來戰(zhàn)爭組織裝備、主導(dǎo)原則和綜合訓(xùn)練等決策提供參考數(shù)據(jù)。美國航空航天局埃姆斯研究中心還建立了一座虛擬實驗室，它所擁有的飛機模型器無論從規(guī)模上還是從逼真程度來看都處于世界之最，主要用于研究現(xiàn)在的或擬議中的飛機飛行控制、制導(dǎo)、座艙顯示、自動化和操縱的品質(zhì)，它能夠獲得有關(guān)飛機性能的實時數(shù)據(jù)和視圖，并且航空研究人員和設(shè)計師坐在家里就可以”進入”該實驗室進行操作，其靈敏度遠遠高于現(xiàn)在的任何其他此類研究手段。國際企業(yè)管理挑戰(zhàn)賽的核心是一套完善的電腦軟件系統(tǒng)，它用模擬方式把一個企業(yè)在國際標準市場環(huán)境中所面臨的各種管理問題反映出來，參賽者作為虛擬企業(yè)的領(lǐng)導(dǎo)人就此進行決策。由于它與市場中變化莫測的真實商戰(zhàn)相吻合，國際上許多公司將其作為訓(xùn)練員工的手段。虛擬仿真技術(shù)已日漸成熟，如虛擬仿真技術(shù)的汽車演示廳，人們可以在汽車上面對虛擬道路。了解汽車的性能。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?，F(xiàn)在許多公司都把代理人模擬軟件視為企業(yè)經(jīng)營的有力工具。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)。虛擬公司和虛擬經(jīng)營策略越來越受到各大公司的青睞。早在1995年，華盛頓的中小學(xué)校就開始了虛擬教學(xué)。教室里沒有黑板和講臺，每個座位的前方都有特殊的頭盔和操縱桿。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(xué)。傳統(tǒng)的教學(xué)理論和教學(xué)實踐一直忽視形象思維的發(fā)展與完善，片面強調(diào)抽象思維，這是目前課堂教學(xué)普遍存在的枯燥、乏味、抽象、難懂的重要原因之一。美國加州和印第安納州之間的一堂關(guān)于宇航和太空知識的遠程教學(xué)課也是一個很好的實例。遠在美國東部印第安納州的教師和他的學(xué)生們一起出現(xiàn)在大屏幕電視上。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(xué)習(xí)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。同時課堂上還可以品嘗到宇航員常吃的脫水后的雞蛋、蘋果醬和冰激凌……在整個的教學(xué)活動中，孩子們都能和遠隔千里的老師交流自己的感受和體會所以說，利用虛擬技術(shù)就能實現(xiàn)形象思維教學(xué)，增強學(xué)生們的學(xué)習(xí)興趣，提高素質(zhì)教學(xué)的水平。虛擬教學(xué)已開始走向全球化，相信我國的教學(xué)在這一方面的應(yīng)用將越來越廣泛。“身臨其境”和”可視化”是虛擬現(xiàn)實技術(shù)的兩個最基本特征。他借助于計算機圖形學(xué)等技術(shù)手段，被譽為科學(xué)技術(shù)之眼，因而在工程技術(shù)設(shè)計方面顯示出無可比擬的優(yōu)越性。設(shè)計人員可以在交互式虛擬空間中精心設(shè)計，并對所涉及的產(chǎn)品加以觀察、操作和反復(fù)試驗。采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)的外形設(shè)計，可隨時修改、評測，方案確定后的建模數(shù)據(jù)可直接用于沖壓模具設(shè)計、仿真和加工，甚至用于廣告和宣傳。在其它產(chǎn)品(如飛機、建筑和裝修、家用電器、化妝品包裝等)的外形設(shè)計中同樣有極大的優(yōu)勢。在復(fù)雜產(chǎn)品的布局設(shè)計中，通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以直觀地進行設(shè)計，避免可能出現(xiàn)的干涉和其它不合理問題。例如，在復(fù)雜的管道系統(tǒng)設(shè)計中，采用虛擬技術(shù)，設(shè)計者可以”進入其中”進行管道布置，并檢查可能的干涉等問題。產(chǎn)品設(shè)計必須解決運動構(gòu)件工作時的運動協(xié)調(diào)關(guān)系、運動范圍設(shè)計、可能的運動干涉檢查、產(chǎn)品動力學(xué)性能、強度、剛度等。例如，生產(chǎn)線上各個環(huán)節(jié)的動作協(xié)調(diào)和配合是比較復(fù)雜的，采用仿真技術(shù)，可以直觀地進行配置和設(shè)計，保證工作的協(xié)調(diào)。用虛擬現(xiàn)實或三維動畫技術(shù)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(jié)構(gòu)、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(luò)進行的產(chǎn)品介紹，生動、直觀，廣告效果很好。網(wǎng)上漫游技術(shù)使人們能在城市、工廠、車間、機器內(nèi)部乃至圖樣和零部件之間進行漫游，直觀方便地獲取信息。虛擬產(chǎn)品更為網(wǎng)絡(luò)購物提供了方便３．４虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用到產(chǎn)品設(shè)計中的作用提高設(shè)計直觀性和真實性虛擬設(shè)計系統(tǒng)不同于一般的計算機輔助設(shè)計系統(tǒng)?，F(xiàn)在普遍應(yīng)用的計算機輔助設(shè)計并沒有從根本上、理念上改變原來的設(shè)計方式，只是用顯示器、鼠標和鍵盤取代了紙筆的設(shè)計。而虛擬設(shè)計系統(tǒng)中的設(shè)計人員，不必受到這些外界設(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。它不僅能讓設(shè)計者(用戶)真實的看到設(shè)計對象，而且可以感覺到它存在，并與之進行自然交互?，F(xiàn)在的產(chǎn)品三維設(shè)計只是在二維的平面顯示三維的物體，只能稱之為二維設(shè)計。而虛擬技術(shù)可以實現(xiàn)完全的三維立體設(shè)計。Burden G在1993年Electro國際會議上發(fā)表了題為”虛擬現(xiàn)實技術(shù)及其應(yīng)用”的文章，描述了虛擬現(xiàn)實技術(shù)的基本特征，既3I，(Imagination， Interaction，Immersion)。Imagination(想象)—虛擬設(shè)計系統(tǒng)中可以通過語音控制系統(tǒng)、配合數(shù)據(jù)手套等設(shè)備控制設(shè)計的過程，從而擺脫現(xiàn)在很多設(shè)計軟件、設(shè)計信息的反饋等條件的束縛，更能發(fā)揮出設(shè)計人員的想象力。Interaction(交互性)—虛擬設(shè)計系統(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)計軟件復(fù)雜的菜單、命令，使得設(shè)計人員不必花大量的時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。Immersion(沉浸感)—虛擬設(shè)計系統(tǒng)可以使設(shè)計者身臨其境的設(shè)計產(chǎn)品，沉浸在虛擬設(shè)計系統(tǒng)中，這是虛擬設(shè)計最大的特點?？s短設(shè)計流程，提高設(shè)計效率傳統(tǒng)的設(shè)計流程過程：如圖8所示：將虛擬設(shè)計應(yīng)用到流程后，可以省去原來的樣品試制，而且產(chǎn)品的實驗(試用)都是虛擬完成的，從而縮短產(chǎn)品設(shè)計周期、提高效率。國際上許多大的制造廠商都爭先在設(shè)計中引入虛擬技術(shù)，如：通用汽車公司(General Motors)、波音公司(Boeing Corporation)、英國航空公司(British Aerospace)等。其中波音公司的777飛機的設(shè)計就是采用了虛擬設(shè)計技術(shù)，開發(fā)周期從通常的8年減少到了5年。降低設(shè)計成本，提高產(chǎn)品競爭力在商品競爭日益激烈的今天，對于任何一個制造商而言，組合機床與自動化加工技術(shù)低產(chǎn)品成本無疑是應(yīng)該首先考慮的問題之一。在以往的產(chǎn)品設(shè)計中，光是實物模型和樣機的制作就花去了很多人力物力財力，還有對產(chǎn)品的實驗更是費時費力。波音公司在設(shè)計707客機機艙時，曾出資50萬美元，由設(shè)計師泰格(Walter DorwinTeague)和他的助手季更斯(Frank de Giudice)合作完成了1：1的機艙模型。為了對機艙座椅和食品服務(wù)艙進行人體工程分析試驗、模型被用于”模擬飛行”。虛擬技術(shù)可以虛擬產(chǎn)品建模，也可以對產(chǎn)品的性能進行物理仿真、動力學(xué)仿真，測試產(chǎn)品的性能和可靠性等等，從而降低成本，提高效率。虛擬設(shè)計技術(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)實的特征，如自主性、交互性、沉浸感等?？梢哉f虛擬設(shè)計技術(shù)是虛擬制造技術(shù)的重要組成部分，它目標明確、支持技術(shù)較為成熟、易于啟動。相信這項技術(shù)的優(yōu)先發(fā)展定會有助于實現(xiàn)真正意義上的虛擬制造。第4章 國內(nèi)外虛擬設(shè)計技術(shù)的研究現(xiàn)狀４．１國外虛擬設(shè)計技術(shù)的研究現(xiàn)狀美國是在VR技術(shù)方面最具權(quán)威性的國家。美國VR技術(shù)的研究水平基本上就代表國際VR發(fā)展的水平。美國數(shù)十年來虛擬技術(shù)的發(fā)展歷程基本上可分為三個階段:1970年代以前為第一階段；1980年代初到1980年代中期為第二階段。第