【文章內(nèi)容簡介】 型的功能。 2）不必有數(shù)據(jù)傳送的 VDS ， 在虛擬環(huán)境中建造模型，稱為 VRCAD系統(tǒng) 。 2/26/2023 35 第 14章 虛擬設(shè)計 先進設(shè)計系統(tǒng) 需要傳送數(shù)據(jù)的 VDS 圖 1411 VEDAM虛擬設(shè)計、裝配和制造系統(tǒng) 主界面 用 戶 數(shù)據(jù) 集成器 參數(shù)化 CAD/CAM系統(tǒng) VDE VAE VME MME VEDAM 2/26/2023 36 第 14章 虛擬設(shè)計 先進設(shè)計系統(tǒng) 需要傳送數(shù)據(jù)的 VDS ? 圖 1411一個設(shè)計、裝配和制造虛擬環(huán)境系統(tǒng)（ VEDAM）的基本原理。 ? VAE是虛擬裝配環(huán)境， VME是虛擬制造環(huán)境， VDE是虛擬設(shè)計環(huán)境。 ? 在本系統(tǒng)中， VDE、 VAE和 VME可獨立使用。 ? 參數(shù)化 CAD/CAM系統(tǒng)可以 Pro/Engineer，或 Auto CAD等。 1） MME。 它是用戶用“參數(shù)化 CAD/CAM系統(tǒng)”建造產(chǎn)品模型后的儲存處。 它是 VEDAM系統(tǒng)中唯一的一個不在沉浸環(huán)境中的模塊。 2）主界面。 它是用戶和虛擬環(huán)境交互的主要界面，它可以是頭盔中的顯示器，也可以是計算機屏幕、大投影屏幕。 3）數(shù)據(jù)集成器。 它是“模型管理器”的一部分，負責(zé)在虛擬環(huán)境和 CAD/CAM系統(tǒng)之間的雙向傳送數(shù)據(jù)的任務(wù)。 4） VEDAM的軟件配置。 ① C++，用于寫所有的對象類程序； ② Performer ，生成圖形； ③ Pro/Engineer，生成三維圖形。 圖 1411 VEDAM虛擬設(shè)計、裝配和制造系統(tǒng) 主界面 用 戶 數(shù)據(jù) 集成器 參數(shù)化 CAD/CAM系統(tǒng) VDE VAE VME MME VEDAM 2/26/2023 37 第 14章 虛擬設(shè)計 先進設(shè)計系統(tǒng) 需要傳送數(shù)據(jù)的 VDS (2)需要傳送數(shù)據(jù)的 VDS的組成 ? 該系統(tǒng)中有兩大分支： ①用于建立虛擬環(huán)境 主界面的對象類 ； ②用于開發(fā)虛擬環(huán)境中的 軟件工具的對象類 。 ? 每個分支所包含的對象類及其相互關(guān)系，圖 1412。 ? 該圖只表示各對象類之間的主要關(guān)系，有些對象類，如幾何類、參數(shù)類和兩大分支都有關(guān)系。 ? 對象類之間的錯綜關(guān)系在編制軟件時先編制一個相互關(guān)系的流程圖。 2/26/2023 38 第 14章 虛擬設(shè)計 先進設(shè)計系統(tǒng) 需要傳送數(shù)據(jù)的 VDS 圖 1412 需要傳送數(shù)據(jù)的虛擬設(shè)計系統(tǒng)的組成 2/26/2023 39 第 14章 虛擬設(shè)計 先進設(shè)計系統(tǒng) 需要傳送數(shù)據(jù)的 VDS （ 3）需要傳送數(shù)據(jù)的 VDS的開發(fā)步驟 1)確定一個設(shè)計的產(chǎn)品； 2)選定一個和虛擬環(huán)境協(xié)同工作的 CAD/CAM系統(tǒng)，了解其數(shù)據(jù)表達和傳送的機制，并用它來建造所要設(shè)計產(chǎn)品的零件和部件的三維模型； 3)確定一個需要建立的虛擬環(huán)境，明確其功能、規(guī)模和使用的硬件設(shè)備、工具軟件、編程語言及數(shù)據(jù)表達； 4)確定 CAD／ CAM系統(tǒng)和所要建立的虛擬環(huán)境之間的數(shù)據(jù)交換方式； 5)建立各對象類的模塊，明確各模塊之間的關(guān)系，集成起來，進行調(diào)試。測試雙向數(shù)據(jù)交換的效果和考核整體效果。 2/26/2023 40 第 14章 虛擬設(shè)計 先進設(shè)計系統(tǒng) 不需要傳送數(shù)據(jù)的 VDS ? VRCAD最主要的特點是 用戶直接在 3D虛擬環(huán)境中造型。 ? 基于這個特點 ， VRCAD系統(tǒng)的組成和建造方法 可歸納如下 ： 1)建立一個基本體系庫， 包括：長方體、圓柱體、球體、圓環(huán)體等，選擇一個在虛擬環(huán)境中建模工具軟件，如 WKTTM。 2)確定在虛擬環(huán)境中基本體素之間的交互方法。 選擇合適的硬件來完成交互操作，例如用手勢控制、聲音控制 。 3)確定用基本體素完成機械零部件造型以后所要求的精度。 對精度要求不高的場所，如概念設(shè)計階段，可采用一般的碰撞檢查方法；對精度要求高的場所，如需要完成零部件的詳細設(shè)計，可采用基于約束的方法或許用運動法等達到一定的裝配精度。 4)建造一個交互界面，觀察造型過程及結(jié)果， 選用不同的圖形顯示裝置，例如選用 PC及立體眼鏡。 2/26/2023 41 第 14章 虛擬設(shè)計 先進設(shè)計系統(tǒng) 虛擬設(shè)計系統(tǒng)的特點 ? VDS一般應(yīng)具有兩個基本模式：漫游模式和造型模式。 ? 在漫游模式下， 用戶可以在設(shè)計空間中，依靠手、眼的運動和語音命令的導(dǎo)航來查看已經(jīng)生成的幾何形體，系統(tǒng)為用戶提供實時三維圖象、聲音和觸覺反饋。 ? 在造型模式下， 用戶可以通過手、眼的運動和語音命令來創(chuàng)建和修改幾何形體．系統(tǒng)也為用戶提供視覺、聽覺和觸覺的反饋。設(shè)計人員在產(chǎn)品設(shè)計中可在兩種模式間方便地切換。 ? 用以定義用戶行為的結(jié)點網(wǎng)絡(luò)是建立界面結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，用戶的每一個行為都用網(wǎng)絡(luò)的一個結(jié)點來表示，由于一個行為的前后又有可供選擇的行為，因此這個網(wǎng)絡(luò)就形成了一個代表這個關(guān)系的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。 2/26/2023 42 第 14章 虛擬設(shè)計 先進設(shè)計系統(tǒng) 虛擬設(shè)計系統(tǒng)的特點 ? 初步的分析認(rèn)為與漫游模式和造型模式關(guān)系最密切的結(jié)點有 l0個 (也就是一種行為 )， 圖 1414。 ? 設(shè)計人員可以在這些結(jié)點間自由切換并通過語音命令來創(chuàng)建形體。 ? 例如， 生成形體的行為(結(jié)點② )可以后續(xù) 尺寸定義 (結(jié)點④ )和 定位 (結(jié)點⑤ )等行為。 圖 1414 虛擬設(shè)計系統(tǒng)的特點 2/26/2023 43 第 14章 虛擬設(shè)計 先進設(shè)計系統(tǒng) 虛擬設(shè)計系統(tǒng)的硬件配置 ? 虛擬環(huán)境生成器 ? 外圍部分 2/26/2023 44 第 14章 虛擬設(shè)計 先進設(shè)計系統(tǒng) 虛擬環(huán)境生成器 （ 1）功能與結(jié)構(gòu) ? 虛擬環(huán)境生成器的功能 是根據(jù)任務(wù)的性質(zhì)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、宜人化的情景和實例。 ? 它由計算機的基本軟硬件、軟件開發(fā)工具和其他配件（如聲卡、圖形卡等）組成，實際上就是一個包括各種數(shù)據(jù)庫的高性能圖形的計算機系統(tǒng)。數(shù)據(jù)庫包含著對虛擬對象的描述，以及對象運動、行為、碰撞等性質(zhì)的描述。 ? 它可能包括多臺計算機，這些計算機協(xié)調(diào)作業(yè)完成圖像的實時顯示以及處理其他各種數(shù)據(jù)。這個部分還包含著三維聲音處理器、計算機仿真模擬管理器和應(yīng)用系統(tǒng)等。 2/26/2023 45 第 14章 虛擬設(shè)計 先進設(shè)計系統(tǒng) 虛擬環(huán)境生成器 ? 幾何造型系統(tǒng)是 VDS的關(guān)鍵。 它提供描述虛擬物體外形、顏色、位置等的各種信息。 ? 圖 1414是一個采用了兩塊圖形加速卡的基本 PC機的 虛擬環(huán)境生成器。 ?圖中的兩塊三維圖形加速卡分擔(dān)了 CPU大量的計算任務(wù)，并減少了通過 PC總線的通信。 ?圖形命令由 CPU以壓縮形式發(fā)送給圖形卡，然后分別對兩眼視圖進行成像處理。 2/26/2023 46 第 14章 虛擬設(shè)計 先進設(shè)計系統(tǒng) 虛擬環(huán)境生成器 圖 1414 虛擬環(huán)境生成器 RGBNTSC轉(zhuǎn)換 頭盔式顯示器 三維聲卡 三維圖形加速卡 位置方向跟蹤 三維圖形加速卡 RGBNTSC轉(zhuǎn)換 CPU PC總線 2/26/2023 47 第 14章 虛擬設(shè)計 先進設(shè)計系統(tǒng) 虛擬環(huán)境生成器 （ 2） VDS中的三維立體圖像的顯示原理 ? 在現(xiàn)實世界中， 人看到各種物體，實際上看到的是物體反射過來的光波。人看到物體的顏色和現(xiàn)狀的同時，也看到了它的深度和運動。 ? 在用計算機產(chǎn)生虛擬圖像時， 應(yīng)考慮到：人是用兩只眼睛從稍稍不同的觀察點觀察三維景物的，然后大腦將這些稍有不同的觀察點組合成一個立體圖像，這樣人就能感到圖像的深度， 這就是人的立體視覺。 ? 在虛擬環(huán)境中， 人眼并未直接接收來自真實世界的反射光波，而是接收計算機生成的信號并由 VDS顯示設(shè)備轉(zhuǎn)換成可見光的光波。人腦對這種代替光波進行解釋，供用戶產(chǎn)生可以看見真實世界的感受。 2/26/2023 48 第 14章 虛擬設(shè)計 先進設(shè)計系統(tǒng) 虛擬環(huán)境生成器 ? 傳統(tǒng) CAD的立體圖形有三種： 1）采用線框圖構(gòu)成的三維圖形。 這是最基本的圖形，它實際是在二維屏幕展示具有三維效果的圖形。 2）三維實體圖形。 它是以各種顏色、圖案、紋理等填充過的圖形，在視覺上具有三維的效果。 3）三維立體圖形。 它借助于光照、濃淡和明暗技術(shù)，產(chǎn)生了真正的三維立體效果。 這三種都是由常見的二維圖解輸入 /輸出設(shè)備創(chuàng)建的，都不是 VDS中的三維圖形 。 2/26/2023 49 第 14章 虛擬設(shè)計 先進設(shè)計系統(tǒng) 虛擬環(huán)境生成器 ? VDS的三維圖形與一般圖形系統(tǒng)的立體圖形的主要區(qū)別是： ? 在 VDS中三維立體圖， 以左右眼為視點，分別計算它們的透視投影視圖，然后把這兩幅視圖信息分別送到左右眼顯示器，通常這種立體顯示設(shè)備在兩只眼鏡前面的顯示器是彼此獨立運動的，顯示的圖像是根據(jù)對應(yīng)單只眼的視點坐標(biāo)分別計算出來的。當(dāng)左右眼接收到圖像后，再通過大腦把左右眼個別觀察到的兩幅圖像疊加并融合到一起，便產(chǎn)生出一幅具有深度感的三維立體圖像。 ? 普通立體圖形的透視圖， 只考慮了單個視點，左右眼視線交于屏幕的同一點。它的視覺立體感效果是通過透視、消隱、陰影、紋理等處理而獲得的，其立體感不強，且常依賴于人的經(jīng)驗的想象。 2/26/2023 50 第 14章 虛擬設(shè)計 先進設(shè)計系統(tǒng) 虛擬環(huán)境生成器 ? VDS中的三維圖像 與傳統(tǒng)的 計算機三維圖形 在成像技術(shù)上有下列不同： ? ⑴成像速度快。 通常應(yīng)在 1/10~1/25s產(chǎn)生一幀圖像，而傳統(tǒng)計算機三維圖形需要幾分鐘甚至幾小時產(chǎn)生一幀圖像。 ? ⑵成像質(zhì)量較好。 具有較強的真實性。但不同于要求很高的真實感圖像。 ? ⑶采用關(guān)有接近人眼視覺深度成像模型。 ? ⑷能產(chǎn)生大范圍、復(fù)雜的環(huán)境圖像， 包括復(fù)雜的地形、建筑物等， 并能清楚地查看物體的細節(jié)。 2/26/2023 51 第 14章 虛擬設(shè)計 先進設(shè)計系統(tǒng) 外圍部分 ? 交互工具。 包括能為用戶提供各種感受的 輸出工具 ，如頭盔式顯示器、立體眼鏡、立體聲音耳機、觸覺反饋裝置等 ， 以及能測定視線方向、識別手勢和語言等的 輸入裝置 ，如頭部跟蹤器、數(shù)據(jù)手套、數(shù)據(jù)衣和空間跟蹤器等。 虛擬環(huán)境 生成器 聲音系統(tǒng) 語音命令 觸覺系統(tǒng) 手勢及動作 視覺系統(tǒng) 眼的運動 三維聲場 觸覺反饋 三維圖像 輸入 輸出 圖 1415 虛擬設(shè)計系統(tǒng)的主要交互方式 2/26/2023 52 第 14章 虛擬設(shè)計 先進設(shè)計系統(tǒng) 外圍部分 1)頭盔式顯示器 HMD ? HeadMounted Display ? 也有人稱它是 VR 眼鏡。 ? 它是一種比較高級的視覺顯示裝置。 ? 它將圖像直接提供給眼睛，而將所有的無關(guān)視覺信息進行過濾。 ? 它要配合頭部跟蹤設(shè)備一起使用。 ? 跟蹤設(shè)備將用戶頭部的位置及方向告訴計算機，計算機就可以調(diào)整用戶所要看到的視景。 ? 它一般有兩個液晶顯示器協(xié)調(diào)工作，為用戶實時提供三維立體圖像。圖