【正文】 ★ 2/26/2023 92 第 14章 虛擬設(shè)計(jì) 先進(jìn)設(shè)計(jì)系統(tǒng) 本章的復(fù)習(xí)思考題 ? 什么是虛擬設(shè)計(jì) ? ? 虛擬設(shè)計(jì)有哪些特點(diǎn) ? ? 虛擬設(shè)計(jì)系統(tǒng)的有哪些基本硬件 ? ? 虛擬設(shè)計(jì)與虛擬原型的聯(lián)系與主要區(qū)別是什么？ ? 虛擬概念設(shè)計(jì)的原理是什么？ ? 虛擬裝配設(shè)計(jì)的原理是什么？ ? 虛擬工效學(xué)設(shè)計(jì)的原理是什么？ ? 什么是虛擬原型技術(shù)？ ? 虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)有哪些相關(guān)技術(shù) ? ★ 2/26/2023 93 第 14章 虛擬設(shè)計(jì) 先進(jìn)設(shè)計(jì)系統(tǒng) 演講完畢，謝謝觀看！ 。 ? VD是 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù) 在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中 的應(yīng)用或?qū)崿F(xiàn)。 ? 它與 虛擬制造、虛擬樣機(jī)、仿真、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、虛擬企業(yè)、可視化、多媒體技術(shù) 等概念有相對(duì)獨(dú)立性。 2/26/2023 90 第 14章 虛擬設(shè)計(jì) 先進(jìn)設(shè)計(jì)系統(tǒng) 虛擬電廠設(shè)計(jì) 圖 1434 深圳大亞灣核電廠 2/26/2023 91 第 14章 虛擬設(shè)計(jì) 先進(jìn)設(shè)計(jì)系統(tǒng) 本章總結(jié) ? 本章介紹了 虛擬設(shè)計(jì) VD的概念、原理、結(jié)構(gòu)、硬件、軟件和應(yīng)用系統(tǒng)。 ? 若采用 VR設(shè)計(jì)，可以省去這個(gè)投資。 ? 熱電廠，包括核電廠的設(shè)計(jì)，是一件非常復(fù)雜的工作。 ? 在設(shè)計(jì)過程的各個(gè)階段， 可以不斷地利用仿真系統(tǒng)來驗(yàn)證假設(shè)， 既可以減少費(fèi)用和制造模型的時(shí)間， 又可以滿足產(chǎn)品多樣化的要求。 ? 設(shè)計(jì)還需受到生產(chǎn)、時(shí)間以及費(fèi)用等互相制約條件的限制。 2/26/2023 86 第 14章 虛擬設(shè)計(jì) 先進(jìn)設(shè)計(jì)系統(tǒng) 虛擬人因?qū)W設(shè)計(jì) 圖 1432 虛擬環(huán)境 中 人因?qū)W模型系統(tǒng)“ Ramsis” 2/26/2023 87 第 14章 虛擬設(shè)計(jì) 先進(jìn)設(shè)計(jì)系統(tǒng) 虛擬人因?qū)W設(shè)計(jì) 例 6 汽車的人因?qū)W評(píng)價(jià)系統(tǒng) 圖 1433 ? 在設(shè)計(jì)制造一種新型汽車時(shí)，人們自然會(huì)提出許多的要求。 ? 將這個(gè)人因?qū)W模型引入虛擬環(huán)境，人們便可操縱一個(gè)虛擬人使它移動(dòng)到不同位置，用戶可為虛擬人選定視點(diǎn)和坐姿。 ? 這個(gè)系統(tǒng)可用來客觀地評(píng)價(jià)汽車駕駛室的人因?qū)W性能。 4)結(jié)果。減速器的虛擬裝配環(huán)境采用圖 1429五層結(jié)構(gòu) 3) 裝配方法。 2）虛擬環(huán)境生成。 所用的開發(fā)平臺(tái) 。 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)配置是基于一臺(tái)微機(jī)，PentiumⅣ 的 CPU，內(nèi)存為 256M，硬盤空間為 20G，安裝 。 ? 缺點(diǎn)： 精度不夠高，在裝配零件之間產(chǎn)生干涉或縫隙。 ? 硬件： 水平顯示裝置，數(shù)據(jù)手套，跟蹤傳感器，立體眼鏡。 ? 優(yōu)點(diǎn) ：可以使多個(gè)用戶在相互討論的情況下同時(shí)在水平的屏幕上設(shè)計(jì) 3D裝配體，直觀而方便地在屏幕上移動(dòng)多個(gè)模型，不需要建模，提高了效率。用戶可以 跟蹤、存儲(chǔ)所有的動(dòng)作和場(chǎng)景 ，并可再次播放。 ? 若需要詳細(xì)觀察，可進(jìn)行 場(chǎng)景凍結(jié)。 ? 利用 VDS，人們可以 為特定的零件開發(fā)專用工具 ，檢查零件拆裝是否方便，零件安裝有關(guān)困難等等。 ? 安裝發(fā)動(dòng)機(jī)的過程與拆卸類似，只是過程相反。 ? 若要進(jìn)行拆卸，首先打開虛擬的發(fā)動(dòng)機(jī)艙門，把拖車放到發(fā)動(dòng)機(jī)的下面，然后用千斤頂將拖車頂?shù)揭欢ǖ母叨?。這個(gè) VDS首先用來研究發(fā)動(dòng)機(jī)的拆裝過程，尤其是用來發(fā)現(xiàn)拆裝過程中發(fā)動(dòng)機(jī)是否可能與其他零件發(fā)生干擾 。 ? VADE系統(tǒng)配置見圖 1427。 ? 利用該系統(tǒng)，設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)工作初期，便可考慮有關(guān)裝拆的問題，以避免這些方面的缺陷，可以獲得裝配軌跡和裝配順序等信息。它包括 ? VR技術(shù)、 ?高級(jí)可視化技術(shù)、 ?仿真技術(shù)、 ?決策理論、 ?裝配制造工藝及工具的開發(fā)等。這些信息對(duì)裝配工藝的選擇具有很大的意義，因此也影響著設(shè)計(jì)方案的選擇。 ? 利用虛擬裝配技術(shù)獲得裝配信息。 產(chǎn)品設(shè)計(jì)中最常見的、最難發(fā)現(xiàn)的問題就是裝配和維修方面的問題。定義： 無需產(chǎn)品或支撐過程的物理實(shí)現(xiàn)，只需通過分析、實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?、可視化和?shù)據(jù)表達(dá)等手段，利用計(jì)算機(jī)工具來安排或輔助與裝配有關(guān)的工程決策 。也可把設(shè)計(jì)者的手看作一種虛擬的成型工具，用戶來創(chuàng)建或修改對(duì)象類似于陶匠塑造陶器。 2） 在表面修改模式下，設(shè)計(jì)者 可以對(duì)物體的材料類型 （選擇塑性的或彈性的）， 表面特征 （ 為對(duì)象表面添加“凸臺(tái)” 或“過渡曲面” 等） 進(jìn)行變更； 也可利用系統(tǒng)提供的虛擬工具 對(duì)物體表面進(jìn)行精細(xì)的修改。 1） 它能夠?yàn)橛脩籼峁┮粋€(gè)快速檢查、修改設(shè)計(jì)的環(huán)境，它提供了基于語音識(shí)別和手勢(shì)跟蹤的 交互式修改模式 ，設(shè)計(jì)者可方便地修改對(duì)象的參數(shù)或自由表面的形狀。 ? 例 3 發(fā)出語言命令：“創(chuàng)建立方體，長 10，寬 10，高 5”， 則添加一個(gè)立方體 ? 例 4 “放置對(duì)象： X=10， Y=10， Z=10”，則可改變對(duì)象的位置和方位 2/26/2023 73 第 14章 虛擬設(shè)計(jì) 先進(jìn)設(shè)計(jì)系統(tǒng) 虛擬概念設(shè)計(jì) （ 3） VR技術(shù)。 ? 例 2 需要繪制具有自由表面的零件時(shí)，設(shè)計(jì)者可以發(fā)出口令：“繪制這樣形狀的零件”，同時(shí)通過手的移動(dòng)來定義零件的形狀。 ? 例 1 設(shè)計(jì)者可以在手勢(shì)描述的同時(shí)發(fā)出語言命令：“這么寬、這么高”（當(dāng)說到“這么”時(shí)，設(shè)計(jì)者手的位置確定了零件模型的尺寸）。還消除了鼠標(biāo)、鍵盤等輸入方式對(duì)用戶的限制。 它為了更好地模擬自然的交互方式， 把語音命令和手勢(shì)命令配合起來， 用以定義零件的形狀尺寸。（傳統(tǒng)的 CAD，自由式建模常采用“制控點(diǎn)”法來定義設(shè)計(jì)對(duì)象的表面。 2）自由式建模。它提供兩種建模方式： 1）參數(shù)建模。 ? 輸出部分 若用頭盔式顯示器 HMD，需把計(jì)算機(jī)的視頻信號(hào)轉(zhuǎn)為 HMD可接受的信號(hào)。 ? 其應(yīng)用部分 需要加工數(shù)據(jù)以確定用戶及其手的位置，要用到碰撞檢測(cè)技術(shù)，以判斷手與零件模型之間是否進(jìn)行了交互。 ? COVIRDS的虛擬環(huán)境生成器 相當(dāng)于 CAD軟件的應(yīng)用部分。（ 3） VR技術(shù)。 ? 該 系統(tǒng) 克服了 CAD建模的上述缺點(diǎn)， 該系統(tǒng)包含三項(xiàng)技術(shù)： ? （ 1） CAD建模軟件。 ? 傳統(tǒng)的 CAD系統(tǒng) 往往采用一維的鍵盤和二維的鼠標(biāo)作為輸入工具，無法與三維環(huán)境進(jìn)行 流暢地交互 。產(chǎn)品在該階段，其形狀及精確尺寸尚未定死，設(shè)計(jì)人員有一定的變更自由。 它的名稱很多，如： ? 三維鼠標(biāo) (3D Mouse)， ? 空間鼠標(biāo) (Space Mouse)， ? 立體鼠標(biāo) （ Cubic Mouse）， ? 6自由度鼠標(biāo) (6DOF Mouse)， ? 空間球 (Space Ball)， ? 三維球 (3 Ball)等， ? 其外形如圖 1424所示。 ? 多個(gè)接收器同時(shí)工作時(shí)，可以同時(shí)測(cè)定各部位的位置和方向，鳥標(biāo)族的 實(shí)時(shí)圖形顯示功能 很強(qiáng)。 ? 功能： 鳥標(biāo)族可以同時(shí)跟蹤 30個(gè)接受器，可以全面地跟蹤人體的各部分活動(dòng)。 圖 1422 鳥標(biāo) 2/26/2023 63 第 14章 虛擬設(shè)計(jì) 先進(jìn)設(shè)計(jì)系統(tǒng) 外圍部分 ? 鳥標(biāo)族 Flok of Birds TM ? 組成 ：由 4個(gè)鳥標(biāo)主體。 是一種 6自由度圖形輸入 裝置，名為 鳥標(biāo) Bird TM ? 組成：鳥標(biāo)的 主體 ， 接收器 和一個(gè) 6DOF鼠標(biāo) 。 ? 它的確是一種很理想的數(shù)據(jù)輸入工具，但由于 結(jié)構(gòu)復(fù)雜、過于笨重以及標(biāo)定困難 等問題，目前難以普通采用 。包括膝蓋、手臂、軀干和腳。 ? 數(shù)據(jù)手套 中測(cè)量５個(gè)手指的彎曲一般用 12根或 15根光維導(dǎo)線。 圖 1421 數(shù)據(jù)手套的工作原理 2/26/2023 61 第 14章 虛擬設(shè)計(jì) 先進(jìn)設(shè)計(jì)系統(tǒng) 外圍部分 7）數(shù)據(jù)衣 ? 它是一種利用人體姿勢(shì)的計(jì)算機(jī)輸入系統(tǒng)。 ? 用同步命令可以使用左、右手套。 ? 由主機(jī)通過 25條指令集進(jìn)行控制。 ? 其傳感器輸出和彎曲角度成線性關(guān)系，因此對(duì)于關(guān)節(jié)彎曲極點(diǎn)，分辨率不會(huì)下降。 ? 它是一種高精度設(shè)備，能夠提供準(zhǔn)確而連續(xù)的輸出。 2/26/2023 59 第 14章 虛擬設(shè)計(jì) 先進(jìn)設(shè)計(jì)系統(tǒng) 外圍部分 ? Cyber Glove有 22個(gè)傳感器，每個(gè)手指有三個(gè)彎曲傳感器和一個(gè)外展肌傳感器。 ? Cyber Glove是 Cyber CAD虛擬設(shè)計(jì)環(huán)境中虛擬技術(shù)一個(gè)理想的接口設(shè)備，被廣泛用來創(chuàng)建、終止、定位三維物體。 2/26/2023 58 第 14章 虛擬設(shè)計(jì) 先進(jìn)設(shè)計(jì)系統(tǒng) 外圍部分 6）數(shù)據(jù)手套 ? 它是最有用的三維輸入工具。 通過分析 9個(gè)場(chǎng)強(qiáng)數(shù)據(jù)的便可計(jì)算出頭部的位置和方向。 ? 力覺反饋裝置 一般對(duì)力經(jīng)過適當(dāng)縮放，主要應(yīng)用于虛擬雕刻和裝配。 ? 常見的模擬不同 觸覺紋理的方法 是，利用電信號(hào)或振動(dòng)來刺激人手的相應(yīng)特征。 ? 動(dòng)覺反饋 也可歸屬于 力覺反饋 的范圍，它主要向用戶提供 沖力和動(dòng)感。 ? 在三維聲場(chǎng)中，聲音會(huì)根據(jù)具體的視覺場(chǎng)景使用戶聽到的聲音好象發(fā)自相應(yīng)的物體，從而使用戶感到虛擬環(huán)境更加真實(shí)。 ? 三維聲音處理包括聲間合成、 3D聲音定位和語言識(shí)別。 ? 立體眼鏡（圖 1418）的 鏡片由液晶快門組成，通電后能實(shí)現(xiàn)高速（ 60Hz）的左右切換，讓用戶左右眼看到的圖像不相同，并融合圖像為單一的場(chǎng)景和景深，從而產(chǎn)生立體感覺 。 圖 1417 V8TM頭盔的機(jī)械調(diào)節(jié)部位 2/26/2023 54 第 14章 虛擬設(shè)計(jì) 先進(jìn)設(shè)計(jì)系統(tǒng) 外圍部分 2）立體眼鏡。 ? 優(yōu)點(diǎn)：沉浸感強(qiáng)、 用戶行走自由等。 圖 1416 V8TM頭盔的外形 （重 1kg） 2/26/2023 53 第 14章 虛擬設(shè)計(jì) 先進(jìn)設(shè)計(jì)系統(tǒng) 外圍部分 ? 圖 1417 表示了該頭盔的機(jī)械調(diào)節(jié)部位。 ? 它一般有兩個(gè)液晶顯示器協(xié)調(diào)工作，為用戶實(shí)時(shí)提供三維立體圖像。 ? 它要配合頭部跟蹤設(shè)備一起使用。 ? 它是一種比較高級(jí)的視覺顯示裝置。 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(jī)、觸覺反饋裝置等 ， 以及能測(cè)定視線方向、識(shí)別手勢(shì)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。 ? 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(xì)節(jié)。但不同于要求很高的真實(shí)感圖像。 ? ⑵成像質(zhì)量較好。 2/26/2023 50 第 14章 虛擬設(shè)計(jì) 先進(jìn)設(shè)計(jì)系統(tǒng) 虛擬環(huán)境生成器 ? VDS中的三維圖像 與傳統(tǒng)的 計(jì)算機(jī)三維圖形 在成像技術(shù)上有下列不同： ? ⑴成像速度快。 ? 普通立體圖形的透視圖， 只考慮了單個(gè)視點(diǎn)，左右眼視線交于屏幕的同一點(diǎn)。 2/26/2023 49 第 14章 虛擬設(shè)計(jì) 先進(jìn)設(shè)計(jì)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(diǎn)，分別計(jì)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(dú)立運(yùn)動(dòng)的，顯示的圖像是根據(jù)對(duì)應(yīng)單只眼的視點(diǎn)坐標(biāo)分別計(jì)算出來的。 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。 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。 這是最基本的圖形，它實(shí)際是在二維屏幕展示具有三維效果的圖形。人腦對(duì)這種代替光波進(jìn)行解釋，供用戶產(chǎn)生可以看見真實(shí)世界的感受。 ? 在用計(jì)算機(jī)產(chǎn)生虛擬圖像時(shí)， 應(yīng)考慮到：人是用兩只眼睛從稍稍不同的觀察點(diǎn)觀