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【摘要】：虚拟现实技术在一些工业领域获得了比较成熟的实际应用,但仍处于初级发展阶段,可以预见,虚拟现实技术将逐渐应用到设计与制造的各个环节,发挥更大优势,提高企业的研发创新能力,给整个设计制造业带来巨大影响.
【关键词】：机械设计制造；虚拟现实技术；研究
中图分类号：F407.4 文献标识码：A 文章编号：
引言
伴随着科学技术的不断发展,人类社会步入了崭新的世纪,经济的全球化和社会的信息化,促使市场竞争日益激烈,制造企业为了在竞争中求得生存和发展,必须以最快的上市速度,最好的质量,最低的成本和最优的服务,满足不同顾客的需求. 这就要求企业生产活动必须具有高度的柔性,对市场需求的变化做出快速反应,虚拟现实技术由此产生.有关虚拟现实技术的研究活动相继在美国、欧洲和日本等许多国家展开。研究与应用结果表明, 虚拟现实技术将会改变人类获取信息的方式, 提高人机之间的和谐程度, 使人机界面的发展产生质的飞跃。在全球经济一体化的今天, 国际市场竞争异常激烈, 新产品开发速度日益加快, 工程设计和制造面临着巨大的挑战, 同时经济的发展对工程设计和制造也提出了更高的要求, 虚拟现实技术的产生为适应这种挑战提供了全新的技术支撑。
一、虚拟现实技术的定义
虚拟现实技术(VRT) 是面向21 世纪的先进技术,它产生于20 世纪80 年代,以计算机仿真技术为前提,综合了在各个领域诞生的各项新技术,到目前为止,虚拟现实技术还没有一个公认定义. 简单地说,它是一种新的人机界面形式,它追求利用计算机创建一种逼真的可感觉、可体验的环境,通过视、听、触觉等作用于用户,使用户“投入”到该环境中,实现用户和环境自然的直接交互活动. 或者说虚拟现实是一种创建人与世界的计算机系统,是一种人机交互工具,利用虚拟现实技术、模拟使人产生身临其境的感觉,能够操纵极端复杂数据并与之交互,这种定义更加深刻揭示了虚拟现实的本质。
二、虚拟现实技术的产生、基本特征和基本要素
由于半导体、通信技术和计算机的不断发展,数字化信息技术得到迅猛发展。但是, 人们发现, 通用的冯·诺曼式计算机仅仅是对单维数字化信息进行处理, 而人们往往擅长并习惯于通过人的视觉、听觉、触觉、味道, 嗅觉以及形体、手势或口令这种多维的形式, 参入到信息处理的环境中去。因此, 人们迫切需要在建立和谐的人机环境方面有新的突破。于是, 虚拟现实(VR ) 技术---一种支持多维信息空间的关键技术应运而生。1993 年, 伯第亚(G.Burdea) 以三个“I”, 即Immersion (沉浸)、Interaction (交互) Imagination (构想) ,说明了虚拟现实系统的三个基本特征。它充分反映了人的主导作用, 从过去只能由外部观测计算机处理的结果, 到能沉浸到计算机系统创建的环境中去; 从只能通过鼠标、键盘同计算环境中的单维数字化信息进行交互, 到能用多种传感器同多维化信息发生作用;从只能从以定量计算为主的结果中得到启发,到有可能从定性和定量综合的环境中得到感性和理性的认识, 从而激发创造性思维。基本要素包括虚拟世界的多感知性、存在感(临场感)、交互性和自主性构成了VRT 的4 个基本要素。VRT 的现实表现能力是多方面的,可以满足显示现实、模拟现实、创造现实(创造在现实世界里并不存在,而且今后也不会存在的全新世界) 等要求。
三、虚拟现实关键技术
虚拟现实是图像处理与模式识别、在计算机图形学、人工智能技术、智能接口技术、语音处理与音响技术、多传感技术、网络技术、高性能计算机系统和并行处理技术等信息技术的基础上发展起来,是这些技术更高层次的渗透和集成. 虚拟现实的关键技术包括以下几个方面。
1.动态环境建模技术
虛拟现实技术的核心内容是虚拟环境的建立, 获取实际环境的三维数据是动态环境建模技术的目的,并根据应用的要求,建立相应的虚拟环境模型.以主模型为中心通向设计、制造、生产管理和销售等各个环节并为之服务. 主模型具有统一的分布式数据和数据结构管理系统,具有所代表的对象具有的各种特征和性能,并能并行地处理各种生产环节所面临的诸多问题. 而更多的环境则需要采用非接触式的视觉建模技术,两者的有机结合可以有效提高数据获取的效率.
2.实时三维图形生成技术
目前,三维图形的生成技术已经较为成熟,而关键是如何满足实时性的要求。,至少要保证图形的刷新频率不低于15 帧/ S ,最好高于30 帧/ S ,以达到实时的目的。在不降低图形的复杂程度和质量的前提下,提高刷新频率,这里图形生成的硬件体系结构以及在虚拟现实的真实感图形生成中用于加速的各种有效技术是关键.
3.主体显示和传感器技术
虚拟现实的交互能力依赖于传感器和主体显示技术的发展,现有的设备远远不能满足系统的需要,另外, 触觉和力觉传感装置的研究也有待进一步深入,虚拟现实设备的跟踪范围和跟踪精度也有待提高.
4.应用系统开发技术
技术最终要面向应用,通用平台的开发可缩短与应用结合的时间,为此,必须研究虚拟现实的开发工具. 目前,常用的虚拟现实系统开发工具有VRT ,它是一个可视化平台,允许较高程度的网络处理； WTK是一个C函数库,提供了一个完整的合成虚拟环境的应用开发环境； MultiGen 系列软件是一个交互式的图形建模系统; Vega可用于实时听觉和视觉仿真,使用简单; IRIS Performer 是一种强有力的API ,用于生产实时可视仿真和其它交互式三维图形应用; Vtree 是实时三维图形开发软件包,可以实现实时场景生成, 视觉仿真等应用.
5.系统集成技术
电子虚拟现实中包括大量的感知信息和模型,因此集成技术起着至关重要的作用. 集成技术包括信息的同步技术、模型的标定技术、数据转换技术、数据管理模型、识别和合成技术等.
四、虚拟现实技术在机械设计与制造中应用
1.虚拟产品概念设计
概念设计(Conceptual Design) 是创造性思维的一种体现,概念产品是一种理想化的物质形式. 概念设计是指对产品起始的设计构思,目的是为了捕捉产品的基本形态. 概念设计是产品设计过程中的重要阶段,因为产品成本的60%～70 %是概念设计决定的,虚拟概念设计为设计者提供手势跟踪和基于语言识别的输入方式,设计者可方便地在三维虚拟环境中操纵产品及零件并可以在三维空间中对设计对象进行观察和操作,其目的是获得足够多的有关产品式样和形状的信息,从而达到满意的效果.
2.虚拟设计
虚拟设计(Virtual Design)〔14 ,15〕就是设计人员设计一个虚拟的产品,来分析、研究、检查所设计的产品是否满意设计要求,有问题及时修改,使产品设计更为完善. 或者说虚拟现实技术用于产品的开发设计. 虚拟系统的构成原理大同小异.
3.虚拟制造
虚拟制造是实际制造过程在计算机上的映射, 即在高性能计算机及高速网络的支持下,采用虚拟现实技术与计算机仿真,在计算机上群组协同工作, 实现工艺规划、产品设计、性能分析、加工制造、企业各级过程的管理与控制以及质量检验等产品制造的本质过程.由于应用要求的不同，存在的侧重点也不同,因此出现三种流派,即以设计为中心的虚拟制造, 以控制为中心的虚拟制造和以生产为中心的虚拟制造.采用虚拟制造技术可以在设计阶级就对轴系部件进行装配,随时修改. 用虚拟样机代替具体减速器(或其物理模型) ,对产品的全寿命周期进行展示、分析和测试,对存在问题的地方进行修改,提高产品一次试验成功率,减少设计制造费用,缩短设计开发周期,优化设计,保证产品质量.
结语
虚拟现实技术综合了一系列高新技术,这些技术包括多媒体技术、计算机图形学、人机接口技术、人工智能、传感器技术以及高度并行的实时计算技术,还包括人的行为学研究等多项关键技术未来虚拟现实技术将会是一门走向成熟的科学和艺术,是一种全新的信息处理方式。它将会在各行各业中得到应用,并且发挥神奇的作用。
参考文献：
[1]刘贤梅,李勤,司国海等,虚拟现实技术及其应用[J].大庆石油学院学报,2002,26(2)112 - 115.
[2]王汝传,陈丹伟,顾翔,虚拟现实技术及其实现研究[J].计算机工程,2000,26(12):1 - 3.
【关键词】：机械设计制造；虚拟现实技术；研究
中图分类号：F407.4 文献标识码：A 文章编号：
引言
伴随着科学技术的不断发展,人类社会步入了崭新的世纪,经济的全球化和社会的信息化,促使市场竞争日益激烈,制造企业为了在竞争中求得生存和发展,必须以最快的上市速度,最好的质量,最低的成本和最优的服务,满足不同顾客的需求. 这就要求企业生产活动必须具有高度的柔性,对市场需求的变化做出快速反应,虚拟现实技术由此产生.有关虚拟现实技术的研究活动相继在美国、欧洲和日本等许多国家展开。研究与应用结果表明, 虚拟现实技术将会改变人类获取信息的方式, 提高人机之间的和谐程度, 使人机界面的发展产生质的飞跃。在全球经济一体化的今天, 国际市场竞争异常激烈, 新产品开发速度日益加快, 工程设计和制造面临着巨大的挑战, 同时经济的发展对工程设计和制造也提出了更高的要求, 虚拟现实技术的产生为适应这种挑战提供了全新的技术支撑。
一、虚拟现实技术的定义
虚拟现实技术(VRT) 是面向21 世纪的先进技术,它产生于20 世纪80 年代,以计算机仿真技术为前提,综合了在各个领域诞生的各项新技术,到目前为止,虚拟现实技术还没有一个公认定义. 简单地说,它是一种新的人机界面形式,它追求利用计算机创建一种逼真的可感觉、可体验的环境,通过视、听、触觉等作用于用户,使用户“投入”到该环境中,实现用户和环境自然的直接交互活动. 或者说虚拟现实是一种创建人与世界的计算机系统,是一种人机交互工具,利用虚拟现实技术、模拟使人产生身临其境的感觉,能够操纵极端复杂数据并与之交互,这种定义更加深刻揭示了虚拟现实的本质。
二、虚拟现实技术的产生、基本特征和基本要素
由于半导体、通信技术和计算机的不断发展,数字化信息技术得到迅猛发展。但是, 人们发现, 通用的冯·诺曼式计算机仅仅是对单维数字化信息进行处理, 而人们往往擅长并习惯于通过人的视觉、听觉、触觉、味道, 嗅觉以及形体、手势或口令这种多维的形式, 参入到信息处理的环境中去。因此, 人们迫切需要在建立和谐的人机环境方面有新的突破。于是, 虚拟现实(VR ) 技术---一种支持多维信息空间的关键技术应运而生。1993 年, 伯第亚(G.Burdea) 以三个“I”, 即Immersion (沉浸)、Interaction (交互) Imagination (构想) ,说明了虚拟现实系统的三个基本特征。它充分反映了人的主导作用, 从过去只能由外部观测计算机处理的结果, 到能沉浸到计算机系统创建的环境中去; 从只能通过鼠标、键盘同计算环境中的单维数字化信息进行交互, 到能用多种传感器同多维化信息发生作用;从只能从以定量计算为主的结果中得到启发,到有可能从定性和定量综合的环境中得到感性和理性的认识, 从而激发创造性思维。基本要素包括虚拟世界的多感知性、存在感(临场感)、交互性和自主性构成了VRT 的4 个基本要素。VRT 的现实表现能力是多方面的,可以满足显示现实、模拟现实、创造现实(创造在现实世界里并不存在,而且今后也不会存在的全新世界) 等要求。
三、虚拟现实关键技术
虚拟现实是图像处理与模式识别、在计算机图形学、人工智能技术、智能接口技术、语音处理与音响技术、多传感技术、网络技术、高性能计算机系统和并行处理技术等信息技术的基础上发展起来,是这些技术更高层次的渗透和集成. 虚拟现实的关键技术包括以下几个方面。
1.动态环境建模技术
虛拟现实技术的核心内容是虚拟环境的建立, 获取实际环境的三维数据是动态环境建模技术的目的,并根据应用的要求,建立相应的虚拟环境模型.以主模型为中心通向设计、制造、生产管理和销售等各个环节并为之服务. 主模型具有统一的分布式数据和数据结构管理系统,具有所代表的对象具有的各种特征和性能,并能并行地处理各种生产环节所面临的诸多问题. 而更多的环境则需要采用非接触式的视觉建模技术,两者的有机结合可以有效提高数据获取的效率.
2.实时三维图形生成技术
目前,三维图形的生成技术已经较为成熟,而关键是如何满足实时性的要求。,至少要保证图形的刷新频率不低于15 帧/ S ,最好高于30 帧/ S ,以达到实时的目的。在不降低图形的复杂程度和质量的前提下,提高刷新频率,这里图形生成的硬件体系结构以及在虚拟现实的真实感图形生成中用于加速的各种有效技术是关键.
3.主体显示和传感器技术
虚拟现实的交互能力依赖于传感器和主体显示技术的发展,现有的设备远远不能满足系统的需要,另外, 触觉和力觉传感装置的研究也有待进一步深入,虚拟现实设备的跟踪范围和跟踪精度也有待提高.
4.应用系统开发技术
技术最终要面向应用,通用平台的开发可缩短与应用结合的时间,为此,必须研究虚拟现实的开发工具. 目前,常用的虚拟现实系统开发工具有VRT ,它是一个可视化平台,允许较高程度的网络处理； WTK是一个C函数库,提供了一个完整的合成虚拟环境的应用开发环境； MultiGen 系列软件是一个交互式的图形建模系统; Vega可用于实时听觉和视觉仿真,使用简单; IRIS Performer 是一种强有力的API ,用于生产实时可视仿真和其它交互式三维图形应用; Vtree 是实时三维图形开发软件包,可以实现实时场景生成, 视觉仿真等应用.
5.系统集成技术
电子虚拟现实中包括大量的感知信息和模型,因此集成技术起着至关重要的作用. 集成技术包括信息的同步技术、模型的标定技术、数据转换技术、数据管理模型、识别和合成技术等.
四、虚拟现实技术在机械设计与制造中应用
1.虚拟产品概念设计
概念设计(Conceptual Design) 是创造性思维的一种体现,概念产品是一种理想化的物质形式. 概念设计是指对产品起始的设计构思,目的是为了捕捉产品的基本形态. 概念设计是产品设计过程中的重要阶段,因为产品成本的60%～70 %是概念设计决定的,虚拟概念设计为设计者提供手势跟踪和基于语言识别的输入方式,设计者可方便地在三维虚拟环境中操纵产品及零件并可以在三维空间中对设计对象进行观察和操作,其目的是获得足够多的有关产品式样和形状的信息,从而达到满意的效果.
2.虚拟设计
虚拟设计(Virtual Design)〔14 ,15〕就是设计人员设计一个虚拟的产品,来分析、研究、检查所设计的产品是否满意设计要求,有问题及时修改,使产品设计更为完善. 或者说虚拟现实技术用于产品的开发设计. 虚拟系统的构成原理大同小异.
3.虚拟制造
虚拟制造是实际制造过程在计算机上的映射, 即在高性能计算机及高速网络的支持下,采用虚拟现实技术与计算机仿真,在计算机上群组协同工作, 实现工艺规划、产品设计、性能分析、加工制造、企业各级过程的管理与控制以及质量检验等产品制造的本质过程.由于应用要求的不同，存在的侧重点也不同,因此出现三种流派,即以设计为中心的虚拟制造, 以控制为中心的虚拟制造和以生产为中心的虚拟制造.采用虚拟制造技术可以在设计阶级就对轴系部件进行装配,随时修改. 用虚拟样机代替具体减速器(或其物理模型) ,对产品的全寿命周期进行展示、分析和测试,对存在问题的地方进行修改,提高产品一次试验成功率,减少设计制造费用,缩短设计开发周期,优化设计,保证产品质量.
结语
虚拟现实技术综合了一系列高新技术,这些技术包括多媒体技术、计算机图形学、人机接口技术、人工智能、传感器技术以及高度并行的实时计算技术,还包括人的行为学研究等多项关键技术未来虚拟现实技术将会是一门走向成熟的科学和艺术,是一种全新的信息处理方式。它将会在各行各业中得到应用,并且发挥神奇的作用。
参考文献：
[1]刘贤梅,李勤,司国海等,虚拟现实技术及其应用[J].大庆石油学院学报,2002,26(2)112 - 115.
[2]王汝传,陈丹伟,顾翔,虚拟现实技术及其实现研究[J].计算机工程,2000,26(12):1 - 3.