付典林，廖飄，鄭弦

(1.江西農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，江西 南昌 330045； 2.華東交通大學(xué)機(jī)電學(xué)院，江西南昌 330045；

3.南昌工程學(xué)院會計系，江西 南昌 330045)

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淺述虛擬設(shè)計方法的研究

付典林1，廖飄2，鄭弦3

(1.江西農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，江西 南昌 330045； 2.華東交通大學(xué)機(jī)電學(xué)院，江西南昌 330045；

3.南昌工程學(xué)院會計系，江西 南昌 330045)

摘要：介紹了虛擬設(shè)計的發(fā)展背景、國內(nèi)外現(xiàn)狀以及存在的問題，論述了虛擬設(shè)計原理、設(shè)計策略，虛擬設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)等。

關(guān)鍵詞：虛擬設(shè)計;國內(nèi)現(xiàn)狀;設(shè)計原理;發(fā)展趨勢

引言

全球化、網(wǎng)絡(luò)化和虛擬化已成為制造業(yè)發(fā)展的重要特征，實現(xiàn)“虛擬設(shè)計”是制造業(yè)虛擬化的重要內(nèi)容。所謂虛擬設(shè)計，是以虛擬現(xiàn)實技術(shù)VR(Virtual Reality)為基礎(chǔ)，對產(chǎn)品的外型設(shè)計、色彩設(shè)計、功能展示、性能檢驗以及成品展示等環(huán)節(jié)實現(xiàn)虛擬化，以數(shù)字信息代替實物產(chǎn)品的一種設(shè)計方式。它具有3個“I”的特征，即Immersion(沉浸感)、Interaction(交互性)和Imagination(想象力)。由于虛擬設(shè)計基本上不消耗資源和能量，也不生產(chǎn)實際產(chǎn)品，而是在計算機(jī)上實現(xiàn)產(chǎn)品的設(shè)計、開發(fā)和加工過程，即完成產(chǎn)品的數(shù)字化過程，所以與傳統(tǒng)的設(shè)計和制造相比較，它具有高度集成、快速成型和分布合作等特征。設(shè)計者在虛擬環(huán)境中對產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計、制造和分析，并對產(chǎn)品進(jìn)行虛擬裝配、動態(tài)仿真和評價，從而能夠縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，降低產(chǎn)品開發(fā)和制造成本。

1虛擬設(shè)計的發(fā)展背景

虛擬設(shè)計是20世紀(jì)90年代發(fā)展起來的一個新的研究領(lǐng)域，它是計算機(jī)圖形學(xué)、人工智能、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、信息處理、機(jī)械設(shè)計與制造等技術(shù)綜合發(fā)展的產(chǎn)物，在機(jī)械行業(yè)有廣泛的應(yīng)用前景，如虛擬布局、虛擬裝配、產(chǎn)品原型快速生成、虛擬制造等。

2國內(nèi)虛擬設(shè)計技術(shù)的研究現(xiàn)狀

北京航空航天大學(xué)計算機(jī)系是國內(nèi)最早進(jìn)行VR研究、最有權(quán)威的單位之一，他們首先進(jìn)行了一些基礎(chǔ)知識方面的研究，并著重研究了虛擬環(huán)境中物理特性的表示與處理；在虛擬現(xiàn)實中的視覺接口方面開發(fā)了部分硬件，并提出了有關(guān)算法及實現(xiàn)方法等。

浙江大學(xué)CAD&CG國家重點實驗室開發(fā)了一套桌面型虛擬建筑環(huán)境實時漫游系統(tǒng)。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。

3虛擬設(shè)計存在的問題

3.1由虛擬環(huán)境到CAD的數(shù)據(jù)交換問題。由于虛擬設(shè)計系統(tǒng)在圖形輸出和模型操縱方法上與其他計算機(jī)輔助應(yīng)用系統(tǒng)如CAD、CAPP(計算機(jī)輔助工藝規(guī)劃)等存在很大的不同，從而導(dǎo)致虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的數(shù)據(jù)和信息不能很好地被其它現(xiàn)行的計算機(jī)輔助系統(tǒng)共享。直到目前，由虛擬環(huán)境到CAD環(huán)境的數(shù)據(jù)交換能力仍非常薄弱，主要的問題是一般虛擬環(huán)境中多采用多邊形格式，而CAD環(huán)境常采用參數(shù)建模。

3.2數(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。例如，它們只能提供一個孔的周邊信息而不能提供孔本身的信息如孔徑及中心位置，更不能提供孔的材料、質(zhì)地、顏色、力學(xué)特性等。

3.3數(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施進(jìn)一步的縮減處理。

3.4硬件方面的問題。處理器計算能力不足、頭盔式顯示器分辨率太低、觸覺/力量反饋系統(tǒng)能力太差。跟蹤系統(tǒng)能夠精確跟蹤的范圍太小，抵抗外來干擾的能力不足。以上這些硬件問題是虛擬設(shè)計系統(tǒng)不能充分發(fā)揮其強(qiáng)大功能的主要障礙。

4虛擬設(shè)計原理與關(guān)鍵技術(shù)

虛擬設(shè)計是以“虛擬現(xiàn)實”技術(shù)為基礎(chǔ)，以機(jī)械產(chǎn)品為對象的設(shè)計手段。虛擬現(xiàn)實(VR)技術(shù)，就是基于自然方式的人機(jī)交互系統(tǒng)，即利用計算機(jī)、傳感與測量、仿真、微電子等方面的技術(shù)，通過計算機(jī)創(chuàng)建一種虛擬環(huán)境，并通過視覺、聽覺、觸覺、味覺、嗅覺等多種傳感設(shè)備的作用，使用戶產(chǎn)生身臨其境的感覺， 并可實現(xiàn)用戶與該環(huán)境直接進(jìn)行交互。從本質(zhì)上來講，虛擬設(shè)計就是將產(chǎn)品從概念設(shè)計到投入使用的全過程虛擬到計算機(jī)上，在計算機(jī)上構(gòu)造的虛擬環(huán)境中虛擬地實現(xiàn)，其目標(biāo)不僅是對產(chǎn)品的物質(zhì)形態(tài)和制造過程進(jìn)行模擬和可視化，而且是對產(chǎn)品的性能、行為和功能以及在產(chǎn)品實現(xiàn)的各個階段中的實施方案進(jìn)行預(yù)測、評價和優(yōu)化。

虛擬設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)包括以下內(nèi)容：

(1) 全息產(chǎn)品的建模理論與方法。

(2) 基于知識的設(shè)計包括設(shè)計知識的獲取、表達(dá)與應(yīng)用：設(shè)計信息和知識的合理流向、轉(zhuǎn)換與控制；設(shè)計知識的融合、管理與共享；從設(shè)計過程數(shù)據(jù)中挖掘設(shè)計知識。

(3) 設(shè)計過程的規(guī)劃、集成與優(yōu)化 包括設(shè)計活動的預(yù)規(guī)劃和實時動態(tài)規(guī)劃、設(shè)計活動的并行運作以及設(shè)計過程的沖突管理與協(xié)商處理。

(4) 虛擬環(huán)境中的人機(jī)互動工程學(xué)。

5虛擬設(shè)計技術(shù)的發(fā)展趨勢

在仿真建模、仿真實驗設(shè)計、仿真結(jié)果分析和模型的修正及維護(hù)等多個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)。VR技術(shù)將很快進(jìn)入一個快速發(fā)展的時期,其主要趨勢是頭盔式顯示器(HMD)等可視化設(shè)備、人體(或四肢)方位跟蹤系統(tǒng)、觸覺系統(tǒng)等VR專用硬件將全面上市,其性能價格比會迅速提高,VR技術(shù)所需求的高性能計算機(jī)將以用戶可以接受的價格出現(xiàn)。VR設(shè)備驅(qū)動軟件和用新型傳感裝置測得大量數(shù)據(jù)的高效處理軟件也將面市,ISO標(biāo)準(zhǔn)化組織將推出有關(guān)的信息交換標(biāo)準(zhǔn),VR技術(shù)在2010年左右將獲得普遍應(yīng)用,但由于它對人腦思維和人體行為的基礎(chǔ)研究難以在短時期內(nèi)突破,故VR技術(shù)還會有一個較長的發(fā)展時期。

參考文獻(xiàn):

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[2]宗曉杰，房俊龍.現(xiàn)代農(nóng)業(yè)機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計中VR/可視化技術(shù)的應(yīng)用.農(nóng)機(jī)化研究,2003,(3):173-174.

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[4]袁名松等.虛擬設(shè)計發(fā)展現(xiàn)狀及未來發(fā)展方向.昆明理工大學(xué)學(xué)報,2002(5):21-25.

中圖分類號:TP302

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1671-1602(2016)02-0053-01

作者簡介：付典林(1991-4)，男，在讀碩士，機(jī)械設(shè)計及其理論。