大型機(jī)械產(chǎn)品虛擬展示設(shè)計(jì)研究

摘 要：虛擬展示是一種基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的展示活動，在社會生活的各個領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。一方面，它能給使用者身臨其境的感受，與產(chǎn)品進(jìn)行互動;另一方面，它可以作為設(shè)計(jì)工具，幫助設(shè)計(jì)者實(shí)現(xiàn)構(gòu)思的具體可視化。面向大型機(jī)械產(chǎn)品的虛擬展示順應(yīng)時(shí)代發(fā)展，通過虛擬展示技術(shù)實(shí)現(xiàn)三維立體呈現(xiàn)，進(jìn)行實(shí)時(shí)互動，不僅使機(jī)械產(chǎn)品展示效果更直觀，讓消費(fèi)者快速了解產(chǎn)品，而且解決了大型機(jī)械產(chǎn)品在實(shí)體賣場展示的運(yùn)輸不便的問題。文本首先從總的方面探討了虛擬展示技術(shù)概況、技術(shù)分類及形式，然后闡述了大型機(jī)械產(chǎn)品虛擬展示的目標(biāo)、內(nèi)容、意義，從技術(shù)流程和研發(fā)軟件兩個方面提出了大型機(jī)械產(chǎn)品虛擬展示的具體方法，以提高虛擬產(chǎn)品的使用價(jià)值，使用戶更好地享受體驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：大型機(jī)械;虛擬設(shè)計(jì);展示設(shè)計(jì)

1 虛擬展示技術(shù)應(yīng)用

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)利用三維建模技術(shù)和交互傳感技術(shù)等多種技術(shù)，以人的視覺、聽覺等感官作為載體，在 計(jì)算機(jī)上呈現(xiàn)三維立體形象逼真的虛擬環(huán)境。人們通過使用各種設(shè)備與虛擬世界進(jìn)行交流和體驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)人與產(chǎn)品進(jìn)行可視化操作與交互，從而達(dá)到了解與學(xué)習(xí)的目的。[1]

虛擬設(shè)計(jì)通過計(jì)算機(jī)可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、開發(fā)與加工的數(shù)字化過程，如預(yù)測產(chǎn)品的性能、產(chǎn)品制造成本以及產(chǎn)品的可制造性等，從而提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)的成功率。虛擬設(shè)計(jì)的特點(diǎn)是高度集成、快速成型、分布合作，一般不消耗資源和能量，也不生產(chǎn)實(shí)際產(chǎn)品，是一項(xiàng)環(huán)保的設(shè)計(jì)。

1.1 虛擬展示

展示設(shè)計(jì)在數(shù)字化時(shí)代的推動下必將更新?lián)Q代和迅猛發(fā)展，虛擬展示技術(shù)革新了當(dāng)代展示設(shè)計(jì)活動，是利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)把圖像、聲音、動畫、視頻等各種媒體展示手段整合在一起，它服務(wù)于人類生活的各方面，集中體現(xiàn)了科技進(jìn)步帶來的便利性和環(huán)保性。

目前，網(wǎng)絡(luò)虛擬展示的技術(shù)有以下幾種：Panorama技術(shù)，以圖像（Image）為基礎(chǔ);VRML三維技術(shù)，以3D Polygon為基礎(chǔ);Web 3D技術(shù)。其中Web 3D技術(shù)是實(shí)現(xiàn)網(wǎng)頁中虛擬現(xiàn)實(shí)的一種最新技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對模型進(jìn)行360°的展示，并對其進(jìn)行交互性操作，場景由用戶控制，讓用戶來決定如何體驗(yàn)產(chǎn)品，如對產(chǎn)品的六視圖進(jìn)行查看，放大縮小查看產(chǎn)品的每個細(xì)節(jié)，對產(chǎn)品的拆裝及運(yùn)作過程進(jìn)行了解。[2]

1.2 虛擬展示的幾種形式

虛擬展示按照用戶參與的沉浸程度不同可以分為以下三類：

全沉浸式虛擬展示系統(tǒng)。利用電腦、位置跟蹤器、數(shù)字手套等各種虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，讓用戶從視覺、聽覺、觸覺等多感知體驗(yàn)，創(chuàng)造出用戶感到身臨其境的全方位展示情景。

半沉浸式虛擬展示系統(tǒng)。利用計(jì)算機(jī)仿真，用戶需佩戴立體眼鏡，通過屏幕來享受虛擬世界。

非沉浸式虛擬展示系統(tǒng)。利用計(jì)算機(jī)軟件模擬真實(shí)的環(huán)境和物體。其應(yīng)用與普及發(fā)展得非?？?，最廣泛的應(yīng)用是基于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)虛擬展示。主要有三種形式：依靠圖形技術(shù)的平面虛擬展示（如360°三維全景演示）、2D技術(shù)的二維動畫和3D技術(shù)的三維動畫虛擬展示（包括3D產(chǎn)品展示）。

目前，三維網(wǎng)絡(luò)虛擬技術(shù)發(fā)展迅猛，具有經(jīng)濟(jì)、方便的優(yōu)點(diǎn)，但大多還是非沉浸式虛擬展示系統(tǒng)。隨著技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，將來半沉浸式虛擬展示和全沉浸式虛擬展示都會普及開來。

2 大型機(jī)械產(chǎn)品虛擬展示的目標(biāo)、內(nèi)容和意義

大型機(jī)械產(chǎn)品虛擬展示是更科學(xué)地了解及展示該設(shè)備的一種與時(shí)俱進(jìn)的方法，其注重在實(shí)際中充分利用計(jì)算機(jī)技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，對產(chǎn)品進(jìn)行三維模型創(chuàng)建、功能結(jié)構(gòu)模擬和過程仿真。

2.1 虛擬展示的目標(biāo)

大型機(jī)械產(chǎn)品虛擬展示設(shè)計(jì)針對整個產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、使用培訓(xùn)和網(wǎng)絡(luò)銷售展開。虛擬展示的總體目標(biāo)是對3D模型的網(wǎng)上三維交互演示，它允許用戶對其中的產(chǎn)品虛擬模型進(jìn)行多種方式的交互操作。[3]大型機(jī)械產(chǎn)品虛擬展示的總體目標(biāo)是針對設(shè)計(jì)展示、使用培訓(xùn)以及網(wǎng)絡(luò)銷售三方面，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的網(wǎng)上三維交互演示。最終要實(shí)現(xiàn)以下功能：機(jī)械產(chǎn)品的三維效果展示、機(jī)械產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)拆裝演示、機(jī)械產(chǎn)品的運(yùn)動狀態(tài)演示。

2.2 虛擬展示的內(nèi)容

外觀展示。指采用三維立體技術(shù)，模擬機(jī)械產(chǎn)品的外形、材質(zhì)、零部件和內(nèi)部構(gòu)造，大型機(jī)械產(chǎn)品一般存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、技術(shù)獨(dú)特的特點(diǎn)，文字和圖片難以描述其功能和結(jié)構(gòu)，因此利用3D虛擬展示可以降低溝通和宣傳的難度與市場推廣的成本，提高企業(yè)形象與宣傳效果，減少職業(yè)技能培訓(xùn)的時(shí)間和人力成本，強(qiáng)化培訓(xùn)效果。[4]一般機(jī)械產(chǎn)品外觀展示內(nèi)容如下：

第一，360°全方位展示設(shè)備外觀。

第二，形狀、顏色。

第三，設(shè)備和零部件可無限縮小放大。

第四，栩栩如生地展示各個細(xì)節(jié)。

第五，通過透視功能可清晰地展示內(nèi)文字，逐個展示每個零部件的細(xì)節(jié)。

第六，部結(jié)構(gòu)和零部件的結(jié)合情況與位置關(guān)系。

第七，從各個角度，從整體到局部，從外到內(nèi)。

第八，展示零部件的裝配關(guān)系。

功能展示。結(jié)合3D動畫、語言、文字介紹以及Flash動畫等多種方式，系統(tǒng)的仿真模擬產(chǎn)品功能特性、工作原理、使用方式，能夠在現(xiàn)場實(shí)時(shí)展示產(chǎn)品的新特征，互動式的操作體驗(yàn)使客戶能夠親身體驗(yàn)產(chǎn)品的各項(xiàng)功能，提高客戶對產(chǎn)品的認(rèn)識與感知。[5]

結(jié)構(gòu)展示。利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)把產(chǎn)品的整體結(jié)構(gòu)、內(nèi)部構(gòu)造、裝配關(guān)系等模擬出來，幫助人們搞清結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系以及拆卸和安裝步驟等，作為安裝人員培訓(xùn)和技術(shù)指導(dǎo)，銷售人員講解時(shí)的技術(shù)支持以及售后技術(shù)指導(dǎo)。

2.3 虛擬展示的意義

增強(qiáng)設(shè)計(jì)表現(xiàn)。把設(shè)計(jì)方案做成任意放大縮小和旋轉(zhuǎn)的Web3D模型，通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行交流，這是更人性化的、高效的溝通方式。

檢查問題。通過虛擬展示，可以觀察機(jī)器的結(jié)構(gòu)和運(yùn)作方式，并預(yù)知故障產(chǎn)生原因;通過人機(jī)分析，在虛擬世界中，研究人操作產(chǎn)品的有關(guān)動作為產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供依據(jù);色彩和材質(zhì)分析將不同色彩和材質(zhì)的模型展示在虛擬環(huán)境中讓用戶觀察，從而科學(xué)地選定產(chǎn)品的色彩和材質(zhì)。

實(shí)現(xiàn)綠色化設(shè)計(jì)。整個機(jī)械產(chǎn)品虛擬展示過程中，從設(shè)計(jì)到銷售到培訓(xùn)，要考慮環(huán)境保護(hù)和資源的合理使用。具體體現(xiàn)在：加速了電子貿(mào)易;降低運(yùn)輸成本、技術(shù)支持和技術(shù)服務(wù)成本;降低銷售人員與客戶的溝通難度;增加了市場宣傳的渠道和方式，提高企業(yè)形象，提高消費(fèi)者的購買欲望;是一個隨時(shí)陪伴您身邊的高級技術(shù)人員以及技術(shù)資料庫。

3 大型機(jī)械產(chǎn)品虛擬展示的設(shè)計(jì)方法

3.1 設(shè)計(jì)流程

對大型機(jī)械產(chǎn)品進(jìn)行虛擬展示設(shè)計(jì)需要通過以下兩個步驟：創(chuàng)建三維模型和建立交互模型。創(chuàng)建三維模型包括裝配模型，裝配模型主要是待裝配的各種零件。建立交互模型主要是建立運(yùn)動學(xué)模型，運(yùn)動學(xué)模型是根據(jù)裝配模型將裝配約束關(guān)系轉(zhuǎn)化為運(yùn)動約束關(guān)系，從而進(jìn)行運(yùn)動模型的創(chuàng)建。

3.2 研發(fā)軟件

Web 3D技術(shù)的產(chǎn)品展示越來越普遍，Web 3D在電子商務(wù)中的應(yīng)用一直受限于網(wǎng)絡(luò)帶寬、基于網(wǎng)頁的3D繪圖標(biāo)準(zhǔn)的確定、顯卡3D渲染技術(shù)的進(jìn)步等諸多因素的影響。利用現(xiàn)有的技術(shù)條件，需要Web 3D商務(wù)平臺具有較高的多邊形和紋理貼圖壓縮能力，便于在網(wǎng)絡(luò)上快速傳輸。同時(shí)要有出色的3D渲染能力，能夠兼顧低端顯卡的運(yùn)算，此外，還需要有出色的渲染質(zhì)量或效果，如支持高級shader、HDRI、Realtime Soft Shadow、Level of Detail以及一些仿真特效。[6]一般Web 3D調(diào)用遠(yuǎn)程三維場景的時(shí)間小于7秒鐘是可以接受的，否則客戶失去耐心的可能性將會驟然增大。當(dāng)然可以考慮使用模型和紋理貼圖的“流式傳輸”，隨調(diào)隨顯，以改善客戶體驗(yàn)。

4 結(jié)語

虛擬展示通過對機(jī)械產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)性能、工作性能進(jìn)行模擬，從而在產(chǎn)品被制造加工之前，盡早地發(fā)現(xiàn)由于設(shè)計(jì)不正確導(dǎo)致的錯誤而進(jìn)行及時(shí)的修改，尋求最佳的設(shè)計(jì)方案。還可以使用機(jī)械產(chǎn)品對操作工人進(jìn)行操作培訓(xùn)，省去了大量的人力培訓(xùn)時(shí)間。更可以不必運(yùn)送機(jī)器到參展現(xiàn)場，節(jié)省了人力物力，環(huán)?？茖W(xué)。因此，通過機(jī)械產(chǎn)品虛擬展示設(shè)計(jì)，可以使機(jī)械產(chǎn)品在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)避免發(fā)生錯誤，進(jìn)而提高設(shè)計(jì)質(zhì)量、降低研發(fā)成本、加快設(shè)計(jì)進(jìn)度。在使用階段，減少因不了解機(jī)器而產(chǎn)生的初始困惑，使工人盡快熟悉操作流程。購買者購買時(shí)，足不出戶就可以進(jìn)行選擇，充分體現(xiàn)虛擬展示的強(qiáng)大優(yōu)勢。

參考文獻(xiàn)：

[1] 廖聰.基于X3d/VRML實(shí)時(shí)交互虛擬現(xiàn)實(shí)展館定制系統(tǒng)的研究[D].廣東工業(yè)大學(xué)，2009.

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[3] 李怡，李樹濤.虛擬工業(yè)設(shè)計(jì)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2003.

[4] 王芳.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用及其發(fā)展[J].科技信息，2010（32）：383-384.

[5] 劉光然.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2011.

[6] 王海萍.基于Web 3D的虛擬展示技術(shù)[J].裝備制造技術(shù)，2011（4）：93-94.

作者簡介：黃曉陽（1987—），女，河南新鄉(xiāng)人，碩士，助教，研究方向：產(chǎn)品體驗(yàn)設(shè)計(jì)。