基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的工業(yè)設(shè)計研究概述

潘春玲 ，桑瑞芹 ，2，張 瑩

（1.濰坊科技學(xué)院，山東 濰坊 262700；2.青島大學(xué)，山東 青島 266071）

工業(yè)設(shè)計是在產(chǎn)業(yè)革命之后藝術(shù)、經(jīng)濟(jì)和技術(shù)相互結(jié)合的產(chǎn)物。20世紀(jì)四五十年代，為了解決工業(yè)產(chǎn)品的審美性和實用性的相互融合，逐漸發(fā)展成了一門以工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)為主要對象的多學(xué)科知識交叉融合、新興起來的設(shè)計類綜合學(xué)科。特別是隨著計算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，計算機(jī)輔助設(shè)計、計算機(jī)圖形學(xué)應(yīng)用的深入以及計算機(jī)輔助設(shè)計的發(fā)展，虛擬現(xiàn)實技術(shù)設(shè)計方法成為現(xiàn)代工業(yè)設(shè)計的重要手段。

1 工業(yè)設(shè)計的概念

隨著社會的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，人類進(jìn)入到現(xiàn)代社會而發(fā)展起來的一門多學(xué)科交叉融合的新興學(xué)科——工業(yè)設(shè)計。因為人們在工業(yè)設(shè)計學(xué)科研究的側(cè)重點不完全相同，所以對工業(yè)設(shè)計學(xué)科含義的理解則有廣義的和狹義的兩種定義方法。一般來講，廣義的定義主要是指：工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計；作業(yè)環(huán)境設(shè)計；視覺傳達(dá)設(shè)計。狹義的定義主要是指以工業(yè)產(chǎn)品為主要研究內(nèi)容的系統(tǒng)設(shè)計，它主要包括產(chǎn)品的色彩、形態(tài)、人機(jī)關(guān)系等方面。國際工業(yè)設(shè)計協(xié)會曾為工業(yè)設(shè)計學(xué)科做過以下定義：“就批量生產(chǎn)的工業(yè)品而言，憑借訓(xùn)練、技術(shù)、知識、經(jīng)驗及視覺感受而賦予材料、構(gòu)造、形態(tài)、色彩、表面加工及裝飾以新的品質(zhì)和資格。”

2 虛擬產(chǎn)品設(shè)計的過程

虛擬產(chǎn)品設(shè)計是在計算機(jī)中仿真并展現(xiàn)出一件真實產(chǎn)品的全過程，主要包括從需求分析、概念設(shè)計、詳細(xì)設(shè)計、虛擬制造、評價測試、廣告宣傳和市場銷售等過程，它是虛擬現(xiàn)實技術(shù)在工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計中的應(yīng)用。產(chǎn)品的概念設(shè)計包括了從產(chǎn)品的需求分析到進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計之前的設(shè)計過程。它包含功能設(shè)計、形狀設(shè)計、原理設(shè)計、布局設(shè)計和初步結(jié)構(gòu)設(shè)計。而計算機(jī)輔助概念設(shè)計涉及設(shè)計方法學(xué)、人機(jī)工程學(xué)、人工智能技術(shù)、CAD技術(shù)以及認(rèn)知與思維科學(xué)等多個學(xué)科。在對產(chǎn)品進(jìn)行概念設(shè)計后就要對產(chǎn)品進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計。虛擬產(chǎn)品是一個數(shù)字化的產(chǎn)品，具備現(xiàn)實產(chǎn)品的一切完整的特征。通過對設(shè)計產(chǎn)品實時功能的仿真研究，研究設(shè)計人員或用戶就可以像使用現(xiàn)實中的產(chǎn)品那樣使用虛擬產(chǎn)品。完成了產(chǎn)品的前期設(shè)計之后，在計算機(jī)中就形成了待制造的虛擬產(chǎn)品。在虛擬產(chǎn)品真實生產(chǎn)之前，必須在虛擬制造系統(tǒng)中模擬出產(chǎn)品將來的制造過程。為了滿足市場的激烈競爭，設(shè)計廠家積極把研發(fā)的產(chǎn)品推向市場。把虛擬現(xiàn)實技術(shù)制造、虛擬產(chǎn)品動畫廣告與現(xiàn)代計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)融合起來，使用戶能通過網(wǎng)絡(luò)來瀏覽設(shè)計廠家的產(chǎn)品設(shè)計，并直接能在計算機(jī)虛擬環(huán)境中對產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、功能、色彩、外形等方面進(jìn)行廣泛的了解、觀察，同時，還可以通過電子郵件等方式對產(chǎn)品提出建議和意見，讓廠家參照各方面的意見優(yōu)化和修改所設(shè)計的產(chǎn)品，從而提高產(chǎn)品的市場競爭能力。

3 虛擬現(xiàn)實技術(shù)在工業(yè)設(shè)計各階段的應(yīng)用

3.1 需求分析階段

市場調(diào)研是需求分析階段的主要任務(wù)，可以利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)的Web頁面開展上述工作，通過積極提高被調(diào)查者的興趣，來保證獲取的產(chǎn)品信息更加準(zhǔn)確、全面和更具針對性，這樣可以讓設(shè)計出來的產(chǎn)品更符合市場客戶的需要。在市場調(diào)查階段可以通過虛擬設(shè)計環(huán)境把設(shè)計產(chǎn)品的功能與特點生動的展現(xiàn)在客戶面前，讓客戶對產(chǎn)品有個直觀的認(rèn)識，能夠獲取更多的客戶反饋意見。

3.2 概念設(shè)計階段

在概念設(shè)計中采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，可以更多關(guān)注產(chǎn)品使用者的感受，而非產(chǎn)品本身。在不同的虛擬環(huán)境中，讓客戶親自體驗修改模型的感受；利用觸摸屏來選擇產(chǎn)品的色彩、裝飾風(fēng)格、造型等許多可選部件，在渲染和生成十分逼真的三維模型時，充分感受自己所喜愛的產(chǎn)品在虛擬環(huán)境中的“真實”情況。還可以結(jié)合客戶的意見，邀請專業(yè)技術(shù)人員和客戶一起對模型提出修改意見，觀察設(shè)計和修改過程直到大部分人員滿意。

3.3 詳細(xì)設(shè)計階段

概念設(shè)計之后的一個重要階段是詳細(xì)設(shè)計階段，包涵工藝詳細(xì)設(shè)計、零件詳細(xì)設(shè)計和可制造裝配性詳細(xì)分析等內(nèi)容，其中特別重要的是可制造裝配性詳細(xì)分析。在進(jìn)行產(chǎn)品復(fù)雜結(jié)構(gòu)設(shè)計時，虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以非常直觀地進(jìn)行裝配研究，可以盡可能的減少運(yùn)動機(jī)構(gòu)干涉或其他一些不合理的情況，并進(jìn)行虛擬裝配演示。

3.4 虛擬制造階段

通過虛擬制造可以提前發(fā)現(xiàn)在實際制造中潛在的問題，可以在產(chǎn)品實際生產(chǎn)前就采取相應(yīng)措施，達(dá)到產(chǎn)品一次制造成功的目的，可以大大降低成本，減少產(chǎn)品開發(fā)周期，提高產(chǎn)品的競爭力。利于虛擬制造技術(shù)基本上不消耗能源和資源，也不生產(chǎn)實際的產(chǎn)品，而是采用計算機(jī)模擬現(xiàn)實中的產(chǎn)品進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計、開發(fā)與制造過程，它將會對未來制造業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生極大的推動作用。

3.5 虛擬測試和評價階段

虛擬測試和評價是工業(yè)設(shè)計中的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，通過虛擬評價技術(shù)可以對設(shè)計產(chǎn)品運(yùn)行狀態(tài)與性能進(jìn)行虛擬條件下的綜合評判，從而獲取產(chǎn)品進(jìn)一步完善或修改的依據(jù)，為在產(chǎn)品制造過程中減少產(chǎn)品修改，節(jié)約設(shè)計生產(chǎn)成本提供保證。

4 結(jié)束語

虛擬現(xiàn)實技術(shù)在工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計中的應(yīng)用不僅大大降低了產(chǎn)品設(shè)計的周期，而且極大改善了產(chǎn)品的設(shè)計質(zhì)量，通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)在工業(yè)設(shè)計中的應(yīng)用，極大提高了設(shè)計產(chǎn)品的一次性成功率，縮短了產(chǎn)品設(shè)計的周期，使用戶、設(shè)計者能融為一體設(shè)計出滿足客戶需要的產(chǎn)品，同時極大地豐富了現(xiàn)代工業(yè)設(shè)計方法和理論。

1 魯曉波、覃京燕.計算機(jī)輔助工業(yè)設(shè)計[M].北京：高等教育出版社，2007