淺述虛擬設計方法的研究

付典林，廖飄，鄭弦

(1.江西農業大學工學院，江西 南昌 330045； 2.華東交通大學機電學院，江西南昌 330045；

3.南昌工程學院會計系，江西 南昌 330045)

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淺述虛擬設計方法的研究

付典林1，廖飄2，鄭弦3

(1.江西農業大學工學院，江西 南昌 330045； 2.華東交通大學機電學院，江西南昌 330045；

3.南昌工程學院會計系，江西 南昌 330045)

摘要：介紹了虛擬設計的發展背景、國內外現狀以及存在的問題，論述了虛擬設計原理、設計策略，虛擬設計的關鍵技術等。

關鍵詞：虛擬設計;國內現狀;設計原理;發展趨勢

引言

全球化、網絡化和虛擬化已成為制造業發展的重要特征，實現“虛擬設計”是制造業虛擬化的重要內容。所謂虛擬設計，是以虛擬現實技術VR(Virtual Reality)為基礎，對產品的外型設計、色彩設計、功能展示、性能檢驗以及成品展示等環節實現虛擬化，以數字信息代替實物產品的一種設計方式。它具有3個“I”的特征，即Immersion(沉浸感)、Interaction(交互性)和Imagination(想象力)。由于虛擬設計基本上不消耗資源和能量，也不生產實際產品，而是在計算機上實現產品的設計、開發和加工過程，即完成產品的數字化過程，所以與傳統的設計和制造相比較，它具有高度集成、快速成型和分布合作等特征。設計者在虛擬環境中對產品進行設計、制造和分析，并對產品進行虛擬裝配、動態仿真和評價，從而能夠縮短產品開發周期，降低產品開發和制造成本。

1虛擬設計的發展背景

虛擬設計是20世紀90年代發展起來的一個新的研究領域，它是計算機圖形學、人工智能、計算機網絡、信息處理、機械設計與制造等技術綜合發展的產物，在機械行業有廣泛的應用前景，如虛擬布局、虛擬裝配、產品原型快速生成、虛擬制造等。

2國內虛擬設計技術的研究現狀

北京航空航天大學計算機系是國內最早進行VR研究、最有權威的單位之一，他們首先進行了一些基礎知識方面的研究，并著重研究了虛擬環境中物理特性的表示與處理；在虛擬現實中的視覺接口方面開發了部分硬件，并提出了有關算法及實現方法等。

浙江大學CAD&CG國家重點實驗室開發了一套桌面型虛擬建筑環境實時漫游系統。另外，他們還研制出了在虛擬環境中一種新的快速漫游算法和一種遞進網格的快速生成算法。

3虛擬設計存在的問題

3.1由虛擬環境到CAD的數據交換問題。由于虛擬設計系統在圖形輸出和模型操縱方法上與其他計算機輔助應用系統如CAD、CAPP(計算機輔助工藝規劃)等存在很大的不同，從而導致虛擬現實系統的數據和信息不能很好地被其它現行的計算機輔助系統共享。直到目前，由虛擬環境到CAD環境的數據交換能力仍非常薄弱，主要的問題是一般虛擬環境中多采用多邊形格式，而CAD環境常采用參數建模。

3.2數據接口。目前所用的數據接口例如IGES(基本圖形轉換規范)只能提供幾何數據的轉換。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、質地、顏色、力學特性等。

3.3數據縮減。在硬件還不夠強大的情況下，若要保證足夠的圖像刷新率，CAD數據就需要轉換為多邊形格式并且很可能需要實施進一步的縮減處理。

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/力量反饋系統能力太差。跟蹤系統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計系統不能充分發揮其強大功能的主要障礙。

4虛擬設計原理與關鍵技術

虛擬設計是以“虛擬現實”技術為基礎，以機械產品為對象的設計手段。虛擬現實(VR)技術，就是基于自然方式的人機交互系統，即利用計算機、傳感與測量、仿真、微電子等方面的技術，通過計算機創建一種虛擬環境，并通過視覺、聽覺、觸覺、味覺、嗅覺等多種傳感設備的作用，使用戶產生身臨其境的感覺， 并可實現用戶與該環境直接進行交互。從本質上來講，虛擬設計就是將產品從概念設計到投入使用的全過程虛擬到計算機上，在計算機上構造的虛擬環境中虛擬地實現，其目標不僅是對產品的物質形態和制造過程進行模擬和可視化，而且是對產品的性能、行為和功能以及在產品實現的各個階段中的實施方案進行預測、評價和優化。

虛擬設計的關鍵技術包括以下內容：

(1) 全息產品的建模理論與方法。

(2) 基于知識的設計包括設計知識的獲取、表達與應用：設計信息和知識的合理流向、轉換與控制；設計知識的融合、管理與共享；從設計過程數據中挖掘設計知識。

(3) 設計過程的規劃、集成與優化 包括設計活動的預規劃和實時動態規劃、設計活動的并行運作以及設計過程的沖突管理與協商處理。

(4) 虛擬環境中的人機互動工程學。

5虛擬設計技術的發展趨勢

在仿真建模、仿真實驗設計、仿真結果分析和模型的修正及維護等多個方面大大改善仿真系統的適應性和仿真的準確性,形成高效的智能仿真系統。VR技術將很快進入一個快速發展的時期,其主要趨勢是頭盔式顯示器(HMD)等可視化設備、人體(或四肢)方位跟蹤系統、觸覺系統等VR專用硬件將全面上市,其性能價格比會迅速提高,VR技術所需求的高性能計算機將以用戶可以接受的價格出現。VR設備驅動軟件和用新型傳感裝置測得大量數據的高效處理軟件也將面市,ISO標準化組織將推出有關的信息交換標準,VR技術在2010年左右將獲得普遍應用,但由于它對人腦思維和人體行為的基礎研究難以在短時期內突破,故VR技術還會有一個較長的發展時期。

參考文獻:

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[4]袁名松等.虛擬設計發展現狀及未來發展方向.昆明理工大學學報,2002(5):21-25.

中圖分類號:TP302

文獻標志碼：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，機械設計及其理論。