仿真与虚拟设计技术29

目录第1章绪论第2章仿真与虚拟设计技术概述第3章虚拟设计技术第4章国内外研究现状第5章虚拟设计技术存在问题第6章未来发展方向第7章结束语伴随着科学的不断发展,人类社会步入了崭新的世纪。各种新技术层出不穷,而各个学科相互融合发展,又产生了许多新的学科技术。产品设计就是这样的一门学科。每一次新科技的出现,都会给产品设计的途径、方式带来新的发展和变化。仿真与虚拟现实技术是以计算机支持的仿真技术为前提的,对设计、加工、装配、维护等等,经过统一建模形成虚拟的环境,虚拟的过程,虚拟的产品。仿真与虚拟技术产生于20世纪40年代,到90年代才逐步发展完善起来,现在已经应用到了制造、军工、医学、航天、建筑等很多领域,并且都取得了很大的成功。仿真与虚拟技术应用到产品设计中,更会体现出它的很多优势,给设计业带来全新的理念和方式。如图１总结了几个世纪以来产品设计的演变过程。返回目录第１章绪论面向车间设计面向车间设计方法学设计一般原理方法面向计算机的产品建模虚拟产品设计（工程图）零件图几何模型产品生命周期模型算法知识处理仿真产品建模过程设计组织计算机辅助设计开发规则市场和顾客研究样品制造实验经济和生态方面的评价使用评价1850190019502000年份返回设计的演变过程第2章仿真与虚拟设计技术概述什么是仿真？什么是虚拟现实（ＶＲ）？返回目录什么是仿真?仿真Simulation属于一门基础性学科，仿真就是利用模型进行的一种试验，它可极为有效而经济地用于科研设计训练以及系统的试验。仿真技术是以控制理论相似原理数模与计算技术信息技术系统技术及其应用领域相关专业技术为基础，以计算机和多种专用物理效应设备为工具借助系统模型，对实际的或设想的系统进行动态试验研究的一门新兴综合性技术。返回什么是虚拟现实（ＶＲ）？虚拟现实(Virtualreality简称VR)，是人类与计算机和极其复杂的数据进行交互的一种方法。虚拟现实技术是指利用人工智能、计算机图形学、人机接口技术、多媒体技术、网络技术、电子技术、机械技术、视听技术等高新技术模拟人在特定环境中视、听、动等行为的高级人机交互技术。返回第3章虚拟设计技术虚拟设计技术虚拟设计系统的构成虚拟设计技术应用虚拟现实技术应用到产品设计中的作用返回目录虚拟设计技术1.虚拟概念设计2.虚拟装配设计3.虚拟环境中的声音系统4.虚拟设计系统中的接触及力量反馈返回虚拟概念设计产品设计过程可以概括分为两个步骤：概念设计(ConceptualDesign)和构型设计(ConfigurationDe-sign)[1]。前者的目的是制定出设计方案，后者的目的是设计出具体构型。概念设计是设计的初步阶段，它的目的是获得足够多的有关产品式样和形状的信息。它是设计过程的重要阶段，因为产品成本的60%~70%是由这个阶段决定的。在概念设计阶段，人们需要研究大量可行的设计方案，从而确定经济效益最好的设计。虚拟概念设计使用虚拟现实技术，为设计者提供基于语音识别和手势跟踪的输入方式，设计者可以很方便地在三维虚拟环境中操纵产品及零件，进行各种形状建模和修改。利用这种系统进行计算机建模，无须精确的尺寸定义。虚拟现实技术消除了鼠标、键盘等的输入方式给用户带来的限制，同时系统还可以为用户提供三维立体图像，设计者可以在三维空间中对设计对象进行观察和操作。返回虚拟装配设计返回头盔显示器返回数据手套返回喇叭屏幕传感器麦克风喇叭屏幕RGB-NTSCRGB-NTSC图形卡图形卡三维声音模型库语音识别I/O接触及力量反馈空间球接触及力量作用装置数据手套显示器位置方向跟踪器数据输入识别控制I/OI/O模拟环境生成器计算机接口交互工具及信号控制多感知接口及虚拟环境生成系统返回虚拟设计系统构造图虚拟设计技术应用1.虚拟现实技术已成为军事和航天领域的先锋技术2.虚拟现实技术已成为一种商业经营手段和战略3.虚拟现实技术成为学校教学手段和教学方式的重要组成部分4.虚拟现实技术将成为工程设计的得力助手返回虚拟设计技术军事和航天领域的应用返回虚拟现实技术已成为一种商业经营手段和战略国际企业管理挑战赛的核心是一套完善的电脑软件系统，它用模拟方式把一个企业在国际标准市场环境中所面临的各种管理问题反映出来，参赛者作为虚拟企业的领导人就此进行决策。由于它与市场中变化莫测的真实商战相吻合，国际上许多公司将其作为训练员工的手段。虚拟仿真技术已日渐成熟，如虚拟仿真技术的汽车演示厅，人们可以在汽车上面对虚拟道路。了解汽车的性能。虚拟仿真技术的驾驶厅，可以帮助驾驶员在虚拟道路上训练等等。现在许多公司都把代理人模拟软件视为企业经营的有力工具。在美国思想工具公司所开发的项目挑战模拟装置中，挑战者以形神兼备的虚拟工作组成员的面貌出现，展开激烈的商战。虚拟公司和虚拟经营策略越来越受到各大公司的青睐。返回虚拟现实技术成为学校教学手段和教学方式的重要组成部分早在1995年，华盛顿的中小学校就开始了虚拟教学。教室里没有黑板和讲台，每个座位的前方都有特殊的头盔和操纵杆。孩子们只要带上头盔，手握操纵杆，眼前就会出现一幅幅栩栩如生的景象，既生动又形象，这是虚拟教学。传统的教学理论和教学实践一直忽视形象思维的发展与完善，片面强调抽象思维，这是目前课堂教学普遍存在的枯燥、乏味、抽象、难懂的重要原因之一。美国加州和印第安纳州之间的一堂关于宇航和太空知识的远程教学课也是一个很好的实例。远在美国东部印第安纳州的教师和他的学生们一起出现在大屏幕电视上。老师用生动的讲解和大量的影视资料把孩子带进了太空，为了激发学习兴趣和参与意识，课堂上还特意准备了五颜六色的小墨镜和小扇子，这样当孩子们和屏幕上的宇航员一起”飞向”太空时，孩子们戴上小塑料墨镜并扇起小纸扇，仿佛真的有耀眼的太阳和灼热的高温需要抵御。同时课堂上还可以品尝到宇航员常吃的脱水后的鸡蛋、苹果酱和冰激凌……在整个的教学活动中，孩子们都能和远隔千里的老师交流自己的感受和体会所以说，利用虚拟技术就能实现形象思维教学，增强学生们的学习兴趣，提高素质教学的水平。虚拟教学已开始走向全球化，相信我国的教学在这一方面的应用将越来越广泛。返回虚拟设计技术工程设计领域的应用返回虚拟现实技术应用到产品设计中的作用1、提高设计直观性和真实性2、缩短设计流程，提高设计效率3、降低设计成本，提高产品竞争力返回第4章国内外虚拟设计技术的研究现状国外虚拟设计技术的研究现状国内虚拟设计技术的研究现状返回目录国外虚拟设计技术的研究现状诺格公司用虚拟现实技术为美设计新航母返回国内虚拟设计技术的研究现状返回第5章虚拟设计技术存在的问题1．由虚拟环境到CAD的数据交换问题2．数据接口3．数据缩减4．实时与真实5．硬件方面的问题6．网络传输速度问题返回目录第6章仿真与虚拟设计未来发展方向技术发展趋势技术发展分析返回目录技术发展趋势建模/仿真方法学、仿真计算机和仿真软件将仍然是计算机仿真技术中的重要课题。科学计算的可视化(VISC)作为仿真的重要基础将进一步发展,为了适应VD环境的要求,高质量的跟踪和控制仿真模型运行方式将有很大发展;鉴于网络环境是由多台处理机(异构或同构)连接而成的分布仿真系统,将可以支持多个子仿真任务协调统一执行。分布仿真系统将成为我国电力、邮电、铁路、金融等行业的通用技术。面向对象的建模/仿真技术将逐步发展到面向特征、面向产品的加工和装配等;并发仿真环境将作为并行设计技术的一种支撑技术而形成通用的支撑系统;专家系统、模糊决策和人工神经网络技术将全面引入仿真系统。在仿真建模、仿真实验设计、仿真结果分析和模型的修正及维护等多个方面大大改善仿真系统的适应性和仿真的准确性,形成高效的智能仿真系统。VR技术将很快进入一个快速发展的时期,其主要趋势是头盔式显示器(HMD)等可视化设备、人体(或四肢)方位跟踪系统、触觉系统等VR专用硬件将全面上市,其性能价格比会迅速提高,VR技术所需求的高性能计算机将以用户可以接受的价格出现。VR设备驱动软件和用新型传感装置测得大量数据的高效处理软件也将面市,ISO标准化组织将推出有关的信息交换标准,VR技术在2010年左右将获得普遍应用,但由于它对人脑思维和人体行为的基础研究难以在短时期内突破,故VR技术还会有一个较长的发展时期。返回技术发展分析实时仿真和VR技术都要求有极高的图象或图形处理速度,除了高性能并行处理计算机,一般的计算机系统目前还很难达到要求。所以,在产品或工程系统的整体仿真和虚拟设计阶段,研究实现以复杂工程分析计算为背景的实时动态图形仿真技术就显得特别重要。研究实现跟踪和控制方式的可视化计算方法,探讨充分利用计算机空间和时间协调达到动态、实时显示要求的软、硬件技术将十分有意义。分布式仿真主要研究的问题是仿真模型和实验的并行化分配,以及有效的分布仿真环境的建立,如静、动态数据及模型和功能分割技术,防止通讯死锁技术等。美欧等国己将分布交互仿真技术用于局部战场的仿真(EADSIM)。面向对象的仿真技术主要体现在2个方面,一是利用通用的面向对象程序设计语言,如C++Smalltalk等,建立仿真软件包;二是基于0-0方法等,建立适于某一范围的建模与仿真软件包。并发仿真技术的主要目的是将仿真任务各个阶段的“人”和“工序”有机及时地联系,从而将逐步实现的仿真工程变为并发实现的工程,当前研制的一体化仿真环境是迈向并发仿真环境的重要一步。并发仿真的核心部分是数据库系统,它既是仿真建模、验模、实验、优化、分析与处理的信息源泉,又是仿真各部分协调配合的连接点。智能仿真技术中主要研究的是如何引入知识表达及处理技术以扩大仿真模型中知识描述的能力;如何引入专家知识和推理,以辅助一般用户对仿真结果做出各种决策;辅助模型的修正与维护等。VR和VD系统包括计算机生成环境、物理实现的建模环境和真实环境3部分,其关键技术包括基于VR的建模方法,如设计对象给人的视觉、听觉、触觉等有关的静、动态属性的定义与表示;定性和定量模型的实时算法;VR支撑系统有关算法;VR支撑系统有关技术;如多用户冲突处理、网络化、数据库及操作、声音组装技术等;多媒体技术,如数据压缩与编码、媒体同步、多媒体网络和超媒体等。返回第7章结束语未来的虚拟现实技术研究主要体现在基础研究、虚拟产品开发和虚拟组织建设3个方面。基础研究方面,早在1998年,美国克林顿总统就美国政府、学术界、产业界联合开发下一代英特网发表国情咨文,并呼吁此行动立即着手开始。正如其它新兴科学技术一样，虚拟现实技术也是许多相关学科领域交叉、集成的产物。它的研究内容涉及到人工智能、计算机科学、电子学、传感器、计算机图形学、智能控制、心理学等。我们必须清醒地认识到，虽然这个领域的技术潜力是巨大的，应用前景也是很广阔的，但仍存在着许多尚未解决的理论问题和尚未克服的技术障碍。客观而论，目前虚拟现实技术所取得的成就，绝大部分还仅仅限于扩展了计算机的接口能力，仅仅是刚刚开始涉及到人的感知系统和肌肉系统与计算机的结合作用问题，还根本未涉及”人在实践中得到的感觉信息是怎样在人的大脑中存储和加工处理成为人对客观世界的认识”这一重要过程。只有当真正开始涉及并找到对这些问题的技术实现途径时，人和信息处理系统间的隔阂才有可能被彻底的克服了。我们期待这有朝一日，虚拟现实系统成为一种对多维信息处理的强大系统，成为人进行思维和创造的助手和对人们已有的概念进行深化和获取新概念的有力工具。返回目录谢谢使用返回首页