虚拟设计10

虚拟设计董志峰概述虚拟现实（VirtualReality）是在计算机图形学，计算机仿真技术，人机接口技术,多媒体技术及传感技术的基础上发展起来的一门交叉技术。虚拟设计是以“虚拟现实”技术为基础，以机械产品为对象的设计手段。借助这样的设计手段设计人员可以通过多种传感器与多维的信息环境进行自然地交互，实现从定性和定量综合集成环境中得到感性和理性的认识，从而帮助深化概念和萌发新意。虚拟设计技术充分地利用了模拟仿真技术，但它又不同于一般的模拟仿真技术，它具有虚拟现实的特征，如：自主性、交互性、沉浸感等。虚拟设计系统比现行的CAD系统具有更强的人机交互能力，设计人员可以通过视觉、听觉、触觉、语音及手势等与设计的对象在虚拟的环境中进行自然地、直观的交互。由此可见，这项技术使得计算机在产品的辅助设计方面向前推进了一步，使计算机辅助设计的工作范围从规范性工作向创造性工作迈进。虚拟设计的技术基础“虚拟现实”近年来，虚拟现实（VirtualReality）技术被越来越多地应用于科学研究，已逐渐被认为是重要的科学探索工具。利用这项技术，在新产品。新计划或新概念还远没有成为现实之前，人们就能够以较为现实的方式对其进行观察和探索。从这个意义上讲，虚拟现实技术是一种非常独特的技术，很难有别的技术可以取而代之。虚拟设计正是这项技术在机械产品设计方面的一个应用。1990年在美国Dallas召开的SIGGRAPH国际会议上，首次将虚拟现实用以下三种基本技术进行了概括：(1）三维计算机图形学技术；(2）采用多种功能传感器的交互式接口装置；(3）高清晰度显示装置。虚拟现实的发展历史与前景目前，虚拟现实在军事领域、建筑工程、汽车工业、计算机网络、服装设计医学、化工以及娱乐等应用前景美好。有人称此项技术为继蒸汽机、计算机之后的另一场“工业革命”；也有人称本世纪为“计算机多媒体时代”，下世纪为“虚拟现实时代”。1929年，EdwinLink设计了一种装置，人们坐在其中有一种乘飞机飞行的感觉，这种装置后来发展成为飞行模拟器，用做飞行员的飞行训练。利用飞行模拟器进行飞行员的初步训练消除了机毁人亡的危险，同时也大大地减少了动用飞机训练的费用。当人类的飞行器进入太空后，飞行模拟器也随之发生了很大的变化。这类飞行模拟器就是虚拟现实技术的鼻祖。60年代初期，电影摄影师MortonHeiling研制的街道摩托车模拟器是虚拟现实的另一个先驱。人坐在这个装置上，双手操纵摩托车车把，仿佛穿行于纽约闹市，能看到立体，彩色，变化的街道，能听到立体声响，感到车的颠簸，扑面而来的风，甚至可以闻到食物的香气。60年代和70年代的几项发明对当前的虚拟现实技术的发展做出了巨大的贡献。1965年，IvanSutherland设计了一种头戴式计算机图形显示器，它可以跟踪佩戴者的头部位置。这种设备允许佩戴者看到显示器显示的模拟环境，并可根据佩戴者头部的运动改变显示的场景，使人产生身临其境的幻觉。1967年，在FrederickBrooks的指导下，北卡罗来纳大学开始探讨实现力量反馈的办法。力量反馈可以将一个物理的压力或力量通过一个用户接口引向用户，使用户感到计算机仿真力量的作用。1972年，No1anBushnell开发了一种电子游戏，这个电子游戏允许人们通过电视屏幕操纵一个弹跳的乒乓球。由于交互性是虚拟现实技术的一个关键，因而这个交互式游戏的开发成功对虚拟现实技术的发展具有重要的意义。80年代中期，美国宇航局（NASA）的Ames研究中心利用当前流行的液晶显示器和其他零部件开始研制低成本的虚拟现实设备，这样就弥补了飞行模拟器成本高得惊人的不足，这样的研究工作对于推动当前虚拟现实硬件及软件公司的发展是非常有利的。虚拟现实系统的特征虚拟现实系统不同于一般的计算机绘图系统，也不同于一般的模拟仿真系统，它不仅能让用户真实地看到一个环境，而且能让用户真正感到这个环境的存在，并能和这个环境进行自然交互。（1）多感知性（Multi-Sensory）它除了具有一般计算机技术的视觉感知之外，还有听觉，触觉，力觉，运动感知，甚至味觉，嗅觉感知等。（2）沉浸感（Immersion）它是指人感到亲临，融入计算机系统创建的“真实”环境中。（3）交互性（Interaction）它指人能用多种传感器与多维化信息环境发生交互作用。对虚拟环境中的物体的可操作程度和得到反馈的自然程度。（4）构想（Imagination）人可以从这种定性和定量综合集成的环境中得到感性和理性的认识，从而深化概念和萌发新意。传统设计方法及计算机辅助设计的起源与发展1896年，A．Riedler第一个创始了工程图。他在图上看到“观察的基础、形状和空间想象的基础”。通过图样，人类的立体空间想象能力得到发展。而“作为表达工具的图样和作为智力活动的形象思维之间的关系如同语言和思维之间的关系一样，如果缺少了语言，再好的口才也无济于事”。至今，制图艺术仍然促进着人类的空间想象和形状想象能力的发展。在绘图板上绘制的技术图样是由原来手绘的简单草图慢慢发展而来的。公元前212年收复罗马的Syrakus城时，一个士兵在一个由沙子撤成的黑板前找到了75岁的数学家Archimedes，当时他正在上面画图。当士兵把他拉走时，他说：“拿走我的头，但别动我画的东西！”。以后人们用蜡浇在由砂子形成的板上，并在变硬的蜡上用兽角或用金属做笔来画图。这就形成了早期形状的绘图板。达芬奇(LeonardoDaVinci1452-1519),不仅仅是一个画家，他同时也是一个出色的发明家，近代科学和技术应用的奠基人。被后人推崇为许多现代化机械的发明人，因为他神奇地预测了现代社会和当代社会的文明。在后人眼中，达芬奇是飞机、汽车、直升机、潜水艇、自行车、蒸汽机等等机械的设计者。首先，他对一些几个世纪后才出现的装置进行了天才的设计。例如他所设计的飞行器，如今人们在展览中展出了按真实比例制作出的精美模型，该模型在一方面有力地表达出达芬奇想要利用人类的肢体（头，手臂和腿）来操控飞行器的美好愿望和严谨作风，另一方面也展示出该想法在自然界中的不可实现性：因为按照该设计所制造出的飞行器重量太大，无论如何也飞不起来。另外一件重要展品的情况就大不一样，那就是达芬奇设计的“汽车”。该汽车具有一个弹簧引擎和一个非常精细的速度控制系统，能够顺利地运转。这将会展示在公众们的眼前。第二个方面在于通过达芬奇的作品展示出他长期在艺术与科技之间寻求的一种融合。他的那些机械装置图纸本身也是出色的艺术杰作，这些“机械肖像画”完美地展示出各个机械的功用，就像他的人物肖像画可以展现出人物的心理状态一样。值得强调的是，达芬奇最大的发明就在于把机械绘图引入了该领域。他率先明白科技的语言首先是视觉的语言。因此，他最先确定了这种语言的语法规则。在达芬奇以前，所有的机械图纸都是在“偶然”的情况下绘制的，并且其绘制方式也不确定。达芬奇则确定了技术绘图的规则，虽然，我们今天已经在用电脑辅助作图，但这些规则一直沿用至今。他所绘制的机械图纸是艺术活动中的一种伟大创新的典范，现在的图纸绘制已进一步发展，包括：平面图、立视图、透视图、以及各个不同角度的视图、展示动态情况的电影效果图、突出摩擦和变形的效果图，运用阴影技巧体现出三维效果的技术，等等。设计过程剖析（1）最初，设计人员得到的仅是一些概要性的认识。（2）接下去设计人员开始准备设计规范，它需要包括各种参数指标。（3）设计人员通常要勾画出多种解决问题的方案，以便进行多方面的对比研究。（4）将这些可能的方案加以分析对比，通常应选出一二个最有可能满足设计参数指标的方案进行更深一层的分析研究。（5）最终的设计方案必须经过细节上的分析，确保其能够满足设计的要求。（6）为制造样机进行精确设计。计算机辅助设计（1）三维建模系统许多专家认为传统的机械制图将会被三维计算机模型取而代之。这种系统可以用于定义零件的几何参数，以便设计人员从不同的角度查看设计效果，计算重量及其他物理量，并可用于碰撞检测；（2）有限元分析用于计算承力部件的应力和挠度等；（3）人机工程学建模系统用于检查设计是否符合人机工程学方面的要求；（4）材料选择系统用于选择满足一定性能要求的材料；（5）零件设计系统用于设计零件；（6）绘图系统用于绘制传统的工程图（零件图、装配图等）。虚拟设计在产品开发中的应用虚拟设计（VirtualDesign）是利用虚拟现实技术在计算机辅助设计（CAD）的基础上发展而来的一种设计手段，它可以在设计的某些阶段来帮助设计人员进行设计工作。这项技术对缩短产品开发周期，节省制造成本有着重要的意义。它的近期目标是把设计人员从键盘和鼠标上解脱下来，使其可以通过多种传感器与多维的信息环境进行自然的交互，实现从定性和定量综合集成环境中得到感性和理性的认识，从而帮助深化概念和萌发新意，帮助设计人员进行创新设计。利用此项技术可以大大地减少实物模型和样机的制造，从而减少产品的开发成本，缩短开发周期。国际上一些著名公司争先在它们的产品设计中采用了这项先进技术，如：通用汽车公司（GeneralMotors）；波音公司（BoeingCorporation）；福特汽车公司（FordMotorCompany）；奔驰（Benz）；英国航空公司（BritishAerospace）等。实践证明：虚拟设计在产品的概念设计、装配设计、人机工程学（ergonomics）等方面有着特别重要的意义。虚拟概念设计1996年美国Wisconsin-Madison大学研制出了一个虚拟概念设计系统COVIRDS（COnceptualVIRtualDesignSystem）。概念设计是指对产品或零件的从头开始的设计构思，它的目的是为了捕捉产品的基本形状。概念设计是设计过程中的重要阶段，因为一旦确定了产品的概念设计，产品成本的60％～70％已经从宏观上确定。因此，在这个设计阶段应尽可能多地考查设计方案以便选出生产成本最低的设计方案。产品在这个设计阶段，其形状及精确尺寸尚未定死，设计人员有一定的变更自由。现行的CAD系统要求设计人员在进行CAD建模时必须给出产品的具体形状特性和精确尺寸，无论在这个设计阶段是否必要，或者根本无法知道。Wisconsin-Madison大学研制的虚拟概念设计系统COVIRDS克服了CAD建模的这一缺点，它采用语音识别和手势跟踪系统使用户可以更直观地与虚拟建模环境进行交互，完成快速的概念设计，节省了形状的精确描绘和尺寸的定义时间。虚拟装配设计美国麦道飞机公司采用了沉浸式的虚拟现实系统以帮助新型号发动机的设计。这个虚拟设计系统首先用来研究发动机的拆装过程，尤其是用来发现拆装过程中发动机是否可能与其他零部件发生干涉。整个发动机的拆装过程可以在虚拟环境中进行。若要进行拆卸，首先打开虚拟的发动机舱门，把拖车放到发动机的下面，然后用千斤顶把拖车顶到一定的高度。接下去可使用虚拟工具把固定发动机的螺栓松开，再把发动机固定在拖车上，降低拖车，把发动机移出去进行维修或替换。安装发动机的过程与拆卸类似，只是过程相反。虚拟人机工程学设计从社会对商品的要求来看，以往的大批量生产已经难以满足人们对商品规格多样化日益增长的需要，取而代之的将是小批量多规格的生产。由于需要在同一生产线上装配不同规格的产品，因此，对设计和制造技术的灵活性提出了很高的要求。虚拟设计系统将为解决这一难题提供很好的帮助。例如，在设计制造一种新型汽车时，人们自然会提出许许多多的要求。汽车外形要具备美观条件，又必须满足安全、人机工程学、维护以及装配等方面的标准。设计还要受到生产、时间以及费用等互相制约条件的限制。在这种复杂的设计过程中，虚拟设计技术比传统的CAD技术能更好地适应这些要求。上述的各种条件可以集成在设计过程中，并且可以减少用于验证概念设计所需的模型的个数。在设计过程的各个阶段，可以不断地利用仿真系统来验证假设，既可以减少费用和制造模型的时间，同时又可以满足产品多样化的要求。虚拟设计系统结构零部件的生成零件是构成部件的基本单元，零件一般会包括各种形体，我们称之