机电产品虚拟设计与仿真

机电产品的虚拟设计与仿真姚进教授本次课的内容1虚拟现实技术概述2虚拟样机技术3课程教学与考试1.1虚拟现实技术概述1.2虚拟现实体系结构1.3虚拟现实的发展历程1.4虚拟现实技术的应用1.5虚拟现实技术未来发展展望1虚拟技术（(VirtualReality)）•定义和特征•虚拟设计的结构体系及支撑技术•虚拟现实的发展历程•虚拟现实的国内外研究现状•虚拟现实的主要应用领域1.1虚拟现实技术概述定义和特征•概念“虚拟现实”（virtualreality，简称vr）是用计算机技术来生成一个逼真的三维视觉、听觉、触觉或嗅觉等感觉世界，让用户可以从自己的视点出发，利用自然的技能和某些设备对这一生成的虚拟世界客体进行浏览和交互考察。。•桌面虚拟现实•沉浸的虚拟现实•增强现实性的虚拟现实•分布式虚拟现实虚拟现实类别：桌面虚拟现实利用个人计算机和低级工作站进行仿真，将计算机的屏幕作为用户观察虚拟境界的一个窗口。•桌面虚拟现实高级虚拟现实系统提供完全沉浸的体验，使用户有一种置身于虚拟境界之中的感觉。•沉浸的虚拟现实增强现实性的虚拟现实不仅是利用虚拟现实技术来模拟现实世界、仿真现实世界，而且要利用它来增强参与者对真实环境的感受，也就是增强现实中无法感知或不方便的感受。•增强现实性的虚拟现实如果多个用户通过计算机网络连接在一起，同时参加一个虚拟空间，共同体验虚拟经历，那虚拟现实则提升到了一个更高的境界，这就是分布式虚拟现实系统。1•分布式虚拟现实1.2虚拟设计技术结构体系•虚拟设计系统结构虚拟设计技术结构体系•虚拟设计软件技术•虚拟环境中采用的软件有四类：•1)语言类：如C++、VBML等；•2)建模软件类：如AuoCAD、SolidWorks、Pro／E、CATIA等。•3)应用软件类：指用户自己的各种需求，选择或者开发的自用软件。•4)通用的商用工具软件包：如：WTK，VRML等。虚拟设计技术结构体系•虚拟现实硬件基础•（1）概论•虚拟现实常用的主要硬件设备包括：高性能计算机；广角（宽视野）的立体显示设备；观察者（头、眼）的跟踪设备；人体姿势的跟踪设备；立体声；触觉、力学反馈；语音输入输出等硬件设备。•（2）3D位置跟踪器•在3D空间中移动对象共有三个平移参数和三个旋转参数。这些参数可组成一个6维的数据集。在早期，人们主要采用机械方式测量上述参数；当今，非接触3D跟踪技术已经取代了机械测量。3D非接触跟踪技术包括磁场、超声波、雷达和摄象机等。•（3）传感手套数据手套可以帮助计算机测试人手的位置与指向，从而可以实时的生成手与物体接近和远离的图像。但迄今为止，商品化的数据手套都不提供触觉反馈作用。常见的数据手套虚拟设计技术结构体系（4）三维鼠标普通的鼠标只能感受在平面的运动，而立体鼠标能够感受用户在六个自由度的运动。虚拟设计技术结构体系•（5）数据衣数据衣采用与数据手套相同的光纤弯曲传感技术，将大量的光纤安装在一个紧身衣服上，它能测量肢体的位置，然后用计算机重建出图像。目前，数据衣还不是真正的商品，还在进一步研究之中。虚拟设计技术结构体系•（6）触觉和力反馈的装置•为了产生虚拟的触摸感觉，研究人员开发了触觉和力反馈装置。虽然它们的样式和大小各不相同，但它们大致上做相同的事情：推我们的手臂，并把机械或动力信号记录下来。力反馈的装置相对于触觉要容易，国际上已有一些机械的力反馈装置。•（7）立体显示设备•头盔式显示器HMD；特殊的头部显示器BOOM（双目全方位监视器）；立体眼镜（用户戴在眼睛上能从显示器上看到立体的图像）；立体投影显示；3D显示器。头盔式显示器HMD虚拟设计技术结构体系•（8）3D声音生成器“3D声音”不是立体声的概念，它是指由计算机生成的、能由人工设定声源在空间中三维位置的一种声音。3D声音生成器是利用人类定位声音的特点生成出3D声音的一套软硬件系统。人类进行声音的定位依据两个要素：两耳时间差和两耳强度差其他硬件•双筒全方位显示器(BinocularOmni-OrientationMonitor—BOOM）•立体投影显示•立体眼镜•等等1.3虚拟现实的发展历程与现状•发展历程1965年Sutherland提出1966年开始HDM的研究1968年研制出第一台HMD1975年MyronKrueger提出AR的思想1985年研制出数据手套1986年VIEW系统研制成功1990年Siggraph会议确定VR技术的发展方向20世纪90年代以来VR应用到众多领域•国外虚拟现实技术的研究现状–美国宇航局(NASA)•美国宇航局(NASA)的Ames实验室完善了HMD，并将VPL的数据手套工程化，使其成为可用性较高的产品。•NASA完成的一项著名的工作是对哈勃太空望远镜的仿真。•现在NASA已经建立了航空、卫星维护VR训练系统、空间站VR训练系统，并且已经建立了可供全国使用的VR教育系统。•ASA的Ames现在正在致力于一个叫“虚拟行星探索(VPE)”的实验计划，这一项目能使“虚拟探索者(VirtualExplorer)”利用虚拟环境来考察遥远的行星，他们的第一个目标是火星。虚拟现实的国内外研究现状–北卡罗来纳大学(UNC)的计算机系是进行VR研究最早最著名的大学。他们主要研究分子建模、航空驾驶、外科手术仿真、建筑仿真等。在显示技术上UNC开发了一个帮助用户在复杂视景中建立实时动态显示的并行处理系统．叫做像素飞机(PixelPlanes)。–麻省理工学院(MIT)是一个一直走在最新技术前沿的科学研究机构。1985年M1T成立了媒体实验室，进行虚拟环境的正规研究。此外，M1T还在进行“路径规划”与“运动计划”等研究。–SRI研究中心建立了“视觉感知计划”，研究现有VR技术的进一步发展。1991年后，SRI进行了利用VR技术对军用飞机或车辆驾驶的训练研究，试图通过仿真来减少飞行事故。此外，SRI还利用遥控技术进行外科手术仿真的研究。虚拟现实的国内外研究现状–华盛顿大学华盛顿技术中心的人机界面技术实验室(HITLab)在新概念的研究中起着领先作用，同时也在进行感知、知觉、认知和运动控制能力的研究。HIT将VR研究引人了教育、设计、娱乐和制造领域。例如，波音公司的V22运输机就是先在实验室中造出虚拟机后再投人生产的。–欧共体(CEC)认为VR是一门新兴技术，已经组织了几次评价VR的专题活动。虚拟现实的国内外研究现状虚拟现实的国内外研究现状–Windustries位于Leicester，是国际VR界的著名开发机构，正在开发一系列VR产品，主要是娱乐业方面的。正在计划推出新型轻量显示头盔和功能强大的图形引擎(GraphicsEngine)。–BritishAerospace(BAE)的许多部门参与了VR，其中最有成效是在RoyKalawsky教授领导下，利用VR技术设计高级战斗机座舱，BAE开发的大项目VECTA(VirtualEnvironmentConfigurableTrainingAid)是一个高级测试平台，用于研究VR技术以及考察用VR代替传统模拟器方法的潜力。VECTA的子项目RAVE(RealAndVirtualEnvironment)就是专门为在座舱内训练飞行员而研制的，已在1992年的Famborough航空展示会上进行了首次演示。虚拟现实的国内外研究现状–DimensionInternational是桌面VR的先驱，尽管桌面VR是非沉浸式的，但是与那些可视效果和动态质量差的沉浸式(Immersive)系统相比，许多学术界和工业界的用户更喜欢该公司基于PC486系统提供的优质图像和实时交互特性，该公司已生产了一系列商用VR软件包，都命名为Superseape。Dimension还与电视公司合作开发Cyberzone(宣称是世界上第一个VR电视游戏节目)。–英国的高级机器人研究有限公司(ARRL)关于远程呈现的实验研究主要包括VR技术重构问题。ARRL与Overview公司合作开发了一系列头控立体摄像系统，同时ARRL还与Airmuscle公司合作首先在手套和3D／6D鼠标上使用了触觉反馈。ARBL在VR方面的工作仍在继续，除了高级机器人和遥现场领域外．还包括发动机设计、CAD软件包转换、烟雾和爆炸的建模与可视化、VR多媒体集成系统、医学可视化以及纳米技术(Nanotechnology)。虚拟现实的国内外研究现状–在德国有大约50个Fraunhofer研究所，Darmstadt的Fraunhofer计算机图形研究所(IGD---FHG)就是其中之一。其中大多数研究所已着手VR项目研究，如斯图加特的IPA--FHG的遥机器人测试平台。IGD的研究开发工作集中在计算机图形学有关的领域，如可视模拟、可视化、图像处理和VR等，并对那些需要复杂底层结构、技术支持和专业性的中长期项目实现承包管理方法。IGD---FHG在1992年建立了一个VR演示中心，用于评估VR对未来系统和界面的影响，该中心的任务是在测试平台环境中给用户和生产者提供通向先进的可视化、模拟技术和VR技术的途径。虚拟现实的国内外研究现状•国内虚拟现实技术的研究现状：–北京航天航空大学计算机系是国内最早进行VR研究的单位之一，他们首先进行了一些基础研究，并着重研究虚拟环境中物体物理特性的表示与处理；在虚拟现实中的视觉接口方面开发了部分硬件，并提出了有关算法及实现方法；实现了分布式虚拟环境网络设计，建立了网上虚拟现实研究论坛，可以提供实时三维动态数据库，提供虚拟现实演示环境，提供用于飞行员训练的虚拟现实系统，提供开发虚拟现实应用系统的开发平台，并将要实现与有关单位的远程连接。虚拟现实的国内外研究现状–浙江大学CAD&CG国家重点实验室在基于图像的虚拟现实、分布式虚拟环境的建立、多细节层次模型、真实感三维重建、基于几何和图像的混合式图形实时绘制算法等领域开展了深入的研究，在国内外产生了广泛的影响。–哈尔滨工业大学计算机系已经成功地虚拟出了人的高级行为中特定人脸图像的合成，表情的合成和唇动的合成等技术问题，并正在研究人说话时头势和手势动作，语音和语调的同步等。–清华大学计算机科学和技术系对虚拟现实和临场感的方面进行了研究，例如球面屏幕显示和图像随动、克服立体图闪烁的措施和深度感试验等方面都有不少独特的方法。虚拟现实的国内外研究现状–西安交通大学信息工程研究所对虚拟现实中的关键技术——立体显示技术进行了研究。他们在借鉴人类视觉特性的基础上提出了一种基于JPEG标准压缩编码新方案，并获得了较高的压缩比、信噪比以及解压速度。–中国科技开发院威海分院主要研究虚拟现实中视觉接口技术，完成了虚拟现实中的体视图像对算法回显及软件接口。在硬件开发上已经完成了LCD红外立体眼镜，并且已经实现商品化。–北方工业大学CAD研究中心是我国最早开展计算机动画研究的单位之一，中国第一部完全用计算机动画技术制作的科教片《相似》就出自该中心。虚拟现实的国内外研究现状–西北工业大学CAD／CAM研究中心、上海交通大学CIM研究所、上海交通大学图像处理及模式识别研究所、国防科技大学计算机研究所、华东船舶工业学院计算机系、华中科技大学CAD／CAM中心、华中科技大学仿真中心、武汉理工大学智能制造与控制研究所及汽车学院、广东工业大学等单位都进行了一些有成效的研究工作和成功尝试。其中，上海交通大学CIM研究所承担了国家自然科学基金重点项目“虚拟制造的理论与技术基础”，在有关理论与方法、系统开发与应用、虚拟环境建设方面做了很好的工作。1.4虚拟现实的主要应用领域•工程应用–虚拟现实技术在汽车制造业的广泛应用。•美国通用汽车公司的CAVE•福特公司的虚拟工厂•英国航空实验室的虚拟轿车客舱•雷诺汽车公司的“cityFleet”虚拟现实的主要应用领域•工程应用–虚拟现实技术在飞行仿真领域的应用•飞行员的操纵舱系统•显示外部图像的视觉系统•产生运动感的运动系统•计算和控制飞行运动的计算机系统。虚拟现实的主要应用领域•工程应用–虚拟现实技术在虚拟实验的应用•虚拟风洞•虚拟物理实验室•虚拟电力控制室虚拟现实的主要应用领域•医学领域的应用–