浅述虚拟设计方法的研究

付典林，廖飘，郑弦

(1.江西农业大学工学院，江西 南昌 330045； 2.华东交通大学机电学院，江西南昌 330045；

3.南昌工程学院会计系，江西 南昌 330045)



浅述虚拟设计方法的研究

付典林1，廖飘2，郑弦3

(1.江西农业大学工学院，江西 南昌 330045； 2.华东交通大学机电学院，江西南昌 330045；

3.南昌工程学院会计系，江西 南昌 330045)

摘要：介绍了虚拟设计的发展背景、国内外现状以及存在的问题，论述了虚拟设计原理、设计策略，虚拟设计的关键技术等。

关键词：虚拟设计;国内现状;设计原理;发展趋势

引言

全球化、网络化和虚拟化已成为制造业发展的重要特征，实现“虚拟设计”是制造业虚拟化的重要内容。所谓虚拟设计，是以虚拟现实技术VR(Virtual Reality)为基础，对产品的外型设计、色彩设计、功能展示、性能检验以及成品展示等环节实现虚拟化，以数字信息代替实物产品的一种设计方式。它具有3个“I”的特征，即Immersion(沉浸感)、Interaction(交互性)和Imagination(想象力)。由于虚拟设计基本上不消耗资源和能量，也不生产实际产品，而是在计算机上实现产品的设计、开发和加工过程，即完成产品的数字化过程，所以与传统的设计和制造相比较，它具有高度集成、快速成型和分布合作等特征。设计者在虚拟环境中对产品进行设计、制造和分析，并对产品进行虚拟装配、动态仿真和评价，从而能够缩短产品开发周期，降低产品开发和制造成本。

1虚拟设计的发展背景

虚拟设计是20世纪90年代发展起来的一个新的研究领域，它是计算机图形学、人工智能、计算机网络、信息处理、机械设计与制造等技术综合发展的产物，在机械行业有广泛的应用前景，如虚拟布局、虚拟装配、产品原型快速生成、虚拟制造等。

2国内虚拟设计技术的研究现状

北京航空航天大学计算机系是国内最早进行VR研究、最有权威的单位之一，他们首先进行了一些基础知识方面的研究，并着重研究了虚拟环境中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等。

浙江大学CAD&CG国家重点实验室开发了一套桌面型虚拟建筑环境实时漫游系统。另外，他们还研制出了在虚拟环境中一种新的快速漫游算法和一种递进网格的快速生成算法。

3虚拟设计存在的问题

3.1由虚拟环境到CAD的数据交换问题。由于虚拟设计系统在图形输出和模型操纵方法上与其他计算机辅助应用系统如CAD、CAPP(计算机辅助工艺规划)等存在很大的不同，从而导致虚拟现实系统的数据和信息不能很好地被其它现行的计算机辅助系统共享。直到目前，由虚拟环境到CAD环境的数据交换能力仍非常薄弱，主要的问题是一般虚拟环境中多采用多边形格式，而CAD环境常采用参数建模。

3.2数据接口。目前所用的数据接口例如IGES(基本图形转换规范)只能提供几何数据的转换。例如，它们只能提供一个孔的周边信息而不能提供孔本身的信息如孔径及中心位置，更不能提供孔的材料、质地、颜色、力学特性等。

3.3数据缩减。在硬件还不够强大的情况下，若要保证足够的图像刷新率，CAD数据就需要转换为多边形格式并且很可能需要实施进一步的缩减处理。

3.4硬件方面的问题。处理器计算能力不足、头盔式显示器分辨率太低、触觉/力量反馈系统能力太差。跟踪系统能够精确跟踪的范围太小，抵抗外来干扰的能力不足。以上这些硬件问题是虚拟设计系统不能充分发挥其强大功能的主要障碍。

4虚拟设计原理与关键技术

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。虚拟现实(VR)技术，就是基于自然方式的人机交互系统，即利用计算机、传感与测量、仿真、微电子等方面的技术，通过计算机创建一种虚拟环境，并通过视觉、听觉、触觉、味觉、嗅觉等多种传感设备的作用，使用户产生身临其境的感觉， 并可实现用户与该环境直接进行交互。从本质上来讲，虚拟设计就是将产品从概念设计到投入使用的全过程虚拟到计算机上，在计算机上构造的虚拟环境中虚拟地实现，其目标不仅是对产品的物质形态和制造过程进行模拟和可视化，而且是对产品的性能、行为和功能以及在产品实现的各个阶段中的实施方案进行预测、评价和优化。

虚拟设计的关键技术包括以下内容：

(1) 全息产品的建模理论与方法。

(2) 基于知识的设计包括设计知识的获取、表达与应用：设计信息和知识的合理流向、转换与控制；设计知识的融合、管理与共享；从设计过程数据中挖掘设计知识。

(3) 设计过程的规划、集成与优化 包括设计活动的预规划和实时动态规划、设计活动的并行运作以及设计过程的冲突管理与协商处理。

(4) 虚拟环境中的人机互动工程学。

5虚拟设计技术的发展趋势

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。

参考文献:

[1]施普尔·克劳舍 .虚拟产品开发技术.北京:机械工业出版社,2000.1-15.

[2]宗晓杰，房俊龙.现代农业机械产品设计中VR/可视化技术的应用.农机化研究,2003,(3):173-174.

[3]杨锟,刘继红.面向虚拟装配的装配建模技术.机械科学与技,2001(2):305-308.

[4]袁名松等.虚拟设计发展现状及未来发展方向.昆明理工大学学报,2002(5):21-25.

中图分类号:TP302

文献标志码：A

文章编号：1671-1602(2016)02-0053-01

作者简介：付典林(1991-4)，男，在读硕士，机械设计及其理论。