虚拟现实技术在工业设计中的应用

黄坤

（安徽新华学院，安徽 合肥 230088）

虚拟现实技术在工业设计中的应用

黄坤

（安徽新华学院，安徽 合肥 230088）

虚拟现实技术与计算机网络技术普及应用于社会各个领域的过程中，我们看到其不可比拟的优势性能，在这个高逼真的模拟环境之下，用户可以深度地沉浸于计算机模拟环境中，在将虚拟现实技术与工业设计活动充分融合的交互之下，可以给工业设计带来新的、突破性的变革契机.

虚拟现实技术；工业；设计；应用

在计算机技术模拟的三维立体空间之中，用户可以强烈地感受到视觉、听觉、触觉的模拟，在将虚拟现实技术应用于工业设计领域时，突显出虚拟现实技术不可比拟的应用优势和性能，它可以无障碍、无阻滞地实现对三维立体空间的事物的观察和操作，生动地模拟出实际的工业生产场景，可以良好地应用于制造、装配、安全监测、建筑、室内设计等领域，具有极其重要的现实功能和意义.

1 虚拟现实技术的工业设计综述

虚拟现实技术以计算机网络技术、现代信息技术为依托，实现虚拟现实技术与现代先进制造技术的整合，是一种基于高度逼真的模拟化人机界面技术，可以达到基于自然技能和真实体验的人机交互系统.虚拟现实技术的工业设计具有其特殊的性能和特征，具体表现为：（1）网络化.在网络技术为支撑的、并行式的设计结构系统之中，实现了对设计、工程分析、生产制造三者的统一和集成.它可以快速地响应市场需求，在虚拟的制造环境中生成数字样机，并对其进行预测和评估.（2）交互性.在虚拟现实技术的工业设计之中，建构三维立体的虚拟数字模型，给人以真实的体验，在身临其境的感觉中对其加以修改和操作，较好地实现了人机的交互.（3）高效性.在虚拟现实技术的工业设计之中，可以较好地减少对设计的修改，节约了设计成本，也提升了设计精度，由此可见，虚拟现实技术的工业设计可以极大地提升资金使用效能.

虚拟现实技术对于工业设计的影响是多方面的，我们可以从不同的角度看待虚拟现实技术在工业设计中的应用优势：（1）变革了工业设计理念.在虚拟现实技术应用于工业设计领域时，工业设计师不仅参与工业的设计阶段，还渗透到企业的生产和销售阶段，需要全程对自己的设计负责，这种理念的转变是前所未有的，虚拟现实技术在工业设计中的应用不仅体现于工业产品的外形设计，还体现于工程设计，这就需要设计师立于更高的、更为全面的角度，生成优良的新产品设计，并使之涵括除了工业设计专业之外更为广泛的领域，更好地实现与其他经营、销售等团队的精诚合作和交流.（2）创新了工业设计方法.传统的二维式的平面图设计方法已经被替代，在虚拟现实技术的应用之下，可以使工业设计方法更为立体化和三维化，可以使人们体验和感受到不同视角的立体效果图，在用户任意旋转、放大、收缩的模型修改过程中，充分体现工业设计方法的多维化转变.

2 虚拟现实技术的分类及应用领域

2.1 虚拟现实技术的分类

虚拟现实技术又被称为“虚拟生产”、“虚拟贸易”、“虚拟网络”，它基于“人是信息环境的主体”的理念和意识，强调人在虚拟现实系统中的主导作用，它的分类，具体包括以下几种：

（1）分布式虚拟现实技术.不同的用户基于计算机网络实现链接，共同参与和体验虚拟经历，这些不同的用户可以对同一个虚拟世界进行互动、操作和交流，以更好地实现网络协同，达到共同体验的工作目标.

（2）增强现实性的虚拟现实技术.它是实现对真实世界的模拟和高度仿真，可以极为有效地增强用户在真实场景下所无法感知或不便于感知的体验，如：战斗机飞行员的平视显示器，可以更好地引领飞行员将武器瞄准数据投射到穿透式的屏幕之上，获悉敌机的导航偏差.

（3）沉浸式的虚拟现实技术.运用特定的设备隔离用户的视觉和听觉，使用户可以全身心地投入和沉浸于系统之中，利用位置跟踪器、数据手套、手控设备等，实现沉浸式的虚拟现实技术的体验.

（4）桌面虚拟现实技术.运用个人计算机和低端工作站，实现对现实世界的高度仿真和模拟，并以计算机屏幕为观察窗口，借助于各种输入设备，全方位、多角度地实现与虚拟仿真世界的交互、操作和修改，在这个系统之中，个体没有与外界相隔离，会受到外界的干扰和影响，因而缺乏真切的现实体验和感受.

2.2 虚拟现实技术的应用领域

（1）虚拟设计.虚拟现实技术可以应用于虚拟设计领域，如：虚拟现实汽车设计.

（2）教育和娱乐领域.虚拟现实技术可以使用户体验到真切的感官刺激，在三维立体的逼真视景之中，实现用户自主的、个性化的体验.

（3）安全训练.在一些高难度和危险的情境之下，可以运用虚拟现实技术进行训练.如：应用于医疗手术训练的虚拟现实技术系统.

（4）先进制造领域.在工业设计中的先进制造领域，可以运用虚拟现实技术，完善产品的设计，优化产品的性能，更好地提升设计效能.

（5）建筑与艺术设计领域.在工业建筑及艺术设计领域之中，可以运用虚拟现实技术，将抽象思维转化为实体场景，极为有效地增强用户的真实体验.

3 虚拟现实技术在不同工业设计中的应用实践分析

3.1 虚拟现实技术在灌装制造生产线的应用

3.1.1 虚拟灌装生产制造线的框架设计

在将虚拟现实技术应用于制造生产线的架构之中，可以将虚拟生产线建构为以下几大模块内容：（1）仿真管理模块.实现虚拟现实接口的指令数据接收与传递，更好地实现对虚拟环境的协调与维护.（2）工艺布局模块.设计人员基于生产制造线的约束性条件和前提，实现虚拟环境中的布局整体设计.（3）设备模型库模块.在这个模块之中，可以充分体现出虚拟设备的控制属性和几何属性，使用户沉浸于虚拟场景和立体模型之中，实现对物理制造生产线的观察和评价.（4）任务管理模块.通过虚拟制造生产线的任务调度，实现对工件的传送、加工、测量、运输、灌装等操作.（5）分析引擎模块.测定设备及工件的运行状态，并实施虚拟生产线上的系统故障检测.（6）报价模块.这是对虚拟制造生产线的设计的价格评估.（7）虚拟现实接口.借助于虚拟外部设备，可以实现虚拟仿真，建构人与虚拟系统的接口.

3.1.2 虚拟灌装生产制造线的可视化设计

依照整体的生产能力和要求，在虚拟制造生产线的可视化设计中，要使输送系统具有充分的存储量和缓冲时间，能够集成工艺流程和调度过程.同时，还要利用对象的继承和封装机制，生成虚拟的制造生产线环境，在三维的模型之下可以极其逼真地反映出制造生产线中的设备及工件.

3.2 虚拟现实技术在航空智能制造中的应用

虚拟现实技术与航空智能制造相融合，充分展示出虚拟现实技术的“智能之窗”的地位和功效，基于我国航空制造的实际需求，可以将虚拟现实技术应用于航空制造中的工艺设计、车间执行、管理等方面，具有极其重要的现实意义.

航空飞机制造的核心是工艺设计，在这个“看不见的手”之中，可以实现制造工艺的标准化、可控化、可拓展应用.具体应用项目和内容包括有：（1）沉浸式工艺审核.在航空飞机的制造虚拟现实技术应用之中，首先即要实施对航空飞机装配工艺的审核，以飞机设计图样、数据模型、文件等为审核内容，协调各方面的意见和建议，全面做好工艺设计的审核和评定，工艺设计人员可以完全沉浸于虚拟、高度仿真的环境之中，不受任何干扰和影响，实现与虚拟对象的交互.（2）沉浸式工艺仿真.在虚拟现实技术的应用之下，航空飞机制造实现了“基于建模和仿真的科学设计模式”的突破，在多源信息融合的仿真虚拟环境系统之中，实现对航空制造的工艺设计仿真分析，如：航空飞机工艺数字样机模拟、空间分析与漫游、虚拟装配、交互虚拟实验等.

3.3 虚拟现实技术在建筑及艺术设计中的应用

在建筑设计领域之中，虚拟现实技术极大地拓展了图形艺术设计创作方式，通过虚拟漫游技术在建筑设计中的应用，可以三维、立体地呈现城市景观、小区景观、室内设计、历史性建筑的仿真模拟，它可以使设计者从多角度、自如地审视和欣赏，极大地拓展了建筑展示空间

虚拟现实的漫游技术较好地解决了设计过程中的枯燥而繁琐的沟通性缺陷，可以利用其三维建模的虚拟现实设计和全景虚拟现实展示设计，充分展示出设计者的设计创新思维，灵活地运用于不同的建筑设计项目之中.

在室内设计中采用虚拟现实技术，可以虚拟出一个建筑室内空间，直观而形象地表达和传递设计者的设计意图和设计思维，它比传统的沙盘模型具有更大的优势性能，可以实现对设计空间的全尺寸模型设计，用户可以任意在虚拟空间中漫游、修改和调整，使之更具有人性化和逼真化，极大地增强和提升了建筑室内空间的整体操控和设计水平. 3.4 虚拟现实技术在汽车制造中的应用

虚拟现实技术可以应用于汽车制造系统之中，预先发现并解决汽车整体或零部件的问题，通过汽车三维立体模型的建构，可以使设计人员更好地体验汽车内部的舒适度、驾驶模拟程度、故障模拟等，提升设计指标的合理性和科学性.并且，在对汽车进行虚拟开发设计的过程中，还可以实现对汽车造型、制模、冲压、焊接、总装等流程的三维化和虚拟化，通过网络数据为支撑和依托，实现虚拟协通实时设计，并实施虚拟实验检测，预测汽车的整体安全性能和动力性能.

4 结束语

综上所述，虚拟现实技术以计算机技术和网络信息技术为支撑，通过立体的、三维建模方式，实现对现实世界的虚拟和高度仿真，在将这种全新的技术与工业设计相嫁接时，我们可以看到这个“智能窗口”的现实功能和意义，在网络、信息、数据等方面的集成之下，可以清晰地呈现产品的全方位细节，实现工业设计的网络化、系统化和智能化，增强工业设计的交互性和科学性，充分利用工业设计资源库，更好地缩短工业设计周期，提升工业设计的效能.

〔1〕王佳.基于虚拟现实技术VR-Platform平台的产品展示研究[D].太原理工大学,2013.

〔2〕贺春光.虚拟现实技术在保护蒙古马鞍制作工艺中的探索与研究[D].内蒙古农业大学,2012.

〔3〕全宁.虚拟现实技术在喀什传统民居中的应用研究[D].新疆师范大学,2014.

〔4〕王宣淋.在建筑领域中虚拟现实技术的应用分析[J].电脑迷,2016(07).

〔5〕林凤屏,陈必链,张彦定.虚拟现实技术在医学教学中的应用探析[J].实验室科学,2016(06).

〔6〕孙超.浅谈虚拟现实技术在智慧城市领域的应用[J].中国公共安全,2017(01).

TP205

A

1673-260X（2017）06-0038-02

2017-03-22

2015年安徽省教育厅人文社科项目（重点）（SK2015A684）