大型机械产品虚拟展示设计研究

摘 要：虚拟展示是一种基于虚拟现实技术的展示活动，在社会生活的各个领域发挥重要作用。一方面，它能给使用者身临其境的感受，与产品进行互动;另一方面，它可以作为设计工具，帮助设计者实现构思的具体可视化。面向大型机械产品的虚拟展示顺应时代发展，通过虚拟展示技术实现三维立体呈现，进行实时互动，不仅使机械产品展示效果更直观，让消费者快速了解产品，而且解决了大型机械产品在实体卖场展示的运输不便的问题。文本首先从总的方面探讨了虚拟展示技术概况、技术分类及形式，然后阐述了大型机械产品虚拟展示的目标、内容、意义，从技术流程和研发软件两个方面提出了大型机械产品虚拟展示的具体方法，以提高虚拟产品的使用价值，使用户更好地享受体验。

关键词：大型机械;虚拟设计;展示设计

1 虚拟展示技术应用

虚拟现实技术利用三维建模技术和交互传感技术等多种技术，以人的视觉、听觉等感官作为载体，在 计算机上呈现三维立体形象逼真的虚拟环境。人们通过使用各种设备与虚拟世界进行交流和体验，实现人与产品进行可视化操作与交互，从而达到了解与学习的目的。[1]

虚拟设计通过计算机可以实现产品的设计、开发与加工的数字化过程，如预测产品的性能、产品制造成本以及产品的可制造性等，从而提高产品设计的成功率。虚拟设计的特点是高度集成、快速成型、分布合作，一般不消耗资源和能量，也不生产实际产品，是一项环保的设计。

1.1 虚拟展示

展示设计在数字化时代的推动下必将更新换代和迅猛发展，虚拟展示技术革新了当代展示设计活动，是利用虚拟现实技术把图像、声音、动画、视频等各种媒体展示手段整合在一起，它服务于人类生活的各方面，集中体现了科技进步带来的便利性和环保性。

目前，网络虚拟展示的技术有以下几种：Panorama技术，以图像（Image）为基礎;VRML三维技术，以3D Polygon为基础;Web 3D技术。其中Web 3D技术是实现网页中虚拟现实的一种最新技术，可以实现对模型进行360°的展示，并对其进行交互性操作，场景由用户控制，让用户来决定如何体验产品，如对产品的六视图进行查看，放大缩小查看产品的每个细节，对产品的拆装及运作过程进行了解。[2]

1.2 虚拟展示的几种形式

虚拟展示按照用户参与的沉浸程度不同可以分为以下三类：

全沉浸式虚拟展示系统。利用电脑、位置跟踪器、数字手套等各种虚拟现实技术，让用户从视觉、听觉、触觉等多感知体验，创造出用户感到身临其境的全方位展示情景。

半沉浸式虚拟展示系统。利用计算机仿真，用户需佩戴立体眼镜，通过屏幕来享受虚拟世界。

非沉浸式虚拟展示系统。利用计算机软件模拟真实的环境和物体。其应用与普及发展得非常快，最广泛的应用是基于网络技术的网络虚拟展示。主要有三种形式：依靠图形技术的平面虚拟展示（如360°三维全景演示）、2D技术的二维动画和3D技术的三维动画虚拟展示（包括3D产品展示）。

目前，三维网络虚拟技术发展迅猛，具有经济、方便的优点，但大多还是非沉浸式虚拟展示系统。随着技术的进一步发展，将来半沉浸式虚拟展示和全沉浸式虚拟展示都会普及开来。

2 大型机械产品虚拟展示的目标、内容和意义

大型机械产品虚拟展示是更科学地了解及展示该设备的一种与时俱进的方法，其注重在实际中充分利用计算机技术和虚拟现实技术，对产品进行三维模型创建、功能结构模拟和过程仿真。

2.1 虚拟展示的目标

大型机械产品虚拟展示设计针对整个产品的设计、使用培训和网络销售展开。虚拟展示的总体目标是对3D模型的网上三维交互演示，它允许用户对其中的产品虚拟模型进行多种方式的交互操作。[3]大型机械产品虚拟展示的总体目标是针对设计展示、使用培训以及网络销售三方面，实现产品的网上三维交互演示。最终要实现以下功能：机械产品的三维效果展示、机械产品的结构拆装演示、机械产品的运动状态演示。

2.2 虚拟展示的内容

外观展示。指采用三维立体技术，模拟机械产品的外形、材质、零部件和内部构造，大型机械产品一般存在结构复杂、技术独特的特点，文字和图片难以描述其功能和结构，因此利用3D虚拟展示可以降低沟通和宣传的难度与市场推广的成本，提高企业形象与宣传效果，减少职业技能培训的时间和人力成本，强化培训效果。[4]一般机械产品外观展示内容如下：

第一，360°全方位展示设备外观。

第二，形状、颜色。

第三，设备和零部件可无限缩小放大。

第四，栩栩如生地展示各个细节。

第五，通过透视功能可清晰地展示内文字，逐个展示每个零部件的细节。

第六，部结构和零部件的结合情况与位置关系。

第七，从各个角度，从整体到局部，从外到内。

第八，展示零部件的装配关系。

功能展示。结合3D动画、语言、文字介绍以及Flash动画等多种方式，系统的仿真模拟产品功能特性、工作原理、使用方式，能够在现场实时展示产品的新特征，互动式的操作体验使客户能够亲身体验产品的各项功能，提高客户对产品的认识与感知。[5]

结构展示。利用虚拟现实技术把产品的整体结构、内部构造、装配关系等模拟出来，帮助人们搞清结构之间的关系以及拆卸和安装步骤等，作为安装人员培训和技术指导，销售人员讲解时的技术支持以及售后技术指导。

2.3 虚拟展示的意义

增强设计表现。把设计方案做成任意放大缩小和旋转的Web3D模型，通过网络进行交流，这是更人性化的、高效的沟通方式。

检查问题。通过虚拟展示，可以观察机器的结构和运作方式，并预知故障产生原因;通过人机分析，在虚拟世界中，研究人操作产品的有关动作为产品设计提供依据;色彩和材质分析将不同色彩和材质的模型展示在虚拟环境中让用户观察，从而科学地选定产品的色彩和材质。

实现绿色化设计。整个机械产品虚拟展示过程中，从设计到销售到培训，要考虑环境保护和资源的合理使用。具体体现在：加速了电子贸易;降低运输成本、技术支持和技术服务成本;降低销售人员与客户的沟通难度;增加了市场宣传的渠道和方式，提高企业形象，提高消费者的购买欲望;是一个随时陪伴您身边的高级技术人员以及技术资料库。

3 大型机械产品虚拟展示的设计方法

3.1 设计流程

对大型机械产品进行虚拟展示设计需要通过以下两个步骤：创建三维模型和建立交互模型。创建三维模型包括装配模型，装配模型主要是待装配的各种零件。建立交互模型主要是建立运动学模型，运动学模型是根据装配模型将装配约束关系转化为运动约束关系，从而进行运动模型的创建。

3.2 研发软件

Web 3D技术的产品展示越来越普遍，Web 3D在电子商务中的应用一直受限于网络带宽、基于网页的3D绘图标准的确定、显卡3D渲染技术的进步等诸多因素的影响。利用现有的技术条件，需要Web 3D商务平台具有较高的多边形和纹理贴图压缩能力，便于在网络上快速传输。同时要有出色的3D渲染能力，能够兼顾低端显卡的运算，此外，还需要有出色的渲染质量或效果，如支持高级shader、HDRI、Realtime Soft Shadow、Level of Detail以及一些仿真特效。[6]一般Web 3D调用远程三维场景的时间小于7秒钟是可以接受的，否则客户失去耐心的可能性将会骤然增大。当然可以考虑使用模型和纹理贴图的“流式传输”，随调随显，以改善客户体验。

4 结语

虚拟展示通过对机械产品的结构性能、工作性能进行模拟，从而在产品被制造加工之前，尽早地发现由于设计不正确导致的错误而进行及时的修改，寻求最佳的设计方案。还可以使用机械产品对操作工人进行操作培训，省去了大量的人力培训时间。更可以不必运送机器到参展现场，节省了人力物力，环保科学。因此，通过机械产品虚拟展示设计，可以使机械产品在设计环节避免发生错误，进而提高设计质量、降低研发成本、加快设计进度。在使用阶段，减少因不了解机器而产生的初始困惑，使工人尽快熟悉操作流程。购买者购买时，足不出户就可以进行选择，充分体现虚拟展示的强大优势。

参考文献：

[1] 廖聪.基于X3d/VRML实时交互虚拟现实展馆定制系统的研究[D].广东工业大学，2009.

[2] 田茵.基于虚拟现实的三维产品展示[J].计算机教育，2009，90（6）：121-125.

[3] 李怡，李树涛.虚拟工业设计[M].北京：电子工业出版社，2003.

[4] 王芳.虚拟现实技术的应用及其发展[J].科技信息，2010（32）：383-384.

[5] 刘光然.虛拟现实技术[M].北京：清华大学出版社，2011.

[6] 王海萍.基于Web 3D的虚拟展示技术[J].装备制造技术，2011（4）：93-94.

作者简介：黄晓阳（1987—），女，河南新乡人，硕士，助教，研究方向：产品体验设计。