机械制造论文库《机械设计与制造中虚拟现实技术的运用》.

机械制造论文库:《机械设计与制造中虚拟现实技术的运用》
机械制造论文库:《机械设计与制造中虚拟现实技术的运用》
Abstract: introduces the virtual reality technology and its basic features and key technologies, from conceptual design, virtual design and virtual manufacture of some aspects of the virtual reality technology in mechanical design and manufacture application, prospect of the development of virtual reality technology and the prospect of vast space.
摘要:介绍了虚拟现实技术及其基本特征和关键技术,从概念设计、虚拟设计和虚拟制造几个方面探讨了虚拟现实技术在机械设计与制造中的应用,展望了虚拟现实技术发展的前景与广阔空间.
关键词:虚拟现实技术;概念设计;虚拟设计;虚拟制造
伴随着科学技术的不断发展,人类社会步入了崭新的世纪,经济的全球化和社会的信息化,促使市场竞争日益激烈,制造企业为了在竞争中求得生存和发展,必须以最快的上市速度,最好的质量,最低的成本和最优的服务,满足不同顾客的需求〔1,2〕.这就要求企业生产活动必须具有高度的柔性,对市场需求的变化做出快速反应,虚拟现实技术由此产生.
1 虚拟现实技术概述
1.1 虚拟现实技术的定义虚拟现实技术(VRT)是面向21世纪的先进技术,它产生于20世纪80年代,以计算机仿真技术为前提,综合了在各个领域诞生的各项新技术,到目前为止,虚拟现实技术还没有一个公认定义.简单地说,它是一种新的人机界面形式,它追求利用计算机创建一种逼真的可感觉、可体验的环境,通过视、听、触觉等作用于用户,使用户“投入”到该环境中,实现用户和环境自然的直接交互活动.或者说虚拟现实是一种创建人与世界的计算机系统,是一种人机交互工具,利用虚拟现实技术、模拟使人产生身临其境的感觉,能够操纵极端复杂数据并与之交互,这种定义更加深刻揭示了虚拟现实的本质〔3,4〕.
1.2 虚拟现实技术的特征虚拟现实技术能生成逼真的虚拟环境,使用者可以进入虚拟空间,成为虚拟环境的一员,进行实时交互,感知和操作虚拟世界中的各种对象,从而获得身临其境的感受和体会,虚拟现实技术基本特征如下〔5~8〕.
1.2.1 沉浸性沉浸性是虚拟现实的首要特征,是指观察者对虚拟世界的情感
反映,虚拟现实通过计算机生成一个非常逼真的虚拟世界,用户利用视觉、听觉、触觉来感受这个虚拟世界中所发生的一切,在虚拟环境中,一切感觉都是那么逼真,有一种身临其境的感觉.
1.2.2 交互性虚拟现实不是静态的世界,虚拟现实系统中的人机交互是一种近乎自然的交互,使用者不仅可以利用电脑键盘、鼠标进行交互,还可以运用多种交互手段(数据手套、声音命令等),支持更多的设计行为(建模、仿真、评估、预测等).虚拟现实能对用户的输入作出响应,同时可以通过监控装置来影响用户和被用户影响.
1.2.3 多感知性由于虚拟现实系统中装有视、听、触、动觉等的传感及反应装置,可以使用户感受视觉、听觉、触觉和嗅觉等多种信息,发挥人的多种潜能,增加设计的成功性.
1.2.4 实时性实时的参与、交互和显示,把人的活动提升到人机融为一体的积极主动活动,构成融入性的智能开发系统.同时,构想性、自主性、简便性也是虚拟现实技术的重要特征.
1.3 虚拟现实关键技术虚拟现实是在计算机图形学、图像处理与模式识别、智能接口技术、人工智能技术、多传感技术、语音处理与音响技术、网络技术、并行处理技术和高性能计算机系统等信息技术的基础上发展起来,是这些技术更高层次的集成和渗透.虚拟现实的关键技术包括以下几个方面.
1.3.1 动态环境建模技术虚拟环境的建立是虚拟现实技术的核心内容,动态环境建模技术的目的是获取实际环境的三维数据,并根据应用的需要,利用获取的三维数据建立相应的虚拟环境模型〔6〕.主模型是一个核心,能以此为中心通向设计、制造、生产管理和销售等各个环节并为之服务.主模型具有统一的数据结构和分布式数据管理系统,它是一个可视化的数字产品模型,具有所代表的对象所具有的各种性能和特征,并能并行地处理设计分析、加工制造、生产组织与调度等各种生产环节所面临的诸多问题.而更多的环境则需要采用非接触式的视觉建模技术,两者的有机结合可以有效提高数据获取的效率.
1.3.2 实时三维图形生成技术目前,三维图形的生成技术已经较为成熟,而关键是如何满足实时性的要求,为了达到实时的目的,至少要保证图形的刷新频率不低于15帧/S,最好高于30帧/S,在不降低图形的质量和复杂程度的前提下,提高刷新频率,这里图形生成的硬件体系结构以及在虚拟现实的真实感图形生成中用于加速的各种有效技术是关键.
1.3.3 主体显示和传感器技术虚拟现实的交互能力依赖于主体显示和传感器技术的发展,现有的设备远远不能满足系统的需要,另外,力觉和触觉传感装置的研究也有待进一步深入,虚拟现实设备的跟踪精度和跟踪范围也有待提高.
1.3.4 应用系统开发技术技术最终要面向应用,通用平台的开发可缩短与应用结合时间,为此,必须研究虚拟现实的开发工具.目前,常用的虚拟现实系统开发工具有Superscape公司的VRT,它是一个可视化平台,允许较高程度的交互和网络处理,Sense8公司的WTK是一个C函数库,提供了一个完整的合成虚拟环境的应用开发环境,MultiGen公司的Multi Gen系列软件是一个交互式的图形建模系统;Multi Genparadigm公司的Vega可用于实时视觉和听觉仿真,使用简单;SGI公司的IRIS Performer是一种强有力的API,用于生产实时可视仿真和其它交互式三维图形应用;CGZ公司的Vtree是实时三维图形开发软件包,可以实现视觉仿真,实时场景生成等应用〔9〕.
1.3.5 系统集成技术电子虚拟现实中包括大量的感知信息和模型,因此集成
技术起着至关重要的作用.集成技术包括信息的同步技术、模型的标定技术、数据转换技术、数据管理模型、识别和合成技术等.
2 虚拟现实技术在机械设计与制造中应用
2.1 虚拟产品概念设计概念设计(Conceptual Design)是创造性思维的一种体现,概念产品是一种理想化的物质形式.概念设计是指对产品起始的设计构思,目的是为了捕捉产品的基本形态.概念设计是产品设计过程中的重要阶段,因为产品成本的60%~70%是概念设计决定的〔10〕,虚拟概念设计使用虚拟现实技术,为设计者提供基于语言识别和手势跟踪的输入方式,设计者可随时、方便地在三维虚拟环境中操纵产品及零件并改变或修改产品的各种形态建模,并可以在三维空间中。