产品设计中虚拟现实技术论文

浅析产品设计中的虚拟现实技术摘要：介绍了虚拟现实技术的现状和发展，在产品设计中应用的优点，重点提出了虚拟现实系统在产品设计中应用的优点，突出虚拟现实系统在产品设计中的高效率特征，明确虚拟现实系统在产品设计中所处的位置、工作内容和方法。

关键词：产品设计虚拟现实交互性计算机模型计算机图像近年来的计算机辅助设计和制造技术的重大成就推动了虚拟现实技术在产品设计领域的应用。

在虚拟的工程空间里，设计师和工程师可以设计、检测、组装和测试各种模拟对象。

在产品设计中应用虚拟现实技术的目的也主要是着重于设计展示和方案交流，这给产品设计的过程带来了前所未有的突破和提升。

1 虚拟现实的定义虚拟现实（virtual reality，简称vr）是一种计算机界面技术。

从本质上来说，虚拟现实就是一种先进的计算机用户接口，通过这种计算机接口给用户同时提供诸如视觉、听觉、触觉等各种直观、自然的实时感知交互工具，最大限度地方便用户操作，提高整个系统的效率。

根据虚拟现实所应用的对象不同，虚拟现实可以表现为不同的形式，在设计的过程当中，虚拟现实可以将设计理念或者方案可视化和可操作化，让用户直接体验到设计所带来的优越性和人性化，更加客观的去评估设计，实现逼真的现场效果等。

虚拟现实是基于计算机生成的一种模拟环境（如飞机的驾驶舱），通过多种外接的传感设备（包括立体头盔head mounteddisplay、数据手套data grove、数据衣data suit等）穿戴于用户身上，使用户进入到计算机模拟的环境中，从而实现该用户与计算机模拟的环境进行更为直接的交互技术。

而这种模拟的环境实际上是利用计算机生成的具有色彩和肌理的三维立体图形，它既可以是某一特定现实世界的真实再现，也可以是一个人类大脑凭空虚构的世界。

而人与计算机自然交互的内容包括对模拟环境内的物体进行操作（如触摸模拟环境中的物体、行走、跳舞、射击等等）并得到真实的反馈。

2 虚拟现实的主要特征和关键技术虚拟现实是对现实世界进行五维时空的仿真，所谓的五维时空仿真也就是指除了对三维空间和一维时空的仿真外，还包括对自然交互方式的仿真。

一个成熟的虚拟现实系统应该包含一个逼真的三维虚拟空间环境和符合人们自然交互习惯的人机交互界面。

虚拟现实技术是一项关于计算机、仿真、传感与测量、微电子等技术的综合集成技术，它的学术特点体现为各学科的高度融合和交叉，应具备以下四个特征：2.1 多感知性就一般的仿真系统而言，用户主要是通过视觉来获得信息，稍成熟点的仿真系统有听觉感知。

而多感知的技术范畴除了一般计算机技术所提供的视觉感知和听觉感知外，还应该有触觉感知、运动感知，甚至包括嗅觉感知和味觉感知等。

理想的虚拟现实系统应该包括现实世界中人类所具备的一切感知功能。

但是由于技术的限制，目前的虚拟现实技术还无法模拟嗅觉和味觉等感知功能，仅限于视觉、听觉、触觉、运动几种，从感知的范围到感知的精度还无法与现实世界相媲美。

2.2 存在感指用户感到作为主角存在于模拟环境的真实程度。

理想的模拟环境应该达到使用户难以辨别现实和虚拟的程度。

2.3 交互性它是指用户对模拟环境内物体的可操作程度和从环境得到反馈的自然程度(包括实时性)。

比如说用户可以在虚拟的环境中手握方向盘，脚踩油门，同时手脚会感觉到汽车马达的震动，而屏幕上的物体也会随着方向盘的转动而转动，随着油门踩的深浅而感受速度的快慢。

2.4 自主性是指虚拟环境中物体依据物理定律进行动作的程度。

例如，在受到力的挤压下，虚拟的物体会有相应的变形或裂隙。

虚拟现实系统的关键技术主要由动态环境建模技术、实时三维图形生成技术、立体显示和传感器技术、应用系统开发工具和系统集成技术等五个方面组成。

其中动态环境建模技术的目的是根据应用的需要获取实际环境的三维数据，并利用获取的三维数据建立相应的虚拟环境模型。

而三维图形的生成技术关键是如何实现“实时”生成。

立体显示和传感器技术是虚拟现实中实施交互能力的关键。

用户可以沉浸在一种人造的虚拟环境中，通过虚拟现实软件以及外接设备与计算机进行充分的交互，进行体会与思考。

3 虚拟现实系统的分类随着计算机技术的发展，虚拟现实系统逐渐呈现出多样化的特征。

根据使用目的的不同要求虚拟现实系统可分为三类：沉浸式、桌面式和重叠式。

3.1 沉浸式虚拟现实系统沉浸式虚拟现实系统用封闭的视景和音响系统将用户的视听觉与外界隔开，使用户完全处于计算机生成的环境中，计算机通过用户戴的数据手套和跟踪器可以测试用户的运动状态和速度，并且将测得的数据反馈到计算机生成的视景中，产生用户在其中的效果。

3.2 桌面式虚拟现实系统桌面式虚拟现实系统又称为窗口虚拟现实系统，它的视景是通过计算机的显示器、投影仪或者室内的实际景物加上计算机生成的环境来提供给用户的，比如说音响是有室内音响或者计算机的桌面音响系统提供。

汽车模拟器、飞行模拟器都属于此类虚拟现实系统。

桌面式虚拟现实系统造价相对较低，可以允许多个用户进入系统，但较难构成以假乱真的虚拟环境。

3.3 重叠式虚拟现实系统重叠式虚拟现实系统又称为“补充现实系统”。

它是在用户观察现实世界的同时，虚拟图像重叠在被观察的现实世界上。

比如说汽车驾驶员在观察道路情况时辅助屏幕上会显示所在区域的三维地图，帮助驾驶员进行校正位置，判断行驶路线。

4 在产品设计中实现虚拟现实环境的方法在产品设计中实现虚拟现实环境的方法有两种，基于模型法（model-based method）和基于图像法（imaged-based method）4.1 基于模型法基于模型法又称为基于景物几何的方法，它以几何实体建构虚拟环境。

现在最主流的计算机辅助产品设计的建模技术有两种polygon mesh和nurbs，polygon mesh技术是利用计算机生成的多边形网格来建造模型，而nurbs则是利用非均匀有理性样条曲线来建造模型，两者采用的都是计算机图形学技术，polygon mesh属于cg的范畴，而nurbs则属于caid的建模方式，两者建立模型后以统一的格式输出，进行实时渲染。

建立虚拟现实模型后，通过加入事件响应，实现与客户的交互操作。

基于模型的方法主要涉及以下关键内容：①三维实体几何建模技术；②实时渲染技术；③动力学、碰撞检测、干涉校验；④物理属性、关联运动。

4.2 基于图像法全景图技术是生成基于图像法的关键技术，全景图实际上是空间中一个视点对周围环境的360度的全封闭视图。

根据全景图允许浏览的空间自由度，全景图可分为柱面全景图和球面全景图。

柱面全景图允许用户360度环绕浏览，球面全景图允许用户经纬360度全方位的环绕浏览。

全景图的获得有两种方式：现实摄影技术和基于计算机的虚拟空间的三维全景图渲染技术。

5 产品设计中的虚拟现实技术由于技术、设备、成本等方面的原因，沉浸式虚拟现实系统在产品设计中的应用较少，主要集中在汽车设计领域，完善的系统能够帮助设计师在一个虚拟环境中进行实时、交互的评估和修改，提高设计质量和效率。

而其他类产品则较多使用非沉浸式虚拟现实系统，在产品设计中应用虚拟现实技术的目的也主要是着重于设计展示和方案交流，虽然缺乏实时、交互的设计评估和修改的功能，但非沉浸式虚拟现实系统还是为设计师提供了一个更全面观察、检验设计的环境。

在实际的产品设计应用中，考虑软硬件环境、资金、时间等因素，目前最具可实现性的是基于图像法的桌面式虚拟现实系统和基于模型法的桌面式虚拟现实系统。

5.1 基于图像法的桌面式虚拟现实系统基于图像法的桌面式虚拟现实系统以实际场景照片或三维渲染的图片为素材，采用图像拼合和插值技术建立的具有照片质量真实感的虚拟场景，它有如下特点：①开发成本低；②真实性非常强；③避免了较为复杂的计算机建模；④交互性好、实时性强；⑤数据量较大，不适合基于互联网的文件传输。

目前最成熟的基于图像法的桌面式虚拟现实系统的产品是apple公司的全景视频产品quicktime vr，它通过编辑素材生成360度全景图像来创建虚拟场景。

目前quicktime vr可以支持两种类型的虚拟场景创建：虚拟环境和虚拟物体。

在产品设计应用中，由于绝大多数设计方案是通过caid系统展开的，通过三维渲染获得照片质量真实感方便而且成本低，所以总是以三维渲染图片为素材进行虚拟场景创建。

当今的许多caid的软件产品，如alias imagestudio、cinema 4d 等，都提供了将三维渲染场景输出为quicktime vr格式的动画文件功能，许多cg软件由于支持计算机图形学的许多最新成果，能够够生成更为真实的照片质量感渲染图，所以在基于图像法的桌面式虚拟现实环境创建中使用更多。

5.2 基于模型法的桌面式虚拟现实系统基于模型法的桌面式虚拟现实系统是通过几何建模软件，以几何实体来建构虚拟环境，然后通过加入事件响应，来实现交互操作。

由于其数据量小，交互性非常强，适合基于互联网的文件传输，在产品设计的众多领域中得到了广泛的应用。

与基于图像法的桌面式虚拟现实系统相比，其交互性更强，但是由于软件的局限和网络数据流量的限制，它无法提供基于图像法的桌面式虚拟现实那样的照片质量真实感效果，这也正是基于图像法的桌面式虚拟现实存在的原因。

当前，设计师已经开发出了许多基于vrml的实验或实用系统，vrml本质上是一种用于造型的脚本语言，与目前成熟的造型软件3ds max、maya等相比，其最大的特色是实时渲染。

使用已有的造型软件可以得到非常逼真的渲染效果，但不能实时渲染和交互，这给设计师带来不便，而vrml则可以使设计师和用户以参与者的身份投入到虚拟环境中去体验设计带来的优越性和真实感。

伴随着互联网的发展，许多3d图形软件公司推出了各自的网络虚拟现实工具，这些软件各有特色，在渲染速度、质量、造型技术、交互性上都有胜过vrml之处。

比较流行的软件有：cult3d、shout3d、java3d、viewpoint等。

这些技术将在产品设计领域得到广泛的应用和发展。

参考文献：[1]崔洪斌.计算机辅助设计基础及应用.北京.清华大学出版社.2002.[2]张立群.计算机辅助工业设计.上海：上海人民美术出版社，2004.[3]施寅.计算机动画技术. 北京.清华大学出版社.1995.。