仿真与虚拟设计技术29.pptx
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虚拟仿真实验教学中心建设与发展思考PPT课件
(3)突出重点。实验教学信息化包括教学资源的信息化、教学管理的信息化和支持服务的信息化。工作更多地放在教学资 源的信息化和支持服务的信息化上，同时兼顾运行平台、教学队伍和管理机制的建设。
(4)提高效益。要强调社会效益和经济效益并举，进一步强化国家级和省级实验教学中心的示范和引领作用，要全面提高 高校学生的创新精神和实践能力，提高优质实验教学资源的使用率，推动高校实验教学改革与创新，提高高等教育实验教 学质量。
一、教育信息化与国家级虚仿实验教学中心建设
虚拟仿真实验教学中心建设与发展的指导原则
(1)科学规划。制定规划从主动到与激励相结合;充分考虑学校、学科、地域、专业分布，考虑持续发展和支持服务问题。
(2)共享资源。中心建设要考虑服务多个专业、多个学校、多个地区。共享不是简单鼓励大家无偿贡献，而是推动高校建 立一种机制，首先通过遴选，授予“国家级虚拟仿真实验教学中心”称号，建成和拥有一批优质的实验教学资源，要引导 大家选择使用，使用后支付相应的费用，补偿产品开发支出和服务支出，形成良性循环，最终产生良好的社会效益和经济 效益，使资源共享可持续。
实现真实实验不具备或难以完成的教学功能。在涉及高危或极端环境、不可及或不可逆操作，高成本、高消耗、大型或综 合训练等情况下，提供可靠、安全和经济的实验项目。
建设工作要体现虚实结合、相互补充、能实不虚的原则。要求发挥虚拟仿真实验教学独特、不可替代的作用，切实实现提 高教学能力，拓展实践领域，丰富教学内容的要求。
生活的全部意义在于问题解决！
一、教育信息化与国家级虚仿实验教学中心建设
挑战之四：资源形式及其获取
文 本图
片
视 音 频
动 画
课 件 等
网络教育动资源
画
一、教育信息化与国家级虚仿实验教学中心建设
(4)提高效益。要强调社会效益和经济效益并举，进一步强化国家级和省级实验教学中心的示范和引领作用，要全面提高 高校学生的创新精神和实践能力，提高优质实验教学资源的使用率，推动高校实验教学改革与创新，提高高等教育实验教 学质量。
一、教育信息化与国家级虚仿实验教学中心建设
虚拟仿真实验教学中心建设与发展的指导原则
(1)科学规划。制定规划从主动到与激励相结合;充分考虑学校、学科、地域、专业分布，考虑持续发展和支持服务问题。
(2)共享资源。中心建设要考虑服务多个专业、多个学校、多个地区。共享不是简单鼓励大家无偿贡献，而是推动高校建 立一种机制，首先通过遴选，授予“国家级虚拟仿真实验教学中心”称号，建成和拥有一批优质的实验教学资源，要引导 大家选择使用，使用后支付相应的费用，补偿产品开发支出和服务支出，形成良性循环，最终产生良好的社会效益和经济 效益，使资源共享可持续。
实现真实实验不具备或难以完成的教学功能。在涉及高危或极端环境、不可及或不可逆操作，高成本、高消耗、大型或综 合训练等情况下，提供可靠、安全和经济的实验项目。
建设工作要体现虚实结合、相互补充、能实不虚的原则。要求发挥虚拟仿真实验教学独特、不可替代的作用，切实实现提 高教学能力，拓展实践领域，丰富教学内容的要求。
生活的全部意义在于问题解决！
一、教育信息化与国家级虚仿实验教学中心建设
挑战之四：资源形式及其获取
文 本图
片
视 音 频
动 画
课 件 等
网络教育动资源
画
一、教育信息化与国家级虚仿实验教学中心建设
虚拟现实的设计方法课件
沉浸式体验：使 用户能够身临其 境地感受虚拟环 境，产生强烈的 沉浸感。
多感官刺激：虚 拟现实技术能够 同时刺激用户的 视觉、听觉、触 觉等多种感官， 提供更加真实的 体验。
交互性强：用户 可以通过多种方 式与虚拟环境进 行互动，实现更 加自然、流畅的 交互。
高度逼真：虚拟 现实技术能够模 拟真实世界的细 节和纹理，提供 高度逼真的视觉 效果。
互体验
应用领域：游 戏、娱乐、影
视、教育等
物理引擎：模拟物 体运动、重力等物 理现象的算法
碰撞检测：检测虚 拟物体之间是否发 生碰撞或接触的算 法
实时性要求：高帧 率，低延迟
交互性：支持用户 与虚拟环境的交互
体感捕捉技术：通过传感器 捕捉人体动作，实现自然交 互
语音识别技术：将人的语音 转换为文字，实现人机交互
定义：在虚拟环境中实时地渲染图 像
技术手段：使用图形处理器和计算 机视觉技术
添加标题
添加标题
添加标题
添加标题
目的：创建逼真的视觉效果，增强 用户体验
实时动态渲染的应用场景：游戏、 影视、教育等
03
定义目标：明确虚拟现实系统的目的和需求 收集数据：通过问卷、观察、访谈等方式收集用户需求和行业数据 数据分析：对收集到的数据进行整理和分析，找出关键点和趋势 制定方案：根据分析结果制定虚拟现实系统的设计方案和功能模块
教育培训：利用虚拟现实技术进行模拟实验、技能培训、学术交流等，提高教育培训的效率和 效果。
医疗领域：通过虚 拟现实技术为患者 提供更真实的手术 模拟训练，提高手 术技能；康复治疗 中利用VR进行各 种运动的模拟，促
进康复。
教育领域：利用虚 拟现实技术构建虚 拟教室、虚拟实验 室等，提供更为真 实、生动的教学环
虚拟仿真实验教学 PPT
虚拟仿真实验是以数学理论、相似原理、信息技术、系统技术 及与其应用领域有关的专业技术为基础，以计算机和各种物理效应 设备为工具，采用“面向对象”思想创建的能够实时操作的、非实 在的实验空间，在此环境中，实验者可以像在真实的环境中一样完 成各种预定的实验项目。
终端
虚拟仿真实验是将计算机技术、软件技术、网络技 术和传统实验设备结合起来,采用软硬件相结合的方式， 协调相关硬件和效应设备，形成虚拟实验系统，并利用 网络技术，实现虚拟实验系统的网络化，形成运行在个 人计算机上、实现自行设计与开发，以及远程控制与协 作的实验方式。
高压电类实验
野外类实验
故障再现
船舶驾驶
航海模拟器模拟的多种港口环境和气候条件
动力设备 拆装
轮机模拟器
传统教学中，理论 教学与实验教学是分开 的。理论课上没有实验， 借助虚拟仿真实验，就 可以将实验带进理论课。
服务器 教师
交换机
虚拟仿真实验室易于构建、易于实现， 便于异地在线检测和远程测控，可以运用 网络技术及现有设备搭建功能强大的实验 系统，从而节省大量的购置设备费用，显 著降低实验室建设和管理成本。
虚拟仿真实验可以提供开放式实验环 境。学生可以打破时间和地域的限制完成 相关的教学实验。
学生 学生
虚拟仿真实验，使学生进入虚拟场景，根据实验要求，自行设计并 完成实验。虚拟仿真实验不仅能锻炼学生的独立构思和设计能力，而且 能激发学习的兴趣，这样更有利于培养出具有创新精神和实践能力的人 才。同时，提高是实验效果、效率、效益！
可以互相讨论下，但要小声点
系统软件 程序模块
实验项目 设计模板
数据分析与 处理工具包
信息 资料
实验资源 项目开发 实验操作
网络化 平台化
终端
虚拟仿真实验是将计算机技术、软件技术、网络技 术和传统实验设备结合起来,采用软硬件相结合的方式， 协调相关硬件和效应设备，形成虚拟实验系统，并利用 网络技术，实现虚拟实验系统的网络化，形成运行在个 人计算机上、实现自行设计与开发，以及远程控制与协 作的实验方式。
高压电类实验
野外类实验
故障再现
船舶驾驶
航海模拟器模拟的多种港口环境和气候条件
动力设备 拆装
轮机模拟器
传统教学中，理论 教学与实验教学是分开 的。理论课上没有实验， 借助虚拟仿真实验，就 可以将实验带进理论课。
服务器 教师
交换机
虚拟仿真实验室易于构建、易于实现， 便于异地在线检测和远程测控，可以运用 网络技术及现有设备搭建功能强大的实验 系统，从而节省大量的购置设备费用，显 著降低实验室建设和管理成本。
虚拟仿真实验可以提供开放式实验环 境。学生可以打破时间和地域的限制完成 相关的教学实验。
学生 学生
虚拟仿真实验，使学生进入虚拟场景，根据实验要求，自行设计并 完成实验。虚拟仿真实验不仅能锻炼学生的独立构思和设计能力，而且 能激发学习的兴趣，这样更有利于培养出具有创新精神和实践能力的人 才。同时，提高是实验效果、效率、效益！
可以互相讨论下，但要小声点
系统软件 程序模块
实验项目 设计模板
数据分析与 处理工具包
信息 资料
实验资源 项目开发 实验操作
网络化 平台化
虚拟现实模型设计与制作PPT完整全套教学课件
本教材讲解内容是VR项目设计中需要的常用建模技术，主要培养的是虚拟 现实项目制作团队中的3D设计师，使其具备角色正向建模和场景正向建模 的能力。
虚拟现实项目制作模型设计需求
2.1什么是建模技术
目前物体的建模方法常用的有三种: 第一种方式是利用三维软件建模。 例如本教材 使用的三维建模 软件是3D Studio Max,又称为3d Max或3ds Max,是Discreet公 司开发 的(后被Autodesk公司合并)基于PC系统的三维制作软件。 其前身是基于DOS操作系 统的3D Studio系列软件。在 Windows NT出现以前，工业级的CG制作被SGI图形工 作站所 垄断。3D Studio Max + Windows NT组合的出现大大降低CG 制作的门槛，首 先运用在电脑游戏的动画制作中，并逐步参与 影视片的特效制作，例如《X战警》《最后的 武士》等。在 Discreet 3ds Max 7后，其正式更名为Autodesk 3ds Maxo随 着建模软件的 发展，相应的三维建模技术也逐步提升，如今在 电影制作中使用的3D动画，已经很难分 辨是虚拟还是现实，这 就是技术进步的体现。
简体中 文版
“开始”|“程序”中3ds Max 2019各语言版本
虚拟现实项目制作模型设计需求
2.3 3ds Max软件操作基础
如图所示为3ds Max 2019默认打开的主界面，包含菜单栏、快捷工具栏、快捷按钮区、工具命令面板、视图区和动画与视图操作区 六大部分。在虚拟现实建模实际操作中，主界面中最常用的是快捷按钮区、工具命令面板和视图区。
第三种方式利用图像或者视频来建模。例如：采用IBMR这种基于 图像的建模和绘制技术建模,使建模过程变得更快、更方便,并能获 得很高的绘制速度和高度的真实感,而且它的 成本低廉,真实感强,自 动化程度高,因而具有广泛的应用前景。
虚拟现实项目制作模型设计需求
2.1什么是建模技术
目前物体的建模方法常用的有三种: 第一种方式是利用三维软件建模。 例如本教材 使用的三维建模 软件是3D Studio Max,又称为3d Max或3ds Max,是Discreet公 司开发 的(后被Autodesk公司合并)基于PC系统的三维制作软件。 其前身是基于DOS操作系 统的3D Studio系列软件。在 Windows NT出现以前，工业级的CG制作被SGI图形工 作站所 垄断。3D Studio Max + Windows NT组合的出现大大降低CG 制作的门槛，首 先运用在电脑游戏的动画制作中，并逐步参与 影视片的特效制作，例如《X战警》《最后的 武士》等。在 Discreet 3ds Max 7后，其正式更名为Autodesk 3ds Maxo随 着建模软件的 发展，相应的三维建模技术也逐步提升，如今在 电影制作中使用的3D动画，已经很难分 辨是虚拟还是现实，这 就是技术进步的体现。
简体中 文版
“开始”|“程序”中3ds Max 2019各语言版本
虚拟现实项目制作模型设计需求
2.3 3ds Max软件操作基础
如图所示为3ds Max 2019默认打开的主界面，包含菜单栏、快捷工具栏、快捷按钮区、工具命令面板、视图区和动画与视图操作区 六大部分。在虚拟现实建模实际操作中，主界面中最常用的是快捷按钮区、工具命令面板和视图区。
第三种方式利用图像或者视频来建模。例如：采用IBMR这种基于 图像的建模和绘制技术建模,使建模过程变得更快、更方便,并能获 得很高的绘制速度和高度的真实感,而且它的 成本低廉,真实感强,自 动化程度高,因而具有广泛的应用前景。
虚拟现实技术介绍PPT课件
虚拟现实产品特点
Virtual Reality product features
与环境的交互性
There are many variations of passages of Lorem available, but the majority have suffered alteration in some form, by injected humor, or randomized words which don't look even slightly believable. If you are going to use a passage of Lorem, you need to be sure there isn't anything embarrassing. There are many variations of passages
3
虚拟现实技术是仿真技术的一个重要方向。
虚拟现实技术是仿真技术的一个重要方向。
虚拟现实技术是仿真技术的一个重要方向。
虚拟现实技术是仿真技术的一个重要方向。
虚拟现实技术是仿真技术的一个重要方向。
虚拟现实技术是仿真技术的一个重要方向。
虚拟现实展示
Virtual Reality Showcase
虚拟现实展示
虚拟现实技术
虚拟现实介绍
Virtual Reality introduction
27 Jan,1920
14 Feb,1948
09 Mar,1954
虚拟现实大事记
Virtual Reality memorabilia
19 July,1990
25 Jan,2008
16 Feb,2018
4
Virtual Reality product features
与环境的交互性
There are many variations of passages of Lorem available, but the majority have suffered alteration in some form, by injected humor, or randomized words which don't look even slightly believable. If you are going to use a passage of Lorem, you need to be sure there isn't anything embarrassing. There are many variations of passages
3
虚拟现实技术是仿真技术的一个重要方向。
虚拟现实技术是仿真技术的一个重要方向。
虚拟现实技术是仿真技术的一个重要方向。
虚拟现实技术是仿真技术的一个重要方向。
虚拟现实技术是仿真技术的一个重要方向。
虚拟现实技术是仿真技术的一个重要方向。
虚拟现实展示
Virtual Reality Showcase
虚拟现实展示
虚拟现实技术
虚拟现实介绍
Virtual Reality introduction
27 Jan,1920
14 Feb,1948
09 Mar,1954
虚拟现实大事记
Virtual Reality memorabilia
19 July,1990
25 Jan,2008
16 Feb,2018
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虚拟现实与系统仿真概述(PPT 44页)
虚拟现实（LNTU) 第一章 虚拟现实与系统仿真概述
19
虚拟现实分类
按照系统功能和实现方式的不同，可以分为三种类型：
（1）沉浸型虚拟现实系统（“可穿戴的”VR系统）
沉浸型虚拟现实系统提供完全沉浸的体验。 它利用头盔式显示器或其它设备，把参与者的 视觉、听觉和其它感觉封闭起来，并提供一个 新的、虚拟的感觉空间，并利用位置跟踪器、 数据手套、其它手控输入设备、声音等使得参 与者产生一种身临其境、全心投入和沉浸其中 的感觉。例如，在消防仿真演习系统中，消防 员会沉浸于极度真实的火灾场景并做出不同反 应。这种系统的优点是用户可完全沉浸到虚拟 世界中去，缺点是系统设备尤其是硬件价格相 对较高，难以大规则普及推广。
② 模型论：以各应用领域内的科学理论为基础，建立符合仿真 应用要求、通用的、各领域专用的各种模型的理论和方法 （模型的体系结构、建模的工具环境等）；
③ 仿真系统理论：研究和论述构建符合应用需求的仿真系统理 论和要求（仿真系统的体系和构成、设计及其公共关键技术、 研制和运用、规范和标准等）；
④ 仿真方法论：结合各应用领域的不同需求，研究仿真基本思 想和方法（定量仿真、定性仿真、集中式仿真、分布交互式 仿真、面向对象仿真、智能仿真等）；
实系统中，多个用户可通过网络对同一虚拟
设计
世界进行观察和操作，以达到协同工作的目
的。例如，异地的医科学生，可以通过网络，
对虚拟手术室中的病人进行外科手术。又如
风靡因特网的网络游戏，其实就是共享型虚
拟现实系统的有力表现。众多玩家可以在同
一个虚拟环境中交互式的进行交流、打斗、
组织甚至生存，让虚拟的情节持续发展。
虚拟现实
电信学院 刘文进
1
授课计划
机电产品的虚拟设计与仿真(PPT 90张)
虚拟设计技术结构体系
• （6）触觉和力反馈的装置 • 为了产生虚拟的触摸感觉，研究人员开发了 触觉和力反馈装置。虽然它们的样式和大小各不 相同，但它们大致上做相同的事情：推我们的手 臂，并把机械或动力信号记录下来。力反馈的装 置相对于触觉要容易，国际上已有一些机械的力 反馈装置。 • （7）立体显示设备 • 头盔式显示器HMD；特殊的头部显示器 BOOM（双目全方位监视器）；立体眼镜（用户 戴在眼睛上能从显示器上看到立体的图像）；立 体投影显示；3D显示器。
头盔式显示器HMD
虚拟设计技术结构体系
• （8）3D声音生成器 “3D声音”不是立体声的概念，它是 指由计算机生成的、能由人工设定声源在 空间中三维位置的一种声音。3D声音生成 器是利用人类定位声音的特点生成出3D声 音的一套软硬件系统。 人类进行声音的定位依据两个要素： 两耳时间差和两耳强度差
其他硬件
• 双筒全方位显示器(Binocular OmniOrientation Monitor—BOOM） • 立体投影显示 • 立体眼镜 • 等等
1.3 虚拟现实的发展历程与现状
• 发展历程
1965年 Sutherland提出 1966年 开始HDM的研究 1968年 研制出第一台HMD
20世纪90年代以来 VR应用到众多领域
1975年 Myron Krueger 提出AR的思想
1990年 Siggraph会议确定 VR技术的发展方向
1986年 VIEW系统研制成功
1985年 研制出数据手套
虚拟现实的国内外研究现状
• 国外虚拟现实技术的研究现状
–美国宇航局(NASA) • 美国宇航局 (NASA) 的 Ames 实验室完善了 HMD ，并 将 VPL 的数据手套工程化，使其成为可用性较高 的产品。 • NASA 完成的一项著名的工作是对哈勃太空望远 镜的仿真。 • 现在NASA已经建立了航空、卫星维护VR训练系统、 空间站VR训练系统，并且已经建立了可供全国使 用的VR教育系统。 • ASA 的 Ames 现在正在致力于一个叫“虚拟行星探 索(VPE)”的实验计划，这一项目能使“虚拟探索 者 (Virtual Explorer)” 利用虚拟环境来考察遥 远的行星，他们的第一个目标是火星。
机械工程中的仿真技术与虚拟设计
4
虚拟设计在机械工程中的应用
协同设计与虚拟团队
协同设计：多个设计 师共同参与设计过程，
提高效率和质量
应用领域：汽车、飞 机、船舶等大型复杂
产品的设计
虚拟团队：团队成员 分布在不同地点，通 过互联网进行沟通和
协作
优势：降低成本、缩 短开发周期、提高产
品质量
虚拟原型与产品建模
虚拟原型：在计算机中 模拟产品的三维模型
仿真技术与虚拟设计在机械工程中的重要性
提高设计效率：通过仿 真和虚拟设计，可以快 速验证设计方案，减少 实物试验的时间和成本。
优化产品设计：仿真技术 可以帮助设计师发现设计 中的问题，并进行优化， 提高产品的性能和可靠性。
降低制造成本：通过虚拟 设计，可以提前发现制造 过程中的问题，减少废品
率，降低制造成本。
虚拟现实技术在机械工程中的应用： a. 设计阶段：通过虚 拟现实技术，设计师可以在虚拟环境中设计和修改产品，提 高设计效率和质量。 b. 制造阶段：虚拟现实技术可以帮助 制造商在生产过程中进行实时监控和调整，提高生产效率和 质量。 c. 维护阶段：虚拟现实技术可以帮助维修人员在维 修过程中进行实时指导和辅助，提高维修效率和质量。 d. 培训阶段：虚拟现实技术可以帮助培训人员在虚拟环境中进 行模拟操作和练习，提高培训效果和安全性。
有限元分析（FEA）
有限元分析的定义：将连续体划分为有限个单元，通过求解单元的平衡方程得到系统 的解
有限元分析的优点：可以处理复杂几何形状和材料属性，适用于非线性问题
有限元分析的应用：在机械工程中，可用于结构分析、热传导分析、流体动力学分析 等
有限元分析的软件：常见的有限元分析软件有ABAQUS、ANSYS、NASTRAN等
虚拟仿真实训软件的制作技术 PPT课件
F. 光盘刻录
F. 文字效果加工工具 F.其它工作人员
G. 文字编辑工具
H. 视频采集和编辑工具
I.系统合成工具
通科仿真
控制模型面数，贴图尺寸2n ，对仪器介绍要言简意赅， 画面要精良，对设备可以进行简单操作。
注意问题：
请实际工厂专家指导，对仪器摆放位置是否科学，距离尺 寸，安全措施等指导，对仪器安全操作要加以说明，给出对设 备正确操作的步骤。
通科仿真
常用软件实现工具 市面上能见到的虚拟现实软件，基本都能实现此功能，制
应尽可能将错误操作分析到位（多设置些错误故障)，对 错误操作应给出效果明显错误提示，使学生加深印象。
通科仿真
常用软件实现工具 1. 三维 制作效果较好的Virtools、Quest3D、Vrp等。 2. 二维 制作效果较好的Flash。 工具选择要点： 选择成熟，编程功能强大的工具。
通科仿真
考核功能
虚拟仿真实训软件的 制作技术与软件展示
仿真实训教学软件的技术上要实现的功能 ● 漫游功能 ● 演示功能 ● 互动功能 ●考核功能
通科仿真
漫游功能
在实训中想解决的问题： 1. 认识现场环境，对现场环境产生较深刻的印象，解决
专业认识性实习； 2. 认识现场设施设备，对现场设施、设备初步认识； 3. 对现场安全生产的初步认识 。
注意问题： 工具使用是否正确，步骤分析到位，给出后台记录，事先
一定设计好，制作过程当中不应加步骤。
通科仿真
演示种类: 2. 故障类考核
特点： 制作难度最大，操作最复杂。
制作要点： 制作功能要有底线要求（故障点设置是否合理，是否为常
见故障）。 注意问题：
步骤分析到位，考核手段是否科学、合理、灵活，不同教 学内容，应该选择不同的考核方式、方法
虚拟设计培训课件(共60张PPT)(共59张PPT)
第五章 虚拟 设计 (xūnǐ)
虚 拟 设 计 ( Virtual Design) 是 以 “ 虚 拟 现 实 ” ( Virtual
Reality)技术为基础，以机械产品为对象的设计手段。 借助这样的设计手段设计人员可以通过多种传感器与 多维的信息环境进行自然地交互，实现从定性和定量 综合集成环境中得到感性(gǎnxìng)和理性的认识，从而帮 助深化概念和萌发新意。
为了实现对三维对象的方便操 作，人们研制了各种各样的三 维交互工具，如:
数据手套(shǒutào) 三维跟踪球 数据衣等
第三十七页，共五十九页。
数据 手套 (shùjù)
数据手套是最有用的三维输入工具，它可以将手的运动转化为计算 机输入信号。
其工作原理(yuánlǐ)是当手活动时，数据手套对这些活动进行检 测并向计算机送入相应的电信号。而后计算机将这些信号转 换为虚拟手的动作，这样虚拟手就可以随着用户手的移动而 移动。数据手套可以跟踪手的位置和手势命令，这样的系统 有助于对虚拟物体的定位、移动等操作。
发阶段决定(juédìng)的。
也就是说，研究开发阶段对最终产品成本的影响最大。
因此加强对设计方法的研究、加大对设计部门的投入、对降 低产品价格是至关重要的。
第十五页，共五十九页。
5.2 虚拟设计(shèjì)在产品开发中的作用
第十六页，共五十九页。
1 虚拟 概念设计 (xūnǐ)
1996年美国Wisconsin-Madison大学研制出了一个虚拟概念
第六页，共五十九页。
5.1 虚拟现实(xū nǐ xiàn shí)
自主性：在虚拟环境中，对象的行为是自主 的，是由程序自动(zìdòng)完成的，要让操作者 感到虚拟环境中的各种生物是“有生命的” 和 “自主的”，而各种非生物是 “可操作 的”，其行为符合各种物理规律。
虚 拟 设 计 ( Virtual Design) 是 以 “ 虚 拟 现 实 ” ( Virtual
Reality)技术为基础，以机械产品为对象的设计手段。 借助这样的设计手段设计人员可以通过多种传感器与 多维的信息环境进行自然地交互，实现从定性和定量 综合集成环境中得到感性(gǎnxìng)和理性的认识，从而帮 助深化概念和萌发新意。
为了实现对三维对象的方便操 作，人们研制了各种各样的三 维交互工具，如:
数据手套(shǒutào) 三维跟踪球 数据衣等
第三十七页，共五十九页。
数据 手套 (shùjù)
数据手套是最有用的三维输入工具，它可以将手的运动转化为计算 机输入信号。
其工作原理(yuánlǐ)是当手活动时，数据手套对这些活动进行检 测并向计算机送入相应的电信号。而后计算机将这些信号转 换为虚拟手的动作，这样虚拟手就可以随着用户手的移动而 移动。数据手套可以跟踪手的位置和手势命令，这样的系统 有助于对虚拟物体的定位、移动等操作。
发阶段决定(juédìng)的。
也就是说，研究开发阶段对最终产品成本的影响最大。
因此加强对设计方法的研究、加大对设计部门的投入、对降 低产品价格是至关重要的。
第十五页，共五十九页。
5.2 虚拟设计(shèjì)在产品开发中的作用
第十六页，共五十九页。
1 虚拟 概念设计 (xūnǐ)
1996年美国Wisconsin-Madison大学研制出了一个虚拟概念
第六页，共五十九页。
5.1 虚拟现实(xū nǐ xiàn shí)
自主性：在虚拟环境中，对象的行为是自主 的，是由程序自动(zìdòng)完成的，要让操作者 感到虚拟环境中的各种生物是“有生命的” 和 “自主的”，而各种非生物是 “可操作 的”，其行为符合各种物理规律。
电路仿真与虚拟设计技术
电路仿真与虚拟设计技术电路仿真与虚拟设计技术是现代电子工程领域中重要的工具和方法。
它们可以帮助工程师在设计和开发电路过程中进行准确、高效的模拟和验证，从而提高电路设计的质量和可靠性。
本文将介绍电路仿真与虚拟设计技术的概念、应用领域和工具，以及它们在电子工程中的重要性和未来发展趋势。
一、电路仿真技术电路仿真技术是一种通过计算机模拟电子电路的运行过程的方法。
它可以用于验证电路设计的正确性、分析电路的性能、优化电路的参数以及辅助故障诊断等。
电路仿真技术主要分为两种类型：时间域仿真和频域仿真。
1. 时间域仿真时间域仿真是一种以时间为基准，模拟电路在不同时间点上各个节点的电压和电流变化情况的方法。
它可以通过解析微分方程或使用其他仿真算法来计算电路中各个元件的电压和电流。
时间域仿真对于分析电路的稳定性、响应速度和时序关系非常有用。
2. 频域仿真频域仿真是一种以频率为基准，模拟电路在不同频率上的响应特性的方法。
它可以通过计算电路的传输函数或使用傅里叶变换等数学方法来分析电路在不同频率下的增益、相位延迟和频率响应等参数。
频域仿真对于优化电路的频率特性和滤波器设计非常有用。
二、虚拟设计技术虚拟设计技术是一种使用计算机辅助工具进行电路设计和验证的方法。
它允许工程师在虚拟环境中进行电路布局、连线和调试，并且可以实时监测和分析电路的性能。
虚拟设计技术主要包括电路设计软件、仿真器和虚拟实验室等工具。
1. 电路设计软件电路设计软件是一种用于绘制、编辑和分析电路图形的工具。
它提供了丰富的元件库和功能，可以帮助工程师进行电路的原理图设计、布局和优化。
常见的电路设计软件有Protues、Altium Designer等。
2. 仿真器仿真器是一种用于模拟和验证电路性能的软件工具。
它可以根据电路图纸和元件参数，计算电路的特定性能指标，并提供仿真结果的图表和数据。
仿真器可以帮助工程师在设计过程中快速评估和优化电路的性能，从而减少实际实验和试错的时间和成本。
机电产品虚拟设计与仿真
–SRI研究中心建立了“视觉感知计划”，研究现有VR 技术的进一步发展。1991年后，SRI进行了利用VR技 术对军用飞机或车辆驾驶的训练研究，试图通过仿 真来减少飞行事故。此外，SRI还利用遥控技术进行 外科手术仿真的研究。
PPT文档演模板
机电产品虚拟设计与仿真
虚拟现实的国内外研究现状
–华盛顿大学华盛顿技术中心的人机界面技术 实验室(HIT Lab)在新概念的研究中起着领 先作用，同时也在进行感知、知觉、认知和 运动控制能力的研究。 HIT将VR研究引人了 教育、设计、娱乐和制造领域。例如，波音 公司的V22运输机就是先在实验室中造出虚 拟机后再投人生产的。
传感技术，将大量的光纤安装在一个紧身 衣服上，它能测量肢体的位置，然后用计 算机重建出图像。目前，数据衣还不是真 正的商品，还在进一步研究之中。
PPT文档演模板
机电产品虚拟设计与仿真
虚拟设计技术结构体系
• （6）触觉和力反馈的装置
•
为了产生虚拟的触摸感觉，研究人员开发了
触觉和力反馈装置。虽然它们的样式和大小各不
PPT文档演模板
机电产品虚拟设计与仿真
1.1 虚拟现实技术概述
• 定义和特征 • 虚拟设计的结构体系及支撑技术 • 虚拟现实的发展历程 • 虚拟现实的国内外研究现状 • 虚拟现实的主要应用领域
PPT文档演模板
机电产品虚拟设计与仿真
定义和特征
• 概念
“虚拟现实”（virtual reality，简称vr）是用计算 机技术来生成一个逼真的三维视觉、听觉、触觉或嗅 觉等感觉世界，让用户可以从自己的视点出发，利用 自然的技能和某些设备对这一生成的虚拟世界客体进 行浏览和交互考察。。
PPT文档演模板
机电产品虚拟设计与仿真
PPT文档演模板
机电产品虚拟设计与仿真
虚拟现实的国内外研究现状
–华盛顿大学华盛顿技术中心的人机界面技术 实验室(HIT Lab)在新概念的研究中起着领 先作用，同时也在进行感知、知觉、认知和 运动控制能力的研究。 HIT将VR研究引人了 教育、设计、娱乐和制造领域。例如，波音 公司的V22运输机就是先在实验室中造出虚 拟机后再投人生产的。
传感技术，将大量的光纤安装在一个紧身 衣服上，它能测量肢体的位置，然后用计 算机重建出图像。目前，数据衣还不是真 正的商品，还在进一步研究之中。
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机电产品虚拟设计与仿真
虚拟设计技术结构体系
• （6）触觉和力反馈的装置
•
为了产生虚拟的触摸感觉，研究人员开发了
触觉和力反馈装置。虽然它们的样式和大小各不
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机电产品虚拟设计与仿真
1.1 虚拟现实技术概述
• 定义和特征 • 虚拟设计的结构体系及支撑技术 • 虚拟现实的发展历程 • 虚拟现实的国内外研究现状 • 虚拟现实的主要应用领域
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机电产品虚拟设计与仿真
定义和特征
• 概念
“虚拟现实”（virtual reality，简称vr）是用计算 机技术来生成一个逼真的三维视觉、听觉、触觉或嗅 觉等感觉世界，让用户可以从自己的视点出发，利用 自然的技能和某些设备对这一生成的虚拟世界客体进 行浏览和交互考察。。
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机电产品虚拟设计与仿真
虚拟仿真3D辅助设计系统方案实用PPT(30张)
A地区
云服务器
B地区
云端共享场景
03系统应用
three • 虚拟仿真\ 工业设计\
应用场景
工具的升级，效率的提升
需求方
方案交付及反馈
提 出
运用创新手段，满足需求。
需
求
智力
工程师
物力
沉浸仿真 系统
解决方案
常见应 用场景
可视化
交互性
真实性
技术评审
研发-生产地点
验证流程
管理-工程部门 （跨域评审）
结果演示
示，或在隐藏零件和显示零件之间切换。 ➢ 添加标注：在虚拟环境中添加指向位置的数字索引。 ➢ 自由行走：以虚拟方式参观建筑物或模型内部，可以模拟上下
楼梯动作。
VR应用案例
VR头盔
光学动作捕捉相机
AR应用案例
THANK YOU
•
1.有学者认为，这些水是地球本身固 有的。 在地球 形成之 初，地 球水就 以蒸气 的形式 存在于 炽热的 地心中 ，或者 以结构 水、结 晶水等 形式存 于地下 岩石中 。那时 ，地表 的温度 较高， 大气层 中以气 体形式 存在的 水分也 较多。
CAVE系统
AR系统
沉浸式VR系统
虚拟仿真种类
01.实物仿真
实物仿真是用实物模型采用机械 式的方法模拟另一个实物系统原理、 结构、操作等。如楼花、沙盘、微 缩机械模型等。
实物虚拟仿真模型
02.半实物仿真
半实物仿真是既有实际物体又有 虚拟影像来模拟另一物体特征，半 实物仿真多用来模拟宏大场景，如 模拟飞行，驾驶等。
目前主流应用的3D 手势识别、数据手套，已经符合人体的自然动作，让人们以最舒适的方式获取信息。
虚拟仿真实验教学+ppt课件
系统的设监计、制开发、运用、
实验效果 基本组成 实现原理
虚拟仿真实验是指在计算机系统中，采用虚拟现实技术实现的 各种虚拟实验环境，实验者可以像在真实的环境中一样，完成各种 预定的实验项目，所取得的学习或训练效果等价于甚至优于在真实 环境中所取得的效果。
虚拟仿真实验由实验所依赖的模拟程序、实验单元、工具和参 考资料组成的一个创造和引导模拟实验的交互环境，用户可以通过 增加新的物体、建立新的实验并把他们转化成超文本文件来扩充实 验室。
控制中心
模拟实验
模拟实验是在人为控制研究对特象征的相条似件性下进行观察，模仿实验的某 些条件进原行有的系实统验。是对事物的内部结构，运动变化模过拟程系进统行模拟 的过程。是科学实验的一种基模本拟类实型验。系统
仿真实验
仿 学— 真实实物体验理系没效统有应普模通型建意，义并模上借实助验于仿的专真必家模备经型器验材知，识编是、利统程用计数数计学据算模和系型信统或息数资 料对实验结果进行分析研究的仿真实实验验方系法统。
1、以学生创新精神和实践能力培养为引 领，建设开放度高、共享性好的优质网络实 验教学资源；
2、构建多层次、模块化、全方位的实验 教学体系，突出工程人才培养特色，强化机 电学科融合，打破时空限制，建立课内课外 一体化的人才培养体系；
3.3.1
由学校统一规划部署，建立长期开发组织路线。
整合（人+资源）
部分专业课程的实验室教学资源有限，开放时间有限，不能满足学 生随时进行自主学习和动手实践的要求。。
其二
其三
部分理论教学要构建物理演示系统成本高、操作困难，缺乏让学生动 手实践的条件。
为解决传统理论教学与学生工程化培养之间的 矛盾，拓展实验教学的深度和广度、提高实验教学实 效，实现理论与实践教学的密切结合，同时也尽可能 减少实验成本和潜在危害，在课堂基础理论教学上， 利用专业的仿真软件，采用多媒体技术以及网络通讯 平台，构建具有高度真实感、直观性和精确性虚拟仿 真实验教学平台, 是专业实验教学的有益补充和创新 。
实验效果 基本组成 实现原理
虚拟仿真实验是指在计算机系统中，采用虚拟现实技术实现的 各种虚拟实验环境，实验者可以像在真实的环境中一样，完成各种 预定的实验项目，所取得的学习或训练效果等价于甚至优于在真实 环境中所取得的效果。
虚拟仿真实验由实验所依赖的模拟程序、实验单元、工具和参 考资料组成的一个创造和引导模拟实验的交互环境，用户可以通过 增加新的物体、建立新的实验并把他们转化成超文本文件来扩充实 验室。
控制中心
模拟实验
模拟实验是在人为控制研究对特象征的相条似件性下进行观察，模仿实验的某 些条件进原行有的系实统验。是对事物的内部结构，运动变化模过拟程系进统行模拟 的过程。是科学实验的一种基模本拟类实型验。系统
仿真实验
仿 学— 真实实物体验理系没效统有应普模通型建意，义并模上借实助验于仿的专真必家模备经型器验材知，识编是、利统程用计数数计学据算模和系型信统或息数资 料对实验结果进行分析研究的仿真实实验验方系法统。
1、以学生创新精神和实践能力培养为引 领，建设开放度高、共享性好的优质网络实 验教学资源；
2、构建多层次、模块化、全方位的实验 教学体系，突出工程人才培养特色，强化机 电学科融合，打破时空限制，建立课内课外 一体化的人才培养体系；
3.3.1
由学校统一规划部署，建立长期开发组织路线。
整合（人+资源）
部分专业课程的实验室教学资源有限，开放时间有限，不能满足学 生随时进行自主学习和动手实践的要求。。
其二
其三
部分理论教学要构建物理演示系统成本高、操作困难，缺乏让学生动 手实践的条件。
为解决传统理论教学与学生工程化培养之间的 矛盾，拓展实验教学的深度和广度、提高实验教学实 效，实现理论与实践教学的密切结合，同时也尽可能 减少实验成本和潜在危害，在课堂基础理论教学上， 利用专业的仿真软件，采用多媒体技术以及网络通讯 平台，构建具有高度真实感、直观性和精确性虚拟仿 真实验教学平台, 是专业实验教学的有益补充和创新 。
仿真与虚拟教学ppt课件
模 型 准 备
了解实际背景 搜集有关信息
明确建模目的 掌握对象特征
形成一个 比较清晰 的‘问题’
模
针对问题特点和建模目的
型
作出合理的、简化的假设
假
设 在合理与简化之间作出折中
模 用数学的语言、符号描述问题
型
构
发挥想像力
使用类比法
成
尽量采用简单的数学工具
在整堂课的教学中，刘教师总是让学 生带着 问题来 学习， 而问题 的设置 具有一 定的梯 度，由 浅入深 ，所提 出的问 题也很 明确
建模举例：走路步长的选择
在整堂课的教学中，刘教师总是让学 生带着 问题来 学习， 而问题 的设置 具有一 定的梯 度，由 浅入深 ，所提 出的问 题也很 明确
s
在整堂课的教学中，刘教师总是让学 生带着 问题来 学习， 而问题 的设置 具有一 定的梯 度，由 浅入深 ，所提 出的问 题也很 明确
在整堂课的教学中，刘教师总是让学 生带着 问题来 学习， 而问题 的设置 具有一 定的梯 度，由 浅入深 ，所提 出的问 题也很 明确
二、 传递函数描述
若系统的初始条件为零，即系统在t = 0时已处于一个稳定状态，也就 是说y与u的各阶导数初值为零，那么对（1）式两边取拉氏变换后可得：
s nY(s)+a1sn-1Y(s)++an-1sY(s)+anY(s)=c0sn-1U(s)+c1sn-2U(s)++cn-1U(s)
稍加整理后可得：
要指出的是一个系统的数学模型不是唯一的。要求 的近似程度不同，数学模型也有所不同。
模型的简化性和准确性是建立系统数学模型时经常要考虑 的问题，必须根据实际情况作出正确处理。
了解实际背景 搜集有关信息
明确建模目的 掌握对象特征
形成一个 比较清晰 的‘问题’
模
针对问题特点和建模目的
型
作出合理的、简化的假设
假
设 在合理与简化之间作出折中
模 用数学的语言、符号描述问题
型
构
发挥想像力
使用类比法
成
尽量采用简单的数学工具
在整堂课的教学中，刘教师总是让学 生带着 问题来 学习， 而问题 的设置 具有一 定的梯 度，由 浅入深 ，所提 出的问 题也很 明确
建模举例：走路步长的选择
在整堂课的教学中，刘教师总是让学 生带着 问题来 学习， 而问题 的设置 具有一 定的梯 度，由 浅入深 ，所提 出的问 题也很 明确
s
在整堂课的教学中，刘教师总是让学 生带着 问题来 学习， 而问题 的设置 具有一 定的梯 度，由 浅入深 ，所提 出的问 题也很 明确
在整堂课的教学中，刘教师总是让学 生带着 问题来 学习， 而问题 的设置 具有一 定的梯 度，由 浅入深 ，所提 出的问 题也很 明确
二、 传递函数描述
若系统的初始条件为零，即系统在t = 0时已处于一个稳定状态，也就 是说y与u的各阶导数初值为零，那么对（1）式两边取拉氏变换后可得：
s nY(s)+a1sn-1Y(s)++an-1sY(s)+anY(s)=c0sn-1U(s)+c1sn-2U(s)++cn-1U(s)
稍加整理后可得：
要指出的是一个系统的数学模型不是唯一的。要求 的近似程度不同，数学模型也有所不同。
模型的简化性和准确性是建立系统数学模型时经常要考虑 的问题，必须根据实际情况作出正确处理。
仿真与虚拟设计技术
第1章绪论伴随着科学的不断发展，人类社会步入了崭新的世纪。
各种新技术层出不穷，而各个学科相互融合发展，又产生了许多新的学科技术。
产品设计就是这样的一门学科。
每一次新科技的出现，都会给产品设计的途径、方式带来新的发展和变化。
下面的例图１总结了几个世纪以来产品设计的演变过程。
仿真与虚拟现实技术是以计算机支持的仿真技术为前提的，对设计、加工、装配、维护等等，经过统一建模形成虚拟的环境，虚拟的过程，虚拟的产品。
仿真与虚拟技术产生于20世纪40年代，到90年代才逐步发展完善起来，现在已经应用到了制造、军工、医学、航天、建筑等很多领域，并且都取得了很大的成功。
仿真与虚拟技术应用到产品设计中，更会体现出它的很多优势，给设计业带来全新的理念和方式。
虚拟现实仿真是一门以系统科学、计算机科学和概率论与数理统计学为基础，结合各应用领域的技术特点和应用中的需要，逐渐发展起来的边缘性技术，同时它也是一门实验性科学，随着各门学科的发展，虚拟现实仿真也得到日新月异的发展，已成为近年来十分活跃的新兴技术。
虚拟现实概念从1984年被William Gibson提出来以前，在系统仿真领域造成了巨大的影响。
20世纪90年代初，F．Robert探讨了可视化仿真的发展前景，此后C．James提出用三维图形渲染二维动画仿真环境的机制。
M．Barnes讨论了虚拟现实和系统仿真结合所需要的方法和硬件设备。
1996年，Arnold H．Buss在离散系统仿真机制的基础上，研究开发了一种基于Java语言的离散事件仿真系统JavaSim，可用于在一般民用企事业单位的Internet网上模拟建模。
Macredie在1996年阐述了虚拟现实仿真环境对模拟训练的应用，并提出面向对象的建模机制；顺应计算机发展的潮流，Wolfgong Kreutzer在1997年按Java语言的多线程特点开发了一种开放式仿真语言SimJava，并通过互联网提供源代码，它是一种基于事件推进的仿真系统，将仿真实体按独立的线程运行，通过实体接口发送或接受事件消息，为仿真实时控制创造了条件。
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目录
第1章 绪论 第2章 仿真与虚拟设计技术概述 第3章 虚拟设计技术 第4章 国内外研究现状 第5章 虚拟设计技术存在问题 第6章 未来发展方向 第7章 结束语
第１章 绪论
伴随着科学的不断发展,人类社会步入了崭新 的世纪。各种新 技术层出不穷,而各个学科相互融合发展,又产生了许多新的学科技 术。产品设计就是这样的一门学科。每一次新科技的出现,都会给产 品设计的途径、方式带来新的发展和变化。仿真与虚拟现实技术是 以计算机支持的仿真技术为前提的,对设计、加工、装配、维护等等, 经过统一建模形成虚拟的环境,虚拟的过程,虚拟的产品。仿真与虚 拟技术产生于20世纪40年代,到90年代才逐步发展完善起来,现在已 经应用到了制造、军工、医学、航天、建筑等很多领域,并且都取得 了很大的成功。仿真与虚拟技术应用到产品设计中,更会体现出它的 很多优势,给设计业带来全新的理念和方式。
产品生命 使用评价 周期模型
1900
1950
2000
年份
返回
第2章 仿真与虚拟设计技术概述
什么是仿真？ 什么是虚拟现实（ＶＲ）？
返回目录
什么是仿真?
仿真Simulation属于一门基础性学科，仿真就 是利用模型进行的一种试验，它可极为有效而经 济地用于科研设计训练以及系统的试验。仿真技 术是以控制理论相似原理数模与计算技术信息技 术系统技术及其应用领域相关专业技术为基础， 以计算机和多种专用物理效应设备为工具借助系 统模型，对实际的或设想的系统进行动态试验研 究的一门新兴综合性技术。
环 境
生
接成
器
接触及力量 作用装置
接触及力
口
量反馈
空间球
I/O
返回
虚拟设计技术应用
1.虚拟现实技术已成为军事和航天领域的先锋技术 2.虚拟现实技术已成为一种商业经营手段和战略 3.虚拟现实技术成为学校教学手段和教学方式的重要 组成部分 4.虚拟现实技术将成为工程设计的得力助手
返回
虚拟设计技术军事和航天领 域的应用
调抽象思维，这是目前课堂教学普遍存在的枯燥、乏味、抽象、难懂的重要
原因之一。
美国加州和印第安纳州之间的一堂关于宇航和太空知识的远程教学课也
是一个很好的实例。远在美国东部印第安纳州的教师和他的学生们一起出现
在大屏幕电视上。老师用生动的讲解和大量的影视资料把孩子带进了太空，
为了激发学习兴趣和参与意识，课堂上还特意准备了五颜六色的小墨镜和小
扇子，这样当孩子们和屏幕上的宇航员一起”飞向”太空时，孩子们戴上小
塑料墨镜并扇起小纸扇，仿佛真的有耀眼的太阳和灼热的高温需要抵御。同
如图１总结了几个世纪以来产品设计的演变过程。
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设计的演变过程
面向车 间设计
1850
虚拟产品设计
面向计算机的 产品建模
开发规则
计算机辅助设计 方法学设计 算法
组织
知识处 理仿真
市场和顾 客研究
样品制 造实验
面向车 一般原理方法 间设计
几何 （工程图） 零件图 模型
产品建模 经济和生态 过程设计 方面的评价
返回
虚拟现实技术成为学校教学手段 和教学方式的重要组成部分
早在1995年，华盛顿的中小学校就开始了虚拟教学。教室里没有黑板和
讲台，每个座位的前方都有特殊的头盔和操纵杆。孩子们只要带上头盔，手
握操纵杆，眼前就会出现一幅幅栩栩如生的景象，既生动又形象，这是虚拟
教学。传统的教学理论和教学实践一直忽视形象思维的发展与完善，片面强
返回
虚拟现实技术已成为一种商 业经营手段和战略
国际企业管理挑战赛的核心是一套完善的电脑软件系统，它用 模拟方式把一个企业在国际标准市场环境中所面临的各种管理问题 反映出来，参赛者作为虚拟企业的领导人就此进行决策。由于它与 市场中变化莫测的真实商战相吻合，国际上许多公司将其作为训练 员工的手段。虚拟仿真技术已日渐成熟，如虚拟仿真技术的汽车演 示厅，人们可以在汽车上面对虚拟道路。了解汽车的性能。虚拟仿 真技术的驾驶厅，可以帮助驾驶员在虚拟道路上训练等等。 现在许多公司都把代理人模拟软件视为企业经营的有力工具。在美 国思想工具公司所开发的项目挑战模拟装置中，挑战者以形神兼备 的虚拟工作组成员的面貌出现，展开激烈的商战。虚拟公司和虚拟 经营策略越来越受到各大公司的青睐。
返回
虚拟装配设计
返回
头盔显示器
返回
数据手套
返回
虚拟设计系统构造图
交互工具及信号控制
多感知接口及虚
喇叭 屏幕 传感器 麦克风
喇叭 屏幕
拟环境生成系统
RGB-NTSC 图形卡
RGB-NTSC 图形卡
计
三维声音
显示器 数据手套
位置方向 跟踪器
数据输入 识别控制模型库 语音识别I NhomakorabeaO I/O
算模
拟
机
返回
第3章 虚拟设计技术
虚拟设计技术 虚拟设计系统的构成 虚拟设计技术应用 虚拟现实技术应用到产品设计中的作用
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虚拟设计技术
1.虚拟概念设计 2.虚拟装配设计 3.虚拟环境中的声音系统 4.虚拟设计系统中的接触及力量反馈
返回
虚拟概念设计
产品设计过程可以概括分为两个步骤：概念设计(Conceptual Design)和 构型设计(Configuration De-sign)[1]。前者的目的是制定出设计方案，后者 的目的是设计出具体构型。概念设计是设计的初步阶段，它的目的是获得 足够多的有关产品式样和形状的信息。它是设计过程的重要阶段，因为产 品成本的60%~70%是由这个阶段决定的。在概念设计阶段，人们需要研究 大量可行的设计方案，从而确定经济效益最好的设计。
虚拟概念设计使用虚拟现实技术，为设计者提供基于语音识别和手势跟 踪的输入方式，设计者可以很方便地在三维虚拟环境中操纵产品及零件， 进行各种形状建模和修改。利用这种系统进行计算机建模，无须精确的尺 寸定义。虚拟现实技术消除了鼠标、键盘等的输入方式给用户带来的限制， 同时系统还可以为用户提供三维立体图像，设计者可以在三维空间中对设 计对象进行观察和操作。
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什么是虚拟现实（ＶＲ）？
虚拟现实(Virtual reality简称VR)，是人类与计 算机和极其复杂的数据进行交互的一种方法。虚 拟现实技术是指利用人工智能、计算机图形学、 人机接口技术、多媒体技术、网络技术、电子技 术、机械技术、视听技术等高新技术模拟人在特 定环境中视、听、动等行为的高级人机交互技术。
第1章 绪论 第2章 仿真与虚拟设计技术概述 第3章 虚拟设计技术 第4章 国内外研究现状 第5章 虚拟设计技术存在问题 第6章 未来发展方向 第7章 结束语
第１章 绪论
伴随着科学的不断发展,人类社会步入了崭新 的世纪。各种新 技术层出不穷,而各个学科相互融合发展,又产生了许多新的学科技 术。产品设计就是这样的一门学科。每一次新科技的出现,都会给产 品设计的途径、方式带来新的发展和变化。仿真与虚拟现实技术是 以计算机支持的仿真技术为前提的,对设计、加工、装配、维护等等, 经过统一建模形成虚拟的环境,虚拟的过程,虚拟的产品。仿真与虚 拟技术产生于20世纪40年代,到90年代才逐步发展完善起来,现在已 经应用到了制造、军工、医学、航天、建筑等很多领域,并且都取得 了很大的成功。仿真与虚拟技术应用到产品设计中,更会体现出它的 很多优势,给设计业带来全新的理念和方式。
产品生命 使用评价 周期模型
1900
1950
2000
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第2章 仿真与虚拟设计技术概述
什么是仿真？ 什么是虚拟现实（ＶＲ）？
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什么是仿真?
仿真Simulation属于一门基础性学科，仿真就 是利用模型进行的一种试验，它可极为有效而经 济地用于科研设计训练以及系统的试验。仿真技 术是以控制理论相似原理数模与计算技术信息技 术系统技术及其应用领域相关专业技术为基础， 以计算机和多种专用物理效应设备为工具借助系 统模型，对实际的或设想的系统进行动态试验研 究的一门新兴综合性技术。
环 境
生
接成
器
接触及力量 作用装置
接触及力
口
量反馈
空间球
I/O
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虚拟设计技术应用
1.虚拟现实技术已成为军事和航天领域的先锋技术 2.虚拟现实技术已成为一种商业经营手段和战略 3.虚拟现实技术成为学校教学手段和教学方式的重要 组成部分 4.虚拟现实技术将成为工程设计的得力助手
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虚拟设计技术军事和航天领 域的应用
调抽象思维，这是目前课堂教学普遍存在的枯燥、乏味、抽象、难懂的重要
原因之一。
美国加州和印第安纳州之间的一堂关于宇航和太空知识的远程教学课也
是一个很好的实例。远在美国东部印第安纳州的教师和他的学生们一起出现
在大屏幕电视上。老师用生动的讲解和大量的影视资料把孩子带进了太空，
为了激发学习兴趣和参与意识，课堂上还特意准备了五颜六色的小墨镜和小
扇子，这样当孩子们和屏幕上的宇航员一起”飞向”太空时，孩子们戴上小
塑料墨镜并扇起小纸扇，仿佛真的有耀眼的太阳和灼热的高温需要抵御。同
如图１总结了几个世纪以来产品设计的演变过程。
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设计的演变过程
面向车 间设计
1850
虚拟产品设计
面向计算机的 产品建模
开发规则
计算机辅助设计 方法学设计 算法
组织
知识处 理仿真
市场和顾 客研究
样品制 造实验
面向车 一般原理方法 间设计
几何 （工程图） 零件图 模型
产品建模 经济和生态 过程设计 方面的评价
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虚拟现实技术成为学校教学手段 和教学方式的重要组成部分
早在1995年，华盛顿的中小学校就开始了虚拟教学。教室里没有黑板和
讲台，每个座位的前方都有特殊的头盔和操纵杆。孩子们只要带上头盔，手
握操纵杆，眼前就会出现一幅幅栩栩如生的景象，既生动又形象，这是虚拟
教学。传统的教学理论和教学实践一直忽视形象思维的发展与完善，片面强
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虚拟现实技术已成为一种商 业经营手段和战略
国际企业管理挑战赛的核心是一套完善的电脑软件系统，它用 模拟方式把一个企业在国际标准市场环境中所面临的各种管理问题 反映出来，参赛者作为虚拟企业的领导人就此进行决策。由于它与 市场中变化莫测的真实商战相吻合，国际上许多公司将其作为训练 员工的手段。虚拟仿真技术已日渐成熟，如虚拟仿真技术的汽车演 示厅，人们可以在汽车上面对虚拟道路。了解汽车的性能。虚拟仿 真技术的驾驶厅，可以帮助驾驶员在虚拟道路上训练等等。 现在许多公司都把代理人模拟软件视为企业经营的有力工具。在美 国思想工具公司所开发的项目挑战模拟装置中，挑战者以形神兼备 的虚拟工作组成员的面貌出现，展开激烈的商战。虚拟公司和虚拟 经营策略越来越受到各大公司的青睐。
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虚拟装配设计
返回
头盔显示器
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数据手套
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虚拟设计系统构造图
交互工具及信号控制
多感知接口及虚
喇叭 屏幕 传感器 麦克风
喇叭 屏幕
拟环境生成系统
RGB-NTSC 图形卡
RGB-NTSC 图形卡
计
三维声音
显示器 数据手套
位置方向 跟踪器
数据输入 识别控制模型库 语音识别I NhomakorabeaO I/O
算模
拟
机
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第3章 虚拟设计技术
虚拟设计技术 虚拟设计系统的构成 虚拟设计技术应用 虚拟现实技术应用到产品设计中的作用
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虚拟设计技术
1.虚拟概念设计 2.虚拟装配设计 3.虚拟环境中的声音系统 4.虚拟设计系统中的接触及力量反馈
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虚拟概念设计
产品设计过程可以概括分为两个步骤：概念设计(Conceptual Design)和 构型设计(Configuration De-sign)[1]。前者的目的是制定出设计方案，后者 的目的是设计出具体构型。概念设计是设计的初步阶段，它的目的是获得 足够多的有关产品式样和形状的信息。它是设计过程的重要阶段，因为产 品成本的60%~70%是由这个阶段决定的。在概念设计阶段，人们需要研究 大量可行的设计方案，从而确定经济效益最好的设计。
虚拟概念设计使用虚拟现实技术，为设计者提供基于语音识别和手势跟 踪的输入方式，设计者可以很方便地在三维虚拟环境中操纵产品及零件， 进行各种形状建模和修改。利用这种系统进行计算机建模，无须精确的尺 寸定义。虚拟现实技术消除了鼠标、键盘等的输入方式给用户带来的限制， 同时系统还可以为用户提供三维立体图像，设计者可以在三维空间中对设 计对象进行观察和操作。
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什么是虚拟现实（ＶＲ）？
虚拟现实(Virtual reality简称VR)，是人类与计 算机和极其复杂的数据进行交互的一种方法。虚 拟现实技术是指利用人工智能、计算机图形学、 人机接口技术、多媒体技术、网络技术、电子技 术、机械技术、视听技术等高新技术模拟人在特 定环境中视、听、动等行为的高级人机交互技术。