机电产品虚拟设计与仿真
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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
•增强现实性的虚拟现实
增强现实性的虚拟现实不仅是利用虚拟现实技术来 模拟现实世界、仿真现实世界，而且要利用它来增强参 与者对真实环境的感受，也就是增强现实中无法感知或 不方便的感受。
•分布式虚拟现实
如果多个用户通过计算机网络连接在一起，同时参 加一个虚拟空间，共同体验虚拟经历，那虚拟现实则提 升到了一个更高的境界，这就是分布式虚拟现实系统。
1
1.2 虚拟设计技术结构体系
• 虚拟设计系统结构
虚拟设计技术结构体系
•虚拟设计软件技术
• 虚拟环境中采用的软件有四类： • 1)语言类： 如C++、VBML等； • 2)建模软件类：如AuoCAD、SolidWorks、Pro／
E、CATIA等。 • 3)应用软件类：指用户自己的各种需求，选择或
• 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
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。。
• （2）3D位置跟踪器
•
在3D空间中移动对象共有三个平移参数和三个旋转
参数。这些参数可组成一个6维的数据集。在早期，人们
主要采用机械方式测量上述参数；当今，非接触3D跟踪
技术已经取代了机械测量。3D非接触跟踪技术包括磁场、
超声波、雷达和摄象机等。
• （3）传感手套
数据手套可以帮助计算机测试人手的位置与指向，从
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
1990年
Siggraph会议确定 VR技术的发展方向
1986年 VIEW系统研制成功
1975年 Myron Krueger 提出AR的思想
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。
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。
ห้องสมุดไป่ตู้
• （7）立体显示设备
•
头盔式显示器HMD；特殊的头部显示器
而可以实时的生成手与物体接近和远离的图像。但迄今为 止，商品化的数据手套都不提供触觉反馈作用。
常见的数据手套
虚拟设计技术结构体系
（4）三维鼠标
普通的鼠标只能感受在平面的运动，而立 体鼠标能够感受用户在六个自由度的运动。
虚拟设计技术结构体系
• （5）数据衣 数据衣采用与数据手套相同的光纤弯曲
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。
者开发的自用软件。 • 4)通用的商用工具软件包：如：WTK，VRML等。
虚拟设计技术结构体系
•虚拟现实硬件基础
• （1）概论
•
虚拟现实常用的主要硬件设备包括：高性能计算机；
广角（宽视野）的立体显示设备；观察者（头、眼）的跟
踪设备；人体姿势的跟踪设备；立体声；触觉、力学反馈； 语音输入输出等硬件设备。
虚拟现实类别：
•桌面虚拟现实 •沉浸的虚拟现实 •增强现实性的虚拟 现实 •分布式虚拟现实
•桌面虚拟现实
桌面虚 拟现实利用 个人计算机 和低级工作 站进行仿真， 将计算机的 屏幕作为用 户观察虚拟 境界的一个 窗口。
•沉浸的虚拟现实
高级虚拟现实系统提供完全沉浸的体验， 使用户有一种置身于虚拟境界之中的感觉。
虚拟现实的国内外研究现状
–北卡罗来纳大学(UNC)的计算机系是进行VR研究最早 最著名的大学。他们主要研究分子建模、航空驾驶、 外科手术仿真、建筑仿真等。在显示技术上 UNC开 发了一个帮助用户在复杂视景中建立实时动态显示 的并行处理系统．叫做像素飞机(Pixel Planes)。
–麻省理工学院(MIT)是一个一直走在最新技术前沿的 科学研究机构。1985年M1T成立了媒体实验室，进行 虚拟环境的正规研究。此外，M1T还在进行“路径规 划”与“运动计划”等研究。
机电产品的虚拟设计与仿真
姚进 教授
本次课的内容 1 虚拟现实技术概述 2 虚拟样机技术 3 课程教学与考试
1 虚拟技术（ (Virtual Reality) ）
1.1虚拟现实技术概述 1.2虚拟现实体系结构 1.3虚拟现实的发展历程 1.4虚拟现实技术的应用 1.5虚拟现实技术未来发展展望
1.1 虚拟现实技术概述
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。
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
•增强现实性的虚拟现实
增强现实性的虚拟现实不仅是利用虚拟现实技术来 模拟现实世界、仿真现实世界，而且要利用它来增强参 与者对真实环境的感受，也就是增强现实中无法感知或 不方便的感受。
•分布式虚拟现实
如果多个用户通过计算机网络连接在一起，同时参 加一个虚拟空间，共同体验虚拟经历，那虚拟现实则提 升到了一个更高的境界，这就是分布式虚拟现实系统。
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1.2 虚拟设计技术结构体系
• 虚拟设计系统结构
虚拟设计技术结构体系
•虚拟设计软件技术
• 虚拟环境中采用的软件有四类： • 1)语言类： 如C++、VBML等； • 2)建模软件类：如AuoCAD、SolidWorks、Pro／
E、CATIA等。 • 3)应用软件类：指用户自己的各种需求，选择或
• 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
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。。
• （2）3D位置跟踪器
•
在3D空间中移动对象共有三个平移参数和三个旋转
参数。这些参数可组成一个6维的数据集。在早期，人们
主要采用机械方式测量上述参数；当今，非接触3D跟踪
技术已经取代了机械测量。3D非接触跟踪技术包括磁场、
超声波、雷达和摄象机等。
• （3）传感手套
数据手套可以帮助计算机测试人手的位置与指向，从
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
1990年
Siggraph会议确定 VR技术的发展方向
1986年 VIEW系统研制成功
1975年 Myron Krueger 提出AR的思想
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。
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。
ห้องสมุดไป่ตู้
• （7）立体显示设备
•
头盔式显示器HMD；特殊的头部显示器
而可以实时的生成手与物体接近和远离的图像。但迄今为 止，商品化的数据手套都不提供触觉反馈作用。
常见的数据手套
虚拟设计技术结构体系
（4）三维鼠标
普通的鼠标只能感受在平面的运动，而立 体鼠标能够感受用户在六个自由度的运动。
虚拟设计技术结构体系
• （5）数据衣 数据衣采用与数据手套相同的光纤弯曲
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。
者开发的自用软件。 • 4)通用的商用工具软件包：如：WTK，VRML等。
虚拟设计技术结构体系
•虚拟现实硬件基础
• （1）概论
•
虚拟现实常用的主要硬件设备包括：高性能计算机；
广角（宽视野）的立体显示设备；观察者（头、眼）的跟
踪设备；人体姿势的跟踪设备；立体声；触觉、力学反馈； 语音输入输出等硬件设备。
虚拟现实类别：
•桌面虚拟现实 •沉浸的虚拟现实 •增强现实性的虚拟 现实 •分布式虚拟现实
•桌面虚拟现实
桌面虚 拟现实利用 个人计算机 和低级工作 站进行仿真， 将计算机的 屏幕作为用 户观察虚拟 境界的一个 窗口。
•沉浸的虚拟现实
高级虚拟现实系统提供完全沉浸的体验， 使用户有一种置身于虚拟境界之中的感觉。
虚拟现实的国内外研究现状
–北卡罗来纳大学(UNC)的计算机系是进行VR研究最早 最著名的大学。他们主要研究分子建模、航空驾驶、 外科手术仿真、建筑仿真等。在显示技术上 UNC开 发了一个帮助用户在复杂视景中建立实时动态显示 的并行处理系统．叫做像素飞机(Pixel Planes)。
–麻省理工学院(MIT)是一个一直走在最新技术前沿的 科学研究机构。1985年M1T成立了媒体实验室，进行 虚拟环境的正规研究。此外，M1T还在进行“路径规 划”与“运动计划”等研究。
机电产品的虚拟设计与仿真
姚进 教授
本次课的内容 1 虚拟现实技术概述 2 虚拟样机技术 3 课程教学与考试
1 虚拟技术（ (Virtual Reality) ）
1.1虚拟现实技术概述 1.2虚拟现实体系结构 1.3虚拟现实的发展历程 1.4虚拟现实技术的应用 1.5虚拟现实技术未来发展展望
1.1 虚拟现实技术概述
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。