浅述虚拟设计方法的研究
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数 字信 息 代替 实物 产 品的一 种设 计 方式 。它具 有 ３个 “Ｉ” 的特 征 ， 即 Ｉｍｍｅｒｓｉｏｎ （沉浸 感 ）、Ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ （交 互性 ）和 Ｉｍａｇｉｎａｔｉｏｎ （想 象 力 ） 。 由于虚 拟设 计 基本 上 不 消 耗 资 源 和 能量 ，也 不 生 产 实 际 产 品 ，而 是在 计算 机 上实 现产 品 的设计 、开发 和 加 工 过程 ，即完 成 产 品的数 字 化过 程 ，所 以与传统 的设 计 和 制造 相 比较 ，它具 有 高 度 集 成 、快 速成 型 和分 布合作 等特 征 。设 计者 在 虚 拟环 境 中 对产 品进 行 设 计 、制造 和 分析 ，并对 产 品进行 虚 拟 装 配 、动 态仿 真 和 评 价 ，从 而 能够 缩 短产 品开 发周 期 ，降低产 品开发 和制 造成本 。
踪 的范 围太 小 ，抵 抗外 来干 扰 的能 力不 足 。以上 这 些硬 件 问 题是 虚 拟 设计 系统 不能 充分 发挥其 强大 功 能的 主要 障 碍。
４ 虚拟 设计 原理 与关 键技 术 虚 拟设 计是 以 “虚 拟现 实” 技术 为基 础 ，以机械 产 品为 对象 的 设 计手 段 。虚拟 现 实 （ＶＲ） 技术 ，就是 基 于 自然 方式 的人 机 交 互 系统 ，即利 用计 算 机 、传感 与测 量 、仿 真 、微 电子 等 方 面 的 技 术 ， 通 过计 算机 创建 一种 虚 拟 环 境 ，并 通 过 视 觉 、听 觉 、触 觉 、味 觉 、 嗅觉等 多种 传感设 备 的作 用 ，使用 户 产 生身 ＩＩ缶其 境 的感 觉 ，并 可 实 现 用户 与该 环境 直接进 行交 互 。从 本 质 上来 讲 ，虚 拟设 计 就 是将 产 品从概 念设 计到 投入使 用 的全过 程 虚拟 到计 算 机上 ，在 计 算 机上 构 造 的虚 拟环 境 中虚拟地 实现 ，其 目标 不仅 是 对产 品 的物 质 形 态和 制 造 过程 进行 模拟 和可视 化 ，而且 是对 产 品 的性 能 、行为 和 功 能 以及 在 产 品实现 的各 个阶段 中的实施 方案进 行预 测 、评 价 和优化 。 虚 拟设 计的关 键技 术包 括 以下 内容 ： （１）全 息产 品的建 模理 论与方 法 。 （２）基 于知识 的设 计包 括设 计 知识 的 获取 、表 达 与应 用 ：设 计 信 息和 知识 的合理 流 向 、转换 与 控制 ；设 计 知识 的融 合 、管理 与 共 享 ；从设 计过 程数 据 中挖掘设 计知 识 。
１ 虚 拟设 计 的发展 背景 虚 拟设 计 是 ２Ｏ世 纪 ９０年代 发 展 起来 的一 个新 的研 究 领域 ，它 是 计算 机 图形 学 、人＿Ｔ智能 、计算 机 网络 、信 息 处理 、机械 设 计 与 制 造等 技术 综 合发 展 的产物 ，在 机械 行 业有 广 泛 的应 用 前 景 ，如 虚 拟 布局 、虚拟 装配 、产 品原 型快速 生 成 、虚拟制 造等 Ｊ。 ２ 国 内虚 拟设 计技 术 的研 究现状 北 京航 空 航天 大学 计 算机 系是 国内最 早 进 行 ＶＲ研 究 、最 有 权 威 的单 位 之一 ，他们 首 先进行 了一些 基 础 知识 方 面 的研 究 ，并 着 重 研 究 了虚拟 环境 中物理 特性 的表 示 与处 理 ；在 虚拟 现 实 中 的视 觉 接 口方面 开发 了部分 硬件 ，并提 出了有 关算 法及 实现方 法等 。 浙 江 大学 ＣＡＤ＆ＣＧ国家 重点实 验室 开发 了一 套桌 面 型虚拟 建 筑 环 境实 时 漫游 系统 。另 外 ，他 们还 研 制 出 了在 虚拟 环 境 中一 种 新 的 快 速漫 游算 法 和一 种递 进 网格 的快 速 生成算 法 。 ３ 虚 拟设 计存 在 的问题 ３．１ 由虚 拟环 境到 ＣＡＤ的数据 交换 问题 。 由于虚拟设 计 系 统 在 图形 输 出和模 型操 纵 方 法上 与其 他 计 算 机辅 助 应 用 系 统 如 ＣＡＤ、 ＣＡＰＰ （计 算机 辅 助 工 艺规 划 ） 等存 在 很 大 的 不 同 ，从 而 导 致 虚 拟 现 实系 统 的数据 和信 息 不能很 好地 被 其 它现 行 的计 算 机辅 助 系 统共 享 。直 到 目前 ，由虚 拟 环 境 到 ＣＡＤ环 境 的 数 据 交 换 能 力 仍 非 常 薄 弱 ，主要 的问题 是一 般虚 拟环 境 中多采 用多 边形 格式 ，而 ＣＡＤ环境 常采 用 参数 建模 。 ３．２ 数 据接 口。 目前 所用 的数 据接 口例 如 ＩＧＥＳ （基本 图形转 换规 范 ） 只能 提供 几何 数 据的 转换 。例 如 ，它 们 只能 提供 一 个 孔 的 周边 信 息而 不能 提供 孔本 身 的信息 如 孑Ｌ径 及 中心位 置 ，更 不 能 提供 孔 的材料 、质 地 、颜 色 、力学 特性 等 。 ３．３ 数 据 缩减 。在硬 件还 不 够强 大 的情 况下 ，若 要 保 证 足够 的 图像刷 新率 ，ＣＡＤ数据 就需 要转 换为 多 边形 格式 并 且很 可 能 需要 实施 进一 步 的缩 减处 理 。 ３．４ 硬 件 方面 的 问题 。处 理器 计 算 能力 不 足 、头 盔 式 显示 器 分辨 率太 低 、触觉／力 量 反 馈 系 统 能 力太 差 。跟 踪 系统 能 够 精 确 跟
引言 全 球 化 、网络 化和 虚拟 化 已成 为 制 造业 发 展 的 重要 特 征 ，实 现 “虚 拟设 计 ” 是制 造 业 虚拟 化 的 重要 内容 。所 谓 虚 拟 设 计 ，是 以 虚 拟现 实 技术 ＶＲ （Ｖｉｒｔｕａｌ Ｒｅａｌｉ￣） 为基 础 ，对 产 品的外 型设 计 、色 彩 设计 、功能展 示 、性 能检验 以及 成 品 展示 等 环 节 实现 虚 拟 化 ，以
摘 要 ：介绍 了虚拟设计的发展背景 、国内外现状 以及存在的 问题 ，论述 了虚拟设计 原理 、设计策略 ，虚拟设计的关键技 术等。
关键 词 ：虚拟 设计 ；国 内现 状 ；设 计 原理 ；发展 趋 势
中 图分类 号 ：ＴＰ３０２
文献 标志 码 ：Ａ
文章 编号 ：１６７１—１６０２ （２０１６）０２—００５３—０１
２０１６年 １月
西 部 皮 革
设 计 与 包 装
浅 述 虚 拟 设 计 方 法 的 研 究
付典林 Fra Baidu bibliotek廖飘 ，郑弦。
（１． 江 西农业 大 学工 学 院 ，江西 南 昌 ３３００４５；２．华 东交通 大 学机 电学 院 ，江西 南 昌 ３３００４５； ３．南 昌工 程学 院会 计 系 ，江 西 南 昌 ３３００４５）
踪 的范 围太 小 ，抵 抗外 来干 扰 的能 力不 足 。以上 这 些硬 件 问 题是 虚 拟 设计 系统 不能 充分 发挥其 强大 功 能的 主要 障 碍。
４ 虚拟 设计 原理 与关 键技 术 虚 拟设 计是 以 “虚 拟现 实” 技术 为基 础 ，以机械 产 品为 对象 的 设 计手 段 。虚拟 现 实 （ＶＲ） 技术 ，就是 基 于 自然 方式 的人 机 交 互 系统 ，即利 用计 算 机 、传感 与测 量 、仿 真 、微 电子 等 方 面 的 技 术 ， 通 过计 算机 创建 一种 虚 拟 环 境 ，并 通 过 视 觉 、听 觉 、触 觉 、味 觉 、 嗅觉等 多种 传感设 备 的作 用 ，使用 户 产 生身 ＩＩ缶其 境 的感 觉 ，并 可 实 现 用户 与该 环境 直接进 行交 互 。从 本 质 上来 讲 ，虚 拟设 计 就 是将 产 品从概 念设 计到 投入使 用 的全过 程 虚拟 到计 算 机上 ，在 计 算 机上 构 造 的虚 拟环 境 中虚拟地 实现 ，其 目标 不仅 是 对产 品 的物 质 形 态和 制 造 过程 进行 模拟 和可视 化 ，而且 是对 产 品 的性 能 、行为 和 功 能 以及 在 产 品实现 的各 个阶段 中的实施 方案进 行预 测 、评 价 和优化 。 虚 拟设 计的关 键技 术包 括 以下 内容 ： （１）全 息产 品的建 模理 论与方 法 。 （２）基 于知识 的设 计包 括设 计 知识 的 获取 、表 达 与应 用 ：设 计 信 息和 知识 的合理 流 向 、转换 与 控制 ；设 计 知识 的融 合 、管理 与 共 享 ；从设 计过 程数 据 中挖掘设 计知 识 。
１ 虚 拟设 计 的发展 背景 虚 拟设 计 是 ２Ｏ世 纪 ９０年代 发 展 起来 的一 个新 的研 究 领域 ，它 是 计算 机 图形 学 、人＿Ｔ智能 、计算 机 网络 、信 息 处理 、机械 设 计 与 制 造等 技术 综 合发 展 的产物 ，在 机械 行 业有 广 泛 的应 用 前 景 ，如 虚 拟 布局 、虚拟 装配 、产 品原 型快速 生 成 、虚拟制 造等 Ｊ。 ２ 国 内虚 拟设 计技 术 的研 究现状 北 京航 空 航天 大学 计 算机 系是 国内最 早 进 行 ＶＲ研 究 、最 有 权 威 的单 位 之一 ，他们 首 先进行 了一些 基 础 知识 方 面 的研 究 ，并 着 重 研 究 了虚拟 环境 中物理 特性 的表 示 与处 理 ；在 虚拟 现 实 中 的视 觉 接 口方面 开发 了部分 硬件 ，并提 出了有 关算 法及 实现方 法等 。 浙 江 大学 ＣＡＤ＆ＣＧ国家 重点实 验室 开发 了一 套桌 面 型虚拟 建 筑 环 境实 时 漫游 系统 。另 外 ，他 们还 研 制 出 了在 虚拟 环 境 中一 种 新 的 快 速漫 游算 法 和一 种递 进 网格 的快 速 生成算 法 。 ３ 虚 拟设 计存 在 的问题 ３．１ 由虚 拟环 境到 ＣＡＤ的数据 交换 问题 。 由于虚拟设 计 系 统 在 图形 输 出和模 型操 纵 方 法上 与其 他 计 算 机辅 助 应 用 系 统 如 ＣＡＤ、 ＣＡＰＰ （计 算机 辅 助 工 艺规 划 ） 等存 在 很 大 的 不 同 ，从 而 导 致 虚 拟 现 实系 统 的数据 和信 息 不能很 好地 被 其 它现 行 的计 算 机辅 助 系 统共 享 。直 到 目前 ，由虚 拟 环 境 到 ＣＡＤ环 境 的 数 据 交 换 能 力 仍 非 常 薄 弱 ，主要 的问题 是一 般虚 拟环 境 中多采 用多 边形 格式 ，而 ＣＡＤ环境 常采 用 参数 建模 。 ３．２ 数 据接 口。 目前 所用 的数 据接 口例 如 ＩＧＥＳ （基本 图形转 换规 范 ） 只能 提供 几何 数 据的 转换 。例 如 ，它 们 只能 提供 一 个 孔 的 周边 信 息而 不能 提供 孔本 身 的信息 如 孑Ｌ径 及 中心位 置 ，更 不 能 提供 孔 的材料 、质 地 、颜 色 、力学 特性 等 。 ３．３ 数 据 缩减 。在硬 件还 不 够强 大 的情 况下 ，若 要 保 证 足够 的 图像刷 新率 ，ＣＡＤ数据 就需 要转 换为 多 边形 格式 并 且很 可 能 需要 实施 进一 步 的缩 减处 理 。 ３．４ 硬 件 方面 的 问题 。处 理器 计 算 能力 不 足 、头 盔 式 显示 器 分辨 率太 低 、触觉／力 量 反 馈 系 统 能 力太 差 。跟 踪 系统 能 够 精 确 跟
引言 全 球 化 、网络 化和 虚拟 化 已成 为 制 造业 发 展 的 重要 特 征 ，实 现 “虚 拟设 计 ” 是制 造 业 虚拟 化 的 重要 内容 。所 谓 虚 拟 设 计 ，是 以 虚 拟现 实 技术 ＶＲ （Ｖｉｒｔｕａｌ Ｒｅａｌｉ￣） 为基 础 ，对 产 品的外 型设 计 、色 彩 设计 、功能展 示 、性 能检验 以及 成 品 展示 等 环 节 实现 虚 拟 化 ，以
摘 要 ：介绍 了虚拟设计的发展背景 、国内外现状 以及存在的 问题 ，论述 了虚拟设计 原理 、设计策略 ，虚拟设计的关键技 术等。
关键 词 ：虚拟 设计 ；国 内现 状 ；设 计 原理 ；发展 趋 势
中 图分类 号 ：ＴＰ３０２
文献 标志 码 ：Ａ
文章 编号 ：１６７１—１６０２ （２０１６）０２—００５３—０１
２０１６年 １月
西 部 皮 革
设 计 与 包 装
浅 述 虚 拟 设 计 方 法 的 研 究
付典林 Fra Baidu bibliotek廖飘 ，郑弦。
（１． 江 西农业 大 学工 学 院 ，江西 南 昌 ３３００４５；２．华 东交通 大 学机 电学 院 ，江西 南 昌 ３３００４５； ３．南 昌工 程学 院会 计 系 ，江 西 南 昌 ３３００４５）