机电产品虚拟设计与仿真
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–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。
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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Leabharlann Baidu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
– British Aerospace(BAE)的许多部门参与了VR，其中最 有成效是在Roy Kalawsky教授领导下，利用VR技术设 计高级战斗机座舱，BAE开发的大项目VECTA(Virtual Environment Configurable Training Aid)是一个高级测 试平台，用于研究VR技术以及考察用VR代替传统模拟 器方法的潜力。VECTA的子项目RAVE(Real And Virtual Environment)就是专门为在座舱内训练飞行员 而研制的，已在1992年的Famborough航空展示会上进 行了首次演示。
提出AR的思想
•1985年 •研制出数据手 套
机电产品虚拟设计与仿真
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。
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。
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机电产品虚拟设计与仿真
常见的数据手套
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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
• （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。
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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
• （5）数据衣 数据衣采用与数据手套相同的光纤弯曲
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机电产品虚拟设计与仿真
虚拟现实的国内外研究现状
• 国内虚拟现实技术的研究现状：
– 北京航天航空大学计算机系是国内最早进行VR 研究的单位之一，他们首先进行了一些基础研 究，并着重研究虚拟环境中物体物理特性的表 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； 实现了分布式虚拟环境网络设计，建立了网上 虚拟现实研究论坛，可以提供实时三维动态数 据库，提供虚拟现实演示环境，提供用于飞行 员训练的虚拟现实系统，提供开发虚拟现实应 用系统的开发平台，并将要实现与有关单位的 远程连接。
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发动机设计、CAD软件包转换、烟雾和爆炸的建模与
可视化、VR多媒体集成系统、医学可视化以及纳米技
术(Nanotechnology)。
机电产品虚拟设计与仿真
虚拟现实的国内外研究现状
– 在德国有大约50个Fraunhofer研究所， Darmstadt的Fraunhofer计算机图形研究所 (IGD---FHG)就是其中之一。其中大多数研究 所已着手VR项目研究，如斯图加特的IPA-FHG的遥机器人测试平台。IGD的研究开发工 作集中在计算机图形学有关的领域，如可视 模拟、可视化、图像处理和VR等，并对那些 需要复杂底层结构、技术支持和专业性的中 长期项目实现承包管理方法。IGD---FHG在 1992年建立了一个VR演示中心，用于评估VR 对未来系统和界面的影响，该中心的任务是 在测试平台环境中给用户和生产者提供通向 先进的可视化、模拟技术和VR技术的途径。
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机电产品虚拟设计与仿真
虚拟现实的国内外研究现状
– Dimension International是桌面VR的先驱，尽管桌面 VR是非沉浸式的，但是与那些可视效果和动态质量差 的沉浸式(Immersive)系统相比，许多学术界和工业界 的用户更喜欢该公司基于PC486系统提供的优质图像 和实时交互特性，该公司已生产了一系列商用VR软件 包，都命名为Superseape。Dimension还与电视公司 合作开发Cyberzone(宣称是世界上第一个VR电视游戏 节目)。
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
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机电产品虚拟设计与仿真
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
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机电产品虚拟设计与仿真
1.3 虚拟现实的发展历程与现状
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机电产品虚拟设计与仿真
•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。
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机电产品虚拟设计与仿真
•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。
机电产品虚拟设计与仿 真
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2020/11/18
机电产品虚拟设计与仿真
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
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机电产品虚拟设计与仿真
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
机电产品虚拟设计与仿真
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 者开发的自用软件。
• 4)通用的商用工具软件包：如：WTK，VRML等。
• 发展历程
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•1965年
•Sutherland提 出
•1966年 •开始HDM的研究
•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
•1968年 •研制出第一台HMD
•1975年 •Myron Krueger
–欧共体(CEC)认为VR是一门新兴技术，已经 组织了几次评价VR的专题活动。
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机电产品虚拟设计与仿真
虚拟现实的国内外研究现状
– Windustries位于Leicester，是国际VR界的著名开发机 构，正在开发一系列 VR产品，主要是娱乐业方面的。 正在计划推出新型轻量显示头盔和功能强大的图形引 擎(Graphics Engine)。
• 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。
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• 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，他们的第一个目标机是电产火品虚星拟设。计与仿真
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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
•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。
• （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
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机电产品虚拟设计与仿真
头盔式显示器HMD
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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
• （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。
– 英国的高级机器人研究有限公司(ARRL)关于远程呈现 的实验研究主要包括VR技术重构问题。ARRL与 Overview公司合作开发了一系列头控立体摄像系统， 同时ARRL还与Airmuscle公司合作首先在手套和3D ／6D鼠标上使用了触觉反馈。ARBL在VR方面的工作 仍在继续，除了高级机器人和遥现场领域外．还包括
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机电产品虚拟设计与仿真
•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
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机电产品虚拟设计与仿真
1.2 虚拟设计技术结构体系
• 虚拟设计系统结构
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– 清华大学计算机科学和技术系对虚拟现实和临 场感的方面进行了研究，例如球面屏幕显示和 图像随动、克服立体图闪烁的措施和深度感试 验等方面都有不少独特的方法。
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
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。
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机电产品虚拟设计与仿真
虚拟现实的国内外研究现状
– 浙江大学CAD&CG国家重点实验室在基于图像 的虚拟现实、分布式虚拟环境的建立、多细节 层次模型、真实感三维重建、基于几何和图像 的混合式图形实时绘制算法等领域开展了深入 的研究，在国内外产生了广泛的影响。
– 哈尔滨工业大学计算机系已经成功地虚拟出了 人的高级行为中特定人脸图像的合成，表情的 合成和唇动的合成等技术问题，并正在研究人 说话时头势和手势动作，语音和语调的同步等。
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机电产品虚拟设计与仿真
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机电产品虚拟设计与仿真
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
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机电产品虚拟设计与仿真
•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。
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。
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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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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Leabharlann Baidu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
– British Aerospace(BAE)的许多部门参与了VR，其中最 有成效是在Roy Kalawsky教授领导下，利用VR技术设 计高级战斗机座舱，BAE开发的大项目VECTA(Virtual Environment Configurable Training Aid)是一个高级测 试平台，用于研究VR技术以及考察用VR代替传统模拟 器方法的潜力。VECTA的子项目RAVE(Real And Virtual Environment)就是专门为在座舱内训练飞行员 而研制的，已在1992年的Famborough航空展示会上进 行了首次演示。
提出AR的思想
•1985年 •研制出数据手 套
机电产品虚拟设计与仿真
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。
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。
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机电产品虚拟设计与仿真
常见的数据手套
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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
• （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。
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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
• （5）数据衣 数据衣采用与数据手套相同的光纤弯曲
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机电产品虚拟设计与仿真
虚拟现实的国内外研究现状
• 国内虚拟现实技术的研究现状：
– 北京航天航空大学计算机系是国内最早进行VR 研究的单位之一，他们首先进行了一些基础研 究，并着重研究虚拟环境中物体物理特性的表 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； 实现了分布式虚拟环境网络设计，建立了网上 虚拟现实研究论坛，可以提供实时三维动态数 据库，提供虚拟现实演示环境，提供用于飞行 员训练的虚拟现实系统，提供开发虚拟现实应 用系统的开发平台，并将要实现与有关单位的 远程连接。
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发动机设计、CAD软件包转换、烟雾和爆炸的建模与
可视化、VR多媒体集成系统、医学可视化以及纳米技
术(Nanotechnology)。
机电产品虚拟设计与仿真
虚拟现实的国内外研究现状
– 在德国有大约50个Fraunhofer研究所， Darmstadt的Fraunhofer计算机图形研究所 (IGD---FHG)就是其中之一。其中大多数研究 所已着手VR项目研究，如斯图加特的IPA-FHG的遥机器人测试平台。IGD的研究开发工 作集中在计算机图形学有关的领域，如可视 模拟、可视化、图像处理和VR等，并对那些 需要复杂底层结构、技术支持和专业性的中 长期项目实现承包管理方法。IGD---FHG在 1992年建立了一个VR演示中心，用于评估VR 对未来系统和界面的影响，该中心的任务是 在测试平台环境中给用户和生产者提供通向 先进的可视化、模拟技术和VR技术的途径。
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机电产品虚拟设计与仿真
虚拟现实的国内外研究现状
– Dimension International是桌面VR的先驱，尽管桌面 VR是非沉浸式的，但是与那些可视效果和动态质量差 的沉浸式(Immersive)系统相比，许多学术界和工业界 的用户更喜欢该公司基于PC486系统提供的优质图像 和实时交互特性，该公司已生产了一系列商用VR软件 包，都命名为Superseape。Dimension还与电视公司 合作开发Cyberzone(宣称是世界上第一个VR电视游戏 节目)。
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
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机电产品虚拟设计与仿真
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
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1.3 虚拟现实的发展历程与现状
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机电产品虚拟设计与仿真
•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。
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机电产品虚拟设计与仿真
•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。
机电产品虚拟设计与仿 真
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2020/11/18
机电产品虚拟设计与仿真
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
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机电产品虚拟设计与仿真
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
机电产品虚拟设计与仿真
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 者开发的自用软件。
• 4)通用的商用工具软件包：如：WTK，VRML等。
• 发展历程
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•1965年
•Sutherland提 出
•1966年 •开始HDM的研究
•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
•1968年 •研制出第一台HMD
•1975年 •Myron Krueger
–欧共体(CEC)认为VR是一门新兴技术，已经 组织了几次评价VR的专题活动。
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机电产品虚拟设计与仿真
虚拟现实的国内外研究现状
– Windustries位于Leicester，是国际VR界的著名开发机 构，正在开发一系列 VR产品，主要是娱乐业方面的。 正在计划推出新型轻量显示头盔和功能强大的图形引 擎(Graphics Engine)。
• 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。
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• 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，他们的第一个目标机是电产火品虚星拟设。计与仿真
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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
•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。
• （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
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机电产品虚拟设计与仿真
头盔式显示器HMD
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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
• （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。
– 英国的高级机器人研究有限公司(ARRL)关于远程呈现 的实验研究主要包括VR技术重构问题。ARRL与 Overview公司合作开发了一系列头控立体摄像系统， 同时ARRL还与Airmuscle公司合作首先在手套和3D ／6D鼠标上使用了触觉反馈。ARBL在VR方面的工作 仍在继续，除了高级机器人和遥现场领域外．还包括
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机电产品虚拟设计与仿真
•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
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机电产品虚拟设计与仿真
1.2 虚拟设计技术结构体系
• 虚拟设计系统结构
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– 清华大学计算机科学和技术系对虚拟现实和临 场感的方面进行了研究，例如球面屏幕显示和 图像随动、克服立体图闪烁的措施和深度感试 验等方面都有不少独特的方法。
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
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。
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虚拟现实的国内外研究现状
– 浙江大学CAD&CG国家重点实验室在基于图像 的虚拟现实、分布式虚拟环境的建立、多细节 层次模型、真实感三维重建、基于几何和图像 的混合式图形实时绘制算法等领域开展了深入 的研究，在国内外产生了广泛的影响。
– 哈尔滨工业大学计算机系已经成功地虚拟出了 人的高级行为中特定人脸图像的合成，表情的 合成和唇动的合成等技术问题，并正在研究人 说话时头势和手势动作，语音和语调的同步等。
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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
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•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。
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。
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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。。