虚拟现实技术的研究与分析

作者：哈飞汽车股份有限公司 李自才

欢迎访问e展厅 展厅 2 CAE/模拟仿真展厅 通用有限元分析软件, 结构分析软件, 动力学分析软件, 声学分析软件, 板料冲压成形模拟软件, ... 摘要：本文主要讨论了虚拟现实技术的概念、组成部件以及原理；重点论述了虚拟设计的方法、意义，阐述了虚拟制造的相关技术等。 关键词：虚拟现实 虚拟设计 1 虚拟现实技术 我们所说的虚拟现实就是对现实世界进行的思维时空的模拟，即除了时空外，还包括沉浸式的人机交换界面，这种沉浸式及互动的特点是设计者能够更好地在虚拟空间中观察、处理三维的设计元素，了解各部件的组成，装配的协调性等，并更好地判断和选择，达到最优的设计。 虚拟现实（Virtual Reality），也称VR，虚拟现实技术主要有三个基本特征：自主性（imagination）、交互性（interaction）、沉浸感（immersion）。它是一种可以创建和体验虚拟世界（ Virtual World ）的计算机系统，是用计算机技术生成一个逼真的三维世界，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物体进行交互和互动观察。这种由计算机生成的互动式仿真环境的特点是：感觉逼真，交互自然，随人的视点及行为而迅速反应。 虚拟现实系统的设备主要由以下几大部分来组成： 主计算机它用来生成虚拟的场景；环绕的立体显示屏幕作为视觉设备（如头盔）；数据手套作为交互的输入设备；分布式的立体声音响作为听觉设备；以及相应的计算机软件等。 “虚拟现实”技术最开始应用在飞机的飞行训练上，它要求系统能随着受训飞行员的不同反应做出相应的模拟响应。由于计算机硬件成本的急剧下降，计算速度的提高以及软件技术的迅速发展 ，使虚拟现实技术的应用得到了普遍发展。 1.1 虚拟现实中的几个关键设备 (1) 非头盔式（Desk-mounted）系统 这类系统利用计算机将所需要左右眼频道的景像进行处理并投射到普通的显示器上，然后通过特别设计的眼镜将左右眼影像分开显示。它可以提供较高的分辨率，可通过增加眼镜的数量让其他使用者有同步的体验，花费较小，但对观测位置和角度有一定的要求。用于构造此类系统的工具有VRML（Virtual Reality Modeling Language），QuickTimeVR。这两种工具可以把虚拟世界的产品造型发布在互联网上。 (2) 头盔式（Head-mounted）系统 这类系统将用户的个人视点完全沉浸在虚拟环境中，系统包含两个配置在眼前的由头盔支持的微型显示屏，有时需要配置数据手套。此系统可以提供全方位的视野，真实感较强，便于复杂部件的设计。 (3) 感知手套也叫数据手套（Cyber-Grasp） 它最初是由美国海军为遥控机器人研制开发的。现在正逐渐应用在汽车领域上。这种手套上有各种电线和传感器，通过操作者的手做各种精确、微小的牵引动作，使计算机生成的各种零件被感知像真的一样。电脑的指令传给一个能放在桌面或能戴在腰带上的控制器，控制器上的电缆再给出压力及牵引力，使戴感知手套的人“能够感觉到”电脑虚构出来的物品。同时，在电脑屏幕上有一只手正重复操作者手部的动作。这种手套利用力反馈的原理制造的。它的另一产品是（Cyber-Glove），这种产品只能显示位置而没有力反馈的功能。这两种产品在汽车制造上有着重大的作用。它可以用在工人生产前的培训上，工程师可用它设计装配生产线，因为它能确定在生产线建成以前各种零部件是否可以正确容易地装配起来。感知手套也可作为专家的信息反馈，因为它可以显示熟练工人采用的各种技巧。也可用来培训新手及验证产品设计问题，如何将各种油管方便地安装到汽车上或将其从汽车上卸下来等一系列问题。 2 虚拟现实的增强显示 为了在虚拟现实系统中融入强化现实的思想，解决好虚拟现实化和实物虚化的问题，恰到好处地掌握虚实的变化，凸显重点，从而高效率地完成现实世界中无法完成的工作。随着IT 业的迅猛发展，数据库、多媒体、网络、人工智能、计算机图形处理等软件技术的成熟运用，以及相应的硬件技术的发展，都为虚拟现实的增强现实技术提供了可靠的保证。 2.1 虚实结合技术 在产品的虚拟制造过程中，产品所在的虚拟环境往往非常复杂，为了减少建模的工作量，将建模的主要工作集中在虚拟产品的制造上，我们先将产品所在的环境拍照或录像，通过二维图形向三维图形转化算法的研究，将照片或录像转换为特殊场景。这使虚拟制造的工作量大大减少，从而，将注意力集中在虚拟产品的制造上。 2.2 碰撞检测技术 碰撞检测是虚拟设计制造中不可缺少的技术之一。数据库技术是解决碰撞检测的有效途径，即建模过程中建立模型数据库。当模型进行虚拟装配过程时，给出适当小的时间片，在每个时间片末，系统对场景中的所有对象之间的位置关系进行一次检验，如果物体占有的空间发生重叠，那么就认为发生了碰撞。在虚拟装配过程中，对于不合理的结构参数，增强虚拟现实系统应能汇报并提出修改建议。目前，人工智能技术发展比较成熟，将人工智能技术与数据库技术相结合，建立虚拟场景的智能化数据库，该数据库应具有数据查询、数据挖掘、关系数据校验等功能。比较完善的增强虚拟现实系统，可以实时渲染，进行可装配性、干涉、碰撞检测，以虚拟浏览的方式对场景进行观察，通过颜色、透明度、材质、纹理、光照等来真实表现所要设计的产品，这种增强虚拟现实系统具有智能化，可视化，集成化，网络化的功能，对产品的设计提供了自由想象的空间。 3 虚拟环境的设计 虚拟设计是一门新兴的跨学科交叉技术。它涉及多方面的学科与专业制技术，通过以虚拟现实技术为基础，以设计产品为对象，进而把设计人员从传统的键盘和鼠标解放出来，使他们可以通过众多的传感器与多维的信息环境进行交互，并且虚拟设计技术可以大大减少实物模型和样机的制造。 虚拟设计方法产生的由来之一，是由于当前CAD 软件技术远远不能适应目前丰富多彩的产品设计任务。现在的CAD 软件距离理论设计要求相差很远，只能说是“二维电子图板”，目前的CAD 软件系统只能根据系统的固定模式帮助设计人员建模，以及分析评价设计方案，但不具有灵活的创造性功能。而在多维空间的设计功能方面还比较弱。 3.1 目前的CAD 软件系统主要存在的缺点 1） 键盘及二维鼠标的数据及指令输入方式不自然，缺乏交互功能，设计人员不能从触觉、听觉上来感觉设计产品。 2） 软件操作复杂不易掌握，特别对不太熟悉计算机的人尤为困难。专业技术人员必须花费很大精力去学习软件的应用，并且使用时操作繁琐严重影响设计人员的创造思维的发挥。 3） 在不需要具体尺寸的概念车的设计时，现行软件三维建模系统难于实现。 4） 目前的CAD 软件系统，仍然需要一定的实物模型和样机来验证产品的工作性能，提高产品的成本。 然而，虚拟设计方法与传统CAD 技术有着本质区别，虚拟设计在应用时，能发挥多维空间的设计思想，可考虑到受力、变形分析、装配等或与其它软件集成来进行设计。所以其计算机辅助设计/制造/装配的功能大大增强。另外，虚拟设计还可以利用网络技术、多媒体、远程通信、工程数据库、灵镜技术等实现分布式并行设计。 3.2 虚拟设计所涉及的主要技术 1） 虚拟建模； 2） 工程学与数据分析； 3） 网络的并行设计； 4） 参数交互时的可视化。 3.3 虚拟设计关键的科学理论依据 1） 全息产品的建模理论和方法； 2） 设计过程的规划、集成与功能化； 3） 虚拟环境下的人机工程学； 4） 产生虚拟环境的工具库、数据库； 5） 虚拟环境与设计过程的融合。 3.4 虚拟设计按照配置的档次可分为两大类 一类是基于PC 机的廉价设计系统；另一类是基于工作站的高档产品开发设计系统。虽然分为两类，但工作原理是一样的。 基于PC 机设计系统，主要是由于其廉价性，对于小型虚拟设计系统的开发非常适宜，并且它的用户比较广泛，所以具有广阔的市场前景。随着PC 机性能的迅速提高，越来越多的问题完全可以利用PC 机解决，如目前应用较广泛的软件UG、CAXA、Proe 等都是微机版，连工作站应用的软件之一CATIA 也发行了微机版本。但是由于当前机的PC 发展仍不够完善，还很难胜任大型复杂产品的虚拟设计，所以功能强大的高档工作站就被用来进行大型复杂产品的虚拟设计。 3.5 虚拟设计系统按应用的情况分类 虚拟设计是以计算机辅助设计(CAD)为基础，利用虚拟现实技术发展的一种新的设计系统。这种设计系统按应用的情况又可分为：增强的可视化系统和基于虚拟现实的CAD 系统。 (1) 增强的可视化系统 利用现行的CAD 系统进行建模，虚拟环境系统对数据格式进行适当的转换，然后输出虚拟环境。在虚拟环境中利用三维的交互设备（如头盔式显示器、数据手套等）在一个“虚拟”真实的环境中，设计人员对虚拟模型进行多视角的观察。目前投入使用的虚拟设计大多采用增强的可视化系统，这主要是由于基于虚拟环境建模系统的技术还不够完善，而CAD 建模技术比较成熟，所以广泛应用。 (2) 基于虚拟现实的CAD 系统（即虚拟设计系统） 利用这项技术系统，设计人员就可以在虚拟环境中进行建模等设计活动。与纯粹的可视化系统相反，这种系统不再使用传统的二维交互手段进行建模，而是直接进行三维设计。它利用三维的输入设备将相应数据输入，与虚拟环境进行交互。这种系统也支持像语音识别、手势、眼神等，这种系统不需培训即可掌握，普通设计人员稍微熟悉了解使用方法便可以进行产品设计。通过实践验证，这种虚拟设计系统比现行的CAD 系统的设计效率至少提高5~10 倍。目前很多大的汽车公司，在产品设计中都采用了虚拟设计技术，如通用汽车公司、大众汽车公司、福特汽车公司、丰田汽车公司等都运用了这项技术。随着科学技术的不断进步，虚拟设计技术在产品的概念设计、工装夹具设计、装配设计、人机工程学等方面将发挥重大作用。 3.6 基于虚拟现实的CAD 系统结构 3.6.1 虚拟现实环境生成部分 虚拟现实环境生成部分是虚拟设计系统的核心部分，其任务是根据用户需求，通过各种工具软件及数据库来产生完成任务必需的、多维的、具有真实感的情景和实例。虚拟现实环境生成部分由各种计算机软硬件、软件开发器及其他配件组成。其中的几何建模系统是用来生成对象和操作对象的，几何建模系统是虚拟设计系统中最关键、最复杂的部分。 人机交互、数据转换、信号控制的各种工具。虚拟设计系统提供了多种人机交互方式，使人机交互更自然、更有效率，人机交互方式是双向性，即输入和输出模式。虚拟设计系统中的人机交互技术大致有三种：视觉、听觉、触觉。如图所示：（人机交互示意图） 随着计算机技术的迅猛发展，软件和硬件技术的提高，人机交互工具的品种越来越多，功能越来越强，使用越来越方便；操作环境简单，生成场景、实体容易逼真。根据目前的最新统计，主要的人机交互工具和系统有： 1） 多维语音处理系统——CONVOLVOTRON 系统等。 2） 视觉输出系统——头盔显示器，双目全方位显示器，桌面显示器，光闸眼镜等。 3） 触觉反馈系统——力反馈手套，CYBER TOUGH触觉反馈系统，力反馈接口等。 4） 探测追踪工具——如头盔追踪器，多维探测器，鸟标，数据手套，数据衣服等。 3.6.2 在用虚拟现实设计的方法进行产品的设计时，需要的虚拟设计系统，包括以下几个部分 (1) 几何建模系统 它是虚拟设计的核心，它的进一步应用是动态过程仿真，图形数据处理，有限元分析，动画制作等，实体建模可以在计算机内部对几何物体进行唯一的无冲突的完整描述。 实体建模的主要任务在于为虚拟产品提供数据库，这个数据库不仅存储随机信息，而且还可以集成产品模型的形式存储开发过程中所收集的信息，并尽可能提供较大的应用范围和后续过程使用。为了使设计团体能够在计算机中查看或操纵实体模型，以及精确交流设计意图，就必须在造型时全面考虑产品的制造、工艺、装配等各种信息，使零件的造型顺序尽量与实际的工序一致，特征的定位也应与实际加工的基准一致。应让工艺人员能根据清晰的模型树快速制出零件的加工工艺。 (2) 复杂外形、特征处理系统 虚拟产品的开发设计是一种参数化和面向特征的设计。在产品设计过程中，从构思到加工材料的确定是个逐渐细化详述的过程，需要频繁地修改直至满足各项要求，这一过程可利用具有可变参数几何建模的参数化设计。目前大多数CAD 系统都提供了参数化设计功能，这也是人机交互的必备功能。 产品的设计、制造、装配以及应用过程中包含许多信息，为了使这些信息共享并保证其完整性、一致性，必须采用面向特征的设计方法，可以满足所有阶段的要求。特征中存储的信息涉及产品开发的所有阶段。所以复杂外形、特征处理系统是虚拟设计的重要组成部分。 (3) 数据管理系统 由于整个产品开发过程中会形成大量信息，这些信息包括产品过程的数字模型和这种模型的连续循环以及整个产品开发过程中相关的过程信息等，并且由于参与设计的包括生产厂商、设计、制造、合作伙伴、客户、配件商等，他们在地理位置上往往很分散，而且计算机品种各种各样，因此要使产品信息流能够在公司内外畅通无阻，得以有效传输和共享，就必须有强有力的产品数据和信息管理软件的支持，使整个生产过程的每个环节都能进行有效的控制。 (4) 计算机分析系统 它主要分析构件对失效的安全性、产品功能性检测、外部因素影响的综合评价、通过轻型化构造减少重量、充分利用材料并进行优化排料设计、经济性的加工分析、有限元分析。 (5) 仿真技术系统 仿真作为研究任意动态系统的方法，在虚拟产品中广泛应用。利用仿真技术，人们在早期产品规划阶段就可以预示产品的特性，了解所采用的加工方法的结果或加工进程的可行性，这样可以及早发现问题和错误，否则在以后的阶段才能发现问题，这就会增加修改的时间、工作量、成本。 (6) 输入输出及图形表达系统 (7) 各种接口系统以及虚拟的人机工程学系统 3.7 虚拟概念设计使用的手段 它是采用听觉、视觉及触觉的交互方式，使设计人员能自然、直观的与虚拟建模环境进行交互，快速完成概念的设计。虚拟装配设计是通过研究产品的拆装过程，可在虚拟环境中来检验产品的各部件以及是否与其他部件发生干涉，同时也可以在虚拟环境中对产品进行装配和拆卸操作，根据产品部件的具体形状开发专用的工具以适应零件的拆装，还可考验操作的难易性等，这样就代替了实物模型及样机的制造。虚拟人机工程学的设计能够满足产品的人机工程学方面的要求，通过这样的系统，设计人员可以精确研究产品的人机工程学参数，来修改虚拟零件的位置等以满足不同的消费者对产品的要求。 基于虚拟现实的CAD 系统可以使设计人员置身于虚拟环境中，通过触觉、听觉、视觉的交互手段来完成产品的基本形状的生成和组合等过程。基于虚拟现实的CAD 系统的功能比较强大。它有生成实体功能，调用已有实体功能，编辑实体功能，装配实体功能，选择实体功能，约束及重约束实体及实体间的关系功能，查询各种数据、实体的功能。 3.8 基于虚拟现实的CAD 系统的主要特点 1） 虚拟设计系统将人在CAD 环境下的活动提升到了人机交融一体的交互活动，具有智能化的特点，可以发挥人的设计才能。 2） 因为在虚拟设计中，对虚拟产品进行了多方位的分析、评价、修改、检验，保证了产品的结构合理性，降低了产品的成本，缩短了产品的开发周期。 3.9 基于虚拟现实的CAD 系统存在的不足 1） 硬件技术：计算机的处理能力和各种人机交互系统的功能还需进一步提高。 2） 数据的交换功能：它包括从虚拟环境到CAD 系统的数据交换和从CAD 到虚拟环境的数据交换两个方面。比较难于实现的是前者，从CAD 到虚拟环境的数据交换也无法将诸如材料信息、零件信息和力学特性等很完美地传送到虚拟环境中。 3） 数据缩减技术：由于零件的数据信息量非常庞大，为了实时显示特征性的、有用的数据，必须有更好的数据缩减技术。 4） 网络传输速度：由于目前网络传输速度比较慢，使设计、制造异地化、网络化进展缓慢。 4 虚拟制造VM(Virtual Manufacturing) 它是虚拟现实（Virtual Reality）技术在制造中的应用。虚拟现实技术是借助计算机、多媒体声像技术及先进的传感器技术，虚构的一种场景，给人以身临其境的真实感觉。其过程为：在产品设计阶段，充分考虑产品性能要求，制造过程，成本价格和市场销售等产品全生命周期的影响因素，利用虚拟制造软硬件资源通过建立统一的产品生命周期模型，在计算机上实时并行地动态模拟产品的工艺设计、制造过程、生产调度、库存管理、成本估算和质量控制等生产活动，以便全面确定产品设计和生产的合理性，减少产品投资风险，从而更有效、更经济、更灵活地组织生产，以达到新产品的开发周期最短，成本最低，设计质量最优的目的。虚拟制造技术将对制造业产生革命性的影响。它是并行工程、敏捷制造、精益生产的关键性技术，是设计高质量产品的有力保证。 4.1 虚拟制造技术在车间生产中的应用 虚拟制造技术在提高生产车间制造水平方面有特别大的辅助作用，它提出建立一个离散事件仿真驱动的加工制造单元虚拟环境，它着眼于制造单元的VR 模型的建立、系统仿真的关系以及在仿真事件下的动画设计实现。用户可在计算机模拟的真实场景中观察到加工中产品的变化过程。通过计算机模拟来评估产品的功能和可加工性等方面存在的问题，这将使制造技术具有更高的集成化、智能化的特点。虚拟制造环境系统将采用模块化及同阶控制结构来进行控制，而不是采用传统的中心化控制结构或是递解控制结构，此制造系统除在制造过程中具有敏捷性和经济性外，它在生产控制和管理方面还应具有智能化的特性。一个较好的虚拟制造环境，应把人、软硬件资源，产品生命周期的活动评价以及真实制造系统积极地协调起来；它包括三位造型阶段、可靠性分析、色彩分析、成本分析、各种优化设计和市场需求分析等几个模块，虚拟技术可以大大缩短研发、制造的准备周期。 总之，随着新技术、新工艺的不断发展，虚拟现实技术也将越来越成熟，它对汽车行业的发展将起到决定性的作用。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (5/12/2005)