1、虚拟现实技术在工业设计中的应用现状与发展趋势任洁孙苏榕(北京服装学院研究生部，北京100029)renjie886hotmailcorn摘要：虚拟现实技术是由计算机产生，通过视、听、触觉等作用，使用户产生身临其境感觉的交互式视景仿真。伴随着计算机和网络技术的飞速发展，作为计算机尖端应用的虚拟现实技术已经成为当今工业设计领域的强大工具。本文从国内外虚拟现实技术的研究现状出发，综述了协作虚拟环境、触觉反馈以及多通道交互技术在设计上应用的现状，并针对虚拟现实辅助工业设计的相关技术提出了亟待解决的重点问题和发展趋势，希望通过虚拟现实技术来更好地为设计服务。关键词：虚拟现实；工业设计；分布式；触觉交互A
2、bstract：Virtual reality technology is generated by computer，It Call bring up interactive simulation scene which is per-sonally on the scene through seeing、hearing、touch、etcWith the rapid development of the computer and Networktechnology，船a cusp application in computer area，VR has become the powerful
3、 tool in the field of modem industry designThe issue summarize the currently development of VR from the VR status quo at home and abroadSummarize theapplication of CVE，Haptic feedback and Multicentet interaction in industry designBring forward the urgently problems and develop current which aim at t
4、he correlation technologies of VR aided Industry designKey words：virtual reality；industry design；distribute；haptic interactionl 引言当人类进入信息时代的那一刻起，经济全球化，交流网络化就已经悄悄地蔓延到我们的整个生活当中了。科技的飞速发展，迫使人们要抛弃旧的生存方式而转向数字化这个全新的生活方式。在这样一种大环境下，与信息技术相关的高科技都逐渐走向了虚拟化那么，设计的虚拟化也就成为了一种必然。2虚拟现实技术虚拟现实(VR，Virtual Reality)是一种可以创建
5、和体验虚拟世界的计算机系统，其特征之一就是人机间的交互性，虚拟现实利用计算机和电子技术，通过特殊的交互设备，产生视、听、触、力、温度、气味等逼真的三维沉浸环境。用户可根据自身的感觉，使用人的自然技能对虚拟世界中的客体进行观察与操作。拥有多学科交叉技术特点的VR技术是伴随计算机图形学、计算机网络技术、图像处理和模式识别、智能接口技术、生理学、多传感器技术、语音处理和音响等技术的飞速发展而出现的一门多学科的综合技术。目前。VR技术在军事仿真、娱乐、游戏、教育、医学、遥控机器人、虚拟设计、虚拟制造等领域都得到了广泛的应用。436在实际工作中，虚拟现实技术利用人的综合感知与人在虚拟环境中进行交互操作，
6、增加了沉浸的真实感。近些年来，国内外对虚拟现实技术研究发展迅速，众多的研究机构和研究学者正致力于开发适合于虚拟现实系统的人机交互装置，尝试采取各种方法将虚拟技术应用到实际操作的系统中去。3虚拟现实技术在工业设计中的应用虚拟现实技术的动态仿真、三维视觉环境，使操作者产生一种身临其境的感觉，将设计与虚拟技术相结合，可以在虚拟的空间中进行设计、虚拟装配以及虚拟应用。通过网络，可以建立起并行结构的设计系统设计、工程分析、制造三位一体；可以在不同地方相互反馈信息，通过与VR硬件设备以及投影设备的结合，可以生成产品的虚拟世界，这个虚拟世界是全体虚拟环境和给定仿真对象的融合。在设计过程中，设计者可以在数字模
7、型上进行及时的操作和修改，从而实现了人与人之间、人与机器之间的信息交互。如果把VR技术与不同的产品设计领域相结合，随之会诞生许多新颖的概念，如虚拟产品设计、虚拟环境设计、虚拟建筑设计、虚拟园林设计、虚拟装饰设计、虚拟人机工程学设计等等。目前，虚拟现实技术已经应用到了工业生产和设计等多个领域中。以下是虚拟技术在工业设计中的重点噍用31协作虚拟环境c、_E】在工业设计中的应用面对面的交流是挤同l赞计最有效的交流式但受制f时同和地理因裘，利ffJ刚络桂术9：理1办同没11是突破时ji限制的一十毯势在n旃的陆刚没升研究中协作者之同的感知与宴时交互面部有较大的局限隧蕾分布式虚I=l理宴技术研究的日箍i苯
8、在分布式协同环境中进行虚担产品世汁f以在设汁者I珂建立一十“信息技术为基础的共享陆同工作环境没计师可以自由的交流设fI思想，进行信息和技术的掏逋，同时亢丹利用虚拟现实技术提供的虚拟环境眦最直观自然的方式表选设F1思想变理丁殳计分布化的执作实现r不受时空限制的资源共享目前利片】分布式虚拟系统和州络技术已经靠二设计中宴现了赞源共享 协作定制蟛改“硬方案可视呵触化的技术，目前有很多系统已成功开发英国教育机构(图I)目前正在宴旌项在三维虚拟环境中刨造虚拟人物的研究 谚研究将虚拟人直tt到人们想象的虚拟空间艰勺他人进行交流坼作、澳_=利亚政府资助的一项醚塑丈师在网络虚拟环境下冉作艺术雕刻的宴验。已经成功
9、解决了异地创作手部干扰的缺陷。法国catalunya大学研究小组在虚拟现实技术的基础上发展丁一个宴时探测和导航系统平台这种半台使得VR丁其增加r使用的便利性并且不舍鼯响图形的表现，目前谊系统电已经成功的运用在j，轮船，建筑的没计E新西兰Otago尢学正芷开发一项名为“Carpeno”的新型桌面台议辅助设计创作系境“3 2艟觉反馈技术在工业设计中的应用在宴际工作中，很多擞作信息的接受车1I输出都要求具备敏捷的拄制和接触感蹙反馈在设计的过程中通过虚拟现宴拄术可眦使I殳计营身临其境的体验到虚拟产品的各项功能凡们通过特殊的人机感知接口与产品进行感知交互通过力厦馈信息米辅助设计从而选到i殳计的忧匝化，增
10、强丁世计师与产的有散文互H前利用埕拟环境中触觉反绩技术研制出束的、机交互设备已经在设计巾得到r较范围的应用、3 21身体和足部欧盟在rnl)(n删h ard|hign】项目研究巾已经发明J，。一种能够与娃部进行交互反端的新删传感器械、f田2)诺基皿研究中心和lmPJ鲥d等机构正在联舟肝发种多凡触觉游琥hnmlij+(图3) 谚游戏可曲：封川医域内利用地面触世反馈柬进行操作英幽曼彻斯特大学正在研究一种通过嘟部触觉臣馈采辅助运动鞋殳计的数据棘。I本计葬机科学研究纽研制出了一种可穿戴式触觉传感器“斟4 J泼技术可使人在空旷的环境中通过触觉反馈感知多建筑物的场景感，迄夸为止托多敏可穿峨式触觉厦绩装置均
11、依靠数据手套作为交互工且传感器的研究限制丁可穿戴式反馈装嚣的研究和阡发困此，进行新型传感器的创新研发是虚拟现实技术的美键环节。一嘲1寓敷f乐的敏荐插动 嘲2艟郡新型f感器3 2 2攫手交互聪手交互作为一种3D交互方式日益引起广泛的关注17前巳成为虚拟现宴拄术在设计中应用的一种重要交互手段职手操作能够使人们自如地操作生活中各项工作提高r 2D鼠标写字板或sIcMou髀等主动交互设备的交互性双手交互不仅比单手操作害时ili且还能加强用户对交互的理解有赦增强对设计的交互效牢_)L 3D空互界面殴计的角度香双手空互提供丁动志的相对于坐标框架更大的设计空司，能更好地运用设备组台模式和交互技术来辅助设计，
12、13车技术研究院最新研制出一种名为scalmkSPIDAR的触觉T具o(圜5)这种工具可以提供不同方面(如重埘，接触和惯性的力反馈给硬手目前浚技术已成功应片】在虚拟篮球游戏的设计E。美国卡罗菜纳州大学LE在研制-种虚拟双手自身交互的使用界面”。这种界面(暇6)能够改进耐手之间的工作分工，改变了“住的触觉厦渍方法，意夫利的M Bonlegoni研究出一种辅助产品概念设汁的造型触觉：具”利用该装置(图7 J设汁师可以借助手部打觉在虚拟环境下进行更加自蛐的造璎设计美国SensAble T,whnology公司生产的PHAN-lOM”结合相关软件Fr嘴Fhn可用于颜产品的437丌发设计IW 7 Aic
13、FJ(MFlH避r应朋33多通道交互技术在设计上的扩大应用虚拟珊宴tl|的机尘生下仅局限f键难和鼠杯的传统校式桃世变瓦拽术已经膳为凡机界而 凡机工程学姒胜l算机|墨】J咎学沂兔的垂要课题随菁VR桃化和交互接u研究的j：断发展虚拟技术在变匾没I十应f1L的忧罅虹为囊出和用可视化和交瓦接I J，设Im0”f LJm澄If过柙中进，亍虚拟造喇设计虚拟建摸“技虚拟装眦转嫁束属f制造过程的仿真、模拟荇虚拟珊寓阶段完成健设H制造一体化的程度蜓mll鼎普Chnele公司与IBM台怍Jf芷曲虚删制造H：境片于其新型车的研制缩短r设11研髓的阎期提高r精准度德嗍HM岔司把嘘越现宾n。为牲削和维护过程中的验汪段4
14、38我国的西北T业大学币往研究将虚拟现蛮技术血j_|在E机内电的装饰世lf“除丁上j苎桃觉触觉等空址T-段蝌 浯青识别技术和声音追踪技术也是虚拟现宴辅助没计的匿要交互手段姐我阿婀北电力大学裁已蛙玎发研制m种基f语啬交互的虚拟i殳汁系统” 该系统引入淆抒川P界而的想法解决了语音平白和虚拟场镑之间的通信问萄，并已经成功的应刷在r家培环境的设汁rl口奉Nrr综合研究所开发rtj体验者产生虚拟加逮厦感柏耳后电擞技术 这套虚拟】疆建度感受系统畸先进3D绘图技术、倬显示技术以及多声道环绕音效技术的结台，可“体骑到驾驶车辆的超真实感受4研究和发展趋势自20肘纪70年代“来虚拟技术已琏步进广泛的宜用化阶段人们
15、的注意力已机设备研究转向提高系统的人机交互能力上米由于有了虚拟技术的帮助人们耐矗观地参与副设计的各个环竹，增加了设计的可推性，缩短ri殳计阍期然而，目前虚拟拄术住没汁中的应用也只是剐剐起步仍迁存庄许多亟待解睫的问题l J目前应用存攒，含设计阶段的虚拟技术太多利片J可视比手丌交互接H技术，虽然基本宴现了没计制造博化但由于建摸和数据转换的耗时逛K r设汁周期造成钎源和人力的浪铅笔者认为：使虚拟设i十脱离烦琐的建模过程将是雕拟技术应用在没汁l一的太发徒趋势咧如：将平面图形转化为立体三维模型的虚拟技术已经开始研制井取得r定的成功”2)虚拟现实硬件发展迅建目前主要的触觉空巨硬件征基卓局限在人触觉硬件一虚
16、拟环境二者之问的单巧一怍川空互设备通过人的感知来与虚：f环境进i r变豆，匣馈信自均来源于各种传感器传感器的设汁研发目前仍在进行，但一些传感器因萁技术的缺陷(如共盔显示器的分辨率、虚拟手套的反馈力等)在作用过程中会五失部静匣馈信e造成接收者的错误判断，影响丁整个系统的操作笔卉为：利用凡真实的感受体验来进行设计，应更多的强嗣虚拟环境中凡自身的交互利坩凡自身怍为体感媒彳卜，将复朵的传感装置简化作用干人埔过人自身器信的交瓦米接收臣馈信息，庄造十过程-h反龋的施加端和接收端均屉凡本身此过程实现了人虚拟环境_二者之蚓的艘向交互作用f图8)，大大提高了反馈信息的精准度。如人自身双手交互的触觉虚拟技术在设计
17、中的应用8|。 人 触觉硬件J屿虚拟环境人自身：二塾 虚拟环境人自身i二=二二二=虚拟环境图8人与虚拟环境之间的交互作用3)分布式虚拟技术是目前虚拟现实技术中的重要研究课题。在概念设计阶段，设计师可将模型转换技术与桌面虚拟系统相结合，将图样转换为三维模型后在桌面虚拟系统进行演示和讲解，大大减少了设计师在概念设计阶段的时间和精力，同时也使参与者能够进行肢体的交流互动，而不仅仅是图片和语言。如目前的虚拟桌面系统可在不同时间，不同地点，同时显示所有设计构思。在此基础上。设计小组可进行实时的讨论和研究。以上是虚拟现实技术在工业设计中应用的主要方面，也是虚拟技术研究的阶段性成果。可以预见，随着科技和工艺
18、水平的不断提高，必将促进对VR技术的发展和对其关键技术的不断改革，作为当今科技创新领导者的工业设计师们也应该充分运用这不断发展的尖端科技来引领设计的风潮!参考文献1Christopher I，Roland H，Daniela K Multinsermixed reality systemGulliver6 World：a casestudy on collaborative edutainment at the intersec-tion of material and virtual worldsMIn：Vir-tual Reality(2006)v01101091 182CGunn Col
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