第3章-汽车虚拟现实技术.ppt

1、第三章 汽车虚拟现实技术,3.1虚拟现实技术的概述3.2虚拟现实硬件的组成3.3 虚拟现实的软件环境3.4 虚拟设计技术3.5虚拟制造技术3.6 虚拟装配过程,汽车数字化开发技术 第 1 页,3.1虚拟现实技术的概述,虚拟现实的基本概念虚拟现实的分类产品的虚拟原型虚拟现实在各个领域的应用,汽车数字化开发技术 第 2 页,一、虚拟现实的基本概念,虚拟现实的概念可以从两个方面描述进行描述：一是从纯粹的技术层面加以描述；二是在技术的基础上结合使用者的感知加以描述。,2018/3/8,汽车数字化开发技术 第 3 页,一、虚拟现实的基本概念,1.技术层面的描述从技术上来讲，虚拟现实是从计算机仿真发展而来

2、的，其实质是一种逼真的仿真模型。2. 用户层面的描述虚拟现实试图从身体感官和知觉等感性层面进行仿真，这种仿真的基础又是理性层面的科学理论。虚拟现实的精致程度要受到科学理论和技术手段的制约，对决定感觉参数的数据流的处理是问题的关键。,2018/3/8,汽车数字化开发技术 第 4 页,一、虚拟现实的基本概念,虚拟现实的技术基础性描述将真实感的传达和交互两个方面综合起来就形成了虚拟现实的基本概念。迈克尔海姆在虚拟实在的形而上学一书中对虚拟现实作了较为全面的描述，内容涉及七个方面：(1) 模拟性，虚拟现实是计算机图像系统对真实景象的逼真模拟，三维音频令虚拟现实增色。(2) 交互作用，虚拟现实就是他们能

3、与之进行交互作用的电子象征物。(3) 人工性，虚拟现实是一种人造物。,2018/3/8,汽车数字化开发技术 第 5 页,一、虚拟现实的基本概念,(4) 沉浸性，虚拟现实的音像和传感系统能够使使用者产生浸没于虚拟世界中的幻觉，即虚拟现实意味着在一个虚拟环境中的感官沉浸。(5) 到场(Presence)，,虚拟现实能够使人实时地以远程的方式于某处出场，即虚拟出场。(6) 全身沉浸，这是一种不需要人体传感器的方式，摄像机和监视器实时地跟踪人的身体，将人体的运动输人到计算机中，人的影像被投影到计算机界面上，这使得人通过观察他的投影的位置，直接与计算机中的图形物体(图片、文本等)发生交互作用。(7) 网

4、络通信，虚拟现实可以通过网络实现共享，使用者通过自行规定并塑造虚拟世界中的物体和活动，就可以不用文字或真实世界的指标来共享幻象的事物和事件。,2018/3/8,汽车数字化开发技术 第 6 页,二、虚拟现实的分类,交互和沉浸是所有虚拟现实的两个实质性的特征。早期的虚拟现实可能只有部分虚拟现实的特性，例如环幕电影或立体电影。实际应用中，不同虚拟现实系统设计的侧重点和所受约束各不相同，有些应用也不需要完全的沉浸和投入。受资金限制不能装备最先进的硬件设备，或是硬件本身的性能达不到要求，这样系统的计算速度、交互手段可能就会受到影响，此时主要从软件上着手可以弥补某些缺陷，例如虚拟全景空间、虚拟仿真等。由于

5、工程应用本身并不限制使用的技术范围，只要能达到目标，是可以把各种技术有效地集成起来，设计出一个成功的虚拟现实系统。,2018/3/8,汽车数字化开发技术 第 7 页,二、虚拟现实的分类,按虚拟现实系统沉浸的程度不同，虚拟现实系统可分为桌面虚拟现实系统(Desktop VR )沉浸式虚拟现实系统(Immersion VR )分布式虚拟现实系统(Distributed VR),2018/3/8,汽车数字化开发技术 第 8 页,二、虚拟现实的分类,1.桌面虚拟现实系统桌面VR系统使用PC和低级工作站实现仿真，计算机的屏幕作为参与者观察虚拟环境的一个窗口，各种外部设备一般用来驾驭该虚拟环境，并且用于操

6、纵在虚拟场景中的各种物体。桌面VR系统虽然缺乏头盔式显示器的那种完全沉浸功能，但它依然比较普及，这是因为它的成本相对较低。,2018/3/8,汽车数字化开发技术 第 9 页,二、虚拟现实的分类,2018/3/8,在桌面VR系统中，立体视觉效果可以增强沉浸的感觉。三维眼镜和安装在计算机上的立体观察器、液晶显示光闸眼镜等都会产生一种三维空间的幻觉。由于它采用标准的CRT显示器和立体（Stereoscopic）图像显示技术，其分辨率高，价格便宜。图3.2 为桌面式VR系统的基本结构。,汽车数字化开发技术 第 10 页,二、虚拟现实的分类,沉浸式VR系统利用头盔式显示器和数据手套等交互设备把用户的视觉

7、、听觉和其他感觉封闭起来，使参与者暂时与真实环境隔离，从而真正成为VR系统内部的一个参与者。,2018/3/8,沉浸式虚拟现实系统,汽车数字化开发技术 第 11 页,分布式VR系统分布式VR系统是在沉浸式VR系统的基础上将不同的用户(参与者)连接在一起，共享一个虚拟空间，使用户协同工作达到一个更高的境界。,2018/3/8,二、虚拟现实的分类,汽车数字化开发技术 第 12 页,三、产品的虚拟原型,虚拟原型(Virtual Prototypling)是利用虚拟环境在可视化方面的优势以及可交互地探索虚拟物体的功能，对产品进行几何、功能、制造等方面交互的建模与分析。它是在CAD模型的基础上，使虚拟技

8、术与仿真方法相结合，为原型的建立提供的新的方法。虚拟原型技术可用来快速评价不同的设计方案，与物理原型相比较，虚拟原型生成的速度快，生成的原型可被人们直接感触、操纵和修改，且数据可被重新利用。运用虚拟原型技术，可以减少且甚至取消物理原型的制作，从而加速新产品的开发进程。,2018/3/8,汽车数字化开发技术 第 13 页,三、产品的虚拟原型,2018/3/8,虚拟现实数据模型是对设计对象进行的虚拟原型描述。它包含物体在虚拟环境中进行显示和操作所需要的信息，使产品可视化。虚拟环境数据模型包含由建模、显示和仿真工具产生的几何和光照渲染信息。通过人机交互操作装置解释用户的操作，进而改变相关参数，生成仿

9、真操作的逻辑事件。,汽车数字化开发技术 第 14 页,三、产品的虚拟原型,为使用现有的软件，并将虚拟原型集成到产品开发过程中，还需要下列两个接口：1）虚拟环境和外部工具之间的接口。2）与产品数据模型库的接口。虚拟原型不是要代替现有的CAD技术，而是在CAD数据的基础上进行工作，虚拟原型给所设计的物体提供了附加的功能信息。产品数据模型库将包含完整的、集成的产品模型数据及管理，从而为产品开发过程各阶段提供共享的信息。,2018/3/8,汽车数字化开发技术 第 15 页,三、产品的虚拟原型,建立虚拟原型的主要步骤如下：1)从CADCAM模型中取出几何模型。2)镶嵌：用多面体和多边形逼近几何模型。3)

10、简化：根据不同要求删去不必要的细节。4)虚拟原型编辑：着色、材料特性渲染、光照渲染等。5)特征轮廓的粘贴，以更好地表达某些细节。6)增加周围环境和其他要素的几何模型。7)添加操纵功能和性能。,2018/3/8,汽车数字化开发技术 第 16 页,四、虚拟现实在各个领域的应用,虚拟现实在工程中的应用虚拟现实在医学中的应用虚拟现实在航天和军事中的应用虚拟现实在商业中的应用环境管理在娱乐、艺术和教育中应用虚拟现实在车辆工程方面的应用,2018/3/8,汽车数字化开发技术 第 17 页,四、虚拟现实在各个领域的应用,虚拟现实在车辆工程方面的应用计算机技术的不断发展，硬件性能的不断提高，推动了虚拟现实技术

11、在车辆工程方面的应用。1972年，美国通用汽车公司首先开发了车辆动力学和燃油经济性的通用预测程序GPSIM,该程序可以模拟汽车在任何行驶工况下的瞬时油耗、累计油耗、行驶时间和距离，预计汽车设计参数：质量、传动比、空气阻力系数等的变化对汽车的影响。美国能源服用试验室NREL（National Renewable Energy Laboratory）在Matlab的环境下，利用Simulink工具开发的ADVISOR(Advance Vehicle Simulation)能够在汽车未成型前评价出普通汽车、电动汽车和混合动力汽车的动力性、经济性和排放等性能。,2018/3/8,汽车数字化开发技术 第

12、 18 页,四、虚拟现实在各个领域的应用,2018/3/8,汽车数字化开发技术 第 19 页,美国MID公司开发的ADAMS软件是构成产品的虚拟原型的一个很好平台，其中的car模块是MID与Audi、BMW、Renault和Volvo等公司合作开发的整车虚拟设计软件包，集成了它们在汽车设计、开发等方面的经验。,3.2 虚拟现实硬件的组成,三维（3D）位置跟踪器视觉设备触觉与力觉反馈装置声音设备,2018/3/8,汽车数字化开发技术 第 20 页,3.2 虚拟现实硬件的组成,一般的VR系统由下列部分组成： 检测输入装置； 图像生成和显示系统； 音频系统； 力、触觉系统； 高性能计算机系统。,20

13、18/3/8,汽车数字化开发技术 第 21 页,一、三维（3D）位置跟踪器,为了实现在虚拟现实中的漫游，必须知道浏览者在三维空间中的位置和方向，尤其是必须知道头部的位置与方向，以相应地改变场景。这就需要位置跟踪器跟踪头部的位置与方向，也就是需要位置跟踪器描述物体的3D位置。目前采用的位置跟踪器有磁场式、超声波式、红外线式及发光二极管式等，但使用较多的是磁场式及超声波式。,2018/3/8,汽车数字化开发技术 第 22 页,磁场式跟踪器磁场式跟踪器有低频磁场式及直流磁场式两种。它们都由磁发射器、磁接收器和计算模块组成，磁发射器和接收器由绕在边长约25mm的立方铁心上的3组正交线圈组成。低频磁场发

14、射器发射低频调制信号(30120Hz)，载波频率通常为714 kHz,直流磁场式跟踪器采用脉冲调制信号，发射器依次向3组发射线圈输入直流电流。一个完整的测量周期是10 ms，由4个2.5 ms的区间组成，在4个区间内依次向3组发射线圈输出电流脉冲。由于电流脉冲具有严格控制的上升时间，因此在电流稳定后，磁场也达到稳定状态，减小了周围金属导体中涡流对环境磁场的干扰。,2018/3/8,汽车数字化开发技术 第 23 页,一、三维（3D）位置跟踪器,2. 超声波式跟踪器它采用频率为4050 kHz的超声波信号，通过多个发射器和接收器进行测量（见图3.12）。测量算法有飞行时间法( Time of Fl

15、ight)和相位相于测量法( Phase Coherent Measurement)。飞行时间法是通过测量声波从发射器到接收器的传播时间来判断被测物体的方向和距离。该法可以测出发射器与接收器之问的绝对距离，但测量结果易受环境声（包括回声）的干扰，同时由于两个发射脉冲之间具有一定的时间间隔，因此不能进行连续测量。,2018/3/8,汽车数字化开发技术 第 24 页,一、三维（3D）位置跟踪器,2018/3/8,汽车数字化开发技术 第 25 页,头盔式显示器就采用了相位相干测量系统。系统在头盔上安装3个发射器，每个发射器使用40kHz左右的频率单独发射超声波，4个接收器排成正方形安装在天花板接收信

16、号。相位相干测量法可以排除噪声的干扰，且可以进行连续测量，具有测量精度高、数据更新速率高和鲁棒性好的优点，但容易产生积累误差，故活动范幽范围受到限制。,二、视觉设备,人眼立体视觉原理人类获取信息的途径是通过视觉、听觉、触觉和味觉。研究表明，视觉为人类提供了，70%以上的信息。这说明，视觉是人类获得信息的主要途径。,2018/3/8,汽车数字化开发技术 第 26 页,(1)静态图像中的深度线索(2)运动深度线索(3)生理上的深度线索（4）双目视差线索：当我们用双眼看同一景物时，由于左、右眼位置不同，这就意味着我们总是从两个略有不同的角度来观察物体的两个侧面，这样形成的两幅图像不完全一致，称这种差

17、别为双目视差。,2018/3/8,汽车数字化开发技术 第 27 页,二、视觉设备,人类的左右双眼当这两幅图像被大脑接收理解时，大脑把它们融合成一幅可用的图像，这一融合过程称为汇聚。要达到物体自然的立体效果，就必须用“两只眼睛”看物体。物体运动产生的动感和位置变化，计算机必须实时地计算和处理图像。为了获得平滑稳定的图像，而不会出现闪烁感，每幅图像的显示时间必须超过人的视觉暂留时间，所以一般三维动画的帧频不少于30帧s。,2018/3/8,汽车数字化开发技术 第 28 页,二、视觉设备,立体眼镜立体眼镜是比较简单的虚拟现实系统观察装置，主要有双色镜(Red/Blue Glasses)、偏光镜(Po

18、larized Glasses)和开关式立体眼镜（Shutter Glasses）3种。,2018/3/8,汽车数字化开发技术 第 29 页,二、视觉设备,双色眼镜的两个镜片分别具有蓝色（左）和红色（右）膜，而左右眼视网则分别以红色（左）和蓝色（右）表示并投影到屏幕上。当观察者戴上双色眼镜时，通过红色滤光膜，右眼看不到红色的左眼视图，而只能看到蓝色的右眼视图；而左眼通过蓝色滤光膜也只能看到红色的左眼图像，从而产生强烈的立体感；偏光镜则利用偏光方向不同的两个镜片实现滤光作用。,2018/3/8,汽车数字化开发技术 第 30 页,二、视觉设备,开关式（或液晶式）立体眼镜，这种显示方式是将左右眼视图

19、以一定的频率交替显示在液晶屏上，例如使用80Hz的刷新率，每秒扫描40幅左眼视图和40幅右眼视图，即采用40Hz隔行扫描显示器，把左视图写到偶扫描行，把右视图写到奇扫描行。镜片用液晶材料制造，可在电压控制下变成透明或不透明。用显示器的帧号控制立体眼睛的透明与否，当显示左眼视图时，左眼液晶透明，则左眼只能看到相对应的左眼视网。,2018/3/8,汽车数字化开发技术 第 31 页,二、视觉设备,头盔显示器头盔显示器由显示源、光学系统、跟踪系统和立体声系统组成，在它里面有两个监视器，在人的双眼前面直接立体地显示视觉空间。观察者的头部运动和由此引起的视角变化通过传感器传给计算机，计算机相应地变化图形，

20、就像人在给定的环境中环视所见到的那样。,2018/3/8,汽车数字化开发技术 第 32 页,二、视觉设备,头盔显示器也可分为封闭式和半封闭式两种。使用封闭式头盔时，用户只能看到头盔内显示的图像，而使用半封闭式头盔时，用户可同时看到现实世界和计算机产生的图像。图为半封闭头盔显示器及光学系统光路图。,2018/3/8,汽车数字化开发技术 第 33 页,三、触觉与力觉反馈装置,在虚拟现实中为了产生真实的感觉，必须提供触觉和力觉反馈，特别在遥控机械手等开放型虚拟现实系统中更是这样。触觉手套数据手套空间球,2018/3/8,汽车数字化开发技术 第 34 页,触觉手套,三、触觉与力觉反馈装置,触觉手套Te

21、letact触觉反馈系统是英国Advanced Robotics Research Center (ARRC)开发的。Teletact系统是利用分布在手指上的气袋向手提供触觉刺激，各气袋的压力数值由计算机根据试验结果计算确定。试验是用系统提供的专用试验数据手套进行的。该试验数据手套上装有20个压敏元件，当戴上手套抓取物体时，压敏元件的输出经信号处理后送到计算机，生成相应的力模式。,2018/3/8,汽车数字化开发技术 第 35 页,三、触觉与力觉反馈装置,2018/3/8,汽车数字化开发技术 第 36 页,三、触觉与力觉反馈装置,数据手套数据手套(DataGlove)是一种把手势输入计算机的工

22、具。戴上数据手套后，当手活动时手套检测这些活动，并向计算机送出相应数据，计算机将这些数据转化为虚拟手的动作，如握拳、手平直、伸出食指等。根据系统的规定，不同的手势可以表示不同的控制指令，例如用手平直指出飞行的方向，用握拳表示返回等。,2018/3/8,汽车数字化开发技术 第 37 页,三、触觉与力觉反馈装置,空间球作为个人计算机附件的鼠标在二维图形空间中获得广泛的应用，但为了在三维空间内工作，就需要空间球及三维鼠标等工具。空间球( Space Ball)也称跟踪球(Track Ball)，它是一个放在带有一系列开关的底座上的小球，球中心有一个固定的小塑料柱，柱上安置了6个红外发光二极管。球的外

23、壳可以活动，外壳上装有6个光电传感器，接收来自中心的红外线。,2018/3/8,汽车数字化开发技术 第 38 页,四、声音设备,3D声音设备就是根据人的听觉感知机理，在不同的声音环境（如室外、室内等）和耳朵、声源的不同方位下，提供相应的声音。3D声音效果的生成可以由事先录制的声音生成声音文件，在虚拟现实生成器中将声音文件附加在相应的虚拟对象上，例如将汽车发动机启动的声音文件附在启动按钮上，当按下启动按钮时，就会有相应3D声音效果产生。,2018/3/8,汽车数字化开发技术 第 39 页,3.3 虚拟现实的软件环境,虚拟现实应用工具箱MRTK软件包 虚拟显示系统应用工具箱WTK程序包CDK(Cy

24、berspace Developer Kit)软件包虚拟现实的造型语言VRML,2018/3/8,汽车数字化开发技术 第 40 页,3.3 虚拟现实的软件环境,一个成功的虚拟现实工具软件应具有以下四个特征(1)有效性。开发的软件系统的质量依赖于用户观察到的图像对用户动作的响应。(2)灵活性。虚拟现实是一种新型交互技术，发展速度很快，因此虚拟现实开发工具必须足够灵活，以适应新技术带来的硬、软件的变化。必须很容易支持新的设备并提供新的交互手段。,2018/3/8,汽车数字化开发技术 第 41 页,3.3 虚拟现实的软件环境,(3)分布式。目前构造的虚拟现实软件系统很复杂，都需要多台工作站协同工作。

25、典型的系统一般使用两条工作站，一台产生头盔显示器所需的图像，另一台工作站处理待显示的信息。这种处理不能由应用开发人员完成，而应由虚拟现实开发工具完成。(4)实时性。虚拟环境用户界面要求用户行为对头盔显示器反映的延迟最小。,2018/3/8,汽车数字化开发技术 第 42 页,3.3 虚拟现实的软件环境,虚拟现实的软件实现包括虚拟物体的几何模型、运动模型和物理模型的建立，虚拟立体声的产生，模型管理技术及实时模拟技术等,2018/3/8,汽车数字化开发技术 第 43 页,一、虚拟现实应用工具箱MRTK软件包,MRTK (Minimal Reality Tool Kit)工具箱是加拿大Alberta大

26、学的Mark Green教授领导的研究小组开发的虚拟现实应用工具箱。MRTK是一个支持虚拟系统开发的程序库，具有很好的移植性能运行于多种工作站，并支持各种输入输出设备，MRTK还支持分布式用户界面、数据共享、各种交互技术、实时性能分析等。MRTK没有提供高层次的虚拟现实环境构造工具该工具箱可用SGI和DEC工作站上的C语言直接调用。,2018/3/8,汽车数字化开发技术 第 44 页,一、虚拟现实应用工具箱MRTK软件包,MRTK工具箱提供了6个程序包。(1)数据共享程序包。该程序包用于在各应用程序间传递数据。表示计算结果的数据结构由主程序和产生该数据的计算程序共享。数据共享程序使得两个程序能

27、共享同一数据结构。每个程序都有一份数据拷贝，在程序的关键地方对数据进行同步处理，即一个程序将其数据结构的内容送到另一程序。因此在上述例子中，每一次计算结束时，计算程序把数据的最新的值送到主程序。(2) VPL Data Glove程序包。它是MRTK工具箱中最复杂的一个，该程序包分为两级，第一级支持与Data Glove数据手套的基本交互，将其数据信息送到用于产生虚拟手图像的从属进程。第二级支持人机交互技术的手势识别。,2018/3/8,汽车数字化开发技术 制 第 45 页,一、虚拟现实应用工具箱MRTK软件包,(3)坐标映射程序包。该程序包是将设备坐标映射到虚拟环境坐标。在虚拟环境系统中有三

28、类输入输出坐标系：设备坐标系、工作空间坐标系及应用环境坐标系。从设备坐标到工作空间坐标的映射依赖于设备在工作空间的位置。(4)Polhemus Isotrak数字化程序包。该程序包支持Polhemus Isotrak数字化仪的使用。数字化仪报告传感器的位置和方向，程序包产生的位置和方向将送到应用程序。,2018/3/8,汽车数字化开发技术 第 46 页,一、虚拟现实应用工具箱MRTK软件包,(5)语音合成程序包。语音合成程序包提供了一个简单的与设备无关的语音合成接口。该程序包的主要目的是产生声音效果以实现对用户行为的响应。语音处理软件包分为两个部分：与语音合成设备接口的服务器和由程序调用的客户

29、机进程。(6)显示设备程序包。这种程序包要支持用于虚拟环境系统的很多种显示设备，从用户的角度来看，显示设备程序包只考虑显示设备的主要信息而屏蔽掉其他信息，这样更容易将其从一种应用设备移植到另一种应用设备。应用所显示的设备的参数将在应用的配置部分设定。,2018/3/8,汽车数字化开发技术 第 47 页,二、虚拟显示系统应用工具箱WTK程序包,1WTK库中的主要组成类 WTK用一种面向对象的命名方式来组织，主要组成类有场景类( Universe)、对象类(Object)、多边形类(PoLygon)、路径类(Path)、传感器类(Sensor)、视点类(Viewpoint)、光源类(Lightso

30、urce)、入口类(Port)和动画类(Animation)。,2018/3/8,汽车数字化开发技术 第 48 页,二、虚拟显示系统应用工具箱WTK程序包,2WTK的主要特点 对各种虚拟系统的硬件设备提供软件支持，且对特殊的设备也可利用WTK迅速开发接口；提供了几百种功能的C语言库，可在短时间内建立起实时三维图形的应用系统；WTK的应用对象模型是利用三维计算机辅助设计系统制作的，通过将DXF文件以外的三维数据变换为DXF文件格式，就可以构造出虚拟应用环境；可实时、高速地将纹理粘贴在三维图像表面并能简便地对三维空间的对象表面进行设计；在虚拟世界里，可配置多个光源，也可实时移动或更换光源，进而创建

31、更为真实的三维空间。,2018/3/8,汽车数字化开发技术 第 49 页,三、CDK(Cyberspace Developer Kit)软件包,CDK(Cyberspace Developer Kit)软件包是一种在DOS下运行的软件包，具有灵活建模的特点。它是由Auto Desk公司开发、使用面向对象的语言编写，共有1 200多个库函数和140个类，都具有类的典型属性继承性和多态性。根据功能的不同，可以把CDK软件包分为几何结构(Geometry)、几何输入和输出(Geometry Import and Export)、显示(Display)、声音(Audio)、传感器(Sensor)、排表

32、(Scheduling)、事件( Events)、物理现象( Physics)、观察者(Viewers)、分布模拟(Distributed Simulation）和线性代数及运用(Linear Algebra and Utlity)等11组。,2018/3/8,汽车数字化开发技术 第 50 页,四、虚拟现实的造型语言VRML,1. 虚拟现实的造型语言VRML的概念及功能 虚拟现实造型语言VRML（Virtual Reality Modeling Language）是用来在因特网上构造的虚拟世界的。其产生的基础一是WWW（World Wide Web），利用HTTP协议传输数据；另一个是SGI设

33、计的Open Inventor文件格式，目的就是要使VRML成为一个标准语言，能在因特网上变换虚拟世界，同时具有良好的交互性用以支持大量用户。,2018/3/8,汽车数字化开发技术 第 51 页,四、虚拟现实的造型语言VRML,2. 虚拟现实的造型语言VRML的语言结构及特点平台独立性。当今的Internet是异构型网络，要求一种语言能用于各种机器来连接网络。可扩充性。除了VRML自身提供的节点，VRML还支持自定义的节点，从而使VRML描述世界的能力得到很大的增强。新节点可以直接创建，也可以在已有节点的基础上扩充内容来创建。,2018/3/8,汽车数字化开发技术 第 52 页,四、虚拟现实的

34、造型语言VRML,3虚拟现实的造型语言VRML的发展目的及意义 VRML在电子商务、教育、工程技术、建筑、娱乐、艺术等领域的广泛应用，将会促使它迅速发展，并成为构建虚拟现实应用系统的基础。虚拟现实作为一种全新的人机接口技术，必须研究用户和计算机之间的协调关系问题，这样一个问题只有通过大量的使用才能逐步解决。VRML以因特网作为应用平台，最有希望成为构筑虚拟现实应用的基本构架。总之，VRML将创造一种融多媒体、三维图形、网络通讯、虚拟现实为一体的新型媒体，同时具有了先进性和普及性。,2018/3/8,汽车系统动力学与控制 第 53 页,3.4 虚拟设计技术,虚拟设计技术的过程虚拟设计技术的应用,

35、2018/3/8,汽车数字化开发技术 第 54 页,一、虚拟设计技术的过程,虚拟设计，就是设计人员用一个虚拟的产品来分析、研究、检查所设计的产品是否合理，有毛病没有，应如何修改。在对虚拟产品的品评和考查中，如发现问题，可再修改设计，使产品设计得更好，而不是在投产前先制造一个模型或样品。,2018/3/8,汽车数字化开发技术 第 55 页,一、虚拟设计技术的过程,现在，汽车设计、舰船设计也都可以来用虚拟设计。德国汽车业应用虚拟现实技术最快也最广泛。目前，德国所有的汽车制造企业都建成了自己的虚拟现实开发中心。奔驰、宝马、大众等大公司的报告显示，应用虚拟现实技术，以“数字汽车”模型来代替本制或铁皮制

36、的汽车模型，可将新车型开发时间从1年以上缩短到2个月左右，开发成本最多可降低到原先的110。美国福特汽车公司科隆研究中心设计部经理罗勃认为，采用虚拟设计技术，可使整个设计流程时间减少23。,2018/3/8,汽车数字化开发技术 第 56 页,下面是虚拟设计技术的一般过程 (1)几何概念设计在这种情况下，虚拟原型的形状能够直观、方便地被改变。也就是说数据模型在实时反馈的作用下可被交互地改变。此时，集成的建模工具的功能不一定异常强大，但必须是方便易用的 (2)机械概念设计对于机械设计来讲，在概念设计阶段经常讨论的一个问题就是运动学特性，另外还有可接近性和可装配性。IGD开发了一个研究性的装配系统，

37、在这个系统中，用户可用手抓取物体，然后在适当的位置放开。(3)虚拟现实仿真,2018/3/8,汽车数字化开发技术 第 57 页,虚拟设计技术的应用,1）产品的外形设计例如汽车外形造型设计,2018/3/8,汽车数字化开发技术 第 58 页,（2）产品的布局设计(3)产品装配仿真(4)产品加工过程仿真(5)虚拟样机与产品工作性能评测(6)产品广告与漫游,2018/3/8,汽车数字化开发技术 第 59 页,3.5虚拟制造技术,虚拟制造技术概述虚拟制造的分类虚拟制造的应用,2018/3/8,汽车数字化开发技术 第 60 页,一、虚拟制造技术概述,在虚拟制造定义的基础上，笔者对虚拟制造技术和虚拟制造系

38、统分别定义如下：虚拟制造技术(Virtual Manufacturing Technology)是一门以计算机仿真技术、制造系统与加工过程建模理论、VR技术、分布式计算理论、产品数据管理技术等为理论基础，研究如何在计算机网络环境及虚拟现实环境下，利用制造系统各个层次、各个环节的数字模型，完成制造系统各个环节的计算与仿真的技术。虚拟制造系统(Virtual Manufacturing System)是一个在虚拟制造技术的指导下在计算机网络和虚拟现实环境中建立起来的，具有集成、开放、分布、并行、人机交互等特点的，能够从产品生产全过程的高度来分析和解决制造系统各个环节的技术问题的软硬件系统。,201

39、8/3/8,汽车数字化开发技术 第 61 页,一、虚拟制造技术概述,1.虚拟制造的特点虚拟制造具有集成性、反复性、并行性和人机交互性等特点。,2018/3/8,汽车数字化开发技术 第 62 页,一、虚拟制造技术概述,（1）集成性 集成性首先表现在虚拟制造并不是一个单一的过程，它是一个具有不同目的的各类虚拟子过程的综合。这一特点是由实际制造过程的多样性决定的。实际的制造过程既要完成产品的设计，还要完成生产过程的规划、调度和管理等事务。与此相应，虚拟制造包含了虚拟设计、虚拟加工、虚拟装配等过程，以完成产品的设计、生产过程的优化调度等任务。其次，虚拟制造的集成性还表现在诸多子过程并不是独立运行的，而

40、是彼此之间相互影响、相互支持，共同完成对实际制造过程的分析与仿真。,2018/3/8,汽车数字化开发技术 第 63 页,一、虚拟制造技术概述,（2）反复性 反复性指的是虚拟制造大多数环节都遵循一个“方案拟定仿真评价方案修改”的一个多次反复的工作流程。在虚拟设计环节中，设计人员在网络和虚拟现实环境，根据自己积累的经验以及计算机提供的各种知识，同时借助于计算机提供的各种设计工具，首先拟定出产品的设计方案。而产品可制造性和可装配性评价，是在对产品建模和对加工过程建模的基础上，通过仿真和虚拟来进行的。最后，可制造性和可装配性评价结果反馈给设计者。作为设计者修改设计方案的依据。,2018/3/8,汽车数

41、字化开发技术 第 64 页,一、虚拟制造技术概述,（3）并行性 并行性指的是分布在不同节点的工程技术人员、计算仿真资源和数据知识资源，在计算机网络和分布式虚拟现实环境下，针对生产中的某一任务，群组协调工作。虚拟制造过程的这种并行性一方面是由虚拟制造系统中的人员、资源的分布性决定的，另一方面也是受目前的硬件条件限制，必须采取的提高仿真和计算速度的一种策略。因为实际制造系统是一个复杂的大系统，日前凭单一的计算机完成对复杂的实际制造系统的虚拟和仿真是不可能的，必然采用分布式计算和仿真理论，利用计算机网络，群组协调工作，完成实际制造系统的虚拟和仿真任务。,2018/3/8,汽车数字化开发技术 第 65

42、 页,一、虚拟制造技术概述,（4）人机交互性 虚拟制造通过虚拟现实环境将计算机的计算和仿真的过程与人的分析、综合和决策的过程有机地结合起来。虚拟制造的这种特点可以充分发挥人的定性思维和计算机的定量计算的各自优势，这在人工智能技术还没有充分发展的今天，是一种有效而现实的解决工程实际问题的办法。此外，在虚拟培训、虚拟原型评价等过程中，人机交互是一个必不可少的环节，操作者或者客户的参与就构成了一个人在回路(Human-in-the Loop)的仿真过程，通过虚拟现实环境操作者或者客户就可以得到一个逼真的、具有沉浸感的虚拟场景。,2018/3/8,汽车数字化开发技术 第 66 页,一、虚拟制造技术概述

43、,2. 虚拟制造与实际制造的关系虚拟制造与实际制造之间的第一层关系：虚拟制造不等同于原来的各种单项的计算机辅助技术，而是一种更高层次上的计算机技术在设计、制造、管理等各个环节中的应用，它能更加全面地实现原来各种单项的计算机辅助技术的功能。可以预计，随着虚拟制造技术的发展，实际制造过程中的设计、管理、决策等环节将逐步地引入虚拟制造技术，虚拟制造将成为未来制造过程中的有机组成部分,2018/3/8,汽车数字化开发技术 第 67 页,一、虚拟制造技术概述,虚拟制造与实际制造之间的第二层关系：虚拟制造是对实际制造活动的抽象即虚拟制造是建立在实际制造过程数学模型的基础之上的。,2018/3/8,汽车数字

44、化开发技术 第 68 页,二、虚拟制造的分类,可将它们分别归类为三种类型的虚拟制造以设计为中心的虚拟制造以生产为中心的虚拟制造以控制为中心的虚拟制造,2018/3/8,汽车数字化开发技术 第 69 页,二、虚拟制造的分类,1. 以设计为中心的虚拟制造整个设计过程是在一种虚拟环境中进行的。由于采用了虚拟现实技术，通过高性能、智能化的仿真环境，可以使用户达到高度的真实化。使用某些数字化仿真的工具，可使操作者与虚拟仿真环境有着全面的感官接触与交融，使操作者有身临其境之感，从而可以直接感受所设计产品的性能、功能并不断加以修正，尽可能使产品在设计阶段就能达到一种真正的性能优化、功能优化和可制造性优化。此

45、外还可通过快速原型系统输出设计的产品原型，进一步设计进行评估和修改。,2018/3/8,汽车数字化开发技术 第 70 页,二、虚拟制造的分类,2.以生产为中心的虚拟制造它涉及虚拟制造平台和虚拟生产平台乃至虚拟企业平台，它贯穿于产品制造的全过程，包括与产品有关的工艺、工具、设备、计划以及企业等，通过对产品制造全过程模型进行模拟和仿真，实现制造方案的快速评价以及加工过程和生产过程的优化，进而对新的制造过程模式的优劣进行综合评价。产品制造全过程的模型主要包括虚拟制造环境下产品过程模型和制造活动模型，这是现实制造系统中的物质流和信息及各种决策活动在虚拟环境下的映射。,2018/3/8,汽车数字化开发技

46、术 第 71 页,二、虚拟制造的分类,3以控制为中心的虚拟制造它利用仿真中的加工控制模型，实现对现实产品生产周期中的优化控制。一般来说，以设计为中心的虚拟制造过程为设计者提供了产品设计阶段所需的制造信息，从而使设计最优；以产品为中心的虚拟制造过程则主要是在虚拟环境下模拟现实制造环境的一切活动及产品的全过程，对产品制造及制造系统的行为进行预测和评价，从而实现产品制造过程的最优；而以控制为中心的虚拟制造过程则更偏重与现实制造系统的状态、行为、控制模式和人机界面，通过全局最优决策的理论和技术，突破企业的有形界限和延伸制造企业的功能。,2018/3/8,汽车数字化开发技术 第 72 页,三、 虚拟制造

47、的应用,虚拟制造在工业发达国家，如美国、德国、日本等已得到了不同程度的研究和应用。在这一领域，美国处于国际研究的前沿。福特汽车公司和克莱斯勒汽车公司在新型汽车的开发中已经应用了虚拟制造技术，大大缩短了产品的发布时间。波音公司设计的777型大型客机是世界上首架以三维无纸化方式设计出的飞机，它的设计成功，已经成为虚拟制造从理论研究转向实用化的一个里程碑。图3.23为整车的虚拟制造三维图。,2018/3/8,汽车数字化开发技术 第 73 页,三、 虚拟制造的应用,在我国，清华大学、北京航空航天大学、哈尔滨工业大学等科研教学单位也已经开展了这一领域的研究工作。当前我国虚拟制造应用的重点研究方向是基于我

48、国国情，进行产品的三维虚拟设计、加工过程仿真和产品装配仿真，主要是研究如何生成可信度高的产品虚拟样机，在产品设计阶段能够以较高的置信度预测所设计产品的最终性能和可制造性。,2018/3/8,汽车数字化开发技术 第 74 页,3.6 虚拟装配过程,虚拟装配是虚拟制造的重要组成部分，利用虚拟装配，可以验证装配设计和操作的正确性，及早发现装配中的问题，对模型进行修改，并通过可视化显示装配过程。虚拟装配系统允许设计人员考虑可行的装配序列，自动生成装配规划。虚拟装配系统包括数值计算、装配工艺规划、工作面布局、装配操作模拟等。,2018/3/8,汽车数字化开发技术 第 75 页,3.6 虚拟装配过程,1装配结构模型,2018/3/8,汽车数字化开发技术 第 76 页,3.6 虚拟装配过程,在产品设计中，装配结构模型的作用主要是：(1)装配结构的层次模型，可以支持并行装配，若干个子装配体可以分别装配，再进行整体装配，从而提高装配的效率。(2)快速了解装配体的基本构成，定制产品的结构，实现面向客户化的产品配置。可以加入一定的配置条件，根据用户提出的条件，快速重组产品结构。(3)构造装配BOM（物料表）。产品结构树为BOM表的生成提供了基本数据来源。(4)产品预装配规划的信息来源，按照这些信息进行装配序列规划。,