虛擬樣機技術(shù)概述

虛擬樣機技術(shù)概述1.1.行業(yè)背景多年來，制造業(yè)完全依賴于物理樣機來解決和交流設(shè)計過程中的問題，這就使得制造成本增加和產(chǎn)品設(shè)計時間的延長(見表1)。然而，近年來，制造業(yè)者已經(jīng)認(rèn)識到物理樣機在快速搶占市場上已嚴(yán)重阻礙了其發(fā)展，成為發(fā)展過程中的一個重要障礙。為了突破這個障礙，很多制造業(yè)者(如Boeing,GM,Caterpillar,Ford等)開始研究使用虛擬樣機，而減少對物理樣機的依賴。他們并不完全排除物理樣機，只是減少物理樣機的數(shù)量，用虛擬樣機的靈活性去完成物理樣機不能完成的功能。例如，90年代Boeing公司用虛擬樣機技術(shù)用在波音777上取得了極大的成功，他們僅用一個較小的物理機頭模型就在四年內(nèi)把這種飛機推向市場(Boswell,1998)oCaterpillar公司也同樣利用這個技術(shù)應(yīng)用于他們的履帶機設(shè)計，他們發(fā)現(xiàn)這種技術(shù)在解決設(shè)計評審階段節(jié)省了9個月時間(Ellis,1996)o物理樣機成本周期玻璃纖維做的1:1小轎車$200,0006-10周1:1火車車廂$75,000-100,0003-6個月波音SST1：1原型$2-3M1-2年類波音原型$150M1-2年1：1潛水艇內(nèi)腔$100M1-2年表1物理樣機成本虛擬樣機的成功有兩項關(guān)鍵技術(shù)，第一，實時的3D圖形特性和位圖質(zhì)量要達(dá)到一定的標(biāo)準(zhǔn)，要求硬件產(chǎn)生的高質(zhì)量位圖包括150，000到250，000個三角形的數(shù)據(jù)。另外，這些位圖刷新速度要達(dá)到交互速度的要求。第二，投影和其它顯示技術(shù)的發(fā)展使得高清晰度的立體圖像能被建立。結(jié)合這兩項技術(shù)，虛擬樣機贏得了一些評論家的關(guān)注?，F(xiàn)在，這種技術(shù)也面臨著有激烈地爭議，但虛擬樣機的高成長性和廣泛應(yīng)用已成為事實。物理樣機被用于解決貫穿整個生產(chǎn)過程的問題。通常情況下，一些獨特的模型對解決某些關(guān)鍵的問題是必須的。表2列出一些通過樣機解決的問題和關(guān)心的主要問題。下面給出虛擬樣機技術(shù)在工業(yè)中的三個具體應(yīng)用層面:建立可信的圖像產(chǎn)品設(shè)計與制造過程的集成（DFM）虛擬樣機和現(xiàn)有測量工具的結(jié)合模型問題觀點產(chǎn)品設(shè)計的現(xiàn)實體現(xiàn)美學(xué)設(shè)計產(chǎn)品的競爭能力和品牌評估美學(xué)，概念產(chǎn)品的大小規(guī)模美學(xué)，經(jīng)驗設(shè)計的交互方式如何經(jīng)驗設(shè)計的功能是什么操作性在極端條件下設(shè)計的可操作性操作性設(shè)計的拆裝如何工藝性在完成設(shè)計中制造問題如何解決工藝性表2原型問題1.2.虛擬樣機的關(guān)鍵技術(shù)1.2.1.建立可信賴的1：1產(chǎn)品虛擬原型建立可信的圖像是一個核心要求。目前，繪圖師和設(shè)計師都用不同的射線跟蹤包（沿物理樣機）去形成高真實的圖像或動畫電影。這些工具對于交流是非常有用的，他們也能描述必需的經(jīng)驗上的碰撞。當(dāng)你在墻上看到這些圖像時，你就會想象你正經(jīng)歷著這個產(chǎn)品，或正在看它漂亮的圖片。這種預(yù)先渲染的技術(shù)限制了通常物理樣機所提供的探測和交互的種類。例如，你不能進(jìn)入圖像的內(nèi)部和感受到聚集在你周圍的場景。這種情況下，具有現(xiàn)實性的圖像并沒有充分的理由代替物理樣機。既然這樣，使用這種技術(shù)生成的虛擬樣機的應(yīng)用的可信度就會大打折扣，因為它們限制了探測場景的比例和現(xiàn)場的沉浸感。當(dāng)計算機可視化的價值得到工業(yè)界的普遍認(rèn)可時，具有“沉浸感”的虛擬樣機還是被許多專家持懷疑和觀望態(tài)度。但當(dāng)它呈現(xiàn)出高可信度的圖像和虛擬樣機時，這種懷疑的態(tài)度就會消失。虛擬樣機的展示，的確給觀察者一種與物理樣機同處一室的感覺，這時，觀察者就會認(rèn)為他看到的虛擬樣機是真實的。建立1:1的模型或虛擬樣機可帶來很多好處，比如由1:1的比例顯示所帶來的真實可信度。從一個設(shè)計師的角度來看，要樹立對產(chǎn)品的可信度，要求準(zhǔn)確的描述產(chǎn)品的外形，而且虛擬樣機必須支持分析和交互技術(shù)，以便進(jìn)行外形檢查。在這種情況下，建立高真實度的圖像是必須的，而且要求圖像的建立足夠快，就像虛幻的物理樣機立即呈現(xiàn)在觀者的眼前（或其周圍）一樣。如果這個幻覺足夠強烈，可信度就會增強，虛擬樣機就會變成物理樣機的合理替代者。圖1是Fakespace公司在可視化實驗室中形成的與汽車大小一樣的虛擬樣機演示仿真，汽車模擬從屏幕中駛出（觀者戴有立體眼鏡）。圖1：虛擬仿真實驗室使用1：1的人體比例，主要在于創(chuàng)建與真實實物一樣大小的模型及其知覺效果。例如，用模擬人觀察一個1：1的工廠模型，假如模擬人正穿行于與1：1的工廠的模型當(dāng)中，如果模擬人頭頂?shù)墓艿捞停敲茨阍诨ㄙM數(shù)百萬制造設(shè)備以前就會發(fā)現(xiàn)這種缺陷。1：1的比例或與人體比例大小的實物模型能解決一些設(shè)計過程中與比例有關(guān)的復(fù)雜問題。如果你不能保證觀察者能看到1：1的實物模型，任意比例的虛擬模型肯定會產(chǎn)生設(shè)計精確性的問題。我們建立的虛擬物比例越是靠近實物，我們評估和解決比例問題的技術(shù)含量就越高。在設(shè)計中這樣做的越早，我們?nèi)俚陌盐招跃驮酱?。搭?：1的比例及具有現(xiàn)場沉浸感的虛擬樣機演示環(huán)境的基本要求如下：?從地板到天花板之間的顯示（中間墻壁對模型的產(chǎn)生可能是一個障礙）?跟蹤觀察點（對自然的分界點）?背面投影（允許用戶在屏幕前行走）?高逼真的立體顯示（對虛擬來說是最重要的）今天，大尺寸顯示和立體投影技術(shù)為增強真實感和現(xiàn)場沉浸感提供了最好的方法。1.2.2.虛擬樣機的性能評估目前，虛擬樣機已成為一個有效的工具，它已成為設(shè)計部門評估和交流設(shè)計的必要工具。大尺寸顯示格式的好處之一就是，允許人能模擬在屏幕中行走和與屏幕交流問題。在背面投影環(huán)境中，群體就很容易地參與進(jìn)來。圖2顯示的是“Powerwall”演示，它是Panoram公司的正式評審場景，這幅圖片是文檔、3D模型和2D圖像結(jié)合生成的一個虛擬樣機演播環(huán)境。圖2正式的設(shè)計評審使用物理樣機的用戶可以通過嗅覺、視覺、甚至聲音與他們的設(shè)計相互交流。但這種技術(shù)提供有限的觸覺和3D聲音仿真，從而限制了其解決方案的提出。目前，大多數(shù)的VR設(shè)備的應(yīng)用還集中在視覺上。大尺寸顯示在獲取設(shè)計的實在性上具有非常重要的作用，草圖，圖像，渲染的動畫都包括了明確的設(shè)計敘述和設(shè)計概念。如果我們能支持無縫的顯示和所有設(shè)計信息的交互，那么虛擬樣機就會表現(xiàn)出比物理樣機更好的優(yōu)越性。對設(shè)計部門來說，正式的評審在溝通和在早期的設(shè)計概念形成階段具有重要的作用。在正式評審中，評估者按照預(yù)先演示的來自不同設(shè)計方面的不同的因素一步一步的指導(dǎo)觀眾。這些演示可能包括不同的設(shè)計概念草圖，渲染的位圖，動畫電影或3D模型（見圖2）。非正式的評審比正式的評審要普遍。設(shè)計小組集中討論設(shè)計方案，解決問題，探索不同的設(shè)計尺度，這在非正式的場所，也是一個有代表性的方式。只需做少量的準(zhǔn)備工作，就能在設(shè)計過程中自由的應(yīng)用任意的設(shè)計方案，這是非常有價值的一種方式。對虛擬樣機的唯一挑戰(zhàn)就是同時支持非正式的和正式的瀏覽。另一方面，創(chuàng)建可管理的、可預(yù)見的演示過程也是必須的（像微軟的PowerPoint）。我們直接的解決方案是支持用戶建立離線的自由連續(xù)和能預(yù)測的場景組成的演示，每一個場景都包括2D,3D視圖、文檔和電影等元素。場景中所有的元素都是可交互的，包括不同的場景之間的鏈接，三維模型的交互動作等，并且要給用戶提供方便的定義這些交互功能的手段，而不是通過編程來實現(xiàn)。對非正式的評審，各種不同的沉浸式工具和人機界面都須公開，讓用戶能研究不同設(shè)計的各個方面。另外，動態(tài)的連接虛擬樣機和其它的設(shè)計工具，可以使用戶直接讀取來自CAD的數(shù)據(jù)，虛擬樣機也就會立即形象化、可視化。1-2.3.沉浸式顯示環(huán)境的建立沉浸式的環(huán)境能形成各種大小和形狀，它需要使用不同的設(shè)備支持交互、跟蹤和立體觀察，也要用各種不同的通道、管道和主機配置的工作站來驅(qū)動。因此虛擬樣機必須靈活的支持各種變化。建立投影的最有效的一種方法就是利用立體眼鏡，這種方式的顯示有主動或被動兩種（主動就是你必須帶特殊的有電池的眼鏡，被動就是只要帶簡單的偏振眼鏡）。這兩種眼鏡都能使虛擬樣機呈現(xiàn)并圍繞在觀者的周圍。這種技術(shù)對于通過投影把樣機顯示在觀者的視野中是非常有效的。為了使計算機能準(zhǔn)確的產(chǎn)生立體圖像，觀察者眼睛的位置是首先需要確定的。一般情況下，這個點應(yīng)選擇在屏幕的中心，一個合理的距離是人平均高度的位置，這就是“可接受的點”（見圖3）。當(dāng)你移動這個點的時候（在任意位置），圖像就會被歪曲和失去比例，同時有可能出現(xiàn)平直的線。換句話說，你的眼睛不得不去適應(yīng)計算機的這種思維機制，或者是圖像就會被扭曲，而得到不正確的信息。

WheretheobjectappearstobeSweetspot(8footWheretheobjectappearstobeSweetspot(8footback)AreaofconvincingviewingTwo8footscreens解決這個問題的方法就是頭部跟蹤。把傳感器放置于用戶戴的立體眼鏡上。這個立體眼鏡能探測到用戶頭部位置和方位。在數(shù)據(jù)幀呈現(xiàn)之前，傳感器會傳遞最近的位置信息，然后，計算機就會生成基于新視點的圖像。平滑地移動觀察者的觀察點的是非常有效的，觀察者能自由的移動，在現(xiàn)場接近屏幕，體驗周圍的特征和對象，觀察者就不再被限制在一個固定的范圍內(nèi)了。不過，頭部跟蹤需要很高的幀速率。如果計算機生成的幀速率在每秒10幀以下，場景將會落后于人頭的移動，從而引起不正常的扭動。另一個重要的問題就是頭部跟蹤只限于一個人（要它產(chǎn)生多于一個的立體效果是非常困難的）。其它的人能隨觀察者的移動看到不同程度的視圖。在演播中，頭部跟蹤和立體顯示的開與關(guān)有很大的靈活性。圖4圖44面有墻的投影屋圖4是GM公司使用的CAVE設(shè)備讓觀察者在8x8x8大小的四面有墻的房子里看到的完全沉浸式的虛擬樣機。1.2.4.虛擬樣機的交互虛擬樣機本身不僅提供所有的交流設(shè)計意圖所必須的可視化信息，而且各種傳統(tǒng)的介質(zhì)因素必須同虛擬樣機一起被顯示。層信息、位圖和其它沉浸式顯示的因素都能使評估人員建立合理的對產(chǎn)品的設(shè)計印象包括產(chǎn)品規(guī)格、標(biāo)題、列舉、注解及其它的信息，有圖表，曲線圖和各種表格。大尺寸顯示環(huán)境能對不同層次的討論變得更有利，更適用，也在設(shè)計過程中起到一個普遍的作用。1.2.5.虛擬樣機人機界面的設(shè)計為了提供真實、有效、自然的界面，使人機界面簡化，須排除技術(shù)上的限制和處理大量的顯示配置。另外一個目標(biāo)就是這個界面對廣大用戶來說是易學(xué)易用的（特別是對從事技術(shù)的設(shè)計師），而且能快速的完成作圖。一般來說，能簡單的選擇目標(biāo)并看到它，這種界面可以在自然感官上增加娛樂性。虛擬樣機的人機界