現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法 虛擬設(shè)計(jì)

虛擬設(shè)計(jì)【摘要】介紹了虛擬設(shè)計(jì)的發(fā)展背景及應(yīng)用領(lǐng)域，論述了以虛擬設(shè)計(jì)的技術(shù)基礎(chǔ)和體系結(jié)構(gòu)，虛擬設(shè)計(jì)的幾何建模、基于圖像的建模、圖像與幾何相結(jié)合的建模技術(shù)等基本的建模方法，以及應(yīng)用前景?！娟P(guān)鍵字】虛擬設(shè)計(jì)體系結(jié)構(gòu)建模基礎(chǔ)虛擬設(shè)計(jì)的發(fā)展背景虛擬設(shè)計(jì)是20世紀(jì)90年代發(fā)展起來的一個(gè)新的研究領(lǐng)域，它是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、人工智能、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、信息處理、機(jī)械設(shè)計(jì)與制造等技術(shù)綜合發(fā)展的產(chǎn)物，在機(jī)械行業(yè)有廣泛的應(yīng)用前景，如虛擬布局、虛擬裝配、產(chǎn)品原型快速生成、虛擬制造等。目前，虛擬設(shè)計(jì)對(duì)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的革命性影響已經(jīng)逐漸顯現(xiàn)出來。由于虛擬設(shè)計(jì)系統(tǒng)基本上不消耗資源和能量，也不生產(chǎn)實(shí)際產(chǎn)品，而是產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、開發(fā)與加工過程在計(jì)算機(jī)上的本質(zhì)實(shí)現(xiàn)，即完成產(chǎn)品的數(shù)字化過程。與傳統(tǒng)的的設(shè)計(jì)和制造系統(tǒng)相比較，它具有高度集中、快速成型、分布合作等特征。虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)不僅在科技界，在企業(yè)界引起了廣泛關(guān)注，成為研究的熱點(diǎn)。虛擬設(shè)計(jì)的技術(shù)基礎(chǔ)“虛擬現(xiàn)實(shí)”虛擬現(xiàn)實(shí)(virtualreality)是一種可創(chuàng)建和體驗(yàn)虛擬世界(virtualworld)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。虛擬設(shè)計(jì)是基于虛擬現(xiàn)實(shí)理念和技術(shù)手段的設(shè)計(jì)，是在由高性能計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的虛擬空間中通過計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)、專家系統(tǒng)的輔助進(jìn)行產(chǎn)品研制的設(shè)計(jì)過程。虛擬設(shè)計(jì)充分利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的多感知和沉浸感兩個(gè)重要特征，構(gòu)造當(dāng)前不存在的環(huán)境、人類不可能到達(dá)的環(huán)境和耗資巨大的產(chǎn)品設(shè)計(jì)環(huán)境。在虛擬設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)對(duì)象可以通過極具沉浸感的顯示系統(tǒng)呈現(xiàn)在人們的眼前，通過力反饋系統(tǒng)將設(shè)計(jì)對(duì)象的力學(xué)特性傳遞給設(shè)計(jì)者，通過專家系統(tǒng)對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)進(jìn)行全方位的觀察、檢測、優(yōu)化，從而在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)階段模擬出產(chǎn)品即虛擬樣機(jī)開發(fā)的全過程并評(píng)估對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的影響；預(yù)測產(chǎn)品功能、性能、制造成本、可制造性、可維護(hù)性、可拆卸性；提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)的成功率，靈活經(jīng)濟(jì)地組織生產(chǎn)制造，提升產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率，縮短開發(fā)周期和降低成本，縮小產(chǎn)品設(shè)計(jì)與用戶之間的距離。虛擬設(shè)計(jì)的概念融入了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的理念，同時(shí)具有計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)及其方法的一些特點(diǎn)，側(cè)重具體的設(shè)計(jì)、應(yīng)用。虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)需要借助虛擬現(xiàn)實(shí)的環(huán)境，借助虛擬現(xiàn)實(shí)的環(huán)境能更好地發(fā)揮虛擬技術(shù)的效能。虛擬設(shè)計(jì)、制造系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)虛擬設(shè)計(jì)的特點(diǎn)虛擬設(shè)計(jì)是指設(shè)計(jì)者在虛擬環(huán)境中進(jìn)行設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)者可以在虛擬環(huán)境中用交互手段對(duì)在計(jì)算機(jī)內(nèi)建立的模型進(jìn)行修改。一個(gè)虛擬設(shè)計(jì)系統(tǒng)具備三項(xiàng)功能：3D用戶介面；選擇參數(shù)；數(shù)據(jù)表達(dá)與雙向數(shù)據(jù)傳輸。就“設(shè)計(jì)”而言，所有的設(shè)計(jì)工作都是圍繞虛擬原型而展開的，只要虛擬原型能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，則實(shí)際產(chǎn)品必定能達(dá)到設(shè)計(jì)要求；而進(jìn)行傳統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，所有的設(shè)計(jì)工作都是針對(duì)物理模型（或概念模型）展開的。就“虛擬”而言，設(shè)計(jì)者可實(shí)時(shí)、交互、可視化地對(duì)原型在沉浸或非沉浸環(huán)境中進(jìn)行反復(fù)改進(jìn)，并能馬上看到修改結(jié)果；傳統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)者是面向圖紙的，是在圖紙上用線條、線框勾勒出概念設(shè)計(jì)。虛擬設(shè)計(jì)、制造的優(yōu)點(diǎn)虛擬設(shè)計(jì)具有以下優(yōu)點(diǎn):①虛有擬設(shè)計(jì)繼承了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的所有特點(diǎn)②繼承了傳統(tǒng)CAD設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)，便于利用原有成果;③具備仿真技術(shù)的可視化特點(diǎn)，便于改進(jìn)和修正原有設(shè)計(jì)；④支持協(xié)同工作和異地設(shè)計(jì)，利用資源共享和優(yōu)勢互補(bǔ)，從而縮短產(chǎn)品開發(fā)周期；⑤便于利用和補(bǔ)充各種先進(jìn)技術(shù)，保持技術(shù)上的領(lǐng)先優(yōu)勢。圖1所示為傳統(tǒng)的現(xiàn)實(shí)制造，它需要從設(shè)計(jì)一試制t評(píng)價(jià)一?制造反復(fù)循環(huán)，需要反復(fù)制造與實(shí)驗(yàn)物理樣機(jī)，從試制階段起就需要投入大量原料、人員、廠房、圖2所示為虛擬制造，它的設(shè)計(jì)一?加工f裝配f評(píng)價(jià)階段都可以在虛擬環(huán)境下進(jìn)行，即所謂“數(shù)字樣機(jī)”的反復(fù)設(shè)計(jì)f加工一?裝配t評(píng)價(jià)，得到的和傳輸?shù)氖菙?shù)據(jù)信息；在實(shí)際制造階段才需要投入原料、人員、廠房、設(shè)備，時(shí)間短成本低、效率高、風(fēng)險(xiǎn)小，可以迅速對(duì)市場的需求作出反應(yīng)。虛擬設(shè)計(jì)建?；A(chǔ)虛擬產(chǎn)品開發(fā)過程是在虛擬的條件下，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行構(gòu)思、設(shè)計(jì)、制造、測試和分析。它的顯著特點(diǎn)之一就是利用存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)內(nèi)的數(shù)字化模型——虛擬產(chǎn)品來代替實(shí)物模型進(jìn)行仿真、分析，從而提高產(chǎn)品在時(shí)間、質(zhì)量、成本、服務(wù)和環(huán)境等多目標(biāo)優(yōu)化中的決策水平，達(dá)到全局優(yōu)化和一次性開發(fā)成功的目的。建模概念完整意義上的虛擬環(huán)境由硬件、軟件和用戶界面三個(gè)部分組成。如果把虛擬環(huán)境的硬件部分看做其肢體，則虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境的軟件控制部分就是其大腦。虛擬環(huán)境中采用的軟件有以下四類：⑴語言類如C++、OpenGL、VRML等；⑵建模軟件類如AutoCAD、SolidWorks、Pro/Engineer、I-DEAS、CATIA等；⑶應(yīng)用軟件類指用戶按自己的各種需求，選擇或開發(fā)的自用軟件；⑷通用的商用工具軟件包指幫助用戶建立虛擬環(huán)境的通用和基本的軟件，可以使用戶顯著地加快虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的開發(fā)進(jìn)程。目前，已經(jīng)有了一些可用于建立虛擬環(huán)境的圖形軟件包，如，WTK、OpenGL、Java3D、VRML及近幾年比較流行的OSG等。在虛擬環(huán)境中，模型是可視化地重要組成部分，通過OpenGL、OSG或其他圖形引擎實(shí)現(xiàn)虛擬環(huán)境的交互。目前，虛擬設(shè)計(jì)中采用的建模方法主要有幾何建模、基于圖像的虛擬環(huán)境建模技術(shù)、圖像與幾何結(jié)合的建模、基于特征的建模、基于特征的參數(shù)化建模等。4.1幾何建模幾何模型描述的是具有幾何網(wǎng)絡(luò)特征的形體，它包括兩個(gè)主要概念：拓?fù)湓?topologicalelement)和幾何元素(geometrieelement).拓扌卜元素表示幾何模型的拓?fù)湫畔?，包括點(diǎn)、線、面之間的連接關(guān)系及邊界關(guān)系。幾何元素是具有幾何意義的點(diǎn)線面體等，具有確定的位置和度量值(如長度和面積等)。一般來說，用計(jì)算機(jī)在圖形設(shè)備上生成具有真實(shí)感的三維幾何圖形必須完成以下四個(gè)步驟：⑴建模即用一定的數(shù)學(xué)方法建立所需三維場景的幾何描述，場景的幾何描述直接影響圖形的復(fù)雜性和圖形繪制的計(jì)算消耗；⑵將三維幾何模型經(jīng)過一定變換轉(zhuǎn)為二維平面透視投影圖；⑶確定場景中所有可見面；⑷計(jì)算場景中可見面的顏色?；趫D像的虛擬環(huán)境建模技術(shù)基于圖像的建模技術(shù)又稱IBR(imagebaserendering),IBR的最初發(fā)展可追溯到圖形學(xué)中廣為應(yīng)用的紋理映射技術(shù)。在視景系統(tǒng)中，基于圖像的建模技術(shù)主要用于構(gòu)筑虛擬環(huán)境，如天空和遠(yuǎn)山。由天空和遠(yuǎn)山構(gòu)成的虛擬環(huán)境的場景對(duì)象成分非常復(fù)雜，如果都采用幾何建模，不僅工作量非常大，而且大大增加了視景的運(yùn)行負(fù)擔(dān)。此外，天空和遠(yuǎn)山在視景系統(tǒng)中只起陪襯作用，不需要近距離瀏覽。因此，以天空和遠(yuǎn)山為主要構(gòu)成要素的虛擬環(huán)境最適宜采用基于圖像的建模技術(shù)。與基于幾何的繪制技術(shù)相比，圖像建模有著以下鮮明的特點(diǎn)：⑴天空和遠(yuǎn)山構(gòu)成的虛擬環(huán)境既可以是計(jì)算機(jī)合成的，也可以是實(shí)際拍攝的畫面縫合而成，兩者可以混合使用，并獲得很高的真實(shí)感。⑵由于圖形繪制的計(jì)算量不取決于場景復(fù)雜性，只與生成畫面所需的圖像分辨率有關(guān)，該繪制技術(shù)對(duì)計(jì)算機(jī)資源的要求不高，因而有助于提高視景系統(tǒng)的運(yùn)行效率。圖像與幾何相結(jié)合的建模技術(shù)從以上分別對(duì)幾何建模與圖像建模的技術(shù)分析可知，兩者的技術(shù)各有所長，合理使用才能發(fā)揮各自優(yōu)勢。圖像與幾何結(jié)合的建模技術(shù)可以最大程度的挖掘兩種建模技術(shù)的潛力，把高仿真度的圖像映射于簡單的對(duì)象模型，在幾乎不犧牲三維模型真實(shí)度的情況下，可以極大地減少模型的網(wǎng)格數(shù)量。小結(jié)全球化、網(wǎng)絡(luò)化和虛擬化已成為制造業(yè)發(fā)展的重要特征，實(shí)現(xiàn)“虛擬設(shè)計(jì)”是制造業(yè)虛擬化的重要內(nèi)容。它的近期目標(biāo)是把設(shè)計(jì)人員從鍵盤和鼠標(biāo)上解脫下來，使其可以通過多種傳感器與多維的信息環(huán)境進(jìn)行自然地交互，實(shí)現(xiàn)從定性和定量綜合集成環(huán)境中得到感性和理性的認(rèn)識(shí)，從而幫助深化概念和萌發(fā)新意，幫助設(shè)計(jì)人員進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)。利用此技術(shù)可以大大地減少實(shí)物模型和樣機(jī)的制造，從而減少產(chǎn)品的開發(fā)成本、縮短開發(fā)周期。實(shí)踐證明：虛擬設(shè)計(jì)在產(chǎn)品的概念設(shè)計(jì)、裝配設(shè)計(jì)、人機(jī)工程學(xué)評(píng)價(jià)等方面有著特別重要的意義。參考文獻(xiàn)⑴陳定芳，羅亞波?虛擬設(shè)計(jì)[M].第二版?北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.9.⑵王成為，高文，王行仁.靈境（虛擬現(xiàn)實(shí)）技術(shù)的理論/實(shí)現(xiàn)及應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，1996.⑶劉宏增，黃靖遠(yuǎn)?虛擬設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1999.⑷張茂軍?虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)[M].北京：科學(xué)出版社，2001.⑸陳定房，周麗琨，劉有源，等.智能設(shè)計(jì)與虛擬設(shè)計(jì)[J].中國機(jī)械工程，2000,11:12-16.⑹ZhengyanZh