虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展前景與應(yīng)用現(xiàn)狀

PAGEPAGE1虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展前景與應(yīng)用現(xiàn)在狀況1引言虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，是近年發(fā)展起來的高級計(jì)算機(jī)技術(shù)，是建立在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、仿真學(xué)、并行技術(shù)、人工智能、多媒體技術(shù)及高性能計(jì)算機(jī)系統(tǒng)等技術(shù)基礎(chǔ)之上的。當(dāng)前世界上對它還沒有一個確切的定義，不同的人對其有不同的理解。那么，何謂虛擬現(xiàn)實(shí)呢?比較有代表性的解釋有以下三種：(1)虛擬現(xiàn)實(shí)有時也稱靈鏡和幻境，英文名稱VirtualReality，簡稱VR，是一種能夠創(chuàng)造和體驗(yàn)虛擬世界(VirtualWorld)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。這里所說的虛擬世界是全體虛擬環(huán)境(VirtualEnvironment)或給定仿真對象的全體。而虛擬環(huán)境一般是指用計(jì)算機(jī)生成的有立體感的圖形，它能夠是一特定現(xiàn)實(shí)環(huán)境的表現(xiàn)，可以以是純潔設(shè)想的世界。(2)虛擬現(xiàn)實(shí)是使人能夠通過計(jì)算機(jī)看見、操作極端復(fù)雜的數(shù)據(jù)并與之交互的一種方式。(3)虛擬現(xiàn)實(shí)是一種媒介，它具有三維合成環(huán)境，人們能夠按自己的意愿，從任選視點(diǎn)實(shí)時地在其中連續(xù)而自在地探測、考察和體驗(yàn)。VirtualReality一詞最早是由美國VPL公司的開創(chuàng)建立人之一JaronLanier于20世紀(jì)80年代初正式提出來的，他以為，與傳統(tǒng)的人機(jī)界面相比，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)具有質(zhì)的飛躍。傳統(tǒng)的人機(jī)界面是將用戶和計(jì)算機(jī)視為兩個獨(dú)立的實(shí)體，將界面視為信息交換的媒介，用戶將要求或指令輸入計(jì)算機(jī)內(nèi)，計(jì)算機(jī)將信息或動作反應(yīng)出來。而虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)則將用戶和計(jì)算機(jī)視為一個整體，通過各種直觀的工具將信息可視化，用戶直接置身于這種三維信息空間中自在地操作和控制各種信息，由此成為信息的主人。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)具有多感悟性(MultiSensory)、交互性(Interaction)、沉浸感(Immersion)、自立性(Autonomy)4個主要特征。沉浸感是指用戶有身臨其境的感覺，而交互感是指用戶能夠用日常使用的方法對環(huán)境內(nèi)物體進(jìn)行操作。全球虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)發(fā)展方興未艾，美、日、歐等工業(yè)國家預(yù)備將該項(xiàng)技術(shù)作為競爭將來市場的關(guān)鍵手段。對汽車工業(yè)而言，虛擬現(xiàn)實(shí)既是一個最新的技術(shù)開發(fā)方法，更是一個復(fù)雜的仿真工具，它旨在建立一種人工環(huán)境，人們能夠在這中環(huán)境中以一種天然的方式從事駕駛、操作和設(shè)計(jì)等實(shí)時活動。而且虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以以廣泛用于汽車設(shè)計(jì)、試驗(yàn)和培訓(xùn)等方面。2虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在汽車工業(yè)中的應(yīng)用現(xiàn)在狀況2.1在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的應(yīng)用借助虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)建立的3維汽車模型，可顯示汽車的懸掛、底盤、內(nèi)飾直至每一個焊接點(diǎn)，設(shè)計(jì)者可確定每個部件的質(zhì)量，了解各個部件的運(yùn)行性能。這種三維模型精確性很高，汽車制作商可按得到的計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)直接進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)。美國通用公司是全球汽車界最早利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的公司之一。它采取的虛擬現(xiàn)實(shí)軟件具有3個圖形流水線部件，可分別投影在設(shè)計(jì)師的左邊、前面和地面上的大屏幕上，另外一臺單獨(dú)的桌面系統(tǒng)有時用做右面的第四面墻，設(shè)計(jì)師借助于該軟件就能設(shè)計(jì)一輛惟妙惟肖的汽車。在通用公司的技術(shù)中心，當(dāng)工作人員進(jìn)入正在進(jìn)行虛擬現(xiàn)實(shí)工作的工作室時，戴上立體濾色眼鏡或頭盔式顯示器、數(shù)據(jù)手套等顯示設(shè)備，在大屏幕上就能夠看到和真實(shí)的汽車一樣大小的三維立體圖像，它具有完全真實(shí)的立體空間，人們能夠圍繞汽車來回走動觀察，提出各個部位的改良設(shè)想，可以以在另一個設(shè)計(jì)室中，坐在汽車的座椅上，讓各種各樣的儀表板、變速桿及各種附屬裝配都顯示在他們的眼前，還能夠和坐在駕駛室另一側(cè)的工程師一起，對汽車的內(nèi)裝配進(jìn)行評價、改良。這種活生生呈如今你眼前的虛擬現(xiàn)實(shí)的情景，使你感到完全是身臨其境，在用自己的想象創(chuàng)造一輛汽車。而在福特汽車公司，產(chǎn)品設(shè)計(jì)師運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)軟件能夠看到虛擬汽車車門及發(fā)動機(jī)罩的鉸接，能夠設(shè)想在駕駛室的座位上來解決人機(jī)工程和視野問題?？梢砸杂^察到汽車在鄉(xiāng)村公路上奔馳的情景。同時，動力系統(tǒng)的工程師借助更換一個虛擬機(jī)油濾清器來模仿發(fā)動機(jī)的維護(hù)。近期，位于美國威斯康星洲的一個名叫ML汽車專家的公司，用一種能產(chǎn)生汽車虛擬模型的計(jì)算機(jī)軟件設(shè)計(jì)了一輛時速可達(dá)200英里、取名為撲食者的轎車，該車是世界上第一輛不消圖紙和黏土模型設(shè)計(jì)的汽車。這種軟件不只能模仿顯示汽車的外觀形狀，還能夠模仿汽車的內(nèi)部構(gòu)造及運(yùn)作情況。撲食者在設(shè)計(jì)時先把整車分成若分，設(shè)計(jì)者逐個部分進(jìn)行修改，直到滿意為止。然后進(jìn)行組裝，即便各設(shè)計(jì)好的部分組裝成了一輛完好的汽車，仍能夠?qū)ζ溥M(jìn)行整體修改。在戴姆勒克萊斯勒公司耗資宏大的梅賽德斯汽車設(shè)計(jì)中心里，設(shè)計(jì)人員可在該中心提供的虛擬現(xiàn)實(shí)中心的虛擬環(huán)境中進(jìn)行工作，車身設(shè)計(jì)師能夠在這里檢查車體的線條和輪廓，檢測車身外表的光潔度，分析汽車的空氣動力學(xué)性能等。據(jù)報(bào)道，通用和戴姆勒克萊斯勒公司采取虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)開發(fā)一種新車型的時間從1年以上縮短到兩個月左右，開發(fā)成本最多可降到原先的特別之一，而按慣例，單單就車型開發(fā)時間看，新款汽車的設(shè)計(jì)，至少需12~18個月。在馬自達(dá)汽車公司的汽車虛擬演示室，為了讓顧客購買到理想型號的汽車，配有特制的頭盔和手套。顧客能夠通過頭盔和手套，來改變汽車的顏色和構(gòu)造。2.2在汽車制作中的應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是虛擬制作系統(tǒng)的基礎(chǔ)和靈魂，虛擬制作系統(tǒng)是由多學(xué)科知識構(gòu)成的綜合系統(tǒng)，是利用計(jì)算機(jī)支持技術(shù)對必需生產(chǎn)和制作的汽車進(jìn)行全面建模和仿真，它能夠仿真非實(shí)際生產(chǎn)的材料和產(chǎn)品，同時產(chǎn)生有關(guān)它們的信息。可以以制訂零件生產(chǎn)的機(jī)加工方案、擬定產(chǎn)品檢驗(yàn)和試驗(yàn)步驟等。虛擬制作系統(tǒng)(Virtualmanufacturingsystem)由虛擬信息系統(tǒng)(Virtualinformationsystem)和虛擬物理系統(tǒng)(Virtualphysicalsystem)構(gòu)成。虛擬信息系統(tǒng)也叫虛擬邏輯系統(tǒng)，重要是用來模仿處理設(shè)計(jì)、管理、計(jì)劃調(diào)度等制作活動中的信息;而虛擬物理系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)對實(shí)際的加工車間、包含機(jī)床、材料、工人等進(jìn)行建模，并在這里模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行仿真實(shí)際制作系統(tǒng)的制作經(jīng)過。虛擬物理制作系統(tǒng)中的信息和實(shí)際的制作系統(tǒng)相一致，它是虛擬制造系統(tǒng)的關(guān)鍵。虛擬制作技術(shù)的應(yīng)用范圍牽涉到汽車的整個生命周期，它能夠在汽車生產(chǎn)設(shè)備、工裝和模具，以至樣車的設(shè)計(jì)之前，很容易地生產(chǎn)系統(tǒng)和工藝經(jīng)過進(jìn)行建模、修改、分析及優(yōu)化。在汽車柔性生產(chǎn)系統(tǒng)(FMS)、計(jì)算機(jī)集成制作系統(tǒng)(CMIS)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用中，就廣泛運(yùn)用了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)。早在1997年，福特汽車公司就聲稱，它已成為第一個采取計(jì)算機(jī)虛擬設(shè)計(jì)裝配工藝的汽車廠商。這些技術(shù)的采取能夠極大地促進(jìn)該公司更快地向市場推出新轎車、卡車。福特公司使用的是以色列TechnomatixTechnologies公司所提供的軟件。據(jù)報(bào)道，在美國通用汽車公司，汽車設(shè)計(jì)師能夠利用虛擬現(xiàn)實(shí)原型技術(shù)精心進(jìn)行測試，工作人員能夠駕駛虛擬汽車在虛擬公路上行駛，以便檢查汽車的各種功能，或坐在駕駛室中檢查視野情況等。除此之外，虛擬制作系統(tǒng)還被應(yīng)用到齒輪的并行設(shè)計(jì)和裝配以及機(jī)器人的訓(xùn)練等地方。由于生產(chǎn)經(jīng)過和設(shè)計(jì)經(jīng)過都在使用同樣的計(jì)算機(jī)虛擬模型和設(shè)備模型，因而，能夠?qū)υO(shè)計(jì)、制作等生產(chǎn)經(jīng)過進(jìn)行建模，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段，實(shí)時地、并行地模仿出產(chǎn)品將來制作全經(jīng)過及其對產(chǎn)品設(shè)計(jì)的影響，預(yù)測產(chǎn)品性能、產(chǎn)品制作技術(shù)、產(chǎn)品的可制作性，進(jìn)而更有效、更經(jīng)濟(jì)、柔性靈敏地組織生產(chǎn)，使工廠和車間的設(shè)計(jì)與布局更合理、更有效，以到達(dá)產(chǎn)品的開發(fā)周期和成本最小化、產(chǎn)品設(shè)計(jì)的最優(yōu)化、生產(chǎn)效率的最高化。日產(chǎn)利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，模仿生產(chǎn)線上的經(jīng)過，它使用虛擬工具，虛擬機(jī)械手和虛擬雇員(穿戴與日產(chǎn)汽車工人一樣的藍(lán)色制服)，利用數(shù)據(jù)庫中已經(jīng)存在的CAD信息模仿一種虛擬的生產(chǎn)線，使各生產(chǎn)經(jīng)過中的不同問題呈現(xiàn)出來。例如：日產(chǎn)曾用虛擬現(xiàn)實(shí)軟件試線，模仿從儀表板上拆除氣囊組件，這時發(fā)現(xiàn)擋風(fēng)玻璃礙事，總裝線上的工人得窩著脖子干活，由于預(yù)先發(fā)現(xiàn)了這一問題，并得到了及時解決，避免了正式生產(chǎn)時的麻煩。2.3在汽車試驗(yàn)中的應(yīng)用虛擬試驗(yàn)技術(shù)作為虛擬制作技術(shù)的一個環(huán)節(jié)，在汽車空氣動力學(xué)及汽車被動安全性研究中正得到越來越廣泛的應(yīng)用，汽車被動安全性研究包含車身抗撞性研究、碰撞生物力學(xué)研究以及乘員約束系統(tǒng)和內(nèi)飾件的研究。虛擬試驗(yàn)方法的核心是有限元法和多剛體動力學(xué)的數(shù)值方法，它通過一定的前后處理程序和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模板，以CAD文件為輸入，在計(jì)算機(jī)中模仿出與實(shí)際試驗(yàn)一樣的環(huán)境。通過計(jì)算，得到試驗(yàn)報(bào)告。設(shè)計(jì)師設(shè)計(jì)出的新型汽車能否合理，往往需要經(jīng)過碰撞、風(fēng)洞等測試加以檢驗(yàn)。最初檢驗(yàn)新型汽車性能的方法是：先在一輛樣車上放置木偶，加速后讓它與墻壁碰撞，然后，再檢測車身與木偶的受損水平，由此斷定碰撞經(jīng)過中，車與人的受力情形。這種方法，不僅存在著嚴(yán)重的誤差，而且需先把樣車做出來，費(fèi)事費(fèi)力。而采取虛擬試驗(yàn)方法，則只需先用木材、黏土或陶土做一輛汽車模型，在風(fēng)洞中測定其空氣動力學(xué)數(shù)據(jù)，再把模型掃描進(jìn)虛擬環(huán)境系統(tǒng)，把它放大成與真車一樣的大小。通過虛擬環(huán)境系統(tǒng)模仿撞車，能夠精到準(zhǔn)確地把木偶的手或腳的受力情況反映出來，采取這個系統(tǒng)，能夠減少約一半的設(shè)計(jì)費(fèi)用及時間。虛擬試驗(yàn)方法在中、外汽車界獲得了日益廣泛的運(yùn)用在代表世界汽車工業(yè)最高科技水平的F1賽車界，每年參賽的賽車都要進(jìn)行一項(xiàng)虛擬測試。這項(xiàng)測試的環(huán)境與真實(shí)的賽場毫無二致，同樣是馬達(dá)轟鳴、風(fēng)馳電掣，唯一不同指出是沒有車手參賽。在這種虛擬環(huán)境中，計(jì)算機(jī)忠誠地展示出了F1賽事中各個賽道中可能出現(xiàn)的情況，重點(diǎn)是虛擬出發(fā)生車禍后賽車能夠提供應(yīng)車手的保衛(wèi)，通過它判定賽車能否有效地保衛(wèi)車手不受或少受傷害。最近幾年，F(xiàn)1賽壇車禍頻發(fā)，而幾乎沒有車手因而喪生，無疑，這套虛擬環(huán)境系統(tǒng)功不可沒。3虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在汽車工業(yè)中的前景瞻望從總體上看，汽車工業(yè)應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)開發(fā)、制作產(chǎn)品尚處于探索階段，當(dāng)前，該項(xiàng)技術(shù)重要應(yīng)用于概念車和車身內(nèi)外模型的開發(fā)，另外在汽車裝配中亦有少量使用。但隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)本身的不斷發(fā)展完善，人們有理由相信，它必將引起汽車各個領(lǐng)域的革命性變化。3.1敏捷制作/虛擬工廠事實(shí)上，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)將廣泛應(yīng)用于汽車工業(yè)，重要是以美國工業(yè)界提出的一個敏捷制作/虛擬企業(yè)為契機(jī)的。1991年，美國里海大學(xué)受美國國防部委托，牽頭組織編寫了〔21世紀(jì)制作企業(yè)的戰(zhàn)略〕的報(bào)告。在該報(bào)告中，初次提出了敏捷制作(Agilemanufacture)和虛擬企業(yè)(virtualenterprise)的概念。他們以為敏捷(agility)是一種能使企業(yè)在無法預(yù)測、連續(xù)變化的市場環(huán)境中堅(jiān)持并不斷提升競爭力的能力。該報(bào)告設(shè)想到2006年建立美國汽車(USM)公司，即實(shí)現(xiàn)汽車工業(yè)的敏捷制作/虛擬工廠，若該設(shè)想能如期實(shí)現(xiàn)，則可到達(dá)以下目的：(1)每輛USM公司的汽車都按用戶要求制作，每輛USM公司的汽車從定貨起3天內(nèi)交貨。USM汽車在整個生命周期內(nèi)有責(zé)任使用戶滿意，而且這種汽車能從新改造，使用壽命長。(2)用戶能夠利用USM公司的圖表、虛擬設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)自己所需的汽車，并了解其售價、運(yùn)行費(fèi)用等。(3)用戶初步選定車型后，可進(jìn)行模仿試驗(yàn)，通過模仿試驗(yàn)或重選或提出意見，滿意后辦理訂貨手續(xù)。(4)USM公司工廠按年產(chǎn)6萬輛設(shè)計(jì)，同一條生產(chǎn)線上可裝配其所有型號的變型車，數(shù)量不限。(5)在世界各地建廠，6個月內(nèi)投產(chǎn)。(6)4個月提出一種新車型。(7)設(shè)計(jì)與制作能力匹配，產(chǎn)品設(shè)計(jì)與工藝設(shè)計(jì)同時進(jìn)行，對全車設(shè)計(jì)與制作工藝進(jìn)行虛擬設(shè)計(jì)和仿真。(8)設(shè)計(jì)通過后，有計(jì)算機(jī)選擇所有制作設(shè)備，并投入生產(chǎn)。將來敏捷制作/虛擬企業(yè)的形式將表現(xiàn)為由計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)控制的多個柔性制作單元構(gòu)成的分布式自動制作與虛擬制作系統(tǒng)。3.2對并行工程的促進(jìn)不斷發(fā)展的CAD、CAM、CAS(計(jì)算機(jī)輔助造型)、CAT(計(jì)算機(jī)輔助試驗(yàn))、CAE(計(jì)算機(jī)輔助工程分析)等各個領(lǐng)域滲入虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，并構(gòu)成一個具有集成性、并行工程的網(wǎng)絡(luò)。各個虛擬現(xiàn)實(shí)工作室工作人員，能夠在不同的地點(diǎn)、不同時間、不同場所進(jìn)行虛擬現(xiàn)實(shí)對話，在進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)的同時，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)有能力提供大量的數(shù)字化三維模型，對分析、研究、建立生產(chǎn)裝配線、工藝流程、原材料品種和消耗、工廠費(fèi)用和成本等，通過檢測，最終選定一套最佳的工廠設(shè)計(jì)方案。同時，企業(yè)領(lǐng)導(dǎo)、工程技術(shù)人員、經(jīng)銷商、供給商等，還可在該虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中，共同討論各種產(chǎn)品的性能與市場前景，以便生產(chǎn)出用戶滿意的汽車產(chǎn)品，而且有關(guān)產(chǎn)品的供貨合同、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、試驗(yàn)、儲運(yùn)等問題，都能夠一并解決。3.3在產(chǎn)品試驗(yàn)中的應(yīng)用按傳統(tǒng)的工作方式，汽車從產(chǎn)品設(shè)計(jì)到最后投產(chǎn)，期間不僅要經(jīng)過幾輪實(shí)車試裝，以檢驗(yàn)設(shè)計(jì)和工藝的合理性，而且要進(jìn)行大量艱辛又費(fèi)時耗力的野外試驗(yàn)，若利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，則可在計(jì)算機(jī)上虛擬各種試驗(yàn)條件，進(jìn)行車輛的動力性、經(jīng)濟(jì)性等試驗(yàn)。如虛擬風(fēng)洞能夠讓汽車工程師看到模仿的空氣流場，使人感到好似真的站在風(fēng)洞里一樣。試驗(yàn)人員把虛擬發(fā)動機(jī)放入這種風(fēng)洞中，可考察發(fā)動機(jī)進(jìn)氣、燃燒、排氣時氣體流動的狀態(tài)，觀察熱量在其零部件上的散發(fā)經(jīng)過，以改善制動、排氣系統(tǒng)的冷卻性能。3.4供、銷商參與汽車生產(chǎn)以前，每當(dāng)主機(jī)廠設(shè)計(jì)新車型時，經(jīng)常因一些技術(shù)參數(shù)的更改而與零部件供給商進(jìn)行反復(fù)溝通與協(xié)商，而這些溝通與協(xié)商幾乎都是以郵件、傳真等方式進(jìn)行的，很不方便。但在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的環(huán)境中，主機(jī)廠工程技術(shù)人員設(shè)計(jì)新車型時，可要求重要零部件供給商將擬采取的零部件數(shù)據(jù)以CAD及CAS的方式輸入主機(jī)廠的數(shù)據(jù)庫，并讓它們進(jìn)入主機(jī)廠的開發(fā)網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)主機(jī)廠修改設(shè)計(jì)方案時，與之配套的零部件也將實(shí)時進(jìn)行修改，不必與供給商反復(fù)溝通與協(xié)商。據(jù)悉，IBM公司已開發(fā)了一種汽車模仿開發(fā)系統(tǒng)，該系統(tǒng)已不僅僅局限于車型開發(fā)，還能夠提供應(yīng)汽車生產(chǎn)商下面方面的模仿數(shù)據(jù)：市場調(diào)查、工程研究、數(shù)字化制作及產(chǎn)品模仿、測試、制作、產(chǎn)品支持、數(shù)據(jù)管理及使用、