基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的新產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)

[摘要] 本文主要論述了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的概念、特征和實(shí)現(xiàn)方法，提出虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在新產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，從而為縮短新產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)流程，提高產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計(jì)，降低設(shè)計(jì)開發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)和成本提供新的理念和方式。

[關(guān)鍵詞] 虛擬現(xiàn)實(shí)新產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)

隨著計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、可視化技術(shù)、軟件工程、硬件設(shè)計(jì)及控制工程的迅速發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到了制造、醫(yī)學(xué)、建筑等領(lǐng)域。將虛擬技術(shù)應(yīng)用到新產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)中，實(shí)現(xiàn)草圖—效果圖—結(jié)構(gòu)圖—模型全過程的交互和可逆，更會(huì)體現(xiàn)出它的很多優(yōu)勢，給設(shè)計(jì)業(yè)帶來新的理念和方式，極大地加快產(chǎn)品開發(fā)的進(jìn)程，使設(shè)計(jì)者、消費(fèi)者融為一體設(shè)計(jì)出滿足市場需要的產(chǎn)品。

一、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

虛擬現(xiàn)實(shí)是利用計(jì)算機(jī)技術(shù)產(chǎn)生一個(gè)高度逼真，具有視覺、聽覺、觸覺、嗅覺、味覺等感覺的虛擬環(huán)境，使置身于該環(huán)境中的人通過使用各種專用的傳感交互設(shè)備對(duì)虛擬環(huán)境中的實(shí)體進(jìn)行相互作用，達(dá)到交互考察與控制，融為一體的程度。將虛擬技術(shù)應(yīng)用于產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計(jì)，本質(zhì)上講它是將產(chǎn)品從概念設(shè)計(jì)到投入使用的全過程在計(jì)算機(jī)上構(gòu)造的虛擬環(huán)境中虛擬地實(shí)現(xiàn)，其目標(biāo)不僅是對(duì)產(chǎn)品的物質(zhì)形態(tài)和制造過程進(jìn)行模擬和可視化，而且對(duì)產(chǎn)品的性能、行為和功能以及在產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)的各個(gè)階段中的實(shí)施方案進(jìn)行預(yù)測、評(píng)價(jià)和優(yōu)化。

二、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在新產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)中的實(shí)現(xiàn)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的實(shí)現(xiàn)分為硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩部分。

1.虛擬現(xiàn)實(shí)硬件系統(tǒng)。簡單的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)并不需要太多復(fù)雜的設(shè)備來實(shí)現(xiàn)，只要能夠滿足具有輸入、輸出功能的設(shè)備即可。但要充分實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)帶來的沉浸感、交互性、想象性三個(gè)特征就需要專業(yè)的信息輸入設(shè)備和信息輸出設(shè)備。信息輸入設(shè)備包括鍵盤、鼠標(biāo)、數(shù)據(jù)手套、手柄等，信息輸出設(shè)備包括高性能顯示器適配器、單通道或多通道投影儀、立體眼鏡等。

2.虛擬現(xiàn)實(shí)軟件系統(tǒng)。要想讓設(shè)計(jì)者和用戶或者其他人員真正體驗(yàn)到虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)所帶來的臨場感和沉浸感，首要的是建立一個(gè)與客觀世界相符合或者與設(shè)計(jì)者頭腦預(yù)想的設(shè)計(jì)方案相符合的虛擬三維模型，而且需要較真實(shí)的反映出產(chǎn)品的色彩、材質(zhì)、光照等方面。要建立可視化三維模型從技術(shù)實(shí)現(xiàn)上可分為幾何建模、形象建模和行為建模。

其中幾何建模是可視化三維模型的基礎(chǔ)，主要建立所需三維場景的幾何構(gòu)形。形象建模主要對(duì)幾何建模的結(jié)果進(jìn)行材質(zhì)、顏色、光照等處理。行為模型主要處理物體的運(yùn)動(dòng)和行為描述，體現(xiàn)了虛擬環(huán)境的動(dòng)態(tài)特征。

三、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在新產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

1.產(chǎn)品的造形設(shè)計(jì)。采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的造形設(shè)計(jì)，可隨時(shí)修改、評(píng)測、方案確定后的建模數(shù)據(jù)，可直接用于沖壓模具設(shè)計(jì)、仿真和加工，甚至用于廣告和宣傳。

2.產(chǎn)品的色彩及材質(zhì)設(shè)計(jì)。在產(chǎn)品的色彩及材質(zhì)設(shè)計(jì)中，通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以直觀地進(jìn)行色彩和材質(zhì)的選擇與搭配，確定主調(diào)色和輔助色以及進(jìn)行材質(zhì)的確定。

3.產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)者通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可直觀地進(jìn)行產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使用虛擬現(xiàn)實(shí)硬件和軟件裝備在虛擬環(huán)境中可直接指導(dǎo)操縱模型，在產(chǎn)品開發(fā)的各個(gè)階段，對(duì)虛擬產(chǎn)品原形的結(jié)構(gòu)、功能、加工工藝、裝配、生產(chǎn)組織等各個(gè)方面進(jìn)行虛擬環(huán)境下的仿真，從而保證設(shè)計(jì)的可靠、高效。

4.產(chǎn)品的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力學(xué)仿真，產(chǎn)品設(shè)計(jì)必須解決運(yùn)動(dòng)物件工作時(shí)的運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)關(guān)系，運(yùn)動(dòng)范圍設(shè)計(jì)，產(chǎn)品動(dòng)力學(xué)性能、強(qiáng)度等，例如，生產(chǎn)線上各個(gè)環(huán)節(jié)的動(dòng)作協(xié)調(diào)和配合是比較復(fù)雜的，采用仿真技術(shù)，可以直觀地進(jìn)行配置和設(shè)計(jì)，保證工作的協(xié)調(diào)。

5.產(chǎn)品的展示。用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)制作的產(chǎn)品廣告具有逼真的效果，不僅可顯示產(chǎn)品的形態(tài)，還可顯示產(chǎn)品的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，裝配和維修過程、使用方法、工作性能等，尤其是利用網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行的產(chǎn)品介紹，生動(dòng)、直觀，廣告效果好，使人們能在城市、工廠、機(jī)器內(nèi)部乃至圖樣和零部件之間直觀地獲取信息。

四、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在新產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)中的作用

1.縮短產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)流程，提高產(chǎn)品的成功率。將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用到產(chǎn)品開發(fā)后，由于產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程是數(shù)字化的，所以節(jié)省了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中制造物理模型所需要的物質(zhì)，時(shí)間也會(huì)大大縮短，而且通過使用虛擬技術(shù)讓使用者直接參與設(shè)計(jì)，從而使產(chǎn)品在生產(chǎn)之前獲得各方面的鑒定，這就為設(shè)計(jì)師改進(jìn)設(shè)計(jì)、完善設(shè)計(jì)提供了極大的便利，從而縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期，提高產(chǎn)品的成功率。如Mercedes—Benz公司根據(jù)用戶要求設(shè)計(jì)出具有個(gè)性的汽車。用戶可按照自己的要求，在不同的虛擬環(huán)境中，親身體驗(yàn)修改汽車模型的感受。

2.降低產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)和成本。通過使用者的直接參與，可以與設(shè)計(jì)師進(jìn)行更好的交流互動(dòng)，使用者與產(chǎn)品之間多了一些親切的感覺，這就避免了產(chǎn)品只刻上某一個(gè)設(shè)計(jì)師的烙印。例如通用公司的新型電力機(jī)車。設(shè)計(jì)人員為用戶提供的是三維數(shù)字化機(jī)車模型，若用戶需要修改，可直接與設(shè)計(jì)人員一起對(duì)機(jī)車模型提出修改意見，使設(shè)計(jì)繪圖的工作量比傳統(tǒng)的繪圖工作量減少一半以上。

五、結(jié)論

社會(huì)的進(jìn)步和科技的發(fā)展，使人們對(duì)產(chǎn)品的要求越來越高，這就迫使各生產(chǎn)企業(yè)在降低生產(chǎn)成本的同時(shí)更要使產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期大大縮短以增多商機(jī)，在新產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)中虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的引入，可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的完全數(shù)字化?？梢灶A(yù)見，在未來的產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，從產(chǎn)品的外觀造型、色彩及材質(zhì)，到動(dòng)力學(xué)仿真，甚至于產(chǎn)品設(shè)計(jì)管理、產(chǎn)品展示等，虛擬技術(shù)將會(huì)發(fā)揮更大的優(yōu)勢。

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