虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在工業(yè)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

黃坤

（安徽新華學(xué)院，安徽 合肥 230088）

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在工業(yè)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

黃坤

（安徽新華學(xué)院，安徽 合肥 230088）

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)普及應(yīng)用于社會(huì)各個(gè)領(lǐng)域的過(guò)程中，我們看到其不可比擬的優(yōu)勢(shì)性能，在這個(gè)高逼真的模擬環(huán)境之下，用戶可以深度地沉浸于計(jì)算機(jī)模擬環(huán)境中，在將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與工業(yè)設(shè)計(jì)活動(dòng)充分融合的交互之下，可以給工業(yè)設(shè)計(jì)帶來(lái)新的、突破性的變革契機(jī).

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)；工業(yè)；設(shè)計(jì)；應(yīng)用

在計(jì)算機(jī)技術(shù)模擬的三維立體空間之中，用戶可以強(qiáng)烈地感受到視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)的模擬，在將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域時(shí)，突顯出虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)不可比擬的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)和性能，它可以無(wú)障礙、無(wú)阻滯地實(shí)現(xiàn)對(duì)三維立體空間的事物的觀察和操作，生動(dòng)地模擬出實(shí)際的工業(yè)生產(chǎn)場(chǎng)景，可以良好地應(yīng)用于制造、裝配、安全監(jiān)測(cè)、建筑、室內(nèi)設(shè)計(jì)等領(lǐng)域，具有極其重要的現(xiàn)實(shí)功能和意義.

1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的工業(yè)設(shè)計(jì)綜述

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)以計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、現(xiàn)代信息技術(shù)為依托，實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與現(xiàn)代先進(jìn)制造技術(shù)的整合，是一種基于高度逼真的模擬化人機(jī)界面技術(shù)，可以達(dá)到基于自然技能和真實(shí)體驗(yàn)的人機(jī)交互系統(tǒng).虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的工業(yè)設(shè)計(jì)具有其特殊的性能和特征，具體表現(xiàn)為：（1）網(wǎng)絡(luò)化.在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為支撐的、并行式的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)之中，實(shí)現(xiàn)了對(duì)設(shè)計(jì)、工程分析、生產(chǎn)制造三者的統(tǒng)一和集成.它可以快速地響應(yīng)市場(chǎng)需求，在虛擬的制造環(huán)境中生成數(shù)字樣機(jī)，并對(duì)其進(jìn)行預(yù)測(cè)和評(píng)估.（2）交互性.在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的工業(yè)設(shè)計(jì)之中，建構(gòu)三維立體的虛擬數(shù)字模型，給人以真實(shí)的體驗(yàn)，在身臨其境的感覺(jué)中對(duì)其加以修改和操作，較好地實(shí)現(xiàn)了人機(jī)的交互.（3）高效性.在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的工業(yè)設(shè)計(jì)之中，可以較好地減少對(duì)設(shè)計(jì)的修改，節(jié)約了設(shè)計(jì)成本，也提升了設(shè)計(jì)精度，由此可見(jiàn)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的工業(yè)設(shè)計(jì)可以極大地提升資金使用效能.

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)于工業(yè)設(shè)計(jì)的影響是多方面的，我們可以從不同的角度看待虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在工業(yè)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)：（1）變革了工業(yè)設(shè)計(jì)理念.在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域時(shí)，工業(yè)設(shè)計(jì)師不僅參與工業(yè)的設(shè)計(jì)階段，還滲透到企業(yè)的生產(chǎn)和銷(xiāo)售階段，需要全程對(duì)自己的設(shè)計(jì)負(fù)責(zé)，這種理念的轉(zhuǎn)變是前所未有的，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在工業(yè)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用不僅體現(xiàn)于工業(yè)產(chǎn)品的外形設(shè)計(jì)，還體現(xiàn)于工程設(shè)計(jì)，這就需要設(shè)計(jì)師立于更高的、更為全面的角度，生成優(yōu)良的新產(chǎn)品設(shè)計(jì)，并使之涵括除了工業(yè)設(shè)計(jì)專業(yè)之外更為廣泛的領(lǐng)域，更好地實(shí)現(xiàn)與其他經(jīng)營(yíng)、銷(xiāo)售等團(tuán)隊(duì)的精誠(chéng)合作和交流.（2）創(chuàng)新了工業(yè)設(shè)計(jì)方法.傳統(tǒng)的二維式的平面圖設(shè)計(jì)方法已經(jīng)被替代，在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用之下，可以使工業(yè)設(shè)計(jì)方法更為立體化和三維化，可以使人們體驗(yàn)和感受到不同視角的立體效果圖，在用戶任意旋轉(zhuǎn)、放大、收縮的模型修改過(guò)程中，充分體現(xiàn)工業(yè)設(shè)計(jì)方法的多維化轉(zhuǎn)變.

2 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的分類及應(yīng)用領(lǐng)域

2.1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的分類

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)又被稱為“虛擬生產(chǎn)”、“虛擬貿(mào)易”、“虛擬網(wǎng)絡(luò)”，它基于“人是信息環(huán)境的主體”的理念和意識(shí)，強(qiáng)調(diào)人在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中的主導(dǎo)作用，它的分類，具體包括以下幾種：

（1）分布式虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù).不同的用戶基于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)鏈接，共同參與和體驗(yàn)虛擬經(jīng)歷，這些不同的用戶可以對(duì)同一個(gè)虛擬世界進(jìn)行互動(dòng)、操作和交流，以更好地實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)同，達(dá)到共同體驗(yàn)的工作目標(biāo).

（2）增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)性的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù).它是實(shí)現(xiàn)對(duì)真實(shí)世界的模擬和高度仿真，可以極為有效地增強(qiáng)用戶在真實(shí)場(chǎng)景下所無(wú)法感知或不便于感知的體驗(yàn)，如：戰(zhàn)斗機(jī)飛行員的平視顯示器，可以更好地引領(lǐng)飛行員將武器瞄準(zhǔn)數(shù)據(jù)投射到穿透式的屏幕之上，獲悉敵機(jī)的導(dǎo)航偏差.

（3）沉浸式的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù).運(yùn)用特定的設(shè)備隔離用戶的視覺(jué)和聽(tīng)覺(jué)，使用戶可以全身心地投入和沉浸于系統(tǒng)之中，利用位置跟蹤器、數(shù)據(jù)手套、手控設(shè)備等，實(shí)現(xiàn)沉浸式的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的體驗(yàn).

（4）桌面虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù).運(yùn)用個(gè)人計(jì)算機(jī)和低端工作站，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的高度仿真和模擬，并以計(jì)算機(jī)屏幕為觀察窗口，借助于各種輸入設(shè)備，全方位、多角度地實(shí)現(xiàn)與虛擬仿真世界的交互、操作和修改，在這個(gè)系統(tǒng)之中，個(gè)體沒(méi)有與外界相隔離，會(huì)受到外界的干擾和影響，因而缺乏真切的現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)和感受.

2.2 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域

（1）虛擬設(shè)計(jì).虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以應(yīng)用于虛擬設(shè)計(jì)領(lǐng)域，如：虛擬現(xiàn)實(shí)汽車(chē)設(shè)計(jì).

（2）教育和娛樂(lè)領(lǐng)域.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以使用戶體驗(yàn)到真切的感官刺激，在三維立體的逼真視景之中，實(shí)現(xiàn)用戶自主的、個(gè)性化的體驗(yàn).

（3）安全訓(xùn)練.在一些高難度和危險(xiǎn)的情境之下，可以運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行訓(xùn)練.如：應(yīng)用于醫(yī)療手術(shù)訓(xùn)練的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)系統(tǒng).

（4）先進(jìn)制造領(lǐng)域.在工業(yè)設(shè)計(jì)中的先進(jìn)制造領(lǐng)域，可以運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，完善產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，優(yōu)化產(chǎn)品的性能，更好地提升設(shè)計(jì)效能.

（5）建筑與藝術(shù)設(shè)計(jì)領(lǐng)域.在工業(yè)建筑及藝術(shù)設(shè)計(jì)領(lǐng)域之中，可以運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，將抽象思維轉(zhuǎn)化為實(shí)體場(chǎng)景，極為有效地增強(qiáng)用戶的真實(shí)體驗(yàn).

3 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在不同工業(yè)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用實(shí)踐分析

3.1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在灌裝制造生產(chǎn)線的應(yīng)用

3.1.1 虛擬灌裝生產(chǎn)制造線的框架設(shè)計(jì)

在將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于制造生產(chǎn)線的架構(gòu)之中，可以將虛擬生產(chǎn)線建構(gòu)為以下幾大模塊內(nèi)容：（1）仿真管理模塊.實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)接口的指令數(shù)據(jù)接收與傳遞，更好地實(shí)現(xiàn)對(duì)虛擬環(huán)境的協(xié)調(diào)與維護(hù).（2）工藝布局模塊.設(shè)計(jì)人員基于生產(chǎn)制造線的約束性條件和前提，實(shí)現(xiàn)虛擬環(huán)境中的布局整體設(shè)計(jì).（3）設(shè)備模型庫(kù)模塊.在這個(gè)模塊之中，可以充分體現(xiàn)出虛擬設(shè)備的控制屬性和幾何屬性，使用戶沉浸于虛擬場(chǎng)景和立體模型之中，實(shí)現(xiàn)對(duì)物理制造生產(chǎn)線的觀察和評(píng)價(jià).（4）任務(wù)管理模塊.通過(guò)虛擬制造生產(chǎn)線的任務(wù)調(diào)度，實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的傳送、加工、測(cè)量、運(yùn)輸、灌裝等操作.（5）分析引擎模塊.測(cè)定設(shè)備及工件的運(yùn)行狀態(tài)，并實(shí)施虛擬生產(chǎn)線上的系統(tǒng)故障檢測(cè).（6）報(bào)價(jià)模塊.這是對(duì)虛擬制造生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)的價(jià)格評(píng)估.（7）虛擬現(xiàn)實(shí)接口.借助于虛擬外部設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)虛擬仿真，建構(gòu)人與虛擬系統(tǒng)的接口.

3.1.2 虛擬灌裝生產(chǎn)制造線的可視化設(shè)計(jì)

依照整體的生產(chǎn)能力和要求，在虛擬制造生產(chǎn)線的可視化設(shè)計(jì)中，要使輸送系統(tǒng)具有充分的存儲(chǔ)量和緩沖時(shí)間，能夠集成工藝流程和調(diào)度過(guò)程.同時(shí)，還要利用對(duì)象的繼承和封裝機(jī)制，生成虛擬的制造生產(chǎn)線環(huán)境，在三維的模型之下可以極其逼真地反映出制造生產(chǎn)線中的設(shè)備及工件.

3.2 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在航空智能制造中的應(yīng)用

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與航空智能制造相融合，充分展示出虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的“智能之窗”的地位和功效，基于我國(guó)航空制造的實(shí)際需求，可以將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于航空制造中的工藝設(shè)計(jì)、車(chē)間執(zhí)行、管理等方面，具有極其重要的現(xiàn)實(shí)意義.

航空飛機(jī)制造的核心是工藝設(shè)計(jì)，在這個(gè)“看不見(jiàn)的手”之中，可以實(shí)現(xiàn)制造工藝的標(biāo)準(zhǔn)化、可控化、可拓展應(yīng)用.具體應(yīng)用項(xiàng)目和內(nèi)容包括有：（1）沉浸式工藝審核.在航空飛機(jī)的制造虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用之中，首先即要實(shí)施對(duì)航空飛機(jī)裝配工藝的審核，以飛機(jī)設(shè)計(jì)圖樣、數(shù)據(jù)模型、文件等為審核內(nèi)容，協(xié)調(diào)各方面的意見(jiàn)和建議，全面做好工藝設(shè)計(jì)的審核和評(píng)定，工藝設(shè)計(jì)人員可以完全沉浸于虛擬、高度仿真的環(huán)境之中，不受任何干擾和影響，實(shí)現(xiàn)與虛擬對(duì)象的交互.（2）沉浸式工藝仿真.在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用之下，航空飛機(jī)制造實(shí)現(xiàn)了“基于建模和仿真的科學(xué)設(shè)計(jì)模式”的突破，在多源信息融合的仿真虛擬環(huán)境系統(tǒng)之中，實(shí)現(xiàn)對(duì)航空制造的工藝設(shè)計(jì)仿真分析，如：航空飛機(jī)工藝數(shù)字樣機(jī)模擬、空間分析與漫游、虛擬裝配、交互虛擬實(shí)驗(yàn)等.

3.3 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在建筑及藝術(shù)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

在建筑設(shè)計(jì)領(lǐng)域之中，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)極大地拓展了圖形藝術(shù)設(shè)計(jì)創(chuàng)作方式，通過(guò)虛擬漫游技術(shù)在建筑設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，可以三維、立體地呈現(xiàn)城市景觀、小區(qū)景觀、室內(nèi)設(shè)計(jì)、歷史性建筑的仿真模擬，它可以使設(shè)計(jì)者從多角度、自如地審視和欣賞，極大地拓展了建筑展示空間

虛擬現(xiàn)實(shí)的漫游技術(shù)較好地解決了設(shè)計(jì)過(guò)程中的枯燥而繁瑣的溝通性缺陷，可以利用其三維建模的虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)計(jì)和全景虛擬現(xiàn)實(shí)展示設(shè)計(jì)，充分展示出設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)創(chuàng)新思維，靈活地運(yùn)用于不同的建筑設(shè)計(jì)項(xiàng)目之中.

在室內(nèi)設(shè)計(jì)中采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，可以虛擬出一個(gè)建筑室內(nèi)空間，直觀而形象地表達(dá)和傳遞設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)意圖和設(shè)計(jì)思維，它比傳統(tǒng)的沙盤(pán)模型具有更大的優(yōu)勢(shì)性能，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)計(jì)空間的全尺寸模型設(shè)計(jì)，用戶可以任意在虛擬空間中漫游、修改和調(diào)整，使之更具有人性化和逼真化，極大地增強(qiáng)和提升了建筑室內(nèi)空間的整體操控和設(shè)計(jì)水平. 3.4 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在汽車(chē)制造中的應(yīng)用

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以應(yīng)用于汽車(chē)制造系統(tǒng)之中，預(yù)先發(fā)現(xiàn)并解決汽車(chē)整體或零部件的問(wèn)題，通過(guò)汽車(chē)三維立體模型的建構(gòu)，可以使設(shè)計(jì)人員更好地體驗(yàn)汽車(chē)內(nèi)部的舒適度、駕駛模擬程度、故障模擬等，提升設(shè)計(jì)指標(biāo)的合理性和科學(xué)性.并且，在對(duì)汽車(chē)進(jìn)行虛擬開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車(chē)造型、制模、沖壓、焊接、總裝等流程的三維化和虛擬化，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)為支撐和依托，實(shí)現(xiàn)虛擬協(xié)通實(shí)時(shí)設(shè)計(jì)，并實(shí)施虛擬實(shí)驗(yàn)檢測(cè)，預(yù)測(cè)汽車(chē)的整體安全性能和動(dòng)力性能.

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)以計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)為支撐，通過(guò)立體的、三維建模方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的虛擬和高度仿真，在將這種全新的技術(shù)與工業(yè)設(shè)計(jì)相嫁接時(shí)，我們可以看到這個(gè)“智能窗口”的現(xiàn)實(shí)功能和意義，在網(wǎng)絡(luò)、信息、數(shù)據(jù)等方面的集成之下，可以清晰地呈現(xiàn)產(chǎn)品的全方位細(xì)節(jié)，實(shí)現(xiàn)工業(yè)設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)化、系統(tǒng)化和智能化，增強(qiáng)工業(yè)設(shè)計(jì)的交互性和科學(xué)性，充分利用工業(yè)設(shè)計(jì)資源庫(kù)，更好地縮短工業(yè)設(shè)計(jì)周期，提升工業(yè)設(shè)計(jì)的效能.

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TP205

A

1673-260X（2017）06-0038-02

2017-03-22

2015年安徽省教育廳人文社科項(xiàng)目（重點(diǎn)）（SK2015A684）