虛擬現(xiàn)實技術(shù)下的工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計CAD三維造型系統(tǒng)

胡銘 王荻

摘 ?要： 為了將虛擬現(xiàn)實（VR）技術(shù)與傳統(tǒng)CAD工業(yè)產(chǎn)品建模進行有效結(jié)合，設(shè)計一種基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的機械產(chǎn)品CAD三維造型系統(tǒng)，可以有效解決傳統(tǒng)產(chǎn)品開發(fā)所面臨的問題。采用非均勻有理B樣條曲線構(gòu)造實體幾何模型，并對立體視覺模型的投影進行變換設(shè)計，從而在有限硬件條件下減少計算所需的時間。給出虛擬環(huán)境系統(tǒng)的具體軟硬件參數(shù)。開發(fā)語言采用Visual C#，并采用工業(yè)級模擬開發(fā)軟件Vega實現(xiàn)CAD數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)運行結(jié)果顯示，設(shè)計系統(tǒng)能夠有效實現(xiàn)機械產(chǎn)品零部件的輔助設(shè)計，節(jié)省了設(shè)計研發(fā)時間。

關(guān)鍵詞： 虛擬現(xiàn)實; 仿真技術(shù); 產(chǎn)品造型; 軟硬件體系; CAD; 產(chǎn)品開發(fā)

中圖分類號： TN99?34; TP391.72 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2019）09?0142?03

Virtual reality technology based CAD three?dimensional modeling system

of mechanical industry product

HU Ming， WANG Di

（Wuxi Taihu University， Wuxi 214064， China）

Abstract： In order to effectively combine the virtual reality （VR） technology with traditional CAD industrial product modeling， a virtual reality technology based CAD three?dimensional modeling system for mechanical products is designed， which can effectively solve the problems of traditional product development. The non?uniform rational B?spline curve is used to construct the solid geometry model， and the projection of the stereo vision model is transformed， so as to reduce the calculation time under limited hardware conditions. The specific hardware and software parameters of the virtual environment system are given. The development language Visual C# and industrial?level simulation development software Vega are used to realize the CAD data conversion. The system operation results show that the design system can effectively realize the auxiliary design of mechanical parts and components， and save the design and development time.

Keywords： virtual reality; simulation technology; product modeling; software and hardware system; CAD; product development

0 ?引 ?言

通過將虛擬現(xiàn)實技術(shù)（Virtual Reality，VR）應(yīng)用到企業(yè)產(chǎn)品造型設(shè)計工作中，不但能夠有利于產(chǎn)品外觀優(yōu)化設(shè)計、人機交互設(shè)計，還能夠有助于產(chǎn)生更多的創(chuàng)新設(shè)計理念[1?2]。產(chǎn)品設(shè)計工程師通過VR技術(shù)能夠和產(chǎn)品對象進行更自然和更直觀的交互，從而擺脫傳統(tǒng)顯示器、鍵盤和鼠標的約束[3]。VR技術(shù)在產(chǎn)品造型設(shè)計領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。

文獻[4]對基于用戶體驗的旅游景點虛擬現(xiàn)實項目進行研究，分析了虛擬現(xiàn)實網(wǎng)絡(luò)化遇到的問題，結(jié)合現(xiàn)代虛擬現(xiàn)實與前沿計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)給出相應(yīng)解決方案。文獻[5]對面向汽車產(chǎn)品設(shè)計的虛擬現(xiàn)實服務(wù)平臺展開研究，設(shè)計了一種基于云計算模式的應(yīng)用服務(wù)架構(gòu)，并給出其服務(wù)模型和邏輯架構(gòu)，從而為VR技術(shù)在汽車產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計中的應(yīng)用部署和快速服務(wù)提供了理論指導(dǎo)和有力支撐。文獻[6]提出基于三維虛擬現(xiàn)實的便攜式3C產(chǎn)品外觀仿真設(shè)計，對3C產(chǎn)品外觀仿真設(shè)計系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)進行了分析并給出具體模塊設(shè)計，所設(shè)計產(chǎn)品外觀造型效果較好，有效地提高了設(shè)計人員的工作效率。

通過以上分析，可知VR技術(shù)在產(chǎn)品造型設(shè)計領(lǐng)域已經(jīng)成為熱點研究方向。但是，如何將VR技術(shù)有效引入到機械產(chǎn)品造型設(shè)計中，是目前富有挑戰(zhàn)性的研究領(lǐng)域。因此，本文對基于VR技術(shù)的產(chǎn)品造型設(shè)計進行具體研究分析。首先，建立基于桌面機的虛擬環(huán)境系統(tǒng)的軟硬件體系結(jié)構(gòu)，提高建模的工作效率;然后，對機械產(chǎn)品虛擬優(yōu)化設(shè)計與分析流程進行介紹。通過VR與CAD的有機結(jié)合，優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的動態(tài)性能。

1 ?立體視覺模型設(shè)計

1.1 ?三維實體表示方法

在VR系統(tǒng)中，實體模型常見的有構(gòu)造實體幾何（CSG），如圖1所示。

圖1 ?構(gòu)造實體幾何法原理示意圖

本文采用在高級三維建模中廣泛支持的非均勻有理B樣條曲線（Non?Uniform Rational B?Splines，NURBS）進行虛擬環(huán)境的三維建模，其構(gòu)建公式如下：

1.2 ?視角定義

產(chǎn)品測量過程中，通過相關(guān)運算能夠在視網(wǎng)膜上將視角[θ]轉(zhuǎn)換成為產(chǎn)品的投影大小，如圖2所示。

圖2 ?視角[θ]的定義

1.3 ?立體視覺處理

為在VR環(huán)境中生成立體視覺效果，需要運用人體的雙眼視覺和視運動知覺技術(shù)。人類對所見物體的立體感主要來源于雙目視差。因此，立體視覺模型需要分別計算兩個試點，以便產(chǎn)生兩個單目視圖。在立體視覺模型中，如果把三維空間物體上的點[I（Xi，Yi，Zi）]投影在[Z]平面上產(chǎn)生2個點[Il（Xsl，Ysl）]，[Ir（Xsr，Ysr）]。則有[7]：

式中：[d]表示雙目間的距離;[k]表示視點與投影平面之間的長度。通過上述模型的運算方法對投影進行變換，能夠在有限硬件條件下減少計算所需的時間。

2 ?桌面虛擬環(huán)境系統(tǒng)的軟硬件配置

2.1 ?系統(tǒng)的硬件配置

VR技術(shù)需要通過計算機技術(shù)實現(xiàn)，包括模擬環(huán)境、感知、自然技能和傳感設(shè)備數(shù)據(jù)處理等多方面功能。PC主機的CPU為AMD FX?8350，內(nèi)存為8 GB，硬盤為 200 GB，圖形顯示器為HKC P4000 23.8寸電腦顯示器。VR系統(tǒng)硬件的核心顯卡設(shè)備為NVIDIA GeForce GTX1080Ti，DRAM為11 GB，顯存位寬為352 bit，核心頻率為1 480/1 733 MHz，顯存頻率為11 000 MHz。

2.2 ?系統(tǒng)的軟件配置

桌面虛擬環(huán)境采用的操作系統(tǒng)為Windows 10。系統(tǒng)支撐平臺采用美國Multi Gen?Paradigm公司開發(fā)的工業(yè)級模擬開發(fā)軟件Vega。開發(fā)語言采用Visual C#。三維實體建模軟件為Auto CAD。

3 ?基于CAD構(gòu)建3D模型實例

3.1 ?機械產(chǎn)品虛擬優(yōu)化設(shè)計

在虛擬現(xiàn)實環(huán)境下，設(shè)計人員可以進行產(chǎn)品造型的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，完成機械產(chǎn)品的動態(tài)分析、造型優(yōu)化和性能預(yù)測。本文采用的機械產(chǎn)品虛擬優(yōu)化設(shè)計與分析流程如圖3所示。

圖3 ?機械產(chǎn)品虛擬優(yōu)化設(shè)計與分析流程

3.2 ?實例效果演示

在產(chǎn)品造型設(shè)計的工作中，一般首先采用Auto CAD繪制工業(yè)產(chǎn)品圖形并以ASCⅡ格式DXF文件保存。以機械變速箱的CAD零件數(shù)據(jù)為例，圖4為系統(tǒng)所用VR眼鏡設(shè)備實物，圖5顯示了機械變速箱的幾何圖形和 VR環(huán)境的3D效果。

圖4 ?VR眼鏡設(shè)備實物展示

圖5 ?機械產(chǎn)品虛擬設(shè)計演示

4 ?結(jié) ?語

本文對基于VR技術(shù)的產(chǎn)品造型設(shè)計進行了具體研究分析。采用三維實體表示方法和立體視覺處理技術(shù)建立基于桌面機的虛擬環(huán)境系統(tǒng)，并給出具體軟硬件參數(shù)。通過有機結(jié)合VR與CAD，實現(xiàn)了產(chǎn)品結(jié)構(gòu)動態(tài)性能的優(yōu)化，提高建模的工作效率。最后，以機械變速箱的CAD零件為例，對基于CAD構(gòu)建交互式VR模型進行實例演示，為促進VR技術(shù)和機械產(chǎn)品造型設(shè)計在我國的進一步發(fā)展提供了借鑒。

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