系统仿真技术
第10章 虚拟设计
陈无畏
合肥工业大学机械与汽车工程学院
主要内容主要内容
一、前 言
二、虚拟产品开发
三、虚拟现实技术
四、虚拟设计技术
五、应用事例
一、前 言
0
10
20
30
40
50
60
产品定义 产品开发 工艺规划 制造 检验 应用
成
本
%
避免错误、或尽早发现错误、尽早修正错误
设计开发目标
75%修改源于设计开发 80%修改由制造
后续阶段完成
团队工作
开发过程重组
DFX
实现策略
并行工程
虚拟产品开发
虚拟产品建模与仿真
虚拟产品开发过程建模与过程仿真
二、虚拟产品开发
现实产品开发
设计 评价
产品
报
废
品
报
废
品
制造
原料
外在因 素变化
设备 厂房
人员
试制
原料
设备 厂房
人员
数据/信
息
原料
设备 厂房
产
品
实际制造
人员
报废品
设计
虚拟样机
评价
反
馈
信
息
虚拟加工
虚拟装配
虚拟检测
市
场
信
息
虚拟产品开发
虚拟产品开发的定义
虚拟产品开发技术是以计算机仿
真和产品生命周期建模为基础，计算
机图形学、人工智能、网络技术、多
媒体技术和虚拟现实技术等在产品开
发（包括产品构思、设计、制造、测
试和分析等）的综合应用技术。
虚拟产品开发过程建模与仿真
虚拟产品开发过程建模与仿真
虚拟产品开发技术的意义
q促进创新设计
q加快产品上市速度
q减少资源浪费
q降低产品开发风险
q推进远程协同产品开发
q提高技术培训与教育质量
q增强企业竞争力
三、虚拟现实技术
何谓虚拟现实
什么是虚
拟现实？
人类需要用工具来增强、
延伸、扩大自己的感官、
肢体和大脑的功能
杠杆、滑轮、千斤顶增强肢体的功能
望远镜、显微镜、雷达增强眼睛的功能
听诊器、助听器、收音机增强耳朵的功能
计算机、仿真模拟器、精密分析仪器增强大脑的功能。
这些基本上都只能帮助我们进行单方向的推理。
对于广泛和复杂的世界，单方向的推理是远远不
够的。人类盼望着能够找到…
能够根据研究问题的需要，提供一个具有尽可能逼
真的虚拟对象、虚拟环境的虚拟世界。
能够帮助我们沉浸在这个虚实结合的环境中，身临
其境地体验这个虚拟世界中的一切，在这样的环境
中研究和分析问题。
能够灵活地扩大或缩小虚拟世界的时间尺度和空间
尺度。例如，在数秒钟内观察地壳的演变历程，在
数分钟内细细品味子弹穿破玻璃时的精细过程。
能够帮助我们跟这个虚拟世界交流、发生相互作用，
我们不只是能移动和触摸虚拟世界中的虚拟物体，
还能在虚拟世界的街巷楼宇之间漫游。
总之：
希望能帮助我们创建一个时域和空域
可变的虚拟世界，使人能够：
沉浸其中，超越其上，进出自如，交
互作用
获得“观古今于须臾，抚四海于一瞬
” 的效果。
虚拟现实是用高科技手段构造出来的一
种人工环境，它具有模仿人的视觉、听
觉、触觉等感知功能的能力，具有使人
可以亲身体验沉浸在这种虚拟环境中并
与之相互作用的能力
虚拟现实技术的最终目的是提高人的认
识能力，促进人与环境的交流，更深入
地开发人类的智慧
这就是虚拟现实…
虚拟现实：
虚拟现实技术(Virtual Reality, VR)
是一种三维计算机图形技术与计算机硬件
技术发展而实现的高级人机交互技术，允
许用户通过视觉、听觉、触觉甚至嗅觉和
味觉等多种知觉方式实时地与计算机所建
造的仿真环境发生相互作用。
虚拟现实的情景是怎样生成的？
如何生成？
情景生成要使人能够产生：
视觉、听觉、触觉、力感、运动
感、味感、嗅感等。
如何生成这些感觉呢？
环境
生
成
跟踪系统发射器 头部跟踪接收器
头盔显示器
立体声耳机
话筒
数据手套
跟踪
接收器
手部
3D跟踪系统
语音识别
3D声音处理器
虚拟环境数据库 图形处 理 器
主计算机
虚拟环境
实时操作系统
虚拟现实环境：
一个典型的虚拟现实环境是由人和虚
拟现实系统两大部分组成
虚拟现实系统又由三部分构成：
基于先进传感器的人机接口
具有多媒体功能的计算机系统
面向虚拟现实的软件系统
虚拟现实系统
虚拟现实系统
VR硬件
计
算
机
VR
软
件
场景显示系统
触觉反馈器
方位跟踪系统
声音识别系统
操
作
者
机器
人机接口
在虚拟现实系统中，关键之一是：
如何实现多维信息的输入和输出
如何实现人跟虚拟世界的交互作用
最基本的人机接口设备是：
头盔式显示器
三维鼠标
数据手套
人机接口---先进传
感器技术和产品
头盔式显示器的外形很像摩托车驾驶员所佩戴的头盔，
左右两眼前是高分辨率的显示屏。
当佩戴头盔式显示器的用户头部发生移动时，利用头
盔上的方位跟踪器，就能向计算机报告用户头部的方
位了。如果计算机系统的处理速度足够快的话，就能
向显示屏提供与头部方位(准确地说是眼睛所注视的
方位)相一致的图像
佩戴头盔的人能随着头部的转动看到一个和头部方位
相一致的、由计算机所输出的虚拟世界的图像，好像
是头转到哪里就能看到哪里，这样从视觉上就感觉完
全沉浸在这个虚拟世界中
头盔式显示器
头盔式显示器
头盔式显示器
头戴头盔式显示器
进入虚拟现实环境
在虚拟环境中最常用的
人机接口工具之一是数
据手套。
数据手套通常是一种尼
龙手套，在每个手指上
安装有相应的弯曲和扭
曲传感器。
计算机利用传感器的信
息，控制虚拟空间中物
体的位置和方向，于是
就产生了人能用自己的
手，去控制虚拟空间中
虚拟物体的感觉了
数据手套
为了能使戴上数据手
套的手不仅仅能搬动
虚拟物体，还能感受
虚拟物体“应有的”
重量和质感，更先进
的数据手套还具有触
觉，最简单的做法是
在手套上安装气压式
和振动触感式的反馈
器。在计算机的控制
下，向手套的气袋充
气时，戴上这种数据
手套的手就感受到一
定的压力了，用这种
办法就可以模拟手触
摸真实物体时的感觉
数据手套
数据手套
不管是在
头盔、三
维鼠标上，
还是在数
据手套上，
都需要安
装能对空
间位置进
行跟踪定
位的跟踪
装置
基于超声波原理进行位置和方向的跟踪，即用三角形
法测出位置发送器和接受器之间的相对方位。
它的优点是工作可靠、价格较低，缺点是分辨率较低、
时延较长，而且受回声的干扰影响较大
不管是在头盔、
三维鼠标上，还
是在数据手套上，
都需要安装能对
空间位置进行跟
踪定位的跟踪装
置
基于光学原理的跟踪器
在固定的位置上(例如天花板上)安装排列成栅格状的一组发光二极管，
在用户的头上安装一个照相机，发光二极管周期性地发光，通过照相
机的感光就可测出头部的位置。
它的优点是定位精度较高、时延较短，其缺点是受控的面积受发光二
极管栅格面积的限制，如果要检测头部或手部的全方位的转动就有一
定的困难
具有多媒体功能的计算机系统
是虚拟现实系统的基石
基于个人计
算机（PC）
的虚拟现实
计算机
基于工作站
的虚拟现实
计算机
在虚拟现实技术中，软件的主要
功能就是高效地产生与真实物体
形似、质似和神似的虚拟物体和
虚拟环境，“以假乱真”，从而
取得“身临其境”的效果
面向虚拟现实
的软件系统
“几何建模”就是用许许多多各
式各样的多边形，拼构成所模拟
对象的立体外形，这个外形必须
尽可能地跟所模拟的对象完全一
致，达到“形似”。
形似
对几何模型进行纹理、颜色和光照的处理，也就是所
谓的“物理建模”，使它看上去具有“质感”。
同样是一个球，通过这两种建模，就能分辨出是玻璃
球、塑料球还是棉花球。
为了使虚拟空间内的虚拟对象具有质感，有时还要为
对象附加更多的物理属性。例如：橡皮球具有变形和
弹性的双重属性，玻璃球掉在地上时可能要破碎，而
木球就会发生反弹等等。
这就是“质似”。
质似
最典型的例子就是用简单的线条描述舞蹈家
的体型及四肢的舞蹈动作，用演员的面部表
情模拟某个卡通形象的面部表情。
寥寥数笔线条与舞蹈家的身材当然相差甚远，
而动物卡通的一个拟人形象当然不能等同于
真人， 但如果我们能从线条的动态变化中
分辨出是“梁山伯与祝英台”的双人舞还是
“天鹅湖”双人舞，这就达到“神似”
神似
常用的软件系统：
图形生成环境Open GL(Open Graphics Library)
用于创建复杂图景的虚拟现实的工具包VRT
开发虚拟世界的工具集WTK(World Tool Kit)
快速生成和观察虚拟现实系统的Quick Time VR
等。
近来最受用户欢迎的虚拟现实软件工具之一是
MultiGen
许多仿真公司和三维图像处理公司等已经利用
MultiGen所提供的工具进行了二次开发，研制出满
足某个特定领域需要的、成套的开发虚拟现实应用
系统的软件,Vega就是较成功的一个实例。
Vega是基于MultiGen软件工具所开发的一套专门
用于实时仿真、可视化环境和虚拟现实系统的软件
系统。利用Vega可以快速地生成一个交互的、三
维的作战模拟环境或生产控制环境。
Vega提供了建立快速原型系统、图形编辑、系统
构成所需的工具，还能提供内容丰富的三维模型库
和功能强大的虚拟现实环境
通过Vega生成的作战模拟的场景图，其
中甚至包括了火光、烟雾和云彩
美国波土顿动力学公司(BDI，Boston Dynamics
lnc．)开发一个名为DI-Guy的虚拟现实软件工具。
DI-Guy在虚拟现实中的应用分为三类：
即沉浸式的训练(Immersive Training)系统、交互
式的训练(Interactive Training)系统和可视化想
定(Scenario Visualization)系统。
不论是哪一类虚拟现实应用系统，在DI-Guy的支
持下，系统开发者都能用一些很简单的命令，自动
地对虚拟物体、虚拟人物、虚拟场景赋予某种“仿
生”的特征
仿战士:
能逼真地重现一个训练有素的战士的动作和姿态；
仿男人:有男子汉的刚劲有力；
仿女人：有女人的婀娜多姿；
仿运动员：就能分清体操、跑步、垒球、足球、
排球、篮球运动员的不同的体型和节奏；
仿现场：就能产生烟雾、火光、云雾的效果。
DI-Guy软件所产生的
单兵作战动作
穿不同的军装；携带不同
的武器；做着各种不同的
动作
运动员翻腾
跳跃
球场上激烈竞争
虚拟现实技术的新进展
具有宽视野
的立体眼镜
虚拟现实技术的新进展
美国的SGI公司推出了名
为DataVlsor 80的头盔式
显示器。这是一种宽视野、
高分辨率的头盔式显示器。
显示部分是采用1英寸的阴
极射线管，能得到24位的
全彩色图像。其垂直视野
可达80度，水平视野可达
120度， 分辨率可达
1280×l024，用户佩戴这
种头盔式显示器后， 能获
得较好的沉浸感,整个头盔
重约2kg .
虚拟现实技术的新进展
SGI公司提供了一种类似双
简望远镜式的手持式显示
器。为了能使显示器中的
图像随着人的头部的方位
发生变化，所以在显示器
上也安装 有方位跟踪装置。
由于是手持的，调整方位
十分方便，视野小些，也
不妨碍用户观看全景。这
个显示器的分辨率为
640×480和1280×1024两
种，能产生24位彩色图像
最常见的三维鼠标有两种
跟踪球(trackL，a11)
三维空间探针
三维鼠标
虚拟现实技术的新进展
跟踪球
跟踪球的中心是固定
的，并有一个活动的
外层，装有6个发光二
极管和相应的6个光传
感器。
当使用者用手对该球
的外层施加力和力矩
时，根据“弹簧变形
”规则，就可通过6个
光传感器测出3个力和
3个力矩的信息，传输
给计算机后求出虚拟
空间中某物体的位置
和方向
虚拟现实技术的新进展
三维空间探针是
安装在一个固定
的基座上，具有6
个关节的机械臂。
在每个关节上装
有传感器，计算
机接收传感器的
信息，并计算出
在虚拟空间的物
体的位置和方向
三维空间探针
虚拟现实技术的新进展
虚拟现实技术的新进展
多人共享的沉浸式系统
虚拟现实技术的新进展
大屏幕显示系统可以满足数十
人、几百人同时观看
虚拟现实技术的新进展
手控式高分辨率CRT显示器
虚拟现实技术的新进展
观察者只需佩戴一个非常轻巧的眼镜，效
果较好：从视觉效果上可以达到120度的
宽阔视野；具有很高的分辨率，可以形成
1024线、每线具有1280像素的光栅，并
且按72HZ的频率进行更新，因此几乎和
人眼的分辨率一致。它还可以得到全色图
像和足够的亮度，即使在户外观看也无影
响。如果对两只眼睛分别产生两幅有一定
视点差异的图像，就可产生三维立体图像
的效果。必要时，它可以在原来视网膜上
已经有的真实世界的图像上叠加上所产生
的虚拟图像，取得了虚实结合的效果。虽
然这种虚拟视网膜显示装置才刚刚诞生，
但已显示出很大的应用潜力。
虚拟视网膜显示器
通过各种各样的显示系统，人们能够亲眼看见虚拟
空间中的虚拟物体和虚拟景象，可以在一定程度上
能够得到身临其境的感觉。
人们并不满足这种“只能看、不能摸、不能碰”的
局面。
人们如何去搬动虚拟空间的一张虚拟桌子呢?如何
能用一块虚拟的木板压扁一个虚拟的气球呢?如何
实现用自己的手去掂量一下虚拟石头的重量？
虚拟现实技术的新进展
触觉和力反馈的装置
虚拟空间的虚拟物体仅仅是一个计算机生成的三维图像，它
无真正的重量、无实在的质地，只是一个“虚幻的”图像。
它的手指、手腕或手臂上的控制机构和执行机构，并通过“
某种算法”，产生与人触摸到真实物体时同样的刺激或反馈，
用户就得到如同触摸、搬动一个真实物体一样的感受。当计
算机赋予这个图像某些属性数据，例如几何学属性、材料质
地属性、动力学属性以及运动学属性等时，我们可以用“某
种办法”，通过“某种设备”，触模到这个虚拟物体，计算
机系统能够及时地把这些属性数据传送给用户
虚拟现实技术的新进展
触觉和力反馈的装置
虚拟现实技术的新进展
触觉和力反馈
的装置
三维探针:
用手操纵探针的把手，
用探针尖去触碰虚拟
物体，计算机把虚拟
物体的属性数据反馈
给探针把手，使人感
受到虚拟物体的某些
属性
手指卡箍:
卡箍与连杆及
马达相连，戴
上卡箍去触摸、
旋转或搬动虚
拟物体时， 计
算机能把这个
虚拟物体的某
些属性数据反
馈给马达，通
过连杆作用在
卡箍上，使人
获得触感和力
感
一个Virtual Workbench
的工作平台
虚拟现实技术的新进展
虚拟现实技术应用
虚拟现实与教育、培训
虚拟现实在其它领域的应用
虚拟现实与文化娱乐
虚拟现实与制造
将VR技术应用于教育可以使学生能
够游览海底、遨游太空、观摩历史
城堡，甚至深入原子内部观察电子
的运动轨迹和体验爱因斯坦的相对
论世界，从而更形象地获取知识，
激发思维。
虚拟现实与教育、培训
VR技术在文化、娱乐领域有着极其
广泛的应用。第一个大规模的VR娱
乐系统“Battle Tech”，将每个“
座舱”仿真器连网进行组之间的对
抗，3维逼真视景、游戏杆、油门、
刹车和受到打击时的晃动给用户很
强的感官刺激。
虚拟现实与文化娱乐
虚拟现实与文化娱乐
基于高速网络和虚拟现实技术的“虚拟美国国家艺
术 馆”能使任何一个在计算机网上工作的人，都能
远距离地参观艺术馆，不仅仅使参观者能尽兴地仔
细欣赏展品，获得身临其境的感受，并且还可以参
加培训中心或研究中心，获得更多的知识。
当您进入“虚拟美国国家艺术馆”时，您可根据自
己的爱好选择摄影、雕塑、民间艺术、绘画、风景
画、肖像画、微型艺术品、抽象画、城市景色、美
国西部风光、美洲土著居民文化艺术、宗教艺术、
儿童艺术、体育运动和动物艺术等选项。
虚拟现实与文化娱乐
驯马
罗马女神
篱安娜
虚拟现实与文化娱乐
黄石公园山泉的奔腾
黄石公园大峡谷的雄浑
内华达丛岭的峻峭
虚拟现实与文化娱乐
可爱和美
的女神维
纳斯雕像
蒙娜丽沙画像
虚拟现实技术在制造业中的应用：
利用虚拟样机在产品实际加工之前对其性能、可制造性进
行评价，同时对制造全过程仿真，将制造过程可能发生的
问题提前到设计阶段处理，以达到产品生产的最优目标。
波音777飞机的设计是虚拟原型机的应用典型实例，这是飞
机设计史上第一次在设计过程中没有采用实物模型。波音
777由300万个零件组成，所有的设计在一个由数百台工作
站组成的虚拟环境中进行。
设计师戴上头盔显示器后，可以穿行于设计中的虚拟“飞
机”，审视“飞机”的各项设计指标。
虚拟现实与制造
四、虚拟设计技术
及其应用
虚拟产品设计
虚拟产品设计是以虚拟现实
技术为基础，实现产品或工程设
计与评价分析的技术，是新一代
的计算机辅助设计技术。
虚拟产品设计技术的应用
形状设计
装配设计
工程设计
虚拟形状设计
对于规则形体，可以
采用语音识别、手势
跟踪的交互系统实现
实体生成、尺寸更改、
形状变更、实体变换
（移动、旋转等），
从而完成形体设计
虚拟形状设计
单独使用语音命令
“产生高20mm、长100mm、宽50mm的长方体”
“放置对象于X=10、Y=10、Z=20处”
“将对象沿X移动10mm”
语音与手势合用
指着对象，“选择”
确定双手间距，“长度这么长”
“改变长度”，作手势
虚拟形状设计
对于自由曲面，主要采用手势和
虚拟工具，完成曲面设计。
虚拟形状设计
单独使用手势
手势比划
虚拟工具
虚拟油泥建模(Virtual Clay Modeling)
：允许工业造型技术人员以类似于传统
的手工设计方式（刮、削、扫、抹等）
制作出随心所欲的模型
虚拟装配设计
设计人员可以利用手套或其它设备根据经验装配或拆卸
零件，在虚拟环境中使用各种装配工具对产品的装配性
进行分析，而且可以产生装配规划
虚拟工程设计
对于生产线、厂房车间、
地铁等大型工程设计，虚拟
设计技术提供对设计方案评
价的非常直观的手段
虚拟厂房
虚拟生产线
虚拟工程
虚拟设计、制造软件
系统名称 出品公司名称 主要模块 主要功能
Deneb
美国
Deneb Robotics
公司
Envision
Quest
VirtualNC
Assembly
ERGO
虚拟样机设计分析、虚拟
环境漫游、离散事件仿真、
加工过程仿真、虚拟装配
和拆卸仿真、人体建模与
分析
dVIS
E
英国Division公司
dv/WebFly
dv/Player
dv/Review
dv/Mock-Up
dv/Reality
实时网上信息浏览
虚拟样机
装配拆卸仿真
World
ToolKit 美国Sense8 公司
WorldUp 实时交互虚拟环境建立
EAI
美国Engineering
Animation, Inc.
装配分析、装配设置评估、
模型可视化、三维工程动
画
五、应用事例
虚
拟
人
工
拆
卸
..%5C..%5C%E5%AD%A6%E6%9C%AF%E8%B5%84%E6%96%99%5C%E5%B0%8F%E7%BB%84%E7%A0%94%E7%A9%B6%E8%B5%84%E6%96%99%5C%E5%AD%A6%E6%9C%AF%E5%AD%A6%E4%BD%8D%E8%AE%BA%E6%96%87%E9%9B%86%5C1999m%E6%9B%B9%E9%B9%8F%E5%BD%AC%5Cmovie%
..%5C..%5C%E5%AD%A6%E6%9C%AF%E8%B5%84%E6%96%99%5C%E5%B0%8F%E7%BB%84%E7%A0%94%E7%A9%B6%E8%B5%84%E6%96%99%5C%E5%AD%A6%E6%9C%AF%E5%AD%A6%E4%BD%8D%E8%AE%BA%E6%96%87%E9%9B%86%5C1999m%E6%9B%B9%E9%B9%8F%E5%BD%AC%5Cmovie%
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工程设计与仿真
由虚拟环境到CAD的数据交换问题
数据接口
数据缩减
实时与复杂
硬件方面的问题
网络传输速度问题
六、需要解决的问题
由于虚拟设计系统在图形输出和模型由于虚拟设计系统在图形输出和模型
操纵方法上与其他的计算机辅助应用操纵方法上与其他的计算机辅助应用
系统如系统如CADCAD、、CAPP(CAPP(计算机辅计算机辅 助工艺规助工艺规
划划))等存在着很大的不同，从而导致虚等存在着很大的不同，从而导致虚
拟现实系统的数据和信息不能很好地拟现实系统的数据和信息不能很好地
被其他现行的计算机辅助系统共享被其他现行的计算机辅助系统共享
由虚拟环境到由虚拟环境到CADCAD
的数据交换问题的数据交换问题
目前所用的数据接口，例如IGES(基本
图形转换规范)只能提供几何数据的转
换。
例如，它们只能提供一个孔的周边信
息而不能提供孔本身的信息如孔径及
中心位置，更不用说材料、质地、颜
色、力学特性等。
数据接口问题数据接口问题
在硬件还不足够强大的情况下，若要在硬件还不足够强大的情况下，若要
保证足够的图像刷新率，保证足够的图像刷新率，CADCAD数据就数据就
需要转换为多边形格式并且很可能需需要转换为多边形格式并且很可能需
要要 实施进一步的缩减处理实施进一步的缩减处理
巧妙的缩减算法可以将原数据缩减巧妙的缩减算法可以将原数据缩减
数据缩减问题数据缩减问题
限于目前计算机的能力，为了在虚拟环境中限于目前计算机的能力，为了在虚拟环境中
完成较为理想的交互，系统必须在描绘的真完成较为理想的交互，系统必须在描绘的真
实感和必要的刷新率之间进行折中。实感和必要的刷新率之间进行折中。
这样的折中应该考虑系统的具体应用环境和这样的折中应该考虑系统的具体应用环境和
对沉浸感的要求，好在虚拟设计一般对沉浸对沉浸感的要求，好在虚拟设计一般对沉浸
感要求不是太高。感要求不是太高。
适当地进行纹理渲染处理有利于增强图形的适当地进行纹理渲染处理有利于增强图形的
真实感并不增加三角形的数量。真实感并不增加三角形的数量。
实时要求与复杂问题实时要求与复杂问题
处理器计算能力不足、头盔式显示器分处理器计算能力不足、头盔式显示器分
辨率太低、触觉／力量反馈系统能力太辨率太低、触觉／力量反馈系统能力太
差。差。
跟踪系统能够精确跟踪的范围太小，抵跟踪系统能够精确跟踪的范围太小，抵
抗外来干扰的能力不足。抗外来干扰的能力不足。
以上这些硬件问题是虚拟设计系统不能以上这些硬件问题是虚拟设计系统不能
充分发挥其强大功能的主要障碍。充分发挥其强大功能的主要障碍。
硬件方面的问题硬件方面的问题
全球虚拟设计系统对实现异地设计和全球虚拟设计系统对实现异地设计和
异地制造，帮助企业占领全球市场是异地制造，帮助企业占领全球市场是
极其重要的，但目前网络的传输速度极其重要的，但目前网络的传输速度
实在难以满足这样的要求实在难以满足这样的要求
网络传输速度问题网络传输速度问题
虚拟设计技术使人类从虚拟的世界中获得巨大的现实效益
使人类更多的梦想成真
