第五章 虚拟制造技术
• 虚拟现实技术
• 产品的虚拟原型
• 虚拟制造技术
• 虚拟企业
虚拟现实
教学目的和要求：
1、了解虚拟现实的概念；
2、了解虚拟现实的组成及国内
和同外虚拟现实研究的现状。
教学重点：
1、虚拟现实定义；
2、虚拟现实的组成；
3、虚拟现实的应用研究现状；
4、虚拟现实的应用前景。
前言
人类有许多梦想，一些梦想已经变为现实，而有一些梦想也许
永远都不可能实现。然而，有一种技术却能使一切梦想全部在感知
中实现，这就是虚拟现实技术（Virtual Reality，简称VR）。
虚拟现实是在计算机图形学、计算机仿真技术、人机接口技术、
多媒体技术以及传感技术的基础上发展起来的交叉学科，由于它生
成的视觉环境是立体的、音效是立体的，人机交互是和谐友好的，
因此虚拟现实技术将一改人与计算机之间枯燥、生硬和被动的现状，
即计算机创造的环境将人们陶醉在流连忘返的工作环境之中。
虚拟现实（VR）技术是20世纪90年代以来兴起的一种新型信
息技术，它集多媒体、网络技术、传感技术等多种先进技术为一体，
是当今前景最好的计算机技术之一。
几种虚拟现实
虚拟环境
虚拟房间 虚拟汽车 虚拟人
虚拟现实技术的发展
1965年，Sutherland在篇名为《终极的显示》（The Ultimate Display）
的论文中首次提出了包括具有交互图形显示、力反馈设备以及声音
提示的虚拟现实系统的基本思想，从此，人们正式开始了对虚拟现
实系统的研究探索历程。
1970年，出现了第一个功能较齐全的HMD系统。基于从60年代以
来所取得的一系列成就，美国的Jaron Lanier 在80年代初正式提出了
“Virtual Reality”一词。
80年代，美国宇航局（NASA）及美国国防部组织了一系列有关
虚拟现实技术的研究，并取得了令人瞩目的研究成果，从而引起了
人们对虚拟现实技术的广泛关注。1984年，NASA Ames研究中心虚
拟行星探测实验室组织开发了用于火星探测的虚拟环境视觉显示器，
将火星探测器发回的数据输入计算机，为地面研究人员构造了火星
表面的三维虚拟环境。
虚拟现实技术的发展
90年代，迅速发展的计算机硬件技术与不断改进的计算机
软件系统相匹配，使得基于大型数据集合的声音和图象的实时
动画制作成为可能；人机交互系统的设计不断创新，新颖、实
用的输入输出设备不断地进入市场。而这些都为虚拟现实系统
的发展打下了良好的基础。
例如1993年的11月，宇航员利用虚拟现实系统成功地完成
了从航天飞机的运输舱内取出新的望远镜面板的工作，而用虚
拟现实技术设计波音777获得成功，是近年来引起科技界瞩目
的又一件工作。
虚拟现实的定义
虚拟现实外国有时还称为：“信息空间”，“人工现实”，“合成
环境“等，虚拟现实就是一种先进的计算机用户接口，它通过给用
户同时提供诸如视、听、嗅、触等各种直观而又自然的实时感知
交互手段、最大限度地方便用户的操作，从而提高整个系统的工
作效率。关于虚拟现实的定义，我们可以简单地理解为：
利用计算机生成的能给人多种感官刺激的人机交互系统。
两个方面：
第一是计算机生成的虚拟环境必
须是能给人提供多种感觉的感官刺激
的环境，能让人有“沉浸”的感觉，现
在的技术水平，虚拟现实通常由视觉、
听觉和触觉构成。
其二是虚拟现实系统是一种高级
的人机交互系统，因此人机交互是虚
拟现实的核心。
虚拟现实的基本特征
(1)多感知性:
所谓多感知是指除了一般计算机技术所具有的视觉感知之外，
还有听觉感知、力觉感知、触觉感知、运动感知，甚至包括味觉
感知、嗅觉感知等。
(2)沉浸性:
又称临场感，让用户感到作为主角存在于
模拟环境中的真实程度，沉浸被通俗地解释为
“身临其境”。
(3)交互性:
交互性指用户对模拟环境内物体的可操作
程度和从环境得到反馈的自然程度（包括实时性）。
(4)构想性:
虚拟现实技术中人与虚拟环境的交互作用，
在本质上意味着它不是预成性的而是生成性的，
不是因循的而是创造的，
虚拟技术三角形
虚拟现实分类（1）
按照虚拟现实系统功能和实现方式的不同，可以分为三种类型：
（1）沉浸型虚拟现实系统（“可穿戴的”VR系统）
沉浸型虚拟现实系统提供完全沉浸的体验。
它利用头盔式显示器或其它设备，把参与者的
视觉、听觉和其它感觉封闭起来，并提供一个
新的、虚拟的感觉空间，并利用位置跟踪器、
数据手套、其它手控输入设备、声音等使得参
与者产生一种身临其境、全心投入和沉浸其中
的感觉。例如，在消防仿真演习系统中，消防
员会沉浸于极度真实的火灾场景并做出不同反
应。这种系统的优点是用户可完全沉浸到虚拟
世界中去，缺点是系统设备尤其是硬件价格相
对较高，难以大规则普及推广。
虚拟现实分类（2）
（2）简易型虚拟现实系统（桌面VR系统）
桌面虚拟现实利用个人计算机和低级
工作站进行仿真，将计算机的屏幕作为用
户观察虚拟境界的一个窗口。通过各种输
入设备实现与虚拟现实世界的充分交互，
这些外部设备包括立体眼镜、3D控制器使
监视器或者鼠标，追踪球，力矩球等。它
要求参与者使用输入设备，通过计算机屏
幕观察360度范围内的虚拟境界，并操纵
其中的物体，但这时参与者缺少完全的沉
浸，因为它仍然会受到周围现实环境的干
扰。桌面虚拟现实最大特点是缺乏真实的
现实体验，但这种系统的特点是结构简单、
价格低廉，组成灵活，易于普及推广，是
一套经济实用的系统。
虚拟现实分类（3）
（3）共享型虚拟现实系统
（网络虚拟现实，又称为分布式虚拟环境）
是一种基于网络连接的虚拟现实系统，
它是多个用户通过计算机网络连接在一起，
同时参加一个虚拟空间，共同体验虚拟经历，
把虚拟现实则提升到了一个更高的境界，这
就是分布式虚拟现实系统。在分布式虚拟现
实系统中，多个用户可通过网络对同一虚拟
世界进行观察和操作，以达到协同工作的目
的。例如，异地的医科学生，可以通过网络，
对虚拟手术室中的病人进行外科手术。又如
风靡因特网的网络游戏，其实就是共享型虚
拟现实系统的有力表现。众多玩家可以在同
一个虚拟环境中交互式的进行交流、打斗、
组织甚至生存，让虚拟的情节持续发展。
洽谈
讨论
设计
虚拟现实系统的主要技术构成
实时三维图形生成技术、多传感交互技术、高分辨率显示技术.
(1)动态环境建模
动态环境建模技术的目的就是获取实际环境的三维数据，并根
据应用的需要建立相应的虚拟环境模型。
(2)实时三维图形生成技术
三维图形的生成技术已经较为成熟，为了达到实时的目的，至
少要保证图形的刷新频率不低于15帧/秒，最好高于30帧/秒。提
高刷新频率是该技术的主要内容。
(3)立体显示和传感器技术
虚拟现实的交互能力依赖于立体显示和传感器技术的发展，设
备过重、分辨率低、延迟大、有线、跟踪精度低、视场不够宽、
眼睛容易疲劳等，因此有必要开发新的
三维显示技术。
虚拟现实系统的主要技术构成
(4)应用系统开发工具
虚拟现实应用的关键是寻找合适的场合和对象，即如何发挥
想像力和创造性。选择适当的应用对象可以大幅度提高生产效
率，减轻劳动强度，提高产品质量。
(5)系统集成技术
由于VR系统中包括大量的感知信息和模型，因此系统集成技
术起着至关重要的作用。集成技术包括信息的同步技术、模型
的标定技术、数据转换技术、数据管理模型、识别
与合成技术等等。
硬件构成
（1）虚拟现实生成设备：
是一台或多台高性能计算机，是带有图形加速器和
多条图形输出流水线的高性能图形计算机。
（2）感知设备：
感知设备是指将虚拟世界各类感知模型转变为人能
接受的多通道刺激信号的设备。然而，相对成熟的感知
信息和生产和检测技术仅有视觉、听觉和力觉三种通道。
（3）跟踪设备：
跟踪设备用于跟踪并检测位置和方位，实现虚拟现
实系统中人机交互操作。
（4）基于自然方式的人机交互设备：
应用手势、体势、眼神以及自然语言的人机交互设备，
常见的有数据手套、数据衣服、眼球跟踪器及语音综合识
别装置。
虚拟现实系统硬件配置示意图：
几种常用的虚拟现实设备：
高性能图形计算机
环形屏幕
头盔 眼镜
三维显示器 三维鼠标
手套
虚拟现实的应用领域：
（1）用于遥控机器人的遥现技术：
遥现技术是指当实际上在某一个地方时，可以产生在另
一个地方的感觉。
例如，在宇宙空间站的开发计划中，受各种因素的制约，机
器人的遥控遥现技术起了至关重要的作用。
（2）仿真技术
计算机生成的具有沉浸感的环境，它对参与者生成诸如
视觉、听觉、触觉、味觉等各种感官信息，给参与者一种身
临其境的感觉。例如：飞行仿真系统 、与虚拟生物对话 、
作战仿真系统 等。
虚拟现实的应用领域：
（3）对象可视化技术：
在科学研究中对研究数据生成可视化效果以便观察和
研究。例如：虚拟风洞。
（4）虚拟实验室：
在研究工作和学习过程中，总会有许多实验需反复进
行，以期得到不同条件下的不同结果，虚拟实验室能提供
这样一个平台。例如：虚拟物理实验室。
（5）虚拟电力控制室：
使用虚拟现实技术研制辅助设计控制室的系统。使用
该系统可以自由地改变控制室内的配置等室内外环境，以
便从不同方向观察研究控制室情况。
虚拟现实的应用领域：
（6）分布式虚拟现实系统：
分布式虚拟现实系统（DVR）即是一个较为典型的实例。所谓DVR是指一个支
持多人实时通过网络进行交互的软件系统，每个用户在一个虚拟现实环境中，
通过计算机与其它用户进行交互，并共享信息。
（7）扩增实境：
扩增实境是虚拟现实最具实用价值的应用之一。它在真实环境的基础上把虚拟环
境叠加进去，使二者有机结合，产生虚实难辩、亦幻亦真的感觉。例如：当人进
入到一商店购某物时，即可在显示设备上显示此物的价格、性能及各种参数等。
虚拟现实在教育领域的具体应用
虚拟学习环境
虚拟实验室
虚拟实训基地
虚拟仿真校园
虚拟远程教育
虚拟现实在军事领域的具体应用
虚拟战场环境
单兵模拟训练与评判
诸军种联合虚拟演习
进行指挥员训练
虚拟现实在矿业领域的具体应用
模拟矿井开采
矿业人员技术培训
矿井设备的虚拟设计和制造
事故模拟与调查分析
虚拟现实在商业领域的具体应用
物品外观展示
物品特性展示
物品的功能参数
物品的价格
虚拟现实在房地产领域的具体应用
最直观的交流方式
最快捷的审批平台
最方便的设计工具
最先进的营销手段
几个已实现的例子：
1、日本松下公司用来招揽买主的“厨房世界”
2、杭州大学开发的虚拟故官游玩系统
3、美国佐治亚理工学院开发出虚拟动物园的大猩猩系统
4、日本的一家公司设计制造出一个虚拟世界中的歌手
5、宾夕法尼亚大学研究制成虚拟现实人杰克
国外虚拟现实技术的研究现状
（1）美国宇航局（NASA）的Ames实验室完善了HMD，并
将VPL的数据手套工程化，使其成为可用性较高的产品。
NASA研究的重点放在对空间站操纵的实时仿真上，NASA
完成的一项著名的工作是对哈勃太空望远镜的仿真。现在正
致力于一个叫“虚拟行星探索（VPE）”的试验计划。
（2）北卡罗来纳大学（UNC）的计算机系是进行VR研究最
早最著名的大学。他们主要研究：分子建模、航空驾驶、外
科手术仿真、建筑仿真等。
（3）Linda大学医学中心是一所经常从事高难度或者有争
议课题的医学研究单位。他们以数据手套为工具，将手的
运动实时地在计算机上用图形表示出来；他们还首创了VR
儿科治疗法。
国外虚拟现实技术的研究现状
（4）麻省理工大学（MIT）是一个一直走在最新技术前沿
的科学研究机构。
MIT建立了一个名叫BOLIO的测试环境，用于进行不同图
形仿真技术的实验。利用这一环境，MIT建立了一个虚拟
环境下的对象运动跟踪系统。
（5）SRI研究中心建立了“视觉感知计划”，研究现有VR
技术的进一步发展。
1991年后，SRI进行了利用VR技术对军用飞机或车辆驾驶
的训练研究。另外，SRI还利用遥控技术进行外科手术仿真
的研究。
（6）华盛顿大学华盛顿技术中心的人机界面技术实验室
（HIT Lab）在新概念的研究中起着领先作用，同时也在进
行感觉、知觉、认知和运动控制能力的研究。HIT现已将
VR研究引入了教育、设计、娱乐和制造领域。
（7）Dave Sims等人研制出虚拟现实撤退模型来观看系统
如何运作。当前，这一模型已在维加斯的虚拟购物商场中
得以运用。
（8）SOFTIMAGE公司的专家们提出了渗透将有助于扩大
虚拟现实的美学感，这是VR未来的一个发展方向。
（9）伊利诺斯州立大学研制出在车辆设计中，支持远程协
作的分布式VR系统。
不同国家、不同地区的工程师们可以通过计算机网络实时
协作进行设计。在系统中采用了虚拟原型，从而减少了设
计图象和新产品进入市场的时间，而且可
以在新产品生产之前就能对其进行估算和测试，这样就大
大地提高了产品质量。
（10）乔治梅森大学研制出一套在动态虚拟环境中的流体
实时仿真系统，在一个分布交互式仿真系统中仿真真实世
界复杂流体的物理特性。
国内虚拟现实技术的研究现状
（1）北京航空航天大学计算机系是国内最早进行VR研究、最有权威的单位之一，
他们在虚拟现实中的视觉接口方面开发出了部分硬件，并提出了有关算法及实现
方法；实现了分布式虚拟环境网络设计，建立了网上虚拟现实研究论坛。
（2）浙江大学CAD&CG国家重点实验室开发出了一套桌面型虚拟建筑环境实时
漫游系统。另外，他们还研制出了在虚拟环境中一种新的快速漫游算法和一种递
进网格的快速生成算法。
（3）哈尔滨工业大学计算机系已经成功地虚拟出了人的高级行为中特定人脸图
象的合成，表情的合成和唇动的合成等技术问题，并正在研究人说话的头势和手
势动作，语音和语调的同步等。
（4）清华大学计算机科学和技术系对虚拟现实和临场感的方面进行了研究。
他们还针对室内环境水平特征丰富
的特点，提出借助图象变换，使立
体视觉图象中对应水平特征呈现形
状一致性，以利于实现特征匹配，
并获取物体三维结构的新颖算法。
（5）西安交通大学信息工程研究所对虚拟现实中的
关键技术——立体显示技术
进行了研究。他们在借鉴人类视觉特性的基础上提
出了一种基于JPEG标准压缩编码新方案，并获得了
教高的压缩比、信噪比以及解压速度，并且已经通
过实验结果证明了这种方案的优越性。
（6）中国科技开发院威海分院主要研究虚拟现实中
视觉接口技术，完成了虚拟现实中的体视图象对算
法回显及软件接口。他们在硬件开发上已经完成了
LCD红外立体眼镜，并且已经实现商品化。
（7）北方工业大学CAD研究中心是我国最早开展计
算机动画研究的单位之一，中国第一部完全用计算
机动画技术制作的科教片《相似》就出自该中心。
关于虚拟现实的研究已经完成了2个“863”项目，
完成了体视动画的自动生成部分算法与合成软件处
理，完成了VR图象处理与演示系统的多媒体平台及
相关的音频资料库，制作了一些相关的体视动画光
盘。
（8）国防科技大学开发了一个基于Internet 的三维
虚拟漫游环境Universe3D。
（9）另外，西北工业大学CAD/CAM研究中心，上
海交通大学图象处理及模式识别研究所，华东船舶
工业学院计算机系、安徽大学电子工程与信息科学
系等单位也进行了一些研究工作和尝试。
推 荐
观看影片：
1、星战前传3；
2、后天；
3、游戏终结；
4、哈利.波特。
产品的虚拟原型
• 虚拟原型(Virtual Prototyping，VP)是利
用虚拟环境在可视化方面的强大优势以
及可交互地探索虚拟物体的功能，对产
品进行几何、功能、制造等方面的缄默
与分析。
• 一个虚拟原型必须能够反映物理原型的
特性，包括外观、空间关系以及运动学、
动力学等方面。
建立虚拟原型的主要步骤
• 1 从CAD/CAM模型中取出几何模型；
• 2 嵌砌—用多面体和多边形逼近几何模型；
• 3 简化—在不同层面删去不必要的细节；
• 4 虚拟原型编辑—着色、材料特性渲染、
光照渲染等；
• 5特征轮廓粘贴，以更好地表达某些细节；
• 6 增加周围环境和其他要素的几何模型；
• 7 添加操纵功能和性能。
虚拟原型应用实例
• 汽车设计及汽车性能试验
整体架构
场景设计
人－机交互
地形匹配
碰撞检测
实时性技术
• 道路虚拟
• 立交桥虚拟
虚拟试验试车
../Matlab_doc/VR/
• 飞机设计
• 美国波音(Boeing)公司在777新型客机机
型设计过程中，利用VMT和三维模型进
行管道布线等复杂装配过程的模拟获得
成功。
• 美国波音公司投资40亿美元研制波音777
喷气式客机，从1990年10月开始到1994
年6月仅用了3年零8个月时间就完成了研
制，一次试飞成功，投入运营。波音公
司分散在世界各地的技术人员可以从777
客机数以万计的零部件中调出任何一种
在计算机上观察、研究、讨论，所有零
部件均是三维实体模型。可见虚拟产品
设计给企业带来的效益。
虚拟制造技术
• 虚拟制造(VM：Virtual Manufacturing)是对真实
产品制造的动态模拟，是一种在计算机上进行
而不消耗物理资源的模拟制造软件技术。
• 它具有建模和仿真环境，使产品从生产过程、
工艺计划、调度计划、后勤供应以及财会、采
购和管理等一种集成的、综合的制造环境，在
真实产品的制造活动之前，就能预测产品的功
能以及制造系统状态，从而可以作出前瞻性的
决策和优化实施方案。
虚拟制造技术
• 虚拟制造是一种新的制造技术，它以信
息技术、仿真技术和虚拟现实技术为支
持。虚拟制造技术涉及面很广，诸如环
境构成技术、过程特征抽取、元模型、
集成基础结构的体系结构、制造特征数
据集成、多学科交驻功能、决策支持工
具、接口技术、虚拟现实技术、建模与
仿真技术等。
虚拟制造的分类
• 以设计为中心的虚拟制造
为设计师提供设计工具和环境，以
设计出符合标准的产品。
• 以生产为中心的虚拟制造
为工艺工程师提供虚拟的制造车间
现场环境和设备，使其可分析改进生产
计划和生产工艺，验证CNC程序及物流
控制。
虚拟制造的分类
• 以控制为中心的虚拟制造
提供从设计到制造一体化的虚拟环
境，允许评价产品的设计、生产计划和
控制策略，并提供在虚拟过程中改进的
手段。
虚拟制造的体系
• 虚拟加工平台
• 虚拟生产平台
• 虚拟企业平台
虚拟加工平台
• 基于产品技术复合化的产品设计和分析
• 基于仿真的零部件制造设计与分析
• 基于仿真的制造过程碰撞干涉检验
• 材料加工成型仿真
• 产品虚拟装配
虚拟生产平台
• 虚拟生产环境
• 虚拟设备集成
• 虚拟计划与调度
虚拟企业平台
• 虚拟企业协同工作环境
• 基于PDM的虚拟制造平台集成
• 支持虚拟制造的产品数据模型
• 基于产品数据管理PDM的虚拟制造集成
技术
• 基于PDM的产品开发过程集成
虚拟制造的核心技术
• 虚拟现实技术
• 建模技术
• 仿真技术
建模技术
• 虚拟制造系统VMS (Virtual Manufacturing System)
是现实制造系统RMS (Real Manufacturing System)
在虚拟环境下的映射，是RMS的模型化、形式化
和计算机化的抽象描述和表示。VMS的建模应包
括：
• 生产模型
• 产品模型
• 工艺模型
• 生产模型— 可归纳为静态描述和动态描述两个方面。静
态描述是指系统生产能力和生产特性的描述。动态描述
是指在已知系统状态和需求特性的基础上预测产品生产
的全过程。
• 产品模型—是制造过程中，各类实体对象模型的集合。
目前产品模型描述的信息有产品结构明细表、产品形状
特征等静态信息。
• 工艺模型—将工艺参数与影响制造功能的产品设计属性
联系起来。以反应生产模型与产品模型之间的交互作用。
工艺模型必须具备以下功能：计算机工艺仿真、制造数
据表、制造规划、统计模型以及物理和数学模型。
仿真技术
• 仿真就是应用计算机对复杂的现实系统
经过抽象和简化形成系统模型，然后在
分析的基础上运行此模型，从而得到系
统一系列的统计性能。
仿真的基本步骤为：
研究系统→收集数据→建立系统模型→确定仿真算法
→建立仿真模型→运行仿真模型→输出结果并分析
虚拟现实技术
• 虚拟现实技术VRT(Virtual Reality
Technology)
• 虚拟现实技术是在为改善人与计算机的
交互方式，提高计算机可操作性中产生
的，它是综合利用计算机图形系统、各
种显示和控制等接口设备，在计算机上
生成可交互的三维环境(称为虚拟环境)
中提供沉浸感觉的技术。
虚拟企业
• 虚拟企业建立，其中有一条最重要的原因是因
为各企业本身无法单独满足市场需求，迎接市
场挑战。因此，为了快速响应市场的需求，围
绕新产品开发，利用不同地域的现有资源、不
同的企业或不同地点的工厂，重新组织一个新
公司。该公司在运行之前，必须分析组合是否
最优，能否协调运行，并对投产后的风险、利
益分配等进行评估。这种联作公司称为虚拟公
司，或者叫作动态联盟，是一种虚拟企业，它
具有集成性和实效性两大特点的经济实体。
虚拟企业的特征
• ①企业地域分散化。虚拟企业从用户订
货、产品设计、零部件制造，以及总成
装配、销售、经营管理都可以分别由处
在不同地域的企业，按契约互惠互利联
作，进行异地设计、异地制造、异地经
营管理。
虚拟企业的特征
• ②企业组织临时化。虚拟企业是市场多
变的产物。为了适应市场环境的变化，
企业组织结构也要及时反映市场动态，
虚拟企业注重短期利益。当产品方向更
换、联盟伙伴之间利益改变或企业追求
目标变更时，企业要调整组织结构，或
者立即解散，重新再组织新的虚拟企业。
虚拟企业的特征
• ③企业功能不完整化。一个完整的企业，
应具有从企业管理、设计、制造一直到
市场销售、售后服务等完整的全部功能。
但在虚拟企业不需要机构功能完整，它
以各种方式借用外部力量来进行组合和
集成。因为虚拟企业是动态联盟形式，
突破企业的有形界限，利用外部资源加
速实现企业的市场目标。传统的外协加
工是一种原始的虚拟企业行为。
虚拟企业的特征
• ④企业信息共享化。构成虚拟企业的基本条件
之一，就是组成企业伙伴之间的计算机互联网。
根据具体情况，可以是国际互联网，局域网或
企业内部网，及时的沟通信息，包括产品设计、
制造、销售、管理等信息，这些信息是以数据
形式表示，能够分布到不同的计算机环境中，
以实现信息资源共享，保证虚拟企业各部门步
调高度协调，在市场波动条件下，确保企业最
大整体利益。
虚拟企业的主要基础
• 建立在先进制造技术基础上的企业柔
性化；
• 在计算机上制造数字化产品，从概念
设计到最终实现产品整个过程的虚拟
制造；
• 计算机网络技术。
虚拟工厂
