1、系統仿真技術系統仿真技術第第1010章章 虛擬設計虛擬設計陳無畏合肥工業大學機械與汽車工程學院主要內容主要內容一、前一、前 言言二、虛擬產品開發二、虛擬產品開發三、虛擬現實技術三、虛擬現實技術四、虛擬設計技術四、虛擬設計技術五、應用事例五、應用事例一、前一、前 言言0102030405060產品定義產品定義 產品開發產品開發 工藝規劃工藝規劃制造制造檢驗檢驗應用應用成本成本 %避免錯誤、或盡早發現錯誤、盡早修正錯誤避免錯誤、或盡早發現錯誤、盡早修正錯誤設計開發目標設計開發目標75%75%修改源于設計開發修改源于設計開發80%80%修改由制造修改由制造后續階段完成后續階段完成=團隊工作團隊工作=

2、開發過程重組開發過程重組=DFXDFX實現策略實現策略并行工程并行工程虛擬產品開發虛擬產品開發=虛擬產品建模與仿真虛擬產品建模與仿真=虛擬產品開發過程建模與過程仿真虛擬產品開發過程建模與過程仿真二、虛擬產品開發二、虛擬產品開發現實產品開發現實產品開發設計設計評價評價產品產品報報廢廢 品品報報廢廢 品品制造制造原料原料外在因外在因 素變化素變化設備設備廠房廠房人員人員試制試制原料原料設備設備廠房廠房人員人員數據數據/信息信息原料原料設備設備廠房廠房產產品品實際制造實際制造人員人員報廢品報廢品設計設計虛擬樣機虛擬樣機評價評價反反饋饋 信信息息虛擬加工虛擬加工虛擬裝配虛擬裝配虛擬檢測虛擬檢測市場信息

3、市場信息虛擬產品開發虛擬產品開發虛擬產品開發的定義虛擬產品開發的定義 虛擬產品開發技術是以計算機仿虛擬產品開發技術是以計算機仿真和產品生命周期建模為基礎，計算真和產品生命周期建模為基礎，計算機圖形學、人工智能、網絡技術、多機圖形學、人工智能、網絡技術、多媒體技術和虛擬現實技術等在產品開媒體技術和虛擬現實技術等在產品開發（包括產品構思、設計、制造、測發（包括產品構思、設計、制造、測試和分析等）的綜合應用技術。試和分析等）的綜合應用技術。虛擬產品開發過程建模與仿真虛擬產品開發過程建模與仿真虛擬產品開發過程建模與仿真虛擬產品開發過程建模與仿真虛擬產品開發技術的意義虛擬產品開發技術的意義三三、虛擬現實

4、技術、虛擬現實技術何謂虛擬現實何謂虛擬現實什么是虛什么是虛擬現實？擬現實？人類需要用工具來增強、人類需要用工具來增強、延伸、擴大自己的感官、延伸、擴大自己的感官、肢體和大腦的功能肢體和大腦的功能 杠桿、滑輪、千斤頂增強肢體的功能杠桿、滑輪、千斤頂增強肢體的功能望遠鏡、顯微鏡、雷達增強眼睛的功能望遠鏡、顯微鏡、雷達增強眼睛的功能聽診器、助聽器、收音機增強耳朵的功能聽診器、助聽器、收音機增強耳朵的功能計算機、仿真模擬器、精密分析儀器增強大腦的功能。計算機、仿真模擬器、精密分析儀器增強大腦的功能。 這些基本上都只能幫助我們進行單方向的推理。這些基本上都只能幫助我們進行單方向的推理。對于廣泛和復雜的世

5、界，單方向的推理是遠遠不對于廣泛和復雜的世界，單方向的推理是遠遠不夠的。人類盼望著能夠找到夠的。人類盼望著能夠找到 能夠能夠根據研究問題的需要，提供一個具有盡可能逼根據研究問題的需要，提供一個具有盡可能逼真的虛擬對象、虛擬環境的虛擬世界。真的虛擬對象、虛擬環境的虛擬世界。 能夠能夠幫助我們沉浸在這個虛實結合的環境中，身臨幫助我們沉浸在這個虛實結合的環境中，身臨其境地體驗這個虛擬世界中的一切，在這樣的環境其境地體驗這個虛擬世界中的一切，在這樣的環境中研究和分析問題。中研究和分析問題。 能夠靈活地擴大或縮小虛擬世界的時間尺度和空間能夠靈活地擴大或縮小虛擬世界的時間尺度和空間尺度。例如，在數秒鐘內觀

6、察地殼的演變歷程，在尺度。例如，在數秒鐘內觀察地殼的演變歷程，在數分鐘內細細品味子彈穿破玻璃時的精細過程。數分鐘內細細品味子彈穿破玻璃時的精細過程。能夠幫助我們跟這個虛擬世界交流、發生相互作用，能夠幫助我們跟這個虛擬世界交流、發生相互作用，我們不只是能移動和觸摸虛擬世界中的虛擬物體，我們不只是能移動和觸摸虛擬世界中的虛擬物體，還能在虛擬世界的街巷樓宇之間漫游。還能在虛擬世界的街巷樓宇之間漫游。 總之：總之：希望能幫助我們創建一個時域和空域希望能幫助我們創建一個時域和空域可變的虛擬世界，使人能夠可變的虛擬世界，使人能夠：沉浸其中，超越其上，進出自如，交沉浸其中，超越其上，進出自如，交互作用互作用

7、獲得獲得“觀古今于須臾，撫四海于一瞬觀古今于須臾，撫四海于一瞬” ” 的效果。的效果。虛擬現實是用高科技手段構造出來的一虛擬現實是用高科技手段構造出來的一種人工環境，它具有模仿人的視覺、聽種人工環境，它具有模仿人的視覺、聽覺、觸覺等感知功能的能力，具有使人覺、觸覺等感知功能的能力，具有使人可以親身體驗沉浸在這種虛擬環境中并可以親身體驗沉浸在這種虛擬環境中并與之相互作用的能力與之相互作用的能力虛擬現實技術的最終目的是提高人的認虛擬現實技術的最終目的是提高人的認識能力，促進人與環境的交流，更深入識能力，促進人與環境的交流，更深入地開發人類的智慧地開發人類的智慧 這這就是虛擬現實就是虛擬現實虛擬現實

8、：虛擬現實： 虛擬現實技術虛擬現實技術(Virtual Reality, VR) 是一種三維計算機圖形技術與計算機硬件是一種三維計算機圖形技術與計算機硬件技術發展而實現的高級人機交互技術，允技術發展而實現的高級人機交互技術，允許用戶通過視覺、聽覺、觸覺甚至嗅覺和許用戶通過視覺、聽覺、觸覺甚至嗅覺和味覺等多種知覺方式實時地與計算機所建味覺等多種知覺方式實時地與計算機所建造的仿真環境發生相互作用。造的仿真環境發生相互作用。虛擬現實的情景是怎樣生成的？虛擬現實的情景是怎樣生成的？如何生成？如何生成？情景生成要使人能夠產生：情景生成要使人能夠產生： 視覺、聽覺、觸覺、力感、運動視覺、聽覺、觸覺、力感、

9、運動感、味感、嗅感等。感、味感、嗅感等。如何生成這些感覺呢？如何生成這些感覺呢？環境環境生生成成跟蹤系統發射器跟蹤系統發射器頭部跟蹤接收器頭部跟蹤接收器頭盔顯示器頭盔顯示器立體聲耳機立體聲耳機話筒話筒數據手套數據手套跟蹤跟蹤接收器接收器手部手部 3D跟蹤系統跟蹤系統語音識別語音識別 3D聲音處理器聲音處理器虛擬環境數據庫虛擬環境數據庫 圖形處圖形處 理理 器器 主計算機主計算機 虛擬環境虛擬環境 實時操作系統實時操作系統虛擬現實環境：虛擬現實環境：一個典型的虛擬現實環境是由人和一個典型的虛擬現實環境是由人和虛擬現實系統兩大部分組成虛擬現實系統兩大部分組成虛擬現實系統又由三部分構成：虛擬現實系統

10、又由三部分構成： 基于先進傳感器的人機接口基于先進傳感器的人機接口 具有多媒體功能的計算機系統具有多媒體功能的計算機系統 面向虛擬現實的軟件系統面向虛擬現實的軟件系統 虛擬現實系統虛擬現實系統虛擬現實系統虛擬現實系統VRVR硬件硬件計計算算機機VRVR軟軟件件場景顯示系統場景顯示系統觸覺反饋器觸覺反饋器方位跟蹤系統方位跟蹤系統聲音識別系統聲音識別系統操操作作者者機器機器人機接口人機接口在虛擬現實系統中，關鍵之一是：在虛擬現實系統中，關鍵之一是： 如何實現多維信息的輸入和輸出如何實現多維信息的輸入和輸出 如何實現人跟虛擬世界的交互作用如何實現人跟虛擬世界的交互作用最基本的人機接口設備是：最基本的

11、人機接口設備是： 頭盔式顯示器頭盔式顯示器 三維鼠標三維鼠標 數據手套數據手套人機人機接口接口-先進傳先進傳感器技術和產品感器技術和產品頭盔式顯示器的外形很像摩托車駕駛員所佩戴的頭盔，頭盔式顯示器的外形很像摩托車駕駛員所佩戴的頭盔，左右兩眼前是高分辨率的顯示屏。左右兩眼前是高分辨率的顯示屏。當佩戴頭盔式顯示器的用戶頭部發生移動時，利用頭當佩戴頭盔式顯示器的用戶頭部發生移動時，利用頭盔上的方位跟蹤器，就能向計算機報告用戶頭部的方盔上的方位跟蹤器，就能向計算機報告用戶頭部的方位了。如果計算機系統的處理速度足夠快的話，就能位了。如果計算機系統的處理速度足夠快的話，就能向顯示屏提供與頭部方位向顯示屏提

12、供與頭部方位( (準確地說是眼睛所注視的準確地說是眼睛所注視的方位方位) )相一致的圖像相一致的圖像佩戴頭盔的人能隨著頭部的轉動看到一個和頭部方位佩戴頭盔的人能隨著頭部的轉動看到一個和頭部方位相一致的、由計算機所輸出的虛擬世界的圖像，好像相一致的、由計算機所輸出的虛擬世界的圖像，好像是頭轉到哪里就能看到哪里，這樣從視覺上就感覺完是頭轉到哪里就能看到哪里，這樣從視覺上就感覺完全沉浸在這個虛擬世界中全沉浸在這個虛擬世界中頭盔式顯示器頭盔式顯示器頭盔式顯示器頭盔式顯示器頭盔式顯示器頭盔式顯示器頭戴頭戴頭盔式顯示器頭盔式顯示器進入虛擬現實環境進入虛擬現實環境在虛擬環境中最常用的在虛擬環境中最常用的人機

13、接口工具之一是數人機接口工具之一是數據手套。據手套。數據手套通常是一種尼數據手套通常是一種尼龍手套，在每個手指上龍手套，在每個手指上 安裝有相應的彎曲和扭安裝有相應的彎曲和扭曲傳感器。曲傳感器。計算機利用傳感器的信計算機利用傳感器的信息，控制虛擬空間中物息，控制虛擬空間中物體的位置和方向，于是體的位置和方向，于是就產生了人能用自己的就產生了人能用自己的手，去控制虛擬空間中手，去控制虛擬空間中虛擬物體的感覺了虛擬物體的感覺了 數據手套數據手套為了能使戴上數據手為了能使戴上數據手套的手不僅僅能搬動套的手不僅僅能搬動虛擬物體，還能感受虛擬物體，還能感受虛擬物體虛擬物體“應有的應有的”重量和質感，更先

14、進重量和質感，更先進的數據手套還具有觸的數據手套還具有觸覺，最簡單的做法是覺，最簡單的做法是在手套上安裝氣壓式在手套上安裝氣壓式和振動觸感式的反饋和振動觸感式的反饋器。在計算機的控制器。在計算機的控制下，向手套的氣袋充下，向手套的氣袋充 氣時，戴上這種數據氣時，戴上這種數據手套的手就感受到一手套的手就感受到一定的壓力了，用這種定的壓力了，用這種辦法就可以模擬手觸辦法就可以模擬手觸摸真實物體時的感覺摸真實物體時的感覺 數據手套數據手套數據手套數據手套不管是在不管是在頭盔、三頭盔、三維鼠標上，維鼠標上，還是在數還是在數據手據手套套上，上，都需要安都需要安裝能對空裝能對空間位置進間位置進行跟蹤定行跟

15、蹤定位的跟蹤位的跟蹤裝置裝置 基于超聲波原理進行位置和方向的跟蹤，即用三角形基于超聲波原理進行位置和方向的跟蹤，即用三角形法測出位置發送器和接受器之間的相對方位。法測出位置發送器和接受器之間的相對方位。它的優點是工作可靠、價格較低，缺點是分辨率較低、它的優點是工作可靠、價格較低，缺點是分辨率較低、時延較長，而且受回聲的干擾影響較大時延較長，而且受回聲的干擾影響較大 不管是在頭盔、不管是在頭盔、三維鼠標上，還三維鼠標上，還是在數據手是在數據手套套上，上，都需要安裝能對都需要安裝能對空間位置進行跟空間位置進行跟蹤定位的跟蹤裝蹤定位的跟蹤裝置置 基于光學原理的跟蹤器基于光學原理的跟蹤器在固定的位置上

16、在固定的位置上( (例如天花板上例如天花板上) )安裝排列成柵格狀的一組發光二極管，安裝排列成柵格狀的一組發光二極管，在用戶的頭上安裝一個照相機，發光二極管周期性地發光，通過照相在用戶的頭上安裝一個照相機，發光二極管周期性地發光，通過照相機的感光就可測出頭部的位置。機的感光就可測出頭部的位置。它的優點是定位精度較高、時延較短，其缺點是受控的面積受發光二它的優點是定位精度較高、時延較短，其缺點是受控的面積受發光二極管柵格面積的限制，如果要檢測頭部或手部的全方位的轉動就有一極管柵格面積的限制，如果要檢測頭部或手部的全方位的轉動就有一定的困難定的困難 具有多媒體功能的計算機系統具有多媒體功能的計算機

17、系統是虛擬現實系統的基石是虛擬現實系統的基石基于個人計基于個人計算機（算機（PCPC）的虛擬現實的虛擬現實計算機計算機 基于工作站基于工作站的虛擬現實的虛擬現實計算機計算機 在虛擬現實技術中，軟件的主在虛擬現實技術中，軟件的主要功能就是高效地產生與真實要功能就是高效地產生與真實物體形似、質似和神似的虛擬物體形似、質似和神似的虛擬物體和虛擬環境，物體和虛擬環境，“以假亂以假亂真真”，從而取得，從而取得“身臨其境身臨其境”的效果的效果 面向虛擬現實面向虛擬現實的軟件系統的軟件系統“幾何建模幾何建模”就是用許許多多各就是用許許多多各式各樣的多邊形，拼構成所模擬式各樣的多邊形，拼構成所模擬對象的立體外

18、形，這個外形必須對象的立體外形，這個外形必須盡可能地跟所模擬的對象完全一盡可能地跟所模擬的對象完全一致，達到致，達到“形似形似”。形似形似對幾何模型進行紋理、顏色和光照的處理，也就是所對幾何模型進行紋理、顏色和光照的處理，也就是所謂的謂的“物理建模物理建模”，使它看上去具有，使它看上去具有“質感質感”。同樣是一個球，通過這兩種建模，就能分辨出是玻璃同樣是一個球，通過這兩種建模，就能分辨出是玻璃球、塑料球還是棉花球。球、塑料球還是棉花球。為了使虛擬空間內的虛擬對象具有質感，有時還要為為了使虛擬空間內的虛擬對象具有質感，有時還要為對象附加更多的物理屬性。例如：橡皮球具有變形和對象附加更多的物理屬性

19、。例如：橡皮球具有變形和彈性的雙重屬性，玻璃球掉在地上時可能要破碎，而彈性的雙重屬性，玻璃球掉在地上時可能要破碎，而木球就會發生反彈等等。木球就會發生反彈等等。這就是這就是“質似質似”。質似質似最典型的例子就是用簡單的線條描述舞蹈最典型的例子就是用簡單的線條描述舞蹈家的體型及四肢的舞蹈動作，用演員的面家的體型及四肢的舞蹈動作，用演員的面部表情模擬某個卡通形象的面部表情。部表情模擬某個卡通形象的面部表情。寥寥數筆線條與舞蹈家的身材當然相差甚寥寥數筆線條與舞蹈家的身材當然相差甚遠，而動物卡通的一個擬人形象當然不能遠，而動物卡通的一個擬人形象當然不能等同于真人，等同于真人， 但如果我們能從線條的動態

20、但如果我們能從線條的動態變化中分辨出是變化中分辨出是“梁山伯與祝英臺梁山伯與祝英臺”的雙的雙人舞還是人舞還是“天鵝湖天鵝湖”雙人舞，這就達到雙人舞，這就達到“神似神似”神似神似常用的軟件系統：常用的軟件系統：圖形生成環境圖形生成環境Open GL(Open Graphics Library)Open GL(Open Graphics Library)用于創建復雜圖景的虛擬現實的工具包用于創建復雜圖景的虛擬現實的工具包VRTVRT開發虛擬世界的工具集開發虛擬世界的工具集WTK(World Tool Kit)WTK(World Tool Kit)快速生成和觀察虛擬現實系統的快速生成和觀察虛擬現實系

21、統的Quick Time VRQuick Time VR等。等。近來最受用戶歡迎的虛擬現實軟件工具之一是近來最受用戶歡迎的虛擬現實軟件工具之一是MultiGenMultiGen 許多仿真公司和三維圖像處理公司等已經利用許多仿真公司和三維圖像處理公司等已經利用MultiGenMultiGen所提供的工具進行了二次開發，研制出滿所提供的工具進行了二次開發，研制出滿足某個特定領域需要的、成套的開發虛擬現實應用足某個特定領域需要的、成套的開發虛擬現實應用系統的軟件系統的軟件,Vega,Vega就是較成功的一個實例。就是較成功的一個實例。 VegaVega是基于是基于MultiGenMultiGen軟件

22、工具所開發的一套專門軟件工具所開發的一套專門用于實時仿真、可視化環境和虛擬現實系統的軟件用于實時仿真、可視化環境和虛擬現實系統的軟件系統。利用系統。利用VegaVega可以快速地生成一個交互的、三可以快速地生成一個交互的、三維的作戰模擬環境或生產控制環境。維的作戰模擬環境或生產控制環境。VegaVega提供了建立快速原型系統、圖形編輯、系統提供了建立快速原型系統、圖形編輯、系統構成所需的工具，還能提供內容豐富的三維模型庫構成所需的工具，還能提供內容豐富的三維模型庫和功能強大的虛擬現實環境和功能強大的虛擬現實環境 通過通過VegaVega生成的作戰模擬的場景圖，其生成的作戰模擬的場景圖，其中甚至

23、包括了火光、煙霧和云彩中甚至包括了火光、煙霧和云彩 美國波土頓動力學公司美國波土頓動力學公司(BDI(BDI，Boston Dynamics Boston Dynamics lnclnc) )開發一個名為開發一個名為DI-GuyDI-Guy的虛擬現實軟件工具。的虛擬現實軟件工具。 DI-GuyDI-Guy在虛擬現實中的應用分為三類：在虛擬現實中的應用分為三類：即沉浸式的訓練即沉浸式的訓練(Immersive Training)(Immersive Training)系統、交互系統、交互式的訓練式的訓練(Interactive Training)(Interactive Training)系統和

24、可視化想定系統和可視化想定(Scenario Visualization)(Scenario Visualization)系統。系統。 不論是哪一類虛擬現實應用系統，在不論是哪一類虛擬現實應用系統，在DI-GuyDI-Guy的支的支持下，系統開發者都能用一些很簡單的命令，自持下，系統開發者都能用一些很簡單的命令，自動地對虛擬物體、虛擬人物、虛擬場景賦予某種動地對虛擬物體、虛擬人物、虛擬場景賦予某種“仿生仿生”的特征的特征 仿戰士仿戰士: :能逼真地重現一個訓練有素的戰士的動作和姿態；能逼真地重現一個訓練有素的戰士的動作和姿態；仿男人仿男人: :有男子漢的剛勁有力；有男子漢的剛勁有力；仿女人：有

25、女人的婀娜多姿；仿女人：有女人的婀娜多姿；仿運動員：就能分清體操、跑步、壘球、足球、仿運動員：就能分清體操、跑步、壘球、足球、排球、籃球運動員的不同的體型和節奏；排球、籃球運動員的不同的體型和節奏；仿現場：就能產生煙霧、火光、云霧的效果。仿現場：就能產生煙霧、火光、云霧的效果。 DI-GuyDI-Guy軟件所產生的軟件所產生的單兵作戰動作單兵作戰動作 穿不同的軍裝；攜帶不同穿不同的軍裝；攜帶不同的武器；做著各種不同的的武器；做著各種不同的動作動作 運動員翻騰運動員翻騰跳躍跳躍 球場上激烈競爭球場上激烈競爭 虛擬現實技術的新進展虛擬現實技術的新進展 具有寬視野具有寬視野的立體眼鏡的立體眼鏡虛擬現

26、實技術的新進展虛擬現實技術的新進展 美國的美國的SGISGI公司推出了名公司推出了名為為DataVlsorDataVlsor 80 80的頭盔式的頭盔式顯示器。這是一種寬視野、顯示器。這是一種寬視野、高分辨率的頭盔式顯示器。高分辨率的頭盔式顯示器。顯示部分是采用顯示部分是采用1 1英寸的英寸的陰極射線管，能得到陰極射線管，能得到2424位位的全彩色圖像。其垂直視的全彩色圖像。其垂直視野可達野可達8080度度，水平視野可水平視野可達達120120度，度， 分辨率可達分辨率可達12801280l024l024，用戶佩戴這用戶佩戴這種頭盔式顯示器后，種頭盔式顯示器后， 能獲能獲得較好的沉浸感得較好的

27、沉浸感, ,整個頭盔整個頭盔重約重約2kg2kg .虛擬現實技術的新進展虛擬現實技術的新進展 SGISGI公司提供了一種類似雙公司提供了一種類似雙簡望遠鏡式的手持式顯示簡望遠鏡式的手持式顯示器。為了能使顯示器中的器。為了能使顯示器中的圖像隨著人的頭部的方位圖像隨著人的頭部的方位發生變化，所以在顯示器發生變化，所以在顯示器上也安裝上也安裝 有方位跟蹤裝置。有方位跟蹤裝置。由于是手持的，調整方位由于是手持的，調整方位十分方便，視野小些，也十分方便，視野小些，也不妨礙用戶觀看全景。這不妨礙用戶觀看全景。這個顯示器的分辨率為個顯示器的分辨率為 640640480480和和128012801024102

28、4兩兩種，能產生種，能產生2424位彩色圖像位彩色圖像 最常見的三維鼠標有兩種最常見的三維鼠標有兩種跟蹤球跟蹤球( (trackLtrackL，a11)a11)三維空間探針三維空間探針三維三維鼠鼠標標虛擬現實技術的新進展虛擬現實技術的新進展 跟蹤球跟蹤球跟蹤球的中心是固定跟蹤球的中心是固定的，并有一個活動的的，并有一個活動的外層，裝有外層，裝有6 6個發光二個發光二極管和相應的極管和相應的6 6個光傳個光傳感器。感器。當使用者用手對該球當使用者用手對該球的外層施加力和力矩的外層施加力和力矩時，根據時，根據“彈簧變形彈簧變形”規則，就可通過規則，就可通過6 6個光個光傳感器測出傳感器測出3 3個

29、力和個力和3 3個力矩的信息，傳輸個力矩的信息，傳輸給計算機后求出虛擬給計算機后求出虛擬空間中某物體的位置空間中某物體的位置和方向和方向虛擬現實技術的新進展虛擬現實技術的新進展 三維空間探針是三維空間探針是安裝在一個固定安裝在一個固定的基座上，具有的基座上，具有6 6個關節的機械臂。個關節的機械臂。在每個關節上裝在每個關節上裝有傳感器，計算有傳感器，計算機接收傳感器的機接收傳感器的信息，并計算出信息，并計算出在虛擬空間的物在虛擬空間的物體的位置和方向體的位置和方向 三維空間探針三維空間探針虛擬現實技術的新進展虛擬現實技術的新進展 虛擬現實技術的新進展虛擬現實技術的新進展 多人多人共享的沉浸式系

30、統共享的沉浸式系統虛擬現實技術的新進展虛擬現實技術的新進展 大大屏幕顯示系統可以滿足數十屏幕顯示系統可以滿足數十人、幾百人同時觀看人、幾百人同時觀看虛擬現實技術的新進展虛擬現實技術的新進展 手控式高分辨率手控式高分辨率CRTCRT顯示器顯示器 虛擬現實技術的新進展虛擬現實技術的新進展 觀察者只需佩戴一個非常輕巧的眼鏡，效觀察者只需佩戴一個非常輕巧的眼鏡，效果較好：從視覺效果上可以達到果較好：從視覺效果上可以達到120120度的度的寬闊視野；具有很高的分辨率，可以形成寬闊視野；具有很高的分辨率，可以形成10241024線、每線具有線、每線具有12801280像素的光柵，并像素的光柵，并且按且按7

31、2HZ72HZ的頻率進行更新，因此幾乎和的頻率進行更新，因此幾乎和人眼的分辨率一致。它還可以得到全色圖人眼的分辨率一致。它還可以得到全色圖像和足夠的亮度，即使在戶外觀看也無影像和足夠的亮度，即使在戶外觀看也無影響。如果對兩只眼睛分別產生兩幅有一定響。如果對兩只眼睛分別產生兩幅有一定視點差異的圖像，就可產生三維立體圖像視點差異的圖像，就可產生三維立體圖像的效果。必要時，它可以在原來視網膜上的效果。必要時，它可以在原來視網膜上已經有的真實世界的圖像上疊加上所產生已經有的真實世界的圖像上疊加上所產生的虛擬圖像，取得了虛實結合的效果。雖的虛擬圖像，取得了虛實結合的效果。雖然這種虛擬視網膜顯示裝置才剛剛

32、誕生，然這種虛擬視網膜顯示裝置才剛剛誕生，但已顯示出很大的應用潛力。但已顯示出很大的應用潛力。 虛擬視網膜顯示器虛擬視網膜顯示器通過各種各樣的顯示系統，人們能夠親眼看見虛通過各種各樣的顯示系統，人們能夠親眼看見虛擬空間中的虛擬物體和虛擬景象，可以在一定程擬空間中的虛擬物體和虛擬景象，可以在一定程度上能夠得到身臨其境的感覺。度上能夠得到身臨其境的感覺。人們并不滿足這種人們并不滿足這種“只能看、不能摸、不能碰只能看、不能摸、不能碰”的局面。的局面。人們如何去搬動虛擬空間的一張虛擬桌子呢人們如何去搬動虛擬空間的一張虛擬桌子呢? ?如何如何能用一塊虛擬的木板壓扁一個虛擬的氣球呢能用一塊虛擬的木板壓扁一

33、個虛擬的氣球呢? ?如何如何實現用自己的手去掂量一下虛擬石頭的重量？實現用自己的手去掂量一下虛擬石頭的重量？虛擬現實技術的新進展虛擬現實技術的新進展 觸覺和力反饋的裝置觸覺和力反饋的裝置 虛擬空間的虛擬物體僅僅是一個計算機生成的三維圖像，虛擬空間的虛擬物體僅僅是一個計算機生成的三維圖像，它無真正的重量、無實在的質地，只是一個它無真正的重量、無實在的質地，只是一個“虛幻的虛幻的”圖圖像。像。它的手指、手腕或手臂上的控制機構和執行機構，并通過它的手指、手腕或手臂上的控制機構和執行機構，并通過“某種算法某種算法”，產生與人觸摸到真實物體時同樣的刺激或，產生與人觸摸到真實物體時同樣的刺激或反饋，用戶就

34、得到如同觸摸、搬動一個真實物體一樣的感反饋，用戶就得到如同觸摸、搬動一個真實物體一樣的感受。當計算機賦予這個圖像某些屬性數據，例如幾何學屬受。當計算機賦予這個圖像某些屬性數據，例如幾何學屬性、材料質地屬性、動力學屬性以及運動學屬性等時，我性、材料質地屬性、動力學屬性以及運動學屬性等時，我們可以用們可以用“某種辦法某種辦法”，通過，通過“某種設備某種設備”，觸模到這個，觸模到這個虛擬物體，計算機系統能夠及時地把這些屬性數據傳送給虛擬物體，計算機系統能夠及時地把這些屬性數據傳送給用戶用戶虛擬現實技術的新進展虛擬現實技術的新進展 觸覺和力反饋的裝置觸覺和力反饋的裝置 虛擬現實技術的新進展虛擬現實技術

35、的新進展 觸覺和力反饋觸覺和力反饋的裝置的裝置 三維探針三維探針: :用手操縱探針的把手，用手操縱探針的把手，用探針尖去觸碰虛擬用探針尖去觸碰虛擬物體，計算機把虛擬物體，計算機把虛擬物體的屬性數據反饋物體的屬性數據反饋給探針把手，使人感給探針把手，使人感受到虛擬物體的某些受到虛擬物體的某些屬性屬性 手指卡箍手指卡箍: :卡箍與連桿及卡箍與連桿及馬達相連，戴馬達相連，戴上卡箍去觸摸、上卡箍去觸摸、旋轉或搬動虛旋轉或搬動虛擬物體時，擬物體時， 計計算機能把這個算機能把這個虛擬物體的某虛擬物體的某些屬性數據反些屬性數據反饋給馬達，通饋給馬達，通過連桿作用在過連桿作用在卡箍上，使人卡箍上，使人獲得觸感

36、和力獲得觸感和力感感 一個一個Virtual Workbench的工作平臺的工作平臺虛擬現實技術的新進展虛擬現實技術的新進展 虛擬現實技術應用虛擬現實技術應用虛擬現實與教育、培訓虛擬現實與教育、培訓虛擬現實在其它領域的應用虛擬現實在其它領域的應用虛擬現實與文化娛樂虛擬現實與文化娛樂虛擬現實與制造虛擬現實與制造將將VRVR技術應用于教育可以使學生能技術應用于教育可以使學生能夠游覽海底、遨游太空、觀摩歷史夠游覽海底、遨游太空、觀摩歷史城堡，甚至深入原子內部觀察電子城堡，甚至深入原子內部觀察電子的運動軌跡和體驗愛因斯坦的相對的運動軌跡和體驗愛因斯坦的相對論世界，從而更形象地獲取知識，論世界，從而更形

37、象地獲取知識，激發思維。激發思維。虛擬現實與教育、培訓虛擬現實與教育、培訓VRVR技術在文化、娛樂領域有著極其技術在文化、娛樂領域有著極其廣泛的應用。第一個大規模的廣泛的應用。第一個大規模的VRVR娛娛樂系統樂系統“Battle Tech”Battle Tech”，將每個將每個“座艙座艙”仿真器連網進行組之間的仿真器連網進行組之間的對抗，對抗，3 3維逼真視景、游戲桿、油門、維逼真視景、游戲桿、油門、剎車和受到打擊時的晃動給用戶很剎車和受到打擊時的晃動給用戶很強的感官刺激。強的感官刺激。 虛擬現實與文化娛樂虛擬現實與文化娛樂虛擬現實與虛擬現實與文化文化娛樂娛樂基于高速網絡和虛擬現實技術的基于高

38、速網絡和虛擬現實技術的“虛擬美國國家藝虛擬美國國家藝術術 館館”能使任何一個在計算機網上工作的人，都能能使任何一個在計算機網上工作的人，都能遠距離地參觀藝術館，不僅僅使參觀者能盡興地仔遠距離地參觀藝術館，不僅僅使參觀者能盡興地仔細欣賞展品，獲得身臨其境的感受，并且還可以參細欣賞展品，獲得身臨其境的感受，并且還可以參加培訓中心或研究中心，獲得更多的知識。加培訓中心或研究中心，獲得更多的知識。 當您進入當您進入“虛擬美國國家藝術館虛擬美國國家藝術館”時，您可根據自時，您可根據自己的愛好選擇攝影、雕塑、民間藝術、繪畫、風景己的愛好選擇攝影、雕塑、民間藝術、繪畫、風景畫、肖像畫、微型藝術品、抽象畫、城

39、市景色、美畫、肖像畫、微型藝術品、抽象畫、城市景色、美國西部風光、美洲土著居民文化藝術、宗教藝術、國西部風光、美洲土著居民文化藝術、宗教藝術、兒童藝術、體育運動和動物藝術等選項。兒童藝術、體育運動和動物藝術等選項。 虛擬現實與虛擬現實與文化文化娛樂娛樂馴馬馴馬羅馬女神羅馬女神籬安娜籬安娜 虛擬現實與虛擬現實與文化文化娛樂娛樂黃石公園山泉的奔騰黃石公園山泉的奔騰黃石公園大峽谷的雄渾黃石公園大峽谷的雄渾內華達叢嶺的峻峭內華達叢嶺的峻峭虛擬現實與虛擬現實與文化文化娛樂娛樂可愛和美可愛和美的女神維的女神維納斯雕像納斯雕像 蒙娜麗沙蒙娜麗沙畫像畫像虛擬現實技術在制造業中的應用：虛擬現實技術在制造業中的應

40、用：利用虛擬樣機在產品實際加工之前對其性能、可制造性進利用虛擬樣機在產品實際加工之前對其性能、可制造性進行評價，同時對制造全過程仿真，將制造過程可能發生的行評價，同時對制造全過程仿真，將制造過程可能發生的問題提前到設計階段處理，以達到產品生產的最優目標。問題提前到設計階段處理，以達到產品生產的最優目標。波音波音777777飛機的設計是虛擬原型機的應用典型實例，這是飛飛機的設計是虛擬原型機的應用典型實例，這是飛機設計史上第一次在設計過程中沒有采用實物模型。波音機設計史上第一次在設計過程中沒有采用實物模型。波音777777由由300300萬個零件組成，所有的設計在一個由數百臺工作萬個零件組成，所有

41、的設計在一個由數百臺工作站組成的虛擬環境中進行。站組成的虛擬環境中進行。設計師戴上頭盔顯示器后，可以穿行于設計中的虛擬設計師戴上頭盔顯示器后，可以穿行于設計中的虛擬“飛飛機機”，審視，審視“飛機飛機”的各項設計指標。的各項設計指標。 虛擬現實與制造虛擬現實與制造四、虛擬設計技術四、虛擬設計技術及其應用及其應用虛擬產品設計虛擬產品設計 虛擬產品設計是以虛擬現實虛擬產品設計是以虛擬現實技術為基礎，實現產品或工程設技術為基礎，實現產品或工程設計與評價分析的技術，是新一代計與評價分析的技術，是新一代的計算機輔助設計技術。的計算機輔助設計技術。虛擬產品設計技術的應用虛擬產品設計技術的應用形狀設計形狀設計

42、裝配設計裝配設計工程設計工程設計虛擬形狀設計虛擬形狀設計對于對于規則形體規則形體，可以，可以采用語音識別、手勢采用語音識別、手勢跟蹤的交互系統實現跟蹤的交互系統實現實體生成、尺寸更改實體生成、尺寸更改、形狀變更、實體變、形狀變更、實體變換（移動、旋轉等）換（移動、旋轉等），從而完成形體設計，從而完成形體設計虛擬形狀設計虛擬形狀設計單獨使用語音命令單獨使用語音命令“產生高產生高20mm、長長100mm、寬、寬50mm的長方體的長方體”“放置對象于放置對象于X=10、Y=10、Z=20處處”“將對象沿將對象沿X移動移動10mm”語音與手勢合用語音與手勢合用指著對象，指著對象，“選擇選擇”確定雙手間

43、距，確定雙手間距，“長度這么長長度這么長”“改變長度改變長度”，作手勢，作手勢虛擬形狀設計虛擬形狀設計對于自由曲面，主要采用手勢和對于自由曲面，主要采用手勢和虛擬工具，完成曲面設計。虛擬工具，完成曲面設計。虛擬形狀設計虛擬形狀設計單獨使用手勢單獨使用手勢手勢比劃手勢比劃虛擬工具虛擬工具虛擬油泥建模虛擬油泥建模(Virtual Clay Modeling)：允許工業造型技術人員以類似于傳統的允許工業造型技術人員以類似于傳統的手工設計方式（刮、削、掃、抹等）制手工設計方式（刮、削、掃、抹等）制作出隨心所欲的模型作出隨心所欲的模型虛擬裝配設計虛擬裝配設計設計人員可以利用手套或其它設備根據經驗裝配或拆

44、卸設計人員可以利用手套或其它設備根據經驗裝配或拆卸零件，在虛擬環境中使用各種裝配工具對產品的裝配性零件，在虛擬環境中使用各種裝配工具對產品的裝配性進行分析，而且可以產生裝配規劃進行分析，而且可以產生裝配規劃虛擬工程設計虛擬工程設計 對于生產線、廠房車間、對于生產線、廠房車間、地鐵等大型工程設計，虛擬地鐵等大型工程設計，虛擬設計技術提供對設計方案評設計技術提供對設計方案評價的非常直觀的手段價的非常直觀的手段虛擬廠房虛擬廠房虛擬生產線虛擬生產線虛擬工程虛擬工程虛擬設計、制造軟件虛擬設計、制造軟件系統名稱系統名稱出品公司名稱出品公司名稱主要模塊主要模塊主要功能主要功能 Deneb 美國美國Deneb

45、Deneb Robotics Robotics公司公司EnvisionQuestVirtualNCAssemblyERGO虛擬樣機設計分析、虛擬虛擬樣機設計分析、虛擬環境漫游、離散事件仿真環境漫游、離散事件仿真、加工過程仿真、虛擬裝、加工過程仿真、虛擬裝配和拆卸仿真、人體建模配和拆卸仿真、人體建模與分析與分析 dVISE 英國英國Division公司公司dv/WebFlydv/Playerdv/Reviewdv/Mock-Updv/Reality實時網上信息瀏覽實時網上信息瀏覽虛擬樣機虛擬樣機裝配拆卸仿真裝配拆卸仿真WorldToolKit美國美國Sense8 公司公司WorldUp實時交互虛擬環境建立實時交互虛擬環境建立 EAI美國美國Engin