虚拟现实技术的研究与分析 作者：哈飞汽车股份有限公司李自才 摘要：本文主要讨论了虚拟现实技术的概念、组成部件以及原理；重点论述了虚拟设计的方法、意义，阐述了虚拟制造的相关技术等。 关键词：虚拟现实虚拟设计

1 虚拟现实技术 我们所说的虚拟现实就是对现实世界进行的思维时空的模拟，即除了时空外，还包括沉浸式的人机交换界面，这种沉浸式及互动的特点是设计者能够更好地在虚拟空间中观察、处理三维的设计元素，了解各部件的组成，装配的协调性等，并更好地判断和选择，达到最优的设计。

虚拟现实（Virtual Reality），也称VR，虚拟现实技术主要有三个基本特征：自主性（imagination）、交互性（interaction）、沉浸感（immersion）。它是一种可以创建和体验虚拟世界（ Virtual World ）的计算机系统，是用计算机技术生成一个逼真的三维世界，让用户可以从自己的视点出发，利用自然的技能和某些设备对这一生成的虚拟世界物体进行交互和互动观察。这种由计算机生成的互动式仿真环境的特点是：感觉逼真，交互自然，随人的视点及行为而迅速反应。

虚拟现实系统的设备主要由以下几大部分来组成： 主计算机它用来生成虚拟的场景；环绕的立体显示屏幕作为视觉设备（如头盔）；数据手套作为交互的输入设备；分布式的立体声音响作为听觉设备；以及相应的计算机软件等。

“虚拟现实”技术最开始应用在飞机的飞行训练上，它要求系统能随着受训飞行员的不同反应做出相应的模拟响应。由于计算机硬件成本的急剧下降，计算速度的提高以及软件技术的迅速发展，使虚拟现实技术的应用得到了普遍发展。

1.1 虚拟现实中的几个关键设备 (1) 非头盔式（Desk-mounted）系统 这类系统利用计算机将所需要左右眼频道的景像进行处理并投射到普通的显示器上，然后通过特别设计的眼镜将左右眼影像分开显示。它可以提供较高的分辨率，可通过增加眼镜的数量让其他使用者有同步的体验，花费较小，但对观测位置和角度有一定的要求。用于构造此类系统的工具有VRML（Virtual Reality Modeling Language），QuickTimeVR。这两种工具可以把虚拟世界的产品造型发布在互联网上。

(2) 头盔式（Head-mounted）系统 这类系统将用户的个人视点完全沉浸在虚拟环境中，系统包含两个配置在眼前的由头盔支持的微型显示屏，有时需要配置数据手套。此系统可以提供全方位的视野，真实感较强，便于复杂部件的设计。

(3) 感知手套也叫数据手套（Cyber-Grasp） 它最初是由美国海军为遥控机器人研制开发的。现在正逐渐应用在汽车领域上。这种手套上有各种电线和传感器，通过操作者的手做各种精确、微小的牵引动作，使计算机生成的各种零件被感知像真的一样。电脑的指令传给一个能放在桌面或能戴在腰带上的控制器，控制器上的电缆再给出压力及牵引力，使戴感知手套的人“能够感觉到”电脑虚构出来的物品。同时，在电脑屏幕上有一只手正重复操作者手部的动作。这种手套利用力反馈的原理制造的。它的另一产品是（Cyber-Glove），这种产品只能显示位置而没有力反馈的功能。这两种产品在汽车制造上有着重大的作用。它可以用在工人生产前的培训上，工程师可用它设计装配生产线，因为它能确定在生产线建成以前各种零部件是否可以正确容易地装配起来。感知手套也可作为专家的信息反馈，因为它可以显示熟练工人采用的各种技巧。也可用来培训新手及验证产品设计问题，如何将各种油管方便地安装到汽车上或将其从汽车上卸下来等一系列问题。

2 虚拟现实的增强显示 为了在虚拟现实系统中融入强化现实的思想，解决好虚拟现实化和实物虚化的问题，恰到好处地掌握虚实的变化，凸显重点，从而高效率地完成现实世界中无法完成的工作。随着IT 业的迅猛发展，数据库、多媒体、网络、人工智能、计算机图形处理等软件技术的成熟运用，以及相应的硬件技术的发展，都为虚拟现实的增强现实技术提供了可靠的保证。 2.1 虚实结合技术 在产品的虚拟制造过程中，产品所在的虚拟环境往往非常复杂，为了减少建模的工作量，将建模的主要工作集中在虚拟产品的制造上，我们先将产品所在的环境拍照或录像，通过二维图形向三维图形转化算法的研究，将照片或录像转换为特殊场景。这使虚拟制造的工作量大大减少，从而，将注意力集中在虚拟产品的制造上。

2.2 碰撞检测技术 碰撞检测是虚拟设计制造中不可缺少的技术之一。数据库技术是解决碰撞检测的有效途径，即建模过程中建立模型数据库。当模型进行虚拟装配过程时，给出适当小的时间片，在每个时间片末，系统对场景中的所有对象之间的位置关系进行一次检验，如果物体占有的空间发生重叠，那么就认为发生了碰撞。在虚拟装配过程中，对于不合理的结构参数，增强虚拟现实系统应能汇报并提出修改建议。目前，人工智能技术发展比较成熟，将人工智能技术与数据库技术相结合，建立虚拟场景的智能化数据库，该数据库应具有数据查询、数据挖掘、关系数据校验等功能。比较完善的增强虚拟现实系统，可以实时渲染，进行可装配性、干涉、碰撞检测，以虚拟浏览的方式对场景进行观察，通过颜色、透明度、材质、纹理、光照等来真实表现所要设计的产品，这种增强虚拟现实系统具有智能化，可视化，集成化，网络化的功能，对产品的设计提供了自由想象的空间。

3 虚拟环境的设计 虚拟设计是一门新兴的跨学科交叉技术。它涉及多方面的学科与专业制技术，通过以虚拟现实技术为基础，以设计产品为对象，进而把设计人员从传统的键盘和鼠标解放出来，使他们可以通过众多的传感器与多维的信息环境进行交互，并且虚拟设计技术可以大大减少实物模型和样机的制造。

虚拟设计方法产生的由来之一，是由于当前CAD软件技术远远不能适应目前丰富多彩的产品设计任务。现在的CAD 软件距离理论设计要求相差很远，只能说是“二维电子图板”，目前的CAD 软件系统只能根据系统的固定模式帮助设计人员建模，以及分析评价设计方案，但不具有灵活的创造性功能。而在多维空间的设计功能方面还比较弱。 3.1 目前的CAD 软件系统主要存在的缺点 1）键盘及二维鼠标的数据及指令输入方式不自然，缺乏交互功能，设计人员不能从触觉、听觉上来感觉设计产品。 2）软件操作复杂不易掌握，特别对不太熟悉计算机的人尤为困难。专业技术人员必须花费很大精力去学习软件的应用，并且使用时操作繁琐严重影响设计人员的创造思维的发挥。 3）在不需要具体尺寸的概念车的设计时，现行软件三维建模系统难于实现。 4）目前的CAD 软件系统，仍然需要一定的实物模型和样机来验证产品的工作性能，提高产品的成本。

然而，虚拟设计方法与传统CAD 技术有着本质区别，虚拟设计在应用时，能发挥多维空间的设计思想，可考虑到受力、变形分析、装配等或与其它软件集成来进行设计。所以其计算机辅助设计/制造/装配的功能大大增强。另外，虚拟设计还可以利用网络技术、多媒体、远程通信、工程数据库、灵镜技术等实现分布式并行设计。

3.2 虚拟设计所涉及的主要技术 1）虚拟建模； 2）工程学与数据分析； 3）网络的并行设计； 4）参数交互时的可视化。

3.3 虚拟设计关键的科学理论依据 1）全息产品的建模理论和方法； 2）设计过程的规划、集成与功能化； 3）虚拟环境下的人机工程学； 4）产生虚拟环境的工具库、数据库； 5）虚拟环境与设计过程的融合。

3.4 虚拟设计按照配置的档次可分为两大类 一类是基于PC 机的廉价设计系统；另一类是基于工作站的高档产品开发设计系统。虽然分为两类，但工作原理是一样的。基于PC 机设计系统，主要是由于其廉价性，对于小型虚拟设计系统的开发非常适宜，并且它的用户比较广泛，所以具有广阔的市场前景。随着PC 机性能的迅速提高，越来越多的问题完全可以利用PC 机解决，如目前应用较广泛的软件UG、CAXA、Proe 等都是微机版，连工作站应用的软件之一CATIA 也发行了微机版本。但是由于当前机的PC 发展仍不够完善，还很难胜任大型复杂产品的虚拟设计，所以功能强大的高档工作站就被用来进行大型复杂产品的虚拟设计。

3.5 虚拟设计系统按应用的情况分类 虚拟设计是以计算机辅助设计(CAD)为基础，利用虚拟现实技术发展的一种新的设计系统。这种设计系统按应用的情况又可分为：增强的可视化系统和基于虚拟现实的CAD 系统。

(1) 增强的可视化系统 利用现行的CAD 系统进行建模，虚拟环境系统对数据格式进行适当的转换，然后输出虚拟环境。在虚拟环境中利用三维的交互设备（如头盔式显示器、数据手套等）在一个“虚拟”真实的环境中，设计人员对虚拟模型进行多视角的观察。目前投入使用的虚拟设计大多采用增强的可视化系统，这主要是由于基于虚拟环境建模系统的技术还不够完善，而CAD 建模技术比较成熟，所以广泛应用。

(2) 基于虚拟现实的CAD 系统（即虚拟设计系统） 利用这项技术系统，设计人员就可以在虚拟环境中进行建模等设计活动。与纯粹的可视化系统相反，这种系统不再使用传统的二维交互手段进行建模，而是直接进行三维设计。它利用三维的输入设备将相应数据输入，与虚拟环境进行交互。这种系统也支持像语音识别、手势、眼神等，这种系统不需培训即可掌握，普通设计人员稍微熟悉了解使用方法便可以进行产品设计。通过实践验证，这种虚拟设计系统比现行的CAD 系统的设计效率至少提高5~10 倍。目前很多大的汽车公司，在产品设计中都采用了虚拟设计技术，如通用汽车公司、大众汽车公司、福特汽车公司、丰田汽车公司等都运用了这项技术。随着科学技术的不断进步，虚拟设计技术在产品的概念设计、工装夹具设计、装配设计、人机工程学等方面将发挥重大作用。

3.6 基于虚拟现实的CAD 系统结构 3.6.1 虚拟现实环境生成部分