產(chǎn)品虛擬設計技術概述課件

第七章產(chǎn)品虛擬設計技術虛擬現(xiàn)實概述虛擬現(xiàn)實硬件基礎虛擬現(xiàn)實軟件技術虛擬設計中的建模技術虛擬設計與虛擬制造計算機觸覺與CAD第七章產(chǎn)品虛擬設計技術虛擬現(xiàn)實概述虛擬現(xiàn)實硬件第一節(jié)虛擬現(xiàn)實概述虛擬現(xiàn)實是當代信息科學的前沿研究領域，它綜合運用計算機圖形學，計算機視覺，心理學，傳感器等多方面技術，在計算機中營造一個虛擬的環(huán)境，通過實時的，立體的三維圖形顯示、聲音模擬、自然的人機交互界面來仿真現(xiàn)實世界中早已發(fā)生、正在發(fā)生或尚未發(fā)生的事件，并使用戶產(chǎn)生身臨其境的真實感覺。一、虛擬現(xiàn)實的概念第一節(jié)虛擬現(xiàn)實概述虛擬現(xiàn)實是當代信息科學的前沿研究領2二、虛擬現(xiàn)實技術的發(fā)展歷史VirtualReality80年代中期1972年1965年1929年美國宇航局NASA的Ames研究中心利用液晶顯示器和其他零部件開始研制低成本的虛擬現(xiàn)實設備NolanBushnell開發(fā)了一種電子游戲，允許通過電視屏幕操縱一個彈跳的乒乓球IvanSutherland設計了一種頭戴式圖形顯示器EdwinLink設計了一種飛行模擬器二、虛擬現(xiàn)實技術的發(fā)展歷史VirtualReality803三、虛擬現(xiàn)實的特征沉浸感自主性交互性計算機生成的虛擬世界能給人一種身臨其境的感覺，如同進入了一個真實的客觀世界在虛擬環(huán)境中，操作者能夠對虛擬環(huán)境中的事物進行操作，并且操作的結果能被操作者所感知在虛擬環(huán)境中，對象的行為是自主的是由程序自動完成的三、虛擬現(xiàn)實的特征沉浸感自主性交互性計算機生成的在虛擬環(huán)境中4虛擬現(xiàn)實的三I圖Immersion(沉浸）Interaction（交互）Imagination(想象）虛擬現(xiàn)實的三I圖Immersion(沉浸）Interac5BECDA交互作用（Interaction）視覺(VisualPerception)聽覺(AcousticPerception)觸覺(HapticPerception)嗅覺（OlfactoryPerception）四、虛擬現(xiàn)實的組成虛擬現(xiàn)實的組成BECDA交互作用視覺聽覺觸覺嗅覺四、虛擬現(xiàn)實的組成虛擬現(xiàn)實6工程應用：汽車制造業(yè)、飛行仿真、虛擬實驗醫(yī)學領域：外科手術、訓練與預演教育培訓領域：建筑工程學、考古學、導游培訓等軍事應用：步兵訓練系統(tǒng)、作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)五、虛擬現(xiàn)實的應用領域工程應用：汽車制造業(yè)、飛行仿真、虛擬實驗醫(yī)學領域：外科手術、7六、虛擬現(xiàn)實技術的分類桌面虛擬現(xiàn)實：利用個人計算機和低級工作站進行仿真，將計算機的屏幕作為用戶觀察虛擬境界的一個窗口。包括一切與之有關的具有自然模擬、逼真體驗的技術與方法沉浸的虛擬現(xiàn)實：高級虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)提供完全沉浸的體驗，使用戶有一種置身于虛擬境界之中的感覺。增強現(xiàn)實性的虛擬現(xiàn)實：利用增強現(xiàn)實性的虛擬現(xiàn)實來增強參與者對真實環(huán)境的感受，也就是增強現(xiàn)實中無法感知或不方便的感受。分布式虛擬現(xiàn)實：在分布式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中，多個用戶可通過網(wǎng)絡對同一虛擬世界進行觀察和操作，以達到協(xié)同工作的目的。六、虛擬現(xiàn)實技術的分類桌面虛擬現(xiàn)實：利用個人計算機和低級工8七、虛擬現(xiàn)實技術發(fā)展趨勢動態(tài)環(huán)境建模技術VR技術的核心內容，其目的是獲取實際環(huán)境的三維數(shù)據(jù)，根據(jù)需要建立相應的虛擬環(huán)境模型實時三維圖形生成和顯示技術在不降低圖形的質量和復雜程度的前提下，如何提高刷新頻率新型交互 設備的研制新型、便宜、優(yōu)良的數(shù)據(jù)手套和數(shù)據(jù)服將成為未來研究的重要方向對模型的屬性、方法和一般特點的描述通過語音識別技術轉化成建模所需的數(shù)據(jù)智能化語音虛擬現(xiàn)實建模大型網(wǎng)絡分布式應用將分散的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)通過網(wǎng)絡聯(lián)結，采用協(xié)議和數(shù)據(jù)庫，形成一個在時空上互相耦合的虛擬、合成環(huán)境，參與者可自由地進行交互七、虛擬現(xiàn)實技術發(fā)展趨勢動態(tài)環(huán)境VR技術的核實時三維在不降低9第二節(jié)虛擬現(xiàn)實硬件基礎傳感手套三維鼠標數(shù)據(jù)衣觸覺與力反饋的裝置虛擬現(xiàn)實硬件基礎3D位置跟蹤器立體顯示設備3D聲音生成器一、虛擬現(xiàn)實硬件基礎第二節(jié)虛擬現(xiàn)實硬件基礎傳感手套三維鼠標數(shù)據(jù)衣觸覺與力反饋10幾種常見的數(shù)據(jù)手套幾種常見的數(shù)據(jù)手套11幾種3D鼠標幾種3D鼠標12幾種立體顯示設備立體眼鏡立體投影設備三維顯示器頭盔式顯示器幾種立體顯示設備立體眼鏡立體投影設備三維顯示器頭盔式顯示器13視線位置跟蹤器力反饋系統(tǒng)空間交互球立體顯示器視線位置跟蹤器力反饋系統(tǒng)空間交互球立體顯示器14二、虛擬現(xiàn)實硬件系統(tǒng)結構人位置傳感器頭盔顯示器立體聲耳機數(shù)據(jù)手套硬件層位置信息聲音實時生成觸覺實時生成圖形實時生成與渲染軟件層二、虛擬現(xiàn)實硬件系統(tǒng)結構人位置傳感器頭盔顯示器立體聲耳機數(shù)15第三節(jié)虛擬現(xiàn)實軟件技術語言類：如C＋＋、OpenGL、VRML、OGRE等1虛擬環(huán)境中采用的軟件有四類：2建模軟件類：如AutoCAD、Pro/Engineer、CATIA等3應用軟件類：指用戶自己的各種需求，選擇或者開發(fā)的自用軟件4通用的商用工具軟件包：幫助用戶建立虛擬環(huán)境的通用和基本軟件第三節(jié)虛擬現(xiàn)實軟件技術語言類：1虛擬環(huán)境中采用的軟件16一、VRML概述VRML（VirtualRealityModelingLanguage)是描述虛擬環(huán)境中場景的一種標準，利用它可以在Internet上建立交互式的三維多媒體的境界。VRML本質上是一種用于造型的腳本語言，與目前比較成熟的造型軟件如AutoCAD、3DMAX等相比，其最大特色是實時渲染。使用已有的造型軟件可以制作出極為豐富的三維效果，但不能實時渲染和實時交互，只能預渲染后，以一種旁觀者的身份觀看渲染效果，而不能以參與者的身份參與到虛擬環(huán)境中。一、VRML概述VRML（VirtualRea17二、WTK概述WTK（WorldToolKit）是由Sense8公司開發(fā)的一種虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)高級跨平臺開發(fā)環(huán)境。WTK提供一系列WTK函數(shù)，用戶可以調用這些函數(shù)來構造虛擬世界。WTK提供超過1000個C語言寫的函數(shù)庫，使用戶能夠方便地應用面向對象的原理，很快地生成虛擬環(huán)境中的復雜場景，快速開發(fā)新的虛擬現(xiàn)實應用系統(tǒng)。一個函數(shù)調用能夠代替成百上千行C代碼，極大地縮短了開發(fā)時間。WTK構造的虛擬世界可以組合各種具有真實感特性與行為的對象。WTK支持20多種3D輸入設備，它還提供了外設驅動程序開發(fā)接口和指南，有利于用戶開發(fā)自己的三維外設。二、WTK概述WTK（WorldToolKi18第四節(jié)虛擬設計中的建模技術虛擬設計中的建模技術有：幾何建?；谔卣鞯慕；谔卣鞯膮?shù)化建模幾何建模用計算機及其圖形工具描述幾何物體的形狀、設計幾何形體模擬物體動態(tài)處理過程特征建模將特征技術引入產(chǎn)品設計中，用具有更高一層次的具有工程意義的特征體素來描述零件?；谔卣鞯膮?shù)化建模將特征造型技術與參數(shù)化技術有機地結合起來，實現(xiàn)對多種設計方式和設計形式的支持。第四節(jié)虛擬設計中的建模技術虛擬設計中的建模技術有：幾何19第五章虛擬設計與虛擬制造一、虛擬設計系統(tǒng)的總體結構在產(chǎn)品并行開發(fā)模式下，在產(chǎn)品設計階段就可以考慮和模擬產(chǎn)品零部件制造，產(chǎn)品裝配及產(chǎn)品的運行維護等產(chǎn)品開發(fā)的整個過程，多領域的工程師對產(chǎn)品進行完善，根據(jù)對虛擬設計系統(tǒng)功能的描敘，創(chuàng)建基本結構，其中包括：虛擬設計環(huán)境系統(tǒng)的模型處理

虛擬裝配運行過程仿真

產(chǎn)品開發(fā)過程管理虛擬設計系統(tǒng)第五章虛擬設計與虛擬制造一、虛擬設計系統(tǒng)的總體結構201、虛擬系統(tǒng)機構示意圖CAD軟件裝配仿真模型處理評價設計開發(fā)管理網(wǎng)絡支持虛擬環(huán)境制造模擬運行仿真1、虛擬系統(tǒng)機構示意圖CAD軟件裝配仿真模型處理評價設計開發(fā)212、各模塊的功用和相互之間的關系產(chǎn)品開發(fā)管理模塊為整個虛擬設計過程提供支持。模型處理模塊實現(xiàn)虛擬設計系統(tǒng)和CAD軟件間的數(shù)據(jù)轉換。在CAD軟件環(huán)境中建立虛擬設計場景，完成產(chǎn)品建模，提供模型的交互操作，對模型在場景中的運動作實時的碰撞檢測，并且對模型進行數(shù)據(jù)的提取和保存。在完成產(chǎn)品設計后，經(jīng)模型載入虛擬設計系統(tǒng)中，進行裝配操作仿真，產(chǎn)品工作過程交互仿真，產(chǎn)品的多用戶評價，檢驗所設計的產(chǎn)品的可裝配性和可操作性，以及產(chǎn)品的制造成本和生周期。2、各模塊的功用和相互之間的關系產(chǎn)品開發(fā)管理模塊為整個虛擬設221、虛擬設計系統(tǒng)開發(fā)流程圖建模Solidworks二次開發(fā)后置處理VisualC++6.0和WTK9.0裝配仿真運行仿真設計管理設計評價網(wǎng)絡支持虛擬環(huán)境數(shù)據(jù)保存結束模型轉換Solidworks環(huán)境1、虛擬設計系統(tǒng)開發(fā)流程圖建模Solidworks后置處理232、系統(tǒng)的模型處理虛擬產(chǎn)品開發(fā)過程的特點之一就是利用存儲在計算機內部的數(shù)字化模型—虛擬產(chǎn)品來代替實物模型進行仿真，分析，從而提高產(chǎn)品在時間、質量、成本、服務和環(huán)境等多目標中的決策水平，達到全局優(yōu)化和一次性開發(fā)成功的目的。目前，產(chǎn)品開發(fā)過程往往是先在 CAD系統(tǒng)完成零件的設計建模，然后在虛擬環(huán)境中進行產(chǎn)品的裝配設計和分析。大多數(shù)虛擬設計系統(tǒng)通過讀取CAD系統(tǒng)輸出的多邊形面片模型（通常為三角面片模型）獲取零件信息。2、系統(tǒng)的模型處理虛擬產(chǎn)品開發(fā)過程的特點之一就是利用存儲在計243、虛擬設計中零件信息表達的三個要求零件信息表達與組織應具有高效性，以實現(xiàn)系統(tǒng)的實時交互。零件信息表達的完整性，既包含幾何信息，又包含工程設計信息，并滿足設計與分析的精度要求。便于CAD系統(tǒng)與虛擬設計系統(tǒng)的數(shù)據(jù)轉換及信息集成。3、虛擬設計中零件信息表達的三個要求零件信息表達與組織應具有25虛擬制造是以虛擬現(xiàn)實技術為基礎的、一種集成的綜合制造環(huán)境，用于加強一個企業(yè)各層次的決策和管理。是一種“數(shù)字樣機”的反復設計—加工—裝配—評價，得到的和傳輸?shù)氖菙?shù)據(jù)信息；在實際制造階段才需要投入原料、人員、廠房、設備，時間短、成本低，效率高，風險小，可以迅速對市場的需求做出反應。1、虛擬制造（VirtualManufacturing）三、虛擬制造系統(tǒng)虛擬制造是以虛擬現(xiàn)實技術為基礎的、一種集成的綜合26虛擬制造系統(tǒng)是各制造功能的虛擬集成

用戶支持

工程分析材料選用

工藝計劃

工裝分析

快速原型虛擬制造系統(tǒng)是各制造功能的虛擬集成用戶支持工程分析材料選27信息描述

基本環(huán)境

仿真模型

虛擬制造軟件技術支持2、虛擬制造的技術支持可視化

中介模型

基層集成組織結構

信息描述基本環(huán)境仿真模型虛擬制造軟件技術支持2、虛擬制283、虛擬制造系統(tǒng)的三個類別用于在產(chǎn)品的開發(fā)設計過程中為設計研究人員提供有關產(chǎn)品的制造信息通過對生產(chǎn)過程的模擬仿真來經(jīng)濟、快捷的評價各種工藝方案、生產(chǎn)效率以及資源的供求狀況通過對控制模型及生產(chǎn)過程的模擬仿真，幫助在整個生產(chǎn)周期進行優(yōu)化處理以生產(chǎn)為中心以控制為中心以設計為中心3、虛擬制造系統(tǒng)的三個類別用于在產(chǎn)品的開發(fā)設計過程294、虛擬設計與虛擬制造的關系確定和修改其他圍繞產(chǎn)品設計、生產(chǎn)和管理的各項活動規(guī)程完善生產(chǎn)工藝利用虛擬現(xiàn)實技術對產(chǎn)品進行預先試制發(fā)現(xiàn)問題、改進設計產(chǎn)品投入生產(chǎn)4、虛擬設計與虛擬制造的關系確定和修改其他圍繞產(chǎn)品設計、生產(chǎn)30一、虛擬環(huán)境中裝配設計的關鍵技術1、虛擬環(huán)境中裝配關系識別虛擬環(huán)境中裝配設計的首要任務是根據(jù)設計者的交互操作，實時捕捉設計者的裝配設計意圖，識別并建立零件間的裝配關系。2、虛擬環(huán)境中裝配運動導航3、虛擬環(huán)境中裝配序列編輯通過將空間方位傳感器輸入的運動信息投影到零部件的可自由運動方向上，實現(xiàn)對零部件的運動引導。設計者在交互進行虛擬裝配建模的同時，系統(tǒng)自動記錄整個虛擬裝配建模過程中所產(chǎn)生的事件、狀態(tài)及裝配關系。第六節(jié)虛擬裝配一、虛擬環(huán)境中裝配設計的關鍵技術1、虛擬環(huán)境中裝配關系識別虛31第七節(jié)計算機觸覺和CADDefinitionandbasicprinciplesofhapticsHardwaredevicesExamplesofhapticsapplicationsHapticrenderingSDK第七節(jié)計算機觸覺和CADDefinitionandba32Concepts-HapticPerceptionHaptic,fromtheGreekαφ?(Haphe),meansthesenseoftouchMorelooselydefinedintheVirtualRealitycommunity:informationacquisitionandobjectmanipulationthroughtouchmanualexplorationandmanipulationConcepts-HapticPerceptionH33HapticPerceptionInvolvestouch(tactileperception)motoractionknowledgeofthepositionandmotionofthelimbsandjoints(kinaestheticperception)HapticPerceptionInvolves34HapticPerceptionHapticPerception35Hapticinterfaces“Hapticinterfacesreferstointerfacesinvolvingthehumanhandandtomanualsensingandmanipulation.”(Durlachetal.,1994)Moregenerally,ahapticinterfaceprovidesameanstostimulatetheuser’sbodytosimulatethetouch,feel,etc.ofobjectsRenderforcesviaahapticdisplay(asgraphicsrendersimagesthroughavisualdisplay)Hapticinterfaces“Hapticinter36Hapticinterface(Basdogan)Hapticinterface(Basdogan)37ApplicationsofhapticsMedicineEntertainmentEducationIndustry(CAD/CAM)ApplicationsofhapticsMedicin38產(chǎn)品虛擬設計技術概述課件39ApplicationsofhapticsMedicineEntertainmentEducationIndustry(CAD/CAM)ApplicationsofhapticsMedicin40HardwareHardwareHapticdevicesHavebothsensorsandactuatorsSimulateforcesthebodyshouldencounterinavirtualenvironment(VE)Allowausertofeel,touch,andmanipulateobjectsinaVEGenerateappropriatemechanicalimpedancesSimulaterelationbetweenforcesanddisplacementsoverdifferentlocationsontheskinattheappropriatetimesHapticdevicesHavebothsensor42HapticdevicesUseractsbymoving/manipulatingthehapticdeviceHapticdevicetrackpositionandcontactforcesDisplayappropriatecontactforcespreventtheend-effectorfrominterpenetratingobjects.givessenseofsolidityallowforhapticperceptionofshapeHapticdevicesUseractsbymov43PHANTOMModelsDesktopOmniPremium1.56DOFPremium3.0withfingerstylus(Sensable)PHANTOMModelsDesktopOmniPremi44OthersCyberGraspHapticMASTERForceDimensionOthersCyberGraspHapticMASTER45ExamplesofhapticsapplicationsinCAD/CAMExamplesofhapticsapplicatioHapticsapplicationsinCAD/CAM(YHChen,ZYYang)HapticsapplicationsinCAD/CA47ApplicationsHaptictechnologycancovernearlyalltheaspectsofCADGeometricmodelingReverseengineeringVirtualprototypingVirtualmanufacturingApplicationsHaptictechnology48Haptic-basedgeometricmodelingMostimportantapplicationinCADCanbecategorizedwiththegeometricrepresentationsPolygonalmeshesVolumeNURBSpatchesandB-repmodelImplicitvolume,surfaceetc.Haptic-basedgeometricmodelin49Polygonalmeshes(inTouch)(MingC.Lin)Polygonalmeshes(inTouch)(Min50FreeForm(Sensable)FreeForm(Sensable)51產(chǎn)品虛擬設計技術概述課件52SamplemodelsofFreeForm(Sensable)SamplemodelsofFreeForm(Sens53SamplemodelsofFreeForm(Sensable)SamplemodelsofFreeForm(Sens54產(chǎn)品虛擬設計技術概述課件55產(chǎn)品虛擬設計技術概述課件56產(chǎn)品虛擬設計技術概述課件57ProsandconsProQuick3DideavisualisationQuickdesignmodificationsOrganicformcreation3DTexturisationProsandconsPro58ProsandconsConPrecision(duetomodelrepresentation)Dataexchange(duetomodelrepresentation)NotechnicaldrawingsEngineeringdetailingunavailableFiniteelementanalysisFilesize(duetomodelrepresentation)ProsandconsCon59UseofFreeForminnewproductdevelopmentConceptdevelopmentSystem-leveldesignDetaildesign(B.Sener,I.Campbell)UseofFreeForminnewproduct60NURBSpatchesandB-repmodel(F.Dachile,H.Qin)NURBSpatchesandB-repmodel(61NURBSpatches(cont’)(Z.GaoandI.Gibson)NURBSpatches(cont’)(Z.Gaoa62NURBSpatches(cont’)(Z.GaoandI.Gibson)NURBSpatches(cont’)(Z.Gaoa63NURBSpatches(cont’)(Z.GaoandI.Gibson)NURBSpatches(cont’)(Z.Gaoa64Implicitvolume,surface,pointsets,etc(XHGuo,J.HuaandH.Qin)Implicitvolume,surface,poin65ReverseengineeringVirtualCMMPointcloudsholefillingReverseengineeringVirtualCM66VirtualCMM(HKU)(ZYYang,YHChen)VirtualCMM(HKU)(ZYYang,YH67Holefilling(XJHe,YHChen)Holefilling(XJHe,YHChen)68VirtualprototypingVirtualassembly(Boeing)Flexiblemulti-materialproductsimulation(Z.Gao,YHChen)VirtualprototypingVirtualass69HapticrenderingHapticrenderingArchitectureofhapticapplicationsforCADArchitectureofhapticapplica71Whatishapticrendering?TogeneratetheforceduetointeractioninvirtualenvirionmentNeedstorunat1000Hzorsurfacevibrates(demanding)Ahapticrenderingloopatleastincludes:…… get_position(HIP);//positionand/ororientationoftheend-effector

calculate_force(force);//user-definedfunctiontocalculateforces

send_force(force);//calculatejoint

torquesandreflecttheforcebacktotheuserthroughthehapticdevice……Whatishapticrendering?Toge72CategoryofhapticrenderingalgorithmsPointtoobjects(3DOFfeedback)PolygonalmeshNURBSsurfacesImplicitsurfacesRaytoobjects(5DOFfeedback)Objecttoobject(6DOFfeedback)Categoryofhapticrenderinga73TwomajorissuesofhapticrenderingalgorithmsCollisiondetection:thedetectionofcollisionsbetweenthehapticprobeandvirtualobjects

Collisionresponse:theresponsetothedetectionofcollisionintermsofhowtheforcesreflectedtotheuser(Basdogan&Srinivasan2002)Twomajorissuesofhapticren74ForcemodelDampingspring(Hooke’sLaw)–common,simpleandeffectiveModelsaspringattachedtothetipoftheprobeandanchoredatapointonthesurfaceoftheobjecttouchedForcemagnitude:F=kx

Kasstiffnessconstant:ashighaspossibleforrigidobjectsDampingforbetterstability:F=kx-dvForcedirection:thelocalnormaltothesurfacethattheHIPcollideswithSCPHIPForcemodelDampingspring(Hoo75BasicsofCollisionDetectionAxisalignedboundingbox(AABB)Orientedboundingbox(OBB)BinarySpacePartitioning(BSP)AABBOBBBSP(Basdogan&Srinivasan2002)AABBBasicsofCollisionDetectionA76HapticRenderingof3DPrimitivesvoidcalculate_force(Vector&force)

{

floatX,Y,Z,distance;

floatR=20.0;

//HIP:tippointoftheend-effector

X=HIP[0];Y=HIP[1];

Z=HIP[2];

distance=sqrt(X*X+Y*Y+Z*Z);

if(distance<R)

{

force[0]=X/distance*(R-distance);

force[1]=Y/distance*(R-distance);

force[2]=Z/distance*(R-distance);

}}

(Basdogan&Srinivasan2002)HapticRenderingof3DPrimiti77Point-basedhapticinteraction123456SCP(surfacecontactpoint)HapticInteractionPoint(HIP)(Sensable)Point-basedhapticinteraction78HapticsSDK–OpenHapticsHapticsSDK–OpenHapticsTheOpenHapticstoolkitincludes(Sensable)TheOpenHapticstoolkitinclud80OpenHaptics–basicfeaturesPatternedaftertheOpenGLCodereuseExtensiblearchitectureHapticDeviceAPI(HDAPI)HapticLibraryAPI(HLAPI)OpenHaptics–basicfeaturesPa81HDAPI(Sensable)HDAPI(Sensable)82HLAPI(Sensable)HLAPI(Sensable)83HLAPIisOpenGLlikeRenderingisstate-machinebasedwitheventcallbacksStateincludestransformations,materialproperties,renderingmodesMaterialeffectsStiffness,damping,frictionForexamplehlMaterialf(HL_FRONT_AND_BACK,HL_STATIC_FRICTION,0.2);hlMaterialf(HL_FRONT_AND_BACK,HL_DYNAMIC_FRICTION,0.3);SurfaceconstraintsCanmodel‘snapping’magneticallytoasurfaceHLAPIisOpenGLlikeRendering84TypicalHLAPIprogramstructureOpenGLSetupHLAPISetupMapHaptictographicWorkspaceProcessEventshlBeginFrameRenderGraphicsRenderHapticshlEndFrameDraw3DCursorTypicalHLAPIprogramstructur85(Sensable)(Sensable)86演講完畢，謝謝觀看！演講完畢，謝謝觀看！87第七章產(chǎn)品虛擬設計技術虛擬現(xiàn)實概述虛擬現(xiàn)實硬件基礎虛擬現(xiàn)實軟件技術虛擬設計中的建模技術虛擬設計與虛擬制造計算機觸覺與CAD第七章產(chǎn)品虛擬設計技術虛擬現(xiàn)實概述虛擬現(xiàn)實硬件第一節(jié)虛擬現(xiàn)實概述虛擬現(xiàn)實是當代信息科學的前沿研究領域，它綜合運用計算機圖形學，計算機視覺，心理學，傳感器等多方面技術，在計算機中營造一個虛擬的環(huán)境，通過實時的，立體的三維圖形顯示、聲音模擬、自然的人機交互界面來仿真現(xiàn)實世界中早已發(fā)生、正在發(fā)生或尚未發(fā)生的事件，并使用戶產(chǎn)生身臨其境的真實感覺。一、虛擬現(xiàn)實的概念第一節(jié)虛擬現(xiàn)實概述虛擬現(xiàn)實是當代信息科學的前沿研究領89二、虛擬現(xiàn)實技術的發(fā)展歷史VirtualReality80年代中期1972年1965年1929年美國宇航局NASA的Ames研究中心利用液晶顯示器和其他零部件開始研制低成本的虛擬現(xiàn)實設備NolanBushnell開發(fā)了一種電子游戲，允許通過電視屏幕操縱一個彈跳的乒乓球IvanSutherland設計了一種頭戴式圖形顯示器EdwinLink設計了一種飛行模擬器二、虛擬現(xiàn)實技術的發(fā)展歷史VirtualReality8090三、虛擬現(xiàn)實的特征沉浸感自主性交互性計算機生成的虛擬世界能給人一種身臨其境的感覺，如同進入了一個真實的客觀世界在虛擬環(huán)境中，操作者能夠對虛擬環(huán)境中的事物進行操作，并且操作的結果能被操作者所感知在虛擬環(huán)境中，對象的行為是自主的是由程序自動完成的三、虛擬現(xiàn)實的特征沉浸感自主性交互性計算機生成的在虛擬環(huán)境中91虛擬現(xiàn)實的三I圖Immersion(沉浸）Interaction（交互）Imagination(想象）虛擬現(xiàn)實的三I圖Immersion(沉浸）Interac92BECDA交互作用（Interaction）視覺(VisualPerception)聽覺(AcousticPerception)觸覺(HapticPerception)嗅覺（OlfactoryPerception）四、虛擬現(xiàn)實的組成虛擬現(xiàn)實的組成BECDA交互作用視覺聽覺觸覺嗅覺四、虛擬現(xiàn)實的組成虛擬現(xiàn)實93工程應用：汽車制造業(yè)、飛行仿真、虛擬實驗醫(yī)學領域：外科手術、訓練與預演教育培訓領域：建筑工程學、考古學、導游培訓等軍事應用：步兵訓練系統(tǒng)、作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)五、虛擬現(xiàn)實的應用領域工程應用：汽車制造業(yè)、飛行仿真、虛擬實驗醫(yī)學領域：外科手術、94六、虛擬現(xiàn)實技術的分類桌面虛擬現(xiàn)實：利用個人計算機和低級工作站進行仿真，將計算機的屏幕作為用戶觀察虛擬境界的一個窗口。包括一切與之有關的具有自然模擬、逼真體驗的技術與方法沉浸的虛擬現(xiàn)實：高級虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)提供完全沉浸的體驗，使用戶有一種置身于虛擬境界之中的感覺。增強現(xiàn)實性的虛擬現(xiàn)實：利用增強現(xiàn)實性的虛擬現(xiàn)實來增強參與者對真實環(huán)境的感受，也就是增強現(xiàn)實中無法感知或不方便的感受。分布式虛擬現(xiàn)實：在分布式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中，多個用戶可通過網(wǎng)絡對同一虛擬世界進行觀察和操作，以達到協(xié)同工作的目的。六、虛擬現(xiàn)實技術的分類桌面虛擬現(xiàn)實：利用個人計算機和低級工95七、虛擬現(xiàn)實技術發(fā)展趨勢動態(tài)環(huán)境建模技術VR技術的核心內容，其目的是獲取實際環(huán)境的三維數(shù)據(jù)，根據(jù)需要建立相應的虛擬環(huán)境模型實時三維圖形生成和顯示技術在不降低圖形的質量和復雜程度的前提下，如何提高刷新頻率新型交互 設備的研制新型、便宜、優(yōu)良的數(shù)據(jù)手套和數(shù)據(jù)服將成為未來研究的重要方向對模型的屬性、方法和一般特點的描述通過語音識別技術轉化成建模所需的數(shù)據(jù)智能化語音虛擬現(xiàn)實建模大型網(wǎng)絡分布式應用將分散的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)通過網(wǎng)絡聯(lián)結，采用協(xié)議和數(shù)據(jù)庫，形成一個在時空上互相耦合的虛擬、合成環(huán)境，參與者可自由地進行交互七、虛擬現(xiàn)實技術發(fā)展趨勢動態(tài)環(huán)境VR技術的核實時三維在不降低96第二節(jié)虛擬現(xiàn)實硬件基礎傳感手套三維鼠標數(shù)據(jù)衣觸覺與力反饋的裝置虛擬現(xiàn)實硬件基礎3D位置跟蹤器立體顯示設備3D聲音生成器一、虛擬現(xiàn)實硬件基礎第二節(jié)虛擬現(xiàn)實硬件基礎傳感手套三維鼠標數(shù)據(jù)衣觸覺與力反饋97幾種常見的數(shù)據(jù)手套幾種常見的數(shù)據(jù)手套98幾種3D鼠標幾種3D鼠標99幾種立體顯示設備立體眼鏡立體投影設備三維顯示器頭盔式顯示器幾種立體顯示設備立體眼鏡立體投影設備三維顯示器頭盔式顯示器100視線位置跟蹤器力反饋系統(tǒng)空間交互球立體顯示器視線位置跟蹤器力反饋系統(tǒng)空間交互球立體顯示器101二、虛擬現(xiàn)實硬件系統(tǒng)結構人位置傳感器頭盔顯示器立體聲耳機數(shù)據(jù)手套硬件層位置信息聲音實時生成觸覺實時生成圖形實時生成與渲染軟件層二、虛擬現(xiàn)實硬件系統(tǒng)結構人位置傳感器頭盔顯示器立體聲耳機數(shù)102第三節(jié)虛擬現(xiàn)實軟件技術語言類：如C＋＋、OpenGL、VRML、OGRE等1虛擬環(huán)境中采用的軟件有四類：2建模軟件類：如AutoCAD、Pro/Engineer、CATIA等3應用軟件類：指用戶自己的各種需求，選擇或者開發(fā)的自用軟件4通用的商用工具軟件包：幫助用戶建立虛擬環(huán)境的通用和基本軟件第三節(jié)虛擬現(xiàn)實軟件技術語言類：1虛擬環(huán)境中采用的軟件103一、VRML概述VRML（VirtualRealityModelingLanguage)是描述虛擬環(huán)境中場景的一種標準，利用它可以在Internet上建立交互式的三維多媒體的境界。VRML本質上是一種用于造型的腳本語言，與目前比較成熟的造型軟件如AutoCAD、3DMAX等相比，其最大特色是實時渲染。使用已有的造型軟件可以制作出極為豐富的三維效果，但不能實時渲染和實時交互，只能預渲染后，以一種旁觀者的身份觀看渲染效果，而不能以參與者的身份參與到虛擬環(huán)境中。一、VRML概述VRML（VirtualRea104二、WTK概述WTK（WorldToolKit）是由Sense8公司開發(fā)的一種虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)高級跨平臺開發(fā)環(huán)境。WTK提供一系列WTK函數(shù)，用戶可以調用這些函數(shù)來構造虛擬世界。WTK提供超過1000個C語言寫的函數(shù)庫，使用戶能夠方便地應用面向對象的原理，很快地生成虛擬環(huán)境中的復雜場景，快速開發(fā)新的虛擬現(xiàn)實應用系統(tǒng)。一個函數(shù)調用能夠代替成百上千行C代碼，極大地縮短了開發(fā)時間。WTK構造的虛擬世界可以組合各種具有真實感特性與行為的對象。WTK支持20多種3D輸入設備，它還提供了外設驅動程序開發(fā)接口和指南，有利于用戶開發(fā)自己的三維外設。二、WTK概述WTK（WorldToolKi105第四節(jié)虛擬設計中的建模技術虛擬設計中的建模技術有：幾何建?；谔卣鞯慕；谔卣鞯膮?shù)化建模幾何建模用計算機及其圖形工具描述幾何物體的形狀、設計幾何形體模擬物體動態(tài)處理過程特征建模將特征技術引入產(chǎn)品設計中，用具有更高一層次的具有工程意義的特征體素來描述零件?；谔卣鞯膮?shù)化建模將特征造型技術與參數(shù)化技術有機地結合起來，實現(xiàn)對多種設計方式和設計形式的支持。第四節(jié)虛擬設計中的建模技術虛擬設計中的建模技術有：幾何106第五章虛擬設計與虛擬制造一、虛擬設計系統(tǒng)的總體結構在產(chǎn)品并行開發(fā)模式下，在產(chǎn)品設計階段就可以考慮和模擬產(chǎn)品零部件制造，產(chǎn)品裝配及產(chǎn)品的運行維護等產(chǎn)品開發(fā)的整個過程，多領域的工程師對產(chǎn)品進行完善，根據(jù)對虛擬設計系統(tǒng)功能的描敘，創(chuàng)建基本結構，其中包括：虛擬設計環(huán)境系統(tǒng)的模型處理

虛擬裝配運行過程仿真

產(chǎn)品開發(fā)過程管理虛擬設計系統(tǒng)第五章虛擬設計與虛擬制造一、虛擬設計系統(tǒng)的總體結構1071、虛擬系統(tǒng)機構示意圖CAD軟件裝配仿真模型處理評價設計開發(fā)管理網(wǎng)絡支持虛擬環(huán)境制造模擬運行仿真1、虛擬系統(tǒng)機構示意圖CAD軟件裝配仿真模型處理評價設計開發(fā)1082、各模塊的功用和相互之間的關系產(chǎn)品開發(fā)管理模塊為整個虛擬設計過程提供支持。模型處理模塊實現(xiàn)虛擬設計系統(tǒng)和CAD軟件間的數(shù)據(jù)轉換。在CAD軟件環(huán)境中建立虛擬設計場景，完成產(chǎn)品建模，提供模型的交互操作，對模型在場景中的運動作實時的碰撞檢測，并且對模型進行數(shù)據(jù)的提取和保存。在完成產(chǎn)品設計后，經(jīng)模型載入虛擬設計系統(tǒng)中，進行裝配操作仿真，產(chǎn)品工作過程交互仿真，產(chǎn)品的多用戶評價，檢驗所設計的產(chǎn)品的可裝配性和可操作性，以及產(chǎn)品的制造成本和生周期。2、各模塊的功用和相互之間的關系產(chǎn)品開發(fā)管理模塊為整個虛擬設1091、虛擬設計系統(tǒng)開發(fā)流程圖建模Solidworks二次開發(fā)后置處理VisualC++6.0和WTK9.0裝配仿真運行仿真設計管理設計評價網(wǎng)絡支持虛擬環(huán)境數(shù)據(jù)保存結束模型轉換Solidworks環(huán)境1、虛擬設計系統(tǒng)開發(fā)流程圖建模Solidworks后置處理1102、系統(tǒng)的模型處理虛擬產(chǎn)品開發(fā)過程的特點之一就是利用存儲在計算機內部的數(shù)字化模型—虛擬產(chǎn)品來代替實物模型進行仿真，分析，從而提高產(chǎn)品在時間、質量、成本、服務和環(huán)境等多目標中的決策水平，達到全局優(yōu)化和一次性開發(fā)成功的目的。目前，產(chǎn)品開發(fā)過程往往是先在 CAD系統(tǒng)完成零件的設計建模，然后在虛擬環(huán)境中進行產(chǎn)品的裝配設計和分析。大多數(shù)虛擬設計系統(tǒng)通過讀取CAD系統(tǒng)輸出的多邊形面片模型（通常為三角面片模型）獲取零件信息。2、系統(tǒng)的模型處理虛擬產(chǎn)品開發(fā)過程的特點之一就是利用存儲在計1113、虛擬設計中零件信息表達的三個要求零件信息表達與組織應具有高效性，以實現(xiàn)系統(tǒng)的實時交互。零件信息表達的完整性，既包含幾何信息，又包含工程設計信息，并滿足設計與分析的精度要求。便于CAD系統(tǒng)與虛擬設計系統(tǒng)的數(shù)據(jù)轉換及信息集成。3、虛擬設計中零件信息表達的三個要求零件信息表達與組織應具有112虛擬制造是以虛擬現(xiàn)實技術為基礎的、一種集成的綜合制造環(huán)境，用于加強一個企業(yè)各層次的決策和管理。是一種“數(shù)字樣機”的反復設計—加工—裝配—評價，得到的和傳輸?shù)氖菙?shù)據(jù)信息；在實際制造階段才需要投入原料、人員、廠房、設備，時間短、成本低，效率高，風險小，可以迅速對市場的需求做出反應。1、虛擬制造（VirtualManufacturing）三、虛擬制造系統(tǒng)虛擬制造是以虛擬現(xiàn)實技術為基礎的、一種集成的綜合113虛擬制造系統(tǒng)是各制造功能的虛擬集成

用戶支持

工程分析材料選用

工藝計劃

工裝分析

快速原型虛擬制造系統(tǒng)是各制造功能的虛擬集成用戶支持工程分析材料選114信息描述

基本環(huán)境

仿真模型

虛擬制造軟件技術支持2、虛擬制造的技術支持可視化

中介模型

基層集成組織結構

信息描述基本環(huán)境仿真模型虛擬制造軟件技術支持2、虛擬制1153、虛擬制造系統(tǒng)的三個類別用于在產(chǎn)品的開發(fā)設計過程中為設計研究人員提供有關產(chǎn)品的制造信息通過對生產(chǎn)過程的模擬仿真來經(jīng)濟、快捷的評價各種工藝方案、生產(chǎn)效率以及資源的供求狀況通過對控制模型及生產(chǎn)過程的模擬仿真，幫助在整個生產(chǎn)周期進行優(yōu)化處理以生產(chǎn)為中心以控制為中心以設計為中心3、虛擬制造系統(tǒng)的三個類別用于在產(chǎn)品的開發(fā)設計過程1164、虛擬設計與虛擬制造的關系確定和修改其他圍繞產(chǎn)品設計、生產(chǎn)和管理的各項活動規(guī)程完善生產(chǎn)工藝利用虛擬現(xiàn)實技術對產(chǎn)品進行預先試制發(fā)現(xiàn)問題、改進設計產(chǎn)品投入生產(chǎn)4、虛擬設計與虛擬制造的關系確定和修改其他圍繞產(chǎn)品設計、生產(chǎn)117一、虛擬環(huán)境中裝配設計的關鍵技術1、虛擬環(huán)境中裝配關系識別虛擬環(huán)境中裝配設計的首要任務是根據(jù)設計者的交互操作，實時捕捉設計者的裝配設計意圖，識別并建立零件間的裝配關系。2、虛擬環(huán)境中裝配運動導航3、虛擬環(huán)境中裝配序列編輯通過將空間方位傳感器輸入的運動信息投影到零部件的可自由運動方向上，實現(xiàn)對零部件的運動引導。設計者在交互進行虛擬裝配建模的同時，系統(tǒng)自動記錄整個虛擬裝配建模過程中所產(chǎn)生的事件、狀態(tài)及裝配關系。第六節(jié)虛擬裝配一、虛擬環(huán)境中裝配設計的關鍵技術1、虛擬環(huán)境中裝配關系識別虛118第七節(jié)計算機觸覺和CADDefinitionandbasicprinciplesofhapticsHardwaredevicesExamplesofhapticsapplicationsHapticrenderingSDK第七節(jié)計算機觸覺和CADDefinitionandba119Concepts-HapticPerceptionHaptic,fromtheGreekαφ?(Haphe),meansthesenseoftouchMorelooselydefinedintheVirtualRealitycommunity:informationacquisitionandobjectmanipulationthroughtouchmanualexplorationandmanipulationConcepts-HapticPerceptionH120HapticPerceptionInvolvestouch(tactileperception)motoractionknowledgeofthepositionandmotionofthelimbsandjoints(kinaestheticperception)HapticPerceptionInvolves121HapticPerceptionHapticPerception122Hapticinterfaces“Hapticinterfacesreferstointerfacesinvolvingthehumanhandandtomanualsensingandmanipulation.”(Durlachetal.,1994)Moregenerally,ahapticinterfaceprovidesameanstostimulatetheuser’sbodytosimulatethetouch,feel,etc.ofobjectsRenderforcesviaahapticdisplay(asgraphicsrendersimagesthroughavisualdisplay)Hapticinterfaces“Hapticinter123Hapticinterface(Basdogan)Hapticinterface(Basdogan)124ApplicationsofhapticsMedicineEntertainmentEducationIndustry(CAD/CAM)ApplicationsofhapticsMedicin125產(chǎn)品虛擬設計技術概述課件126ApplicationsofhapticsMedicineEntertainmentEducationIndustry(CAD/CAM)ApplicationsofhapticsMedicin127HardwareHardwareHapticdevicesHavebothsensorsandactuatorsSimulateforcesthebodyshouldencounterinavirtualenvironment(VE)Allowausertofeel,touch,andmanipulateobjectsinaVEGenerateappropriatemechanicalimpedancesSimulaterelationbetweenforcesanddisplacementsoverdifferentlocationsontheskinattheappropriatetimesHapticdevicesHavebothsensor129HapticdevicesUseractsbymoving/manipulatingthehapticdeviceHapticdevicetrackpositionandcontactforcesDisplayappropriatecontactforcespreventtheend-effectorfrominterpenetratingobjects.givessenseofsolidityallowforhapticperceptionofshapeHapticdevicesUseractsbymov130PHANTOMModelsDesktopOmniPremium1.56DOFPremium3.0withfingerstylus(Sensable)PHANTOMModelsDesktopOmniPremi131OthersCyberGraspHapticMASTERForceDimensionOthersCyberGraspHapticMASTER132ExamplesofhapticsapplicationsinCAD/CAMExamplesofhapticsapplicatioHapticsapplicationsinCAD/CAM(YHChen,ZYYang)HapticsapplicationsinCAD/CA134ApplicationsHaptictechnologycancovernearlyalltheaspectsofCADGeometricmodelingReverseengineeringVirtualprototypingVirtualmanufacturingApplicationsHaptictechnology135Haptic-basedgeometricmodelingMostimportantapplicationinCADCanbecategorizedwiththegeometricrepresentationsPolygonalmeshesVolumeNURBSpatchesandB-repmodelImplicitvolume,surfaceetc.Haptic-basedgeometricmodelin136Polygonalmeshes(inTouch)(MingC.Lin)Polygonalmeshes(inTouch)(Min137FreeForm(Sensable)FreeForm(Sensable)138產(chǎn)品虛擬設計技術概述課件139SamplemodelsofFreeForm(Sensable)SamplemodelsofFreeForm(Sens140SamplemodelsofFreeForm(Sensable)SamplemodelsofFreeForm(Sens141產(chǎn)品虛擬設計技術概述課件142產(chǎn)品虛擬設計技術概述課件143產(chǎn)品虛擬設計技術概述課件144ProsandconsProQuick3DideavisualisationQuickdesignmodificationsOrganicformcreation3DTexturisationProsandconsPro145ProsandconsConPrecision(duetomodelrepresentation)Dataexchange(duetomodelrepresentation)NotechnicaldrawingsEngineeringdetailingunavailableFiniteelementanalysisFilesize(duetomodelrepresentation)ProsandconsCon146UseofFreeForminnewproductdevelopmentConceptdevelopmentSystem-leveldesignDetaildesign(B.Sener,I.Campbell)UseofFreeForminnewproduct147NURBSpatchesandB-repmodel(F.Dachile,H.Qin)NURBSpatchesandB-repmodel(148NURBSpatches(cont’)(Z.GaoandI.Gibson)NURBSpatches(cont’)(Z.Gaoa149NURBSpatches(cont’)(Z.GaoandI.Gibson)NURBSpatches(cont’)(Z.Gaoa150NURBSpatches(cont’)(Z.GaoandI.Gibson)NURBSpatches(cont’)(Z.Gaoa151Implicitvolume,surface,pointsets,etc(XHGuo,J.HuaandH.Qin)Implicitvolume,surface,poin152ReverseengineeringVirtualCMMPointcloudsholefillingReverseengineeringVirtualCM153VirtualCMM(HKU)(ZYYang,YHChen)VirtualCMM(HKU)(ZYYang,YH154Holefilling(XJHe,YHChen)Holefilling(XJHe,YHChen)155VirtualprototypingVirtualassembly(Boeing)Flexiblemulti-materialproductsimulation(Z.Gao,YHChen)VirtualprototypingVirtualass156HapticrenderingHapticrenderingArchitectureofhapticapplicationsforCADArchitectureofhapticapplica158Whatishapticrendering?TogeneratetheforceduetointeractioninvirtualenvirionmentNeedstorunat1000Hzorsurfacevibrates(demanding)Ahapticrenderingloopatleastincludes:…… get_position(HIP);//positionand/ororientationoftheend-effector

calculate_force(force);//user-definedfunctiontocalculateforces

send_force(force);//calculatejoint

torquesandreflecttheforcebacktotheuserthroughthehapticdevice……Whatishapticrendering?Toge159CategoryofhapticrenderingalgorithmsPointtoobjects(3DOFfeedback)PolygonalmeshNURBSsurfacesImplicitsurfacesRaytoobjects(5DOFfeedback)Objecttoobject(6DOFfeedback)Cat