虚拟样机技术概述

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1、虚拟样机技术概述1.1.行业背景多年来，制造业完全依赖于物理样机来解决和交流设计过程中的问题，这就使得制造成本增加和产品设计时间的延长（见表1）。然而，近年来，制造业者已经认识到物理样机在快速抢占市场上已严重阻碍了其发展，成为发展过程中的一个重要障碍。为了突破这个障碍，很多制造业者（如Boeing,GM,Caterpillar,Ford等）开始研究使用虚拟样机，而减少对物理样机的依赖。他们并不完全排除物理样机，只是减少物理样机的数量，用虚拟样机的灵活性去完成物理样机不能完成的功能。例如，90年代Boeing公司用虚拟样机技术用在波音777上取得了极大的成功，他们仅用一个较小的物理机头模

2、型就在四年内把这种飞机推向市场(Boswell,1998)。Caterpillar公司也同样利用这个技术应用于他们的履带机设计，他们发现这种技术在解决设计评审阶段节省了9个月时间(Ellis,1996)。物理样机成本周期玻璃纤维做的1：1小轿车$200,0006-10周1：1火车车厢$75,000-100,0003-6个月波音SST1：1原型$2-3M1-2年类波音原型$150M1-2年1：1潜水艇内腔$100M1-2年表1物理样机成本虚拟样机的成功有两项关键技术，第一，实时的3D图形特性和位图质量要达到一定的标准，要求硬件产生的高质量位图包括150，000到250，000个三角形的数

3、据。另外，这些位图刷新速度要达到交互速度的要求。第二，投影和其它显示技术的发展使得高清晰度的立体图像能被建立。结合这两项技术，虚拟样机赢得了一些评论家的关注。现在，这种技术也面临着有激烈地争议，但虚拟样机的高成长性和广泛应用已成为事实。物理样机被用于解决贯穿整个生产过程的问题。通常情况下，一些独特的模型对解决某些关键的问题是必须的。表2列出一些通过样机解决的问题和关心的主要问题。下面给出虚拟样机技术在工业中的三个具体应用层面：1．建立可信的图像2．产品设计与制造过程的集成（DFM）3．虚拟样机和现有测量工具的结合模型问题观点产品设计的现实体现美学设计产品的竞争能力和品牌评估美学，概念产

4、品的大小规模美学，经验设计的交互方式如何经验设计的功能是什么操作性在极端条件下设计的可操作性操作性设计的拆装如何工艺性在完成设计中制造问题如何解决工艺性表2原型问题1.2.虚拟样机的关键技术1.2.1.建立可信赖的1：1产品虚拟原型建立可信的图像是一个核心要求。目前，绘图师和设计师都用不同的射线跟踪包（沿物理样机）去形成高真实的图像或动画电影。这些工具对于交流是非常有用的，他们也能描述必需的经验上的碰撞。当你在墙上看到这些图像时，你就会想象你正经历着这个产品，或正在看它漂亮的图片。这种预先渲染的技术限制了通常物理样机所提供的探测和交互的种类。例如，你不能进入图像的内部和感受到聚集在你周

5、围的场景。这种情况下，具有现实性的图像并没有充分的理由代替物理样机。既然这样，使用这种技术生成的虚拟样机的应用的可信度就会大打折扣，因为它们限制了探测场景的比例和现场的沉浸感。当计算机可视化的价值得到工业界的普遍认可时，具有“沉浸感”的虚拟样机还是被许多专家持怀疑和观望态度。但当它呈现出高可信度的图像和虚拟样机时，这种怀疑的态度就会消失。虚拟样机的展示，的确给观察者一种与物理样机同处一室的感觉，这时，观察者就会认为他看到的虚拟样机是真实的。建立1：1的模型或虚拟样机可带来很多好处，比如由1：1的比例显示所带来的真实可信度。从一个设计师的角度来看，要树立对产品的可信度，要求准确的描述产品

6、的外形，而且虚拟样机必须支持分析和交互技术，以便进行外形检查。在这种情况下，建立高真实度的图像是必须的，而且要求图像的建立足够快，就像虚幻的物理样机立即呈现在观者的眼前（或其周围）一样。如果这个幻觉足够强烈，可信度就会增强，虚拟样机就会变成物理样机的合理替代者。图1是Fakespace公司在可视化实验室中形成的与汽车大小一样的虚拟样机演示仿真,汽车模拟从屏幕中驶出（观者戴有立体眼镜）。图1：虚拟仿真实验室使用1：1的人体比例，主要在于创建与真实实物一样大小的模型及其知觉效果。例如，用模拟人观察一个1：1的工厂模型，假如模拟人正穿行于与1：1的工厂的模型当中,如果模拟人头顶的管道太低，那

7、么你在花费数百万制造设备以前就会发现这种缺陷。1：1的比例或与人体比例大小的实物模型能解决一些设计过程中与比例有关的复杂问题。如果你不能保证观察者能看到1：1的实物模型，任意比例的虚拟模型肯定会产生设计精确性的问题。我们建立的虚拟物比例越是靠近实物，我们评估和解决比例问题的技术含量就越高。在设计中这样做的越早，我们取胜的把握性就越大。搭建1：1的比例及具有现场沉浸感的虚拟样机演示环境的基本要求如下：●从地板到天花板之间的显示（中间墙壁对模型的产