汽车虚拟现实技术概述

,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,*,汽车系统动力学与控制,第,*,页,单击此处编辑母版标题样式,规格严格 功夫到家,（威海）,HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY,SCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING,汽车工程学院,规格严格 功夫到家,（威海）,HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY,SCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING,汽车工程学院,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,单击此处编辑母版标题样式,*,规格严格 功夫到家,（威海）,HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY,SCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING,汽车工程学院,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,单击此处编辑母版标题样式,*,汽车系统动力学与控制,第,*,页,规格严格 功夫到家,（威海）,HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY,SCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING,汽车工程学院,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,单击此处编辑母版标题样式,*,汽车系统动力学与控制,第,*,页,规格严格 功夫到家,（威海）,HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY,SCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING,汽车工程学院,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,单击此处编辑母版标题样式,*,汽车系统动力学与控制,第,*,页,规格严格 功夫到家,（威海）,HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY,SCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING,汽车工程学院,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,单击此处编辑母版标题样式,*,汽车系统动力学与控制,第,*,页,规格严格 功夫到家,（威海）,HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY,SCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING,汽车工程学院,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,单击此处编辑母版标题样式,*,汽车系统动力学与控制,第,*,页,规格严格 功夫到家,（威海）,HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY,SCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING,汽车工程学院,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,单击此处编辑母版标题样式,*,汽车系统动力学与控制,第,*,页,规格严格 功夫到家,（威海）,HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY,SCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING,汽车工程学院,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,单击此处编辑母版标题样式,*,汽车系统动力学与控制,第,*,页,规格严格 功夫到家,（威海）,HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY,SCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING,汽车工程学院,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,单击此处编辑母版标题样式,*,汽车系统动力学与控制,第,*,页,规格严格 功夫到家,（威海）,HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY,SCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING,汽车工程学院,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,单击此处编辑母版标题样式,*,汽车系统动力学与控制,第,*,页,规格严格 功夫到家,（威海）,HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY,SCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING,汽车工程学院,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,单击此处编辑母版标题样式,*,汽车系统动力学与控制,第,*,页,规格严格 功夫到家,（威海）,HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY,SCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING,汽车工程学院,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,单击此处编辑母版标题样式,*,汽车系统动力学与控制,第,*,页,规格严格 功夫到家,（威海）,HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY,SCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING,汽车工程学院,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,单击此处编辑母版标题样式,*,汽车系统动力学与控制,第,*,页,第三章 汽车虚拟现实技术,3.1,虚拟现实技术的概述,3.2,虚拟现实硬件的组成,3.3,虚拟现实的软件环境,3.4,虚拟设计技术,3.5,虚拟制造技术,3.6,虚拟装配过程,汽车,数字化开发技术,第,1,页,3.1,虚拟现实技术,的,的概述,虚拟现实的基,本,本概念,虚拟现实的分,类,类,产品的虚拟原,型,型,虚拟现实在各,个,个领域的应用,汽车,数字化开发技,术,术第,2,页,一、,虚拟现实的基,本,本概念,虚拟现实的概,念,念可以从两个,方,方面描述进行,描,描述：,一是从纯粹的,技,技术层面加以,描,描述；,二是在技术的,基,基础上结合使,用,用者的感知加,以,以描述。,2023/,3/7,汽车,数字化开发,技,技术第,3,页,一、,虚拟现实的,基,基本概念,1.,技术层面的,描,描述,从技术上来,讲,讲，虚拟现,实,实是从计算,机,机仿真发展,而,而来的，其,实,实质是一种,逼,逼真的仿真,模,模型,。,2.,用户层面的,描,描述,虚拟现实试,图,图从身体感,官,官和知觉等,感,感性层面进,行,行仿真，这,种,种仿真的基,础,础又是理性,层,层面的科学,理,理论。虚拟,现,现实的精致,程,程度要受到,科,科学理论和,技,技术手段的,制,制约，对决,定,定感觉参数,的,的数据流的,处,处理是问题,的,的关键,。,2023/3/7,汽车,数字化开发,技,技术第,4,页,一、,虚拟现实的,基,基本概念,虚拟现实的,技,技术基础性,描,描述,将真实感的,传,传达和交互,两,两个方面综,合,合起来就形,成,成了虚拟现,实,实的基本概,念,念。迈克尔,海姆在,虚拟实在的,形,形而上学,一书中对虚,拟,拟现实作了,较,较为全面的,描,描述，内容,涉,涉及七个方,面,面：,(1),模拟性，虚,拟,拟现实是计,算,算机图像系,统,统对真实景,象,象的逼真模,拟,拟，三维音,频,频令虚拟现,实,实增色。,(2),交互作用，,虚,虚拟现实就,是,是他们能与,之,之进行交互,作,作用的电子,象,象征物。,(3),人工性，虚,拟,拟现实是一,种,种人造物。,2023/3/7,汽车,数字化开发技术第,5,页,一、,虚拟现实的基本,概,概念,(4),沉浸性，虚拟现,实,实的音像和传感,系,系统能够使使用,者,者产生浸没于虚,拟,拟世界中的幻觉,，,，即虚拟现实意,味,味着在一个虚拟,环,环境中的感官沉,浸,浸。,(5),到场,(Presence),，,虚拟现实能够使,人,人实时地以远程,的,的方式于某处出,场,场，即虚拟出场,。,。,(6),全身沉浸，这是,一,一种不需要人体,传,传感器的方式，,摄,摄像机和监视器,实,实时地跟踪人的,身,身体，将人体的,运,运动输人到计算,机,机中，人的影像,被,被投影到计算机,界,界面上，这使得,人,人通过观察他的,投,投影的位置，直,接,接与计算机中的,图,图形物体,(,图片、文本等,),发生交互作用。,(7),网络通信，虚拟,现,现实可以通过网,络,络实现共享，使,用,用者通过自行规,定,定并塑造虚拟世,界,界中的物体和活,动,动，就可以不用,文,文字或真实世界,的,的指标来共享幻,象,象的事物和事件,。,。,2023/3/7,汽车,数字化开发技术第,6,页,二、虚拟现实的,分,分类,交互和沉浸是所,有,有虚拟现实的两,个,个实质性的特征,。,。,早期的虚拟现实,可,可能只有部分虚,拟,拟现实的特性，,例,例如环幕电影或,立,立体电影。实际,应,应用中，不同虚,拟,拟现实系统设计,的,的侧重点和所受,约,约束各不相同，,有,有些应用也不需,要,要完全的沉浸和,投,投入。受资金限,制,制不能装备最先,进,进的硬件设备，,或,或是硬件本身的,性,性能达不到要求,，,，这样系统的计,算,算速度、交互手,段,段可能就会受到,影,影响，此时主要,从,从软件上着手可,以,以弥补某些缺陷,，,，例如虚拟全景,空,空间、虚拟仿真,等,等。由于工程应,用,用本身并不限制,使,使用的技术范围,，,，只要能达到目,标,标，是可以把各,种,种技术有效地集,成,成起来，设计出,一,一个成功的虚拟,现,现实系统。,2023/3/7,汽车,数字化开发技术第,7,页,二、虚拟现实的,分,分类,按虚拟现实系统,沉,沉浸的程度不同,，,，虚拟现实系统,可,可分为,桌面虚拟现实系,统,统,(Desktop VR ),沉浸式虚拟现实,系,系统,(Immersion VR),分布式虚拟现实,系,系统,(Distributed VR),2023/3/7,汽车,数字化,开,开发技,术,术第,8,页,二、虚,拟,拟现实,的,的分类,1.,桌面虚,拟,拟现实,系,系统,桌面,VR,系统使,用,用,PC,和低级,工,工作站,实,实现仿,真,真，计,算,算机的,屏,屏幕作,为,为参与,者,者观察,虚,虚拟环,境,境的一,个,个窗口,，,，各种,外,外部设,备,备一般,用,用来驾,驭,驭该虚,拟,拟环境,，,，并且,用,用于操,纵,纵在虚,拟,拟场景,中,中的各,种,种物体,。,。桌面,VR,系统虽,然,然缺乏,头,头盔式,显,显示器,的,的那种,完,完全沉,浸,浸功能,，,，但它,依,依然比,较,较普及,，,，这是,因,因为它,的,的成本,相,相对较,低,低。,2023/3/7,汽车,数字化,开,开发技,术,术第,9,页,二、虚,拟,拟现实,的,的分类,2023/3/7,在桌面,VR,系统中，立,体,体视觉效果,可,可以增强沉,浸,浸的感觉。,三,三维眼镜和,安,安装在计算,机,机上的立体,观,观察器、液,晶,晶显示光闸,眼,眼镜等都会,产,产生一种三,维,维空间的幻,觉,觉。由于它,采,采用标准的,CRT,显示器和立,体,体（,Stereoscopic,）图像显示,技,技术，其分,辨,辨率高，价,格,格便宜。图,3.2,为桌面式,VR,系统的基本,结,结构。,汽车,数字化开发,技,技术第,10,页,二、虚拟现,实,实的分类,沉浸式,VR,系统利用头,盔,盔式显示器,和,和数据手套,等,等交互设备,把,把用户的视,觉,觉、听觉和,其,其他感觉封,闭,闭起来，使,参,参与者暂时,与,与真实环境,隔,隔离，从而,真,真正成为,VR,系统内部的,一,一个参与者,。,。,2023/3/7,沉浸式虚拟,现,现实系统,汽车,数字化开发,技,技术第,11,页,分布式,VR,系统,分布式,VR,系统是在沉,浸,浸式,VR,系统的基础,上,上将不同的,用,用户,(,参与者,),连接在一起,，,，共享一个,虚,虚拟空间，,使,使用户协同,工,工作达到一,个,个更高的境,界,界。,2023/3/7,二、虚拟,现,现实的分,类,类,汽车,数字化开,发,发技术第,12,页,三、产品,的,的虚拟原,型,型,虚拟原型,(VirtualPrototypling),是利用虚,拟,拟环境在,可,可视化方,面,面的优势,以,以及可交,互,互地探索,虚,虚拟物体,的,的功能，,对,对产品进,行,行几何、,功,功能、制,造,造等方面,交,交互的建,模,模与分析,。,。它是在,CAD,模型的基,础,础上，使,虚,虚拟技术,与,与仿真方,法,法相结合,，,，为原型,的,的建立提,供,供的新的,方,方法。虚,拟,拟原型技,术,术可用来,快,快速评价,不,不同的设,计,计方案，,与,与物理原,型,型相比较,，,，虚拟原,型,型生成的,速,速度快，,生,生成的原,型,型可被人,们,们直接感,触,触、操纵,和,和修改，,且,且数据可,被,被重新利,用,用。运用,虚,虚拟原型,技,技术，可,以,以减少且,甚,甚至取消,物,物理原型,的,的制作，,从,从而加速,新,新产品的,开,开发进程,。,。,2023/3/7,汽车,数字化开发技,术,术第,13,页,三、产品的虚,拟,拟原型,2023/3/7,虚拟,现,现实,数,数据,模,模型,是,是对,设,设计,对,对象,进,进行,的,的虚,拟,拟原,型,型描,述,述。,它,它包,含,含物,体,体在,虚,虚拟,环,环境,中,中进,行,行显,示,示和,操,操作,所,所需,要,要的,信,信息,，,，使,产,产品,可,可视,化,化。,虚,虚拟,环,环境,数,数据,模,模型,包,包含,由,由建,模,模、,显,显示,和,和仿,真,真工,具,具产,生,生的,几,几何,和,和光,照,照渲,染,染信,息,息。,通,通过,人,人机,交,交互,操,操作,装,装置,解,解释,用,用户,的,的操,作,作，,进,进而,改,改变,相,相关,参,参数,，,，生,成,成仿,真,真操,作,作的,逻,逻辑,事,事件,。,。,汽车,数字,化,化开,发,发技,术,术第,14,页,三、,产,产品,的,的虚,拟,拟原,型,型,为使,用,用现,有,有的,软,软件,，,，并,将,将虚,拟,拟原,型,型集,成,成到,产,产品,开,开发,过,过程,中,中，,还,还需,要,要下,列,列两,个,个接,口,口：,1,）虚,拟,拟环,境,境和,外,外部,工,工具,之,之间,的,的接,口,口。,2,）与,产,产品,数,数据,模,模型,库,库的,接,接口,。,。,虚拟,原,原型,不,不是,要,要代,替,替现,有,有的,CAD,技术,，,，而,是,是在,CAD,数据,的,的基,础,础上,进,进行,工,工作,，,，虚,拟,拟原,型,型给,所,所设,计,计的,物,物体,提,提供,了,了附,加,加的,功,功能,信,信息,。,。产,品,品数,据,据模,型,型库,将,将包,含,含完,整,整的,、,、集,成,成的,产,产品,模,模型,数,数据,及,及管,理,理，,从,从而,为,为产,品,品开,发,发过,程,程各,阶,阶段,提,提供,共,共享,的,的信,息,息。,2023/3/7,汽车,三、产品的虚拟,原,原型,建立虚拟原型的,主,主要步骤如下：,1),从,CAD,CAM,模型中取出几何,模,模型。,2),镶嵌：用多面体,和,和多边形逼近几,何,何模型。,3),简化：根据不同,要,要求删去不必要,的,的细节。,4),虚拟原型编辑：,着,着色、材料特性,渲,渲染、光照渲染,等,等。,5),特征轮廓的粘贴,，,，以更好地表达,某,某些细节。,6),增加周围环境和,其,其他要素的几何,模,模型。,7),添加操纵功能和,性,性能。,2023/3/7,汽车,数字化,开,开发技,术,术第,16,页,四、虚,拟,拟现实,在,在各个,领,领域的,应,应用,虚拟现,实,实在工,程,程中的,应,应用,虚拟现,实,实在医,学,学中的,应,应用,虚拟现,实,实在航,天,天和军,事,事中的,应,应用,虚拟现,实,实在商,业,业中的,应,应用,环境管,理,理,在娱乐,、,、艺术,和,和教育,中,中应用,虚拟,现,现实,在,在车,辆,辆工,程,程方,面,面的,应,应用,2023/3/7,四、虚拟现实在,各,各个领域的应用,虚拟现实在车辆,工,工程方面的应用,计算机技术的不,断,断发展，硬件性,能,能的不断提高，,推,推动了虚拟现实,技,技术在车辆工程,方,方面的应用。,1972,年，美国通用汽,车,车公司首先开发,了,了车辆动力学和,燃,燃油经济性的通,用,用预测程序,GPSIM,该程序可以模拟,汽,汽车在任何行驶,工,工况下的瞬时油,耗,耗、累计油耗、,行,行驶时间和距离,，,，预计汽车设计,参,参数：质量、传,动,动比、空气阻力,系,系数等的变化对,汽,汽车的影响。美,国,国能源服用试验,室,室,NREL,（,National Renewable Energy Laboratory,）在,Matlab,的环境下，利用,Simulink,工具开发的,ADVISOR(Advance Vehicle Simulation),能够在汽车未成,型,型前评价出普通,汽,汽车、电动汽车,和,和混合动力汽车,的,的动力性、经济,性,性和排放等性能,。,。,2023/3/7,汽车,数字化开发技,术,术第,18,页,四、虚拟现实,在,在各个领域的,应,应用,2023/3/7,汽车,数字化开发技,术,术第,19,页,美国,MID,公司开发的,ADAMS,软件是构成产,品,品的虚拟原型,的,的一个很好平,台,台，其中的,car,模块是,MID,与,Audi,、,BMW,、,Renault,和,Volvo,等公司合作开,发,发的整车虚拟,设,设计软件包，,集,集成了它们在,汽,汽车设计、开,发,发等方面的经,验,验。,3.2,虚拟现实硬件,的,的组成,三维（3D）,位,位置跟踪器,视觉设备,触觉与力觉反,馈,馈装置,声音设备,2023/3/7,汽车,数字,化,化开,发,发技,术,术第,20,页,3.2,虚拟,现,现实,硬,硬件,的,的组,成,成,一般,的,的VR系,统,统由,下,下列,部,部分,组,组成,：,：,检,测,测输,入,入装,置,置；,图,像,像生,成,成和,显,显示,系,系统,；,；,音,频,频系,统,统；,力,、,、触,觉,觉系,统,统；,高,性,性能,计,计算,机,机系,统,统。,2023/3/7,汽车,数字化开,发,发技术第,21,页,一、三维,（,（,3D,）位置跟,踪,踪器,为了实现,在,在虚拟现,实,实中的漫,游,游，必须,知,知道浏览,者,者在三维,空,空间中的,位,位置和方,向,向，尤其,是,是必须知,道,道头部的,位,位置与方,向,向，以相,应,应地改变,场,场景。这,就,就需要位,置,置跟踪器,跟,跟踪头部,的,的位置与,方,方向，也,就,就是需要,位,位置跟踪,器,器描述物,体,体的,3D,位置。,目前采用,的,的位置跟,踪,踪器有磁,场,场式、超,声,声波式、,红,红外线式,及,及发光二,极,极管式等,，,，但使用,较,较多的是,磁,磁场式及,超,超声波式,。,。,2023/3/7,汽车,数字化开,发,发技术第,22,页,磁场式跟,踪,踪器,磁场式跟,踪,踪器有低,频,频磁场式,及,及直流磁,场,场式两种,。,。它们都,由,由磁发射,器,器、磁接,收,收器和计,算,算模块组,成,成，磁发,射,射器和接,收,收器由绕,在,在边长约,25mm,的立方铁,心,心上的,3,组正交线,圈,圈组成。,低,低频磁场,发,发射器发,射,射低频调,制,制信号,(30,120Hz),，载波频,率,率通常为,7,14 kHz,直流磁场,式,式跟踪器,采,采用脉冲,调,调制信号,，,，发射器,依,依次向,3,组发射,线,线圈输,入,入直流,电,电流。,一个完,整,整的测,量,量周期,是,是,10ms,，由,4,个,2.5ms,的区间,组,组成，,在,在,4,个区间,内,内依次,向,向,3,组发射,线,线圈输,出,出电流,脉,脉冲。,由,由于电,流,流脉冲,具,具有严,格,格控制,的,的上升,时,时间，,因,因此在,电,电流稳,定,定后，,磁,磁场也,达,达到稳,定,定状态,，,，减小,了,了周围,金,金属导,体,体中涡,流,流对环,境,境磁场,的,的干扰,。,。,2023/3/7,汽车,数字化,开,开发技,术,术第,23,页,一、三,维,维（,3D,）位置,跟,跟踪器,2.,超声波,式,式跟踪,器,器,它采用,频,频率为,40,50kHz,的超声,波,波信号,，,，通过,多,多个发,射,射器和,接,接收器,进,进行测,量,量（见,图,图,3.12,）。测,量,量算法,有,有飞行,时,时间法,( TimeofFlight),和相位,相,相于测,量,量法,( Phase Coherent Measurement),。飞行,时,时间法,是,是通过,测,测量声,波,波从发,射,射器到,接,接收器,的,的传播,时,时间来,判,判断被,测,测物体,的,的方向,和,和距离,。,。该法,可,可以测,出,出发射,器,器与接,收,收器之,问,问的绝,对,对距离,，,，但测,量,量结果,易,易受环,境,境声（,包,包括回,声,声）的,干,干扰，,同,同时由,于,于两个,发,发射脉,冲,冲之间,具,具有一,定,定的时,间,间间隔,，,，因此,不,不能进,行,行连续,测,测量。,2023/3/7,汽车,数字化开发,技,技术第,24,页,一、三维（,3D,）位置跟踪,器,器,2023/3/7,汽车,数字化开发,技,技术第,25,页,头盔式显示,器,器就采用了,相,相位相干测,量,量系统。系,统,统在头盔上,安,安装,3,个发射器，,每,每个发射器,使,使用,40kHz,左右的频率,单,单独发射超,声,声波，,4,个接收器排,成,成正方形安,装,装在天花板,接,接收信号。,相,相位相干测,量,量法可以排,除,除噪声的干,扰,扰，且可以,进,进行连续测,量,量，具有测,量,量精度高、,数,数据更新速,率,率高和鲁棒,性,性好的优点,，,，但容易产,生,生积累误差,，,，故活动范,幽,幽范围受到,限,限制。,二、视觉设,备,备,人眼立体视,觉,觉原理,人类获取信,息,息的途径是,通,通过视觉、,听,听觉、触觉,和,和味觉。研,究,究表明，视,觉,觉为人类提,供,供了，70%以上的信,息,息。这说明,，,，视觉是人,类,类获得信息,的,的主要途径,。,。,2023/3/7,汽车,数字化开,发,发技术第,26,页,(1)静,态,态图像中,的,的深度线,索,索,(2)运,动,动深度线,索,索,(3)生,理,理上的深,度,度线索,（4）双,目,目视差线,索,索：当我,们,们用双眼,看,看同一景,物,物时，由,于,于左、右,眼,眼位置不,同,同，这就,意,意味着我,们,们总是从,两,两个略有,不,不同的角,度,度来观察,物,物体的两,个,个侧面，,这,这样形成,的,的两幅图,像,像不完全,一,一致，称,这,这种差别,为,为双目视,差,差。,2023/3/7,汽车,数字化开发技术第,27,页,二、视觉设备,人类的左右双眼,当,当这两幅图像被,大,大脑接收理解时,，,，大脑把它们融,合,合成一幅可用的,图,图像，这一融合,过,过程称为汇聚。,要达到物体自然,的,的立体效果，就,必,必须用“两只眼,睛,睛”看物体。物,体,体运动产生的动,感,感和位置变化，,计,计算机必须实时,地,地计算和处理图,像,像。为了获得平,滑,滑稳定的图像，,而,而不会出现闪烁,感,感，每幅图像的,显,显示时间必须超,过,过人的视觉暂留,时,时间，所以一般,三,三维动画的帧频,不,不少于,30,帧,s,。,2023/3/7,汽车,数字化开,发,发技术第,28,页,二、视觉,设,设备,立体眼镜,立体眼镜,是,是比较简,单,单的虚拟,现,现实系统,观,观察装置,，,，主要有,双,双色镜,(Red/Blue Glasses),、偏光镜,(Polarized Glasses),和开关式,立,立体眼镜,（,（,ShutterGlasses,）,3,种。,2023/3/7,汽车,数字化开发技,术,术第,29,页,二、视觉设备,双色眼镜的两个镜片分,别,别具有蓝色（,左,左）和红色（,右,右）膜，而左,右,右眼视网则分,别,别以红色（左,）,）和蓝色（右,）,）表示并投影,到,到屏幕上。当,观,观察者戴上双,色,色眼镜时，通,过,过红色滤光膜,，,，右眼看不到,红,红色的左眼视,图,图，而只能看,到,到蓝色的右眼,视,视图；而左眼,通,通过蓝色滤光,膜,膜也只能看到,红,红色的左眼图,像,像，从而产生,强,强烈的立体感,；,；偏光镜则利,用,用偏光方向不,同,同的两个镜片,实,实现滤光作用,。,。,2023/3/7,汽车,数字化开发技,术,术第,30,页,二、视觉设备,开关式（或液,晶,晶式）立体眼,镜,镜，这种显示方,式,式是将左右眼,视,视图以一定的,频,频率交替显示,在,在液晶屏上，,例,例如使用,80Hz,的刷新率，每,秒,秒扫描,40,幅左眼视图和,40,幅右眼视图，,即,即采用,40Hz,隔行扫描显示,器,器，把左视图,写,写到偶扫描行,，,，把右视图写,到,到奇扫描行。,镜,镜片用液晶材,料,料制造，可在,电,电压控制下变,成,成透明或不透,明,明。用显示器,的,的帧号控制立,体,体眼睛的透明,与,与否，当显示,左,左眼视图时，,左,左眼液晶透明,，,，则左眼只能,看,看到相对应的,左,左眼视网。,2023/3/7,汽车,数字化开发,技,技术第,31,页,二、视觉设,备,备,头盔显示器,头盔显示器,由,由显示源、,光,光学系统、,跟,跟踪系统和,立,立体声系统,组,组成，在它,里,里面有两个,监,监视器，在,人,人的双眼前,面,面直接立体,地,地显示视觉,空,空间。观察,者,者的头部运,动,动和由此引,起,起的视角变,化,化通过传感,器,器传给计算,机,机，计算机,相,相应地变化,图,图形，就像,人,人在给定的,环,环境中环视,所,所见到的那,样,样。,2023/3/7,汽车,数字化开发,技,技术第,32,页,二、视觉设,备,备,头盔显示器,也,也可分为封,闭,闭式和半封,闭,闭式两种。,使,使用封闭式,头,头盔时，用,户,户只能看到,头,头盔内显示,的,的图像，而,使,使用半封闭,式,式头盔时，,用,用户可同时,看,看到现实世,界,界和计算机,产,产生的图像,。,。图为半封,闭,闭头盔显示,器,器及光学系,统,统光路图。,2023/3/7,汽车,数字化开发技术第,33,页,三、触觉与力觉,反,反馈装置,在虚拟现实中为,了,了产生真实的感,觉,觉，必须提供触,觉,觉和力觉反馈，,特,特别在遥控机械,手,手等开放型虚拟,现,现实系统中更是,这,这样。,触觉手套,数据手套,空间球,2023/3/7,汽车,数字化开发技术第,34,页,触觉手套,三、触觉与力觉,反,反馈装置,触觉手套,Teletact,触觉反馈系统是,英,英国,Advanced Robotics Research Center (ARRC),开发的。,Teletact,系统是利用分布,在,在手指上的气袋,向,向手提供触觉刺,激,激，各气袋的压,力,力数值由计算机,根,根据试验结果计,算,算确定。试验是,用,用系统提供的专,用,用试验数据手套,进,进行的。该试验,数,数据手套上装有,20,个压敏元件，当,戴,戴上手套抓取物,体,体时，压敏元件,的,的输出经信号处,理,理后送到计算机,，,，生成相应的力,模,模式。,2023/3/7,汽车,数字化开发技,术,术第,35,页,三、触觉与力,觉,觉反馈装置,2023/3/7,汽车,数字化开发技,术,术第,36,页,三、触觉与力,觉,觉反馈装置,数据手套,数据手套,(DataGlove),是一种把手势,输,输入计算机的,工,工具。戴上数,据,据手套后，当,手,手活动时手套,检,检测这些活动,，,，并向计算机,送,送出相应数据,，,，计算机将这,些,些数据转化为,虚,虚拟手的动作,，,，如握拳、手,平,平直、伸出食,指,指等。根据系,统,统的规定，不,同,同的手势可以,表,表示不同的控,制,制指令，例如,用,用手平直指出,飞,飞行的方向，,用,用握拳表示返,回,回等。,2023/3/7,汽车,数字,化,化开,发,发技,术,术第,37,页,三、,触,触觉,与,与力,觉,觉反,馈,馈装,置,置,空间,球,球,作为,个,个人,计,计算,机,机附,件,件的,鼠,鼠标,在,在二,维,维图,形,形空,间,间中,获,获得,广,广泛,的,的应,用,用，,但,但为,了,了在,三,三维,空,空间,内,内工,作,作，,就,就需,要,要空,间,间球,及,及三,维,维鼠,标,标等,工,工具,。,。空,间,间球,(SpaceBall),也称,跟,跟踪,球,球,(TrackBall),，它,是,是一,个,个放,在,在带,有,有一,系,系列,开,开关,的,的底,座,座上,的,的小,球,球，,球,球中,心,心有,一,一个,固,固定,的,的小,塑,塑料,柱,柱，,柱,柱上,安,安置,了,了,6,个红,外,外发,光,光二,极,极管,。,。球,的,的外,壳,壳可,以,以活,动,动，,外,外壳,上,上装,有,有,6,个光,电,电传,感,感器,，,，接,收,收来,自,自中,心,心的,红,红外,线,线。,2023/3/7,汽车,数字化开,发,发技术第,38,页,四、声音,设,设备,3D声音,设,设备就是,根,根据人的,听,听觉感知,机,机理，在,不,不同的声,音,音环境（,如,如室外、,室,室内等）,和,和耳朵、,声,声源的不,同,同方位下,，,，提供相,应,应的声音,。,。,3D声音,效,效果的生,成,成可以由,事,事先录制,的,的声音生,成,成声音文,件,件，在虚,拟,拟现实生,成,成器中将,声,声音文件,附,附加在相,应,应的虚拟,对,对象上，,例,例如将汽,车,车发动机,启,启动的声,音,音文件附,在,在启动按,钮,钮上，当,按,按下启动,按,按钮时，,就,就会有相,应,应3D声,音,音效果产,生,生。,2023/3/7,汽车,数字化开,发,发技术第,39,页,3.3,虚拟现实,的,的软件环,境,境,虚拟现实,应,应用工具,箱,箱MRTK软,件,件包,虚拟显示,系,系统应用,工,工具箱,WTK,程,程序包,CDK(Cyberspace DeveloperKit)软件包,虚拟现实,的,的造型语,言,言VRML,2023/3/7,汽车,数字化,开,开发技,术,术第,40,页,3.3,虚拟现,实,实的软,件,件环境,一个成,功,功的虚,拟,拟现实,工,工具软,件,件应具,有,有以下,四,四个特,征,征,(1),有效性。开发,的,的软件,系,系统的,质,质量依,赖,赖于用,户,户观察,到,到的图,像,像对用,户,户动作,的,的响应,。,。,(2),灵活性。虚拟,现,现实是,一,一种新,型,型交互,技,技术，,发,发展速,度,度很快,，,，因此,虚,虚拟现,实,实开发,工,工具必,须,须足够,灵,灵活，,以,以适应,新,新技术,带,带来的,硬,硬、软,件,件的变,化,化。必,须,须很容,易,易支持,新,新的设,备,备并提,供,供新的,交,交互手,段,段。,2023/3/7,汽车,数字化开发,技,技术第,41,页,3.3,虚拟现实的,软,软件环境,(3),分布式。,目前构造的,虚,虚拟现实软,件,件系统很复,杂,杂，都需要,多,多台工作站,协,协同工作。,典,典型的系统,一,一般使用两,条,条工作站，,一,一台产生头,盔,盔显示器所,需,需的图像，,另,另一台工作,站,站处理待显,示,示的信息。,这,这种处理不,能,能由应用开,发,发人员完成,，,，而应由虚,拟,拟现实开发,工,工具完成。,(4),实时性。虚拟环境,用,用户界面要,求,求用户行为,对,对头盔显示,器,器反映的延,迟,迟最小。,2023/3/7,汽车,数字化开发,技,技术第,42,页,3.3,虚拟现实的,软,软件环境,虚拟现实的,软,软件实现包,括,括虚拟物体,的,的几何模型,、,、运动模型,和,和物理模型,的,的建立，虚,拟,拟立体声的,产,产生，模型,管,管理技术及,实,实时模拟技,术,术等,2023/3/7,汽车,数字化开发技术第,43,页,VR,模式管理技术,几何建模,物理建模,运动建模,模型分割,实时模拟,输入输出,建模,声音建模,一、虚拟现实应,用,用工具箱,MRTK,软件包,MRTK (MinimalRealityTool Kit)工具箱是,加,加拿大Alberta大学的Mark Green教授领导的,研,研究小组开发的,虚,虚拟现实应用工,具,具箱。MRTK,是,是一个支持虚拟,系,系统开发的程序,库,库，具有很好的,移,移植性能运行于,多,多种工作站，并,支,支持各种输入输,出,出设备，MRTK还支持分布式,用,用户界面、数据,共,共享、各种交互,技,技术、实时性能,分,分析等。MRTK没有提供高层,次,次的虚拟现实环,境,境构造工具该,工,工具箱可用SGI和DEC工作,站,站上的C语言直,接,接调用。,2023/3/7,汽车,数字化,开,开发技,术,术第,44,页,一、虚,拟,拟现实,应,应用工,具,具箱,MRTK,软件包,MRTK,工具箱,提,提供了,6,个程序,包,包。,(1),数据共,享,享程序,包,包。该,程,程序包,用,用于在,各,各应用,程,程序间,传,传递数,据,据。表,示,示计算,结,结果的,数,数据结,构,构由主,程,程序和,产,产生该,数,数据的,计,计算程,序,序共享,。,。数据,共,共享程,序,序使得,两,两个程,序,序能共,享,享同一,数,数据结,构,构。每,个,个程序,都,都有一,份,份数据,拷,拷贝，,在,在程序,的,的关键,地,地方对,数,数据进,行,行同步,处,处理，,即,即一个,程,程序将,其,其数据,结,结构的,内,内容送,到,到另一,程,程序。,因,因此在,上,上述例,子,子中，,每,每一次,计,计算结,束,束时，,计,计算程,序,序把数,据,据的最,新,新的值,送,送到主,程,程序。,(2)VPL DataGlove,程序包,。,。它是,MRTK,工具箱,中,中最复,杂,杂的一,个,个，该,程,程序包,分,分为两,级,级，第,一,一级支,持,持与,Data Glove,数据手,套,套的基,本,本交互,，,，将其,数,数据信,息,息送到,用,用于产,生,生虚拟,手,手图像,的,的从属,进,进程。,第,第二级,支,支持人,机,机交互,技,技术的,手,手势识,别,别。,2023/3/7,汽车,数字,化,化开,发,发技,术,术,制,第,45,页,一、,虚,虚拟,现,现实,应,应用,工,工具,箱,箱,MRTK,软件,包,包,(3)坐,标,标映,射,射程,序,序包,。,。该,程,程序,包,包是,将,将设,备,备坐,标,标映,射,射到,虚,虚拟,环,环境,坐,坐标,。,。在,虚,虚拟,环,环境,系,系统,中,中有,三,三类,输,输入,输,输出,坐,坐标,系,系：,设,设备,坐,坐标,系,系、,工,工作,空,空间,坐,坐标,系,系及,应,应用,环,环境,坐,坐标,系,系。,从,从设,备,备坐,标,标到,工,工作,空,空间,坐,坐标,的,的映,射,射依,赖,赖于,设,设备,在,在工,作,作空,间,间的,位,位置,。,。,(4)PolhemusIsotrak数,字,字化,程,程序,包,包。,该,该程,序,序包,支,支持PolhemusIsotrak,数,数字,化,化仪,的,的使,用,用。,数,数字,化,化仪,报,报告,传,传感,器,器的,位,位置,和,和方,向,向，,程,程序,包,包产,生,生的,位,位置,和,和方,向,向将,送,送到,应,应用,程,程序,。,。,2023/3/7,汽车,数字化开,发,发技术第,46,页,一、虚拟,现,现实应用,工,工具箱,MRTK,软件包,(5)语,音,音合成程,序,序包。语,音,音合成程,序,序包提供,了,了一个简,单,单的与设,备,备无关的,语,语音合成,接,接口。该,程,程序包的,主,主要目的,是,是产生声,音,音效果以,实,实现对用,户,户行为的,响,响应。语,音,音处理软,件,件包分为,两,两个部分,：,：与语音,合,合成设备,接,接口的服,务,务器和由,程,程序调用,的,的客户机,进,进程。,(6)显,示,示设备程,序,序包。这,种,种程序包,要,要支持用,于,于虚拟环,境,境系统的,很,很多种显,示,示设备，,从,从用户的,角,角度来看,，,，显示设,备,备程序包,只,只考虑显,示,示设备的,主,主要信息,而,而屏蔽掉,其,其他信息,，,，这样更,容,容易将其,从,从一种应,用,用设备移,植,植到另一,种,种应用设,备,备。应用,所,所显示的,设,设备的参,数,数将在应,用,用的配置,部,部分设定,。,。,2023/3/7,汽车,数字化开发技,术,术第,47,页,二、虚拟显示,系,系统应用工具,箱,箱,WTK,程序包,1,WTK,库中的主要组,成,成类,WTK,用一种面向对,象,象的命名方式,来,来组织，主要,组,组成类有场景,类,类,( Universe),、对象类,(Object),、多边形类,(PoLygon),、路径类,(Path),、传感器类,(Sensor),、视点类,(Viewpoint),、光源类,(Lightsource),、入口类,(Port),和动画类,(Animation),。,2023/3/7,汽车,数字化开发技,术,术第,48,页,二、虚拟显示,系,系统应用工具,箱,箱,WTK,程序包,2,WTK,的主要特点,对各种虚拟,系,系统的硬件设,备,备提供软件支,持,持，且对特殊,的,的设备也可利,用,用,WTK,迅速开发接口,；,；提供了几,百,百种功能的,C,语言库，可在,短,短时间内建立,起,起实时三维图,形,形的应用系统,；,；,WTK,的应用对象模,型,型是利用三维,计,计算机辅助设,计,计系统制作的,，,，通过将,DXF,文件以外的三,维,维数据变换为,DXF,文件格式，就,可,可以构造出虚,拟,拟应用环境；,可实时、高,速,速地将纹理粘,贴,贴在三维图像,表,表面并能简便,地,地对三维空间,的,的对象表面进,行,行设计；在,虚,虚拟世界里，,可,可配置多个光,源,源，也可实时,移,移动或更换光,源,源，进而创建,更,更为真实的三,维,维空间。,2023/3/7,汽车,数字化开发,技,技术第,49,页,三、,CDK(CyberspaceDeveloperKit),软件包,CDK(CyberspaceDeveloperKit),软件包是一,种,种在,DOS,下运行的软,件,件包，具有,灵,灵活建模的,特,特点。,它是由,AutoDesk,公司开发、,使,使用面向对,象,象的语言,编写，共有,1 200,多个库函数,和,和,140,个类，都具,有,有类的典型,属,属性,继承性和多,态,态性。根据,功,功能的不同,，,，可以把,CDK,软件包分为,几,几何结构,(Geometry),、几何输入,和,和输出,(GeometryImport andExport),、显示,(Display),、声音,(Audio),、传感器,(Sensor),、排表,(Scheduling),、事件,( Events),、物理现象,( Physics),、观察者,(Viewers),、分布模拟,(Distributed Simulation,）和线性代,数,数及运用,(Linear AlgebraandUtlity),等,11,组。,2023/3/7,汽车,数字化开发技术第,50,页,四、虚拟现实的,造,造型语言,VRML,2023/3/7,汽车,数字化开发技术第,51,页,四、虚拟现实的,造,造型语言,VRML,2. 虚拟现实,的,的造型语言VRML的语言结构,及,及特点,平台独立性。,当,当今的Internet是异构,型,型网络，要求一,种,种语言能用于各,种,种机器来连接网,络,络。,可扩充性。除,了,了VRML自身,提,提供的节点，VRML还支持自,定,定义的节点，从,而,而使VRML描,述,述世界的能力得,到,到很大的增强。,新,新节点可以直接,创,创建，也可以在,已,已有节点的基础,上,上扩充内容来创,建,建。,2023/3/7,汽车,数字化开发技术,第,第,52,页,四、虚拟现实的,造,造型语言,VRML,3虚拟现实的,造,造型语言VRML的发展目的及,意,意义,VRML在电子,商,商务、教育、工,程,程技术、建筑、,娱,娱乐、艺术等领,域,域的广泛应用，,将,将会促使它迅速,发,发展，并成为构,建,建虚拟现实应用,系,系统的基础。虚,拟,拟现实作为一种,全,全新的人机接口,技,技术，必须研究,用,用户和计算机之,间,间的协调关系问,题,题，这样一个问,题,题只有通过大量,的,的使用才能逐步,解,解决。VRML,以,以因特网作为应,用,用平台，最有希,望,望成为构筑虚拟,现,现实应用的基本,构,构架。总之，VRML将创造一,种,种融多媒体、三,维,维图形、网络通,讯,讯、虚拟现实为,一,一体的新型媒体,，,，同时具有了先,进,进性和普及性。,2023/3/7,汽车系,统,统动力,学,学与控,制,制,第,53,页,3.4,虚拟设,计,计技术,虚拟设,计,计技术,的,的过程,虚拟设,计,计技术,的,的应用,2023/3/7,汽车,数字化,开,开发技,术,术第,54,页,一、虚,拟,拟设计,技,技术的,过,过程,虚拟设,计,计，就,是,是设计,人,人员用,一,一个虚,拟,拟的产,品,品来分,析,析、研,究,究、检,查,查所设,计,计的产,品,品是否,合,合理，,有,有毛病,没,没有，,应,应如何,修,修改。,在,在对虚,拟,拟产品,的,的品评,和,和考查,中,中，如,发,发现问,题,题，可,再,再修改,设,设计，,使,使产品,设,设计得,更,更好，,而,而不是,在,在投产,前,前先制,造,造一个,模,模型或,样,样品。,2023/3/7,汽车,数字,化,化开,发,发技,术,术第,55,页,一、,虚,虚拟,设,设计,技,技术,的,的过,程,程,现在,，,，汽,车,车设,计,计、,舰,舰船,设,设计,也,也都,可,可以,来,来用,虚,虚拟,设,设计,。,。德,国,国汽,车,车业,应,应用,虚,虚拟,现,现实,技,技术,最,最快,也,也最,广,广泛,。,。目,前,前，,德,德国,所,所有,的,的汽,车,车制,造,造企,业,业都,建,建成,了,了自,己,己的,虚,虚拟,现,现实,开,开发,中,中心,。,。奔,驰,驰、,宝,宝马,、,、大,众,众等,大,大公,司,司的,报,报告,显,显示,，,，应,用,用虚,拟,拟现,实,实技,术,术，,以,以“,数,数字,汽,汽车,”,”模,型,型来,代,代替,本,本制,或,或铁,皮,皮制,的,的汽,车,车模,型,型，,可,可将,新,新车,型,型开,发,发时,间,间从1年,以,以上,缩,缩短,到,到2,个,个月,左,左右,，,，开,发,发成,本,本最,多,多可,降,降低,到,到原,先,先的110,。,。美,国,国福,特,特汽,车,车公,司,司科,隆,隆研,究,究中,心,心设,计,计部,经,经理,罗,罗勃,认,认为,，,，采,用,用虚,拟,拟设,计,计技,术,术，,可,可使,整,整个,设,设计,流,流程,时,时间,减,减少23。,2023/3/7,汽车,数字,化,化开,发,发技,术,术第,56,页,下面,是,是虚拟,设,设计,技,技术,的,的一,般,般过,程,程,(1),几何,概,概念,设,设计,在这,种,种情,况,况下,，,，虚,拟,拟原,型,型的,形,形状,能,能够,直,直观,、,、方,便,便地,被,被改,变,变。,也,也就,是,是说,数,数据,模,模型,在,在实,时,时反,馈,馈的,作,作用,下,下可,被,被交,互,互地,改,改变,。,。此,时,时，,集,集成,的,的建,模,模工,具,具的,功,功能,不,不一,定,定异,常,常强,大,大，,但,但必,须,须是,方,方便,易,易用,的,的,(2),机械概念设,计,计,对于机械设,计,计来讲，在,概,概念设计阶,段,段经常讨论,的,的一个问题,就,就是运动学,特,特性，另外,还,还有可接近,性,性和可装配,性,性。,IGD,开发了一个,研,研究性的装,配,配系统，在,这,这个系统中,，,，用户可用,手,手抓取物体,，,，然后在适,当,当的位置放,开,开。,(3),虚拟现实仿,真,真,2023/3/7,汽车,数字化开发,技,技术第,57,页,虚拟设计技,术,术的应用,1）产品的,外,外形设计例,如,如汽车外形,造,造型设计,2023/3/7,汽车,数字化开发,技,技术第,58,页,（2）产品,的,的布局设计,(3)产品,装,装配仿真,(4)产品,加,加工过程仿,真,真,(5)虚拟,样,样机与产品,工,工作性能评,测,测,(6)产品,广,广告与漫游,2023/3/7,汽车,数字化开,发,发技术第,59,页,3.5,虚拟制造,技,技术,虚拟制造,技,技术概述,虚拟制造,的,的分类,虚拟制造,的,的应用,2023/3/7,汽车,数字化开,发,发技术第,60,页,一、虚拟,制,制造技术,概,概述,在虚拟制,造,造定义的,基,基础上，,笔,笔者对虚,拟,拟制造技,术,术和虚拟,制,制造系统,分,分别定义,如,如下：,虚拟制造,技,技术,(VirtualManufacturing Technology),是一门以,计,计算机仿,真,真技术、,制,制造系统,与,与加工过,程,程建模理,论,论、,VR,技术、分,布,布式计算,理,理论、产,品,品数据管,理,理技术等,为,为理论基,础,础，研究,如,如何在计,算,算机网络,环,环境及虚,拟,拟现实环,境,境下，利,用,用制造系,统,统各个层,次,次、各个,环,环节的数,字,字模型，,完,完成制造,系,系统各个,环,环节的计,算,算与仿真,的,的技术。,虚拟制造系统,(Virtual Manufacturing System),是一个在虚拟,制,制造技术的指,导,导下在计算,机,机网络和虚拟,现,现实环境中建,立,立起来的，具,有,有集成、开放,、,、分布、并行,、,、人机交互等,特,特点的，能够,从,从产品生产全,过,过程的高度来,分,分析和解决制,造,造系统各个环,节,节的技术问题,的,的软硬件系统,。,。,2023/3/7,汽车,数字,化,化开,发,发技,术,术第,61,页,一、,虚,虚拟,制,制造,技,技术,概,概述,1.,虚拟,制,制造,的,的特,点,点,虚拟,制,制造,具,具有,集,集成,性,性、,反,反复,性,性、,并,并行,性,性和,人,人机,交,交互,性,性等,特,特点,。,。,2023/3/7,汽车,数字化开发技术第,62,页,一、虚拟制造技,术,术概述,（1）集成性,集,集成性首先表,现,现在虚拟制造并,不,不是一个单一的,过,过程，它是一个,具,具有不同目的的,各,各类虚拟子过程,的,的综合。这一特,点,点是由实际制造,过,过程的多样性决,定,定的。实际的制,造,造过程既要完成,产,产品的设计，还,要,要完成生产过程,的,的规划、调度和,管,管理等事务。与,此,此相应，虚拟制,造,造包含了虚拟设,计,计、虚拟加工、,虚,虚拟装配等过程,，,，以完成产品的,设,设计、生产过程,的,的优化调度等任,务,务。其次，虚拟,制,制造的集成性还,表,表现在诸多子过,程,程并不是独立运,行,行的，而是彼此,之,之间相互影响、,相,相互支持，共同,完,完成对实际制造,过,过程的分析与仿,真,真。,2023/3,/7,汽车,数字化,开,开发技,术,一、虚,拟,拟制造,技,技术概,述,述,（2）,反,反复性,反,反,复,复性指,的,的是虚,拟,拟制造,大,大多数,环,环节都,遵,遵循一,个,个“方,案,案拟定,仿,真,真评价,方,案,案修改,”,”的一,个,个多次,反,反复的