第10章虛擬設(shè)計10.1概述10.2虛擬設(shè)計系統(tǒng)10.3虛擬原型及其生成 10.1概述

1．虛擬現(xiàn)實

1）虛擬現(xiàn)實的定義

虛擬現(xiàn)實（VirtualReality，VR）技術(shù)又稱“靈境”技術(shù)，是一種可以創(chuàng)建和體驗虛擬世界的計算機系統(tǒng)。它不僅融合了數(shù)字圖像處理、計算機圖形學(xué)、人工智能、多媒體技術(shù)、智能接口技術(shù)、傳感器技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)以及并行處理和高性能計算機系統(tǒng)等多個信息技術(shù)分支的最新成果，還涉及數(shù)學(xué)、物理、地理、美學(xué)等學(xué)科領(lǐng)域。實際上，虛擬現(xiàn)實就是一種先進的計算機用戶接口，它利用計算機生成各種模擬環(huán)境（如飛機駕駛艙、操作現(xiàn)場等），并通過各種傳感設(shè)備，使人能對虛擬場景中的物體進行操作與觀察，并使用戶沉浸到環(huán)境中，實現(xiàn)用戶與該環(huán)境直接進行自然交互，體驗比現(xiàn)實世界更加豐富的感受。所謂模擬環(huán)境，就是利用計算機生成的具有表面色彩的立體圖形，它可以是某一特定現(xiàn)實世界的真實體現(xiàn)，也可以是純粹構(gòu)想的世界。傳感設(shè)備包括立體頭盔、數(shù)據(jù)手套、數(shù)據(jù)衣等穿戴于用戶身上的裝置和設(shè)置于現(xiàn)實環(huán)境中的傳感裝置（不直接帶在身上）。自然交互是指用日常使用的方式對環(huán)境內(nèi)的物體進行操作（如用手拿東西、行走等）并得到實時反饋。虛擬現(xiàn)實生成的視覺環(huán)境是立體的，音效是立體的，人機交互是和諧友好的，因此虛擬現(xiàn)實技術(shù)一改人與計算機之間枯燥、生硬和被動的現(xiàn)狀，即計算機創(chuàng)造的環(huán)境使人們陶醉在工作之中。虛擬現(xiàn)實可用于構(gòu)造當(dāng)前不存在的環(huán)境，人類不可能到達的環(huán)境和代替耗資巨大的現(xiàn)實環(huán)境。虛擬現(xiàn)實的模型為從CAD的幾何造型到物理造型，即從考慮幾何數(shù)據(jù)、拓撲關(guān)系的模型到考慮包括是否剛體、彈性體、質(zhì)量、轉(zhuǎn)動慣量和表面光滑程度等物理性質(zhì)的模型。虛擬現(xiàn)實要達到增強現(xiàn)實的目的，即用虛擬物體來豐富、增強真實的環(huán)境，而不是用它來代替真實的環(huán)境。虛擬現(xiàn)實的成果是給用戶一個將現(xiàn)實世界和計算機中虛擬模型結(jié)合起來的工作環(huán)境。

2）虛擬現(xiàn)實的特征

虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)不同于一般的計算機繪圖系統(tǒng)，也不同于一般的模擬仿真系統(tǒng)，它不僅能讓用戶真實地看到一個環(huán)境，而且能讓用戶真正感受到這個環(huán)境的存在，并能和該環(huán)境進行自然交互。虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)具有以下特性：（1）交互性：是指在虛擬環(huán)境中，參與者能對虛擬環(huán)境中的物體進行操作，并且操作的結(jié)果能反過來被參與者準確地、真實地感受到。交互的產(chǎn)生要借助于計算機的輸入設(shè)備（如鍵盤、鼠標(biāo)、頭盔顯示器、數(shù)據(jù)手套等），使人能夠利用自然技能，如同在真實的環(huán)境中一樣與虛擬環(huán)境的對象發(fā)生交互關(guān)系。例如，用戶可以用手去直接抓取模擬環(huán)境中的物體，這時手有握著東西的感覺，并可以感覺物體的重量（其實這時手里并沒有實物），視場中被抓的物體也立刻隨著手的移動而移動。在系統(tǒng)中用戶還可以直接控制對象的各種參數(shù)等，而系統(tǒng)也可以向用戶反饋信息。（2）沉浸感：又稱臨場感，是指參與者感到作為主角存在于模擬環(huán)境中的真實程度。理想的模擬環(huán)境應(yīng)該達到使用戶難以分辨真假的程度（例如，可視場景應(yīng)隨著視點的變化而變化），如實現(xiàn)比現(xiàn)實更理想化的照明和音響效果等。在虛擬環(huán)境中，參與者應(yīng)該能很好地感覺各種不同的刺激，沉浸感的強弱與虛擬表達的詳細度、精確度、真實度有密不可分的關(guān)系。虛擬現(xiàn)實技術(shù)最主要的技術(shù)特征就是使參與者具備一種在計算機環(huán)境中的沉浸感，即讓參與者覺得自己是計算機系統(tǒng)所創(chuàng)建的虛擬環(huán)境中的一部分，使人由一般模擬系統(tǒng)中被動的觀察者變?yōu)橹鲃拥膮⑴c者，參與者利用他的視覺、觸覺和操作尋找數(shù)據(jù)的重要特性，而不是通過嚴密的思考來分析數(shù)據(jù)，而且參與者能全身心地投入到計算機世界，并沉浸于其中。（3）想象：指參與者沉浸在多維信息空間中，依靠自己的感知和認識能力全方位獲取知識，發(fā)揮主觀能動性，尋求解答以形成新的概念的過程。對一般的仿真系統(tǒng)而言，用戶所獲得的主要是視覺感知，比較成熟的仿真系統(tǒng)有聽覺感知；虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)提供除了一般計算機技術(shù)所具有的視覺感知之外，還有聽覺感知、觸覺感知、運動感知，甚至還包括味覺感知、嗅覺感知等，即理想的虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)該具有一切人所具有的感知功能，使人們通過多種渠道與客觀世界進行交互作用，并沉浸在客觀世界中。

2．虛擬設(shè)計

虛擬設(shè)計以“虛擬現(xiàn)實”為技術(shù)基礎(chǔ)。借助這樣的設(shè)計手段設(shè)計人員可以通過多種傳感器與多維的信息環(huán)境進行自然的交互，實現(xiàn)從定性和定量綜合集成環(huán)境中得到感性和理性的認識，從而幫助深化概念和萌發(fā)新意。虛擬設(shè)計技術(shù)充分利用了模擬仿真技術(shù)，但又不同于一般的模擬仿真技術(shù)。虛擬設(shè)計系統(tǒng)比現(xiàn)行的CAD系統(tǒng)具有更強的人機交互能力，設(shè)計人員可以通過視覺、聽覺、觸覺及語音、手勢等與設(shè)計對象在虛擬的環(huán)境中進行自然地、直觀的交互。從某種意義上講，虛擬設(shè)計技術(shù)是虛擬制造技術(shù)的重要組成部分，它目標(biāo)明確，支持技術(shù)較成熟，易于啟動，這項技術(shù)將有助于實現(xiàn)真正意義上的虛擬制造。

1）虛擬設(shè)計的特點

虛擬設(shè)計具有以下特點：

（1）虛擬設(shè)計繼承了虛擬現(xiàn)實技術(shù)的所有特點。

（2）繼承了傳統(tǒng)CAD設(shè)計的優(yōu)點，便于利用原有成果。

（3）具備仿真技術(shù)的可視化特點，便于改進和修正原有設(shè)計。

（4）支持協(xié)同工作和異地設(shè)計，利于資源共享和優(yōu)勢互補，從而縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期。

（5）便于利用和補充各種先進技術(shù)，保持技術(shù)上的領(lǐng)先優(yōu)勢。

2）虛擬設(shè)計與傳統(tǒng)CAD/CAM系統(tǒng)的區(qū)別

（1）在講區(qū)別的同時，首先重在繼承，尤其是繼承原有CAD技術(shù)的資源和成果；其次，虛擬設(shè)計是以硬件的相對的高投入為代價的。

（2）CAD技術(shù)往往重在交互，設(shè)計階段可視化程度不高，到原型生產(chǎn)出來后才暴露出問題。

（3）CAD技術(shù)無法利用除視覺以外的其它感知功能。

（4）CAD技術(shù)無法進行深層次的設(shè)計，如可裝配性分析和干涉檢驗等。 10.2虛擬設(shè)計系統(tǒng)

1．虛擬環(huán)境生成系統(tǒng)

虛擬環(huán)境生成系統(tǒng)是虛擬設(shè)計系統(tǒng)的核心部分，它的功能是根據(jù)任務(wù)的性質(zhì)和用戶的要求，在工具軟件和數(shù)據(jù)庫的支持下產(chǎn)生任務(wù)所需的、多維的、適人化的情景和實例。它由計算機的基本軟/硬件、軟件開發(fā)工具和其它配件（如聲卡、圖形卡等）組成，其實質(zhì)就是一個包括各種數(shù)據(jù)庫的高性能圖形計算機系統(tǒng)。數(shù)據(jù)庫中包含著對虛擬對象的描述以及對對象運動、行為、碰撞等性質(zhì)的描述。虛擬環(huán)境構(gòu)造程序由一系列子程序構(gòu)成，主要用于完成對虛擬環(huán)境中物體及其運動、行為、碰撞等特性的描述。圖10-1虛擬設(shè)計系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖虛擬環(huán)境生成部分可能包括多臺計算機，這些計算機協(xié)調(diào)作業(yè)完成圖像的實時顯示并處理其它各種數(shù)據(jù)。這個部分還包含著三維聲音處理器、計算機仿真模擬管理器和應(yīng)用系統(tǒng)等。產(chǎn)生虛擬環(huán)境的基本方法有兩種：基于圖像的方法和基于模型的方法。

1）基于圖像的方法

全景圖生成技術(shù)是基于圖像的方法的關(guān)鍵技術(shù)。了解全景圖首先要了解視點和視點空間。視點是指用戶某一時刻在虛擬場景空間中的觀察點。視點空間是指某一視點處用戶所觀察到的場景。全景圖實際上是空間中一個視點對周圍環(huán)境的360°的全封閉視圖。根據(jù)全景圖允許瀏覽的空間自由度，全景圖可分為柱面全景圖和球面全景圖。柱面全景圖允許用戶對場景進行水平空間360°環(huán)繞瀏覽，球面全景圖允許用戶對場景進行經(jīng)緯360°全方位的環(huán)繞瀏覽。

全景圖生成方法涉及基于圖像無縫連接技術(shù)和紋理映射技術(shù)，其原始資料是利用照相機的平移或旋轉(zhuǎn)得到的部分重疊的序列圖像樣本。紋理映射技術(shù)用于形成封閉的紋理映射空間，如柱面紋理映射空間和球面紋理映射空間。用戶可以在柱面全景空間中進行水平360°范圍內(nèi)任意視線切換，在球面全景空間中進行經(jīng)緯360°范圍內(nèi)任意視線切換。基于圖像的三維重建和虛擬瀏覽是基于圖像的虛擬現(xiàn)實的關(guān)鍵技術(shù)。

2）基于模型的方法

基于模型的方法又稱為基于景物幾何的方法，是指以幾何實體建立虛擬環(huán)境。幾何實體可采用計算機圖形學(xué)技術(shù)繪制，也可用已有的建模工具（如AutoCAD、3Dstudio等）建立模型，然后以統(tǒng)一數(shù)據(jù)格式輸出，進行實時渲染。建立虛擬現(xiàn)實模型后，通過加入事件響應(yīng)，實現(xiàn)移動、旋轉(zhuǎn)、視點變換等操作，從而實現(xiàn)交互式虛擬環(huán)境?；谀Ｐ偷姆椒ㄉ婕暗年P(guān)鍵技術(shù)如下：

（1）三維實體幾何建模技術(shù)。虛擬環(huán)境的建模是虛擬現(xiàn)實技術(shù)的核心內(nèi)容，動態(tài)建模則是建模技術(shù)的難點。動態(tài)建模技術(shù)的目的是獲取實際環(huán)境的三維數(shù)據(jù)，并根據(jù)應(yīng)用的需要，利用獲取的三維數(shù)據(jù)建立相應(yīng)的虛擬環(huán)境模型。

（2）實時渲染技術(shù)。實時渲染是實現(xiàn)虛擬環(huán)境真實感的關(guān)鍵技術(shù)之一。如果實時性不好，則用戶在虛擬環(huán)境中瀏覽或操作時，會出現(xiàn)視覺或聽覺滯后；如果從一個視點轉(zhuǎn)向另一個視點，或操作虛擬環(huán)境中的物體，則需要等待很長的時間，這樣用戶很難在虛擬環(huán)境中獲得參與感和沉浸感。（3）碰撞檢測、干涉校驗及關(guān)聯(lián)運動。為使虛擬環(huán)境對事件產(chǎn)生與真實環(huán)境相同的反饋，碰撞檢測、干涉校驗及關(guān)聯(lián)運動是不可缺少的技術(shù)。在機械虛擬裝配、機械設(shè)備虛擬布局等技術(shù)中，碰撞檢測和干涉校驗顯得尤為重要。關(guān)聯(lián)運動則反映虛擬環(huán)境中物體之間的聯(lián)動關(guān)系。

（4）物理屬性。物理屬性包括實體表面的光滑程度、光學(xué)效果、軟硬程度、密度、力學(xué)特性等。軟觸覺與力反饋是基于模型的虛擬環(huán)境其物理屬性的主要實現(xiàn)方法。由于軟件瓶頸的限制，虛擬環(huán)境的物理屬性一直是虛擬現(xiàn)實技術(shù)的難點。

2．交互技術(shù)

為了實現(xiàn)人機交互，必須使用特殊的人機接口與外部設(shè)備，既要允許用戶將信息輸入到計算機，也要使計算機能反饋信息給用戶。這些交互設(shè)備包括：能為用戶提供各種感受的輸出工具，如頭盔式顯示器、立體聲耳機、觸覺裝置等，以及能測定視線方向、識別手勢和語音等的輸入裝置，如三維鼠標(biāo)、數(shù)據(jù)手套、數(shù)據(jù)衣等。

目前對于虛擬設(shè)計系統(tǒng)交互技術(shù)的研究集中于三個方面：觸覺、視覺和聽覺。每一種感覺系統(tǒng)都存在兩種模式：輸入和輸出，所以也可以說在目前的虛擬設(shè)計技術(shù)中人們重視對六種交互方式的研究：視覺輸入、聽覺輸入、觸覺輸入、視覺輸出、聽覺輸出和觸覺輸出。實踐證明，在利用虛擬設(shè)計系統(tǒng)進行產(chǎn)品及零件設(shè)計時，語音命令和手勢命令比視線命令更為有效，視覺反饋比聽覺和觸覺更為重要，但聽覺和觸覺對視覺的輔助和補充作用不可忽視，尤其是對于虛擬裝配設(shè)計。

1）視覺輸出

視覺輸出是虛擬設(shè)計系統(tǒng)最重要的反饋。立體視覺的顯示與普通計算機屏幕顯示有所不同，它要求提供大視野和雙眼立體顯示。虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展已為視覺輸出提供了多種顯示設(shè)備，如桌面顯示器、光閘眼鏡、頭盔式顯示器等，并且這些設(shè)備已很快被引入到虛擬設(shè)計系統(tǒng)之中。人們也常根據(jù)視覺輸出設(shè)備的不同對虛擬設(shè)計系統(tǒng)進行分類，如采用桌面顯示器和光閘眼鏡輸出的系統(tǒng)稱為桌面虛擬設(shè)計系統(tǒng)，采用沉浸性好的頭盔式顯示器或雙目全方位顯示器的系統(tǒng)稱為沉浸式系統(tǒng)等。（1）桌面顯示器及光閘眼鏡。由計算機分別為左、右眼生成獨立的圖像，同時或交替地輸出到桌面顯示器上，用戶需要通過光閘眼鏡來接收屏幕上顯示的圖像。眼鏡的作用是保證用戶的左眼只能看到屏幕上為左眼顯示的圖像，而右眼只能看到屏幕上為右眼顯示的圖像，大腦將接收到的左、右眼圖像合成立體視覺。這樣的顯示器置于桌面可多人共享，用戶頭部壓迫感小，易于實現(xiàn)交互；但視角小，無環(huán)繞視覺感，用戶頭部和身體不能自由運動，以始終保持顯示器在其視野范圍之內(nèi)。一般要求桌面顯示器與光閘眼鏡配合使用，并配有頭部跟蹤裝置。（2）頭盔式顯示器。頭盔式顯示器亦稱虛擬現(xiàn)實眼鏡，是一種比較高級的視覺顯示裝置，它將圖像直接提供給眼睛，而將所有的無關(guān)視覺信息進行過濾。這種顯示器要配合頭部跟蹤設(shè)備一起使用，跟蹤設(shè)備將用戶頭部的位置及方向告訴計算機，計算機就可以調(diào)整用戶所要看到的視景。頭盔式顯示器一般由兩個液晶顯示器協(xié)調(diào)工作，為用戶實時提供三維立體圖像。頭盔中安裝有廣角光路，同時附有頭部運動檢測裝置，用戶走動自由，但約束感很強，另外，液晶顯示器分辨率較低。（3）雙目全方位顯示器。頭盔式顯示器具有沉浸感強、用戶行走方便等很多優(yōu)點，但也有缺點。第一，它的重量由用戶頭部負擔(dān)，對用戶有壓迫感；第二，當(dāng)戴上頭盔后，若需要查看和處理現(xiàn)實空間中的事物，則不得不將頭盔摘下。為了克服上述缺點，人們提出了更為靈活的設(shè)計方案，即可移開式顯示器，用戶可以方便地把顯示器置于眼前，并可快速移開。例如，由NASA研制的雙目全方位顯示器類似于雙目望遠鏡，它把兩個獨立的CRT顯示器捆綁在一起，用戶可以用手操作顯示器的位置，以觀察一個可移動的、寬視角的虛擬空間。該顯示器裝在一個小盒子里，而小盒子掛在機械支撐上，用戶的位置及姿勢由跟蹤系統(tǒng)測量，精度較高。用戶用手操縱，約束感適中，便于“戴上”和“取下”，顯示器的分辨率比頭盔式顯示器有較大提高，跟蹤更新速率可達60Hz，而且沒有延遲和噪聲。（4）洞穴型視覺裝置。洞穴式自動虛擬環(huán)境系統(tǒng)是一種完全沉浸型系統(tǒng)。該顯示器是一個300cm×300cm×300cm大小的空間。在這個空間內(nèi)，前、左、右和地板均有向內(nèi)的投影屏，它最多允許10人完全投入該虛擬境界。其中必有一人作向?qū)В櫻b置對他的位置進行跟蹤，從而控制虛擬環(huán)境，而其它的人則是被動觀察者，所有的人員都需要佩帶光閘眼鏡。這種顯示系統(tǒng)有利于邀請產(chǎn)品的最終用戶參與設(shè)計，其視角大，分辨率高，環(huán)繞視覺感強。用戶只需佩帶光閘眼鏡即可，約束感小，可多人共享，但需較大的工作空間和復(fù)雜的投影系統(tǒng)，造價較高。

2）三維聲音處理器

三維聲音與人們熟悉的立體聲是有本質(zhì)區(qū)別的，立體聲雖有左右聲道之分，但聽起來聲源總在某個平面之內(nèi)；而三維聲音能使用戶感覺到聲源恰好處在應(yīng)該所在的位置，可能在用戶的前方、后方，也可能在左方、右方，還可能在上方、下方，即聲源可能在圍繞用戶的球形空間的任何位置。三維聲音是由計算機生成的、能由人工設(shè)定聲源在空間中三維位置的一種聲音。三維聲音處理器是利用人類定位聲音的特點生成三維聲音的一套系統(tǒng)。人類進行聲音的定位依據(jù)兩個要素：兩耳的時間差和兩耳的強度差。當(dāng)聲源放置在頭部的右側(cè)時，由于聲源離右耳比離左耳近，因此聲音先到達右耳，可以感受到聲音到達兩耳的時間差。當(dāng)聽者正好在聲源傳播的路徑上時，聲音的強度在兩耳間變化很大。據(jù)此研究人員模擬人耳對聲音的反射現(xiàn)象進行三維聲音的研究。研究人員位于一個圓頂房子內(nèi)，在房間內(nèi)放置特定空間位置的聲源，將微小的麥克風(fēng)放置在研究人員的耳朵內(nèi)，然后把聲源依次打開，并存儲麥克風(fēng)的輸出，通過計算麥克風(fēng)輸出的頻率響應(yīng)，便可把聲音虛擬地定位在空間的任何位置。三維聲音輸出可以作為一個獨立的反饋通道與視覺反饋并行處理。在三維聲場中，聲音會根據(jù)具體的視覺場景使用戶聽到的聲音好像發(fā)自相應(yīng)的物體，從而達到增強虛擬場景的真實感受。三維聲音系統(tǒng)相當(dāng)復(fù)雜，涉及的基礎(chǔ)技術(shù)較多。

3）觸覺與力反饋系統(tǒng)

觸覺是皮膚、毛發(fā)等與物體接觸時產(chǎn)生的感覺。研究發(fā)現(xiàn)，在視頻顯示的基礎(chǔ)上加入觸覺感知比只使用視頻顯示的準確率可提高10％。在沒有視頻顯示的情況下，觸覺感知的作用就更明顯，可使準確率提高20％。在虛擬環(huán)境中，人們?nèi)裟苡H手操作虛擬環(huán)境中的物體，并能得到豐富的感覺信息，那么將大大增加虛擬環(huán)境的沉浸感和真實感。要使人們得到對虛擬物體的這些感知，一方面要考慮如何定義虛擬物體的質(zhì)地等物理量，另一方面必須考慮如何將這些物理量轉(zhuǎn)換為人的觸覺感知。人的觸覺感知形式多樣，為研究方便，可以將其分為兩類：接觸反饋和力量反饋。（1）接觸反饋是指人與物體對象接觸所得到的全部感覺，是摸覺、壓覺、振動覺、刺痛覺等皮膚感覺的統(tǒng)稱。常見的模擬不同觸覺紋理的方法是利用電信號或振動來刺激人手的相應(yīng)部位。例如，麻省理工學(xué)院的觸覺反饋裝置砂紙系統(tǒng)利用一個像老鼠似的裝置來提供觸覺反饋，當(dāng)裝置掠過虛擬物體時，這個“老鼠”的表面會根據(jù)虛擬物體表面的不同而發(fā)生實時變化。（2）力量反饋是在肌肉、關(guān)節(jié)和韌帶等受到拉伸、壓縮或扭曲時而得到的受力感知，它感知的是物體的重量、沖力和運動等。提供力量反饋的常見方法是采用一些機械裝置來抵抗用戶對虛擬物體的作用力。例如，馬里蘭大學(xué)研制的一種具有力量反饋的手持控制器可用于操縱機械手。當(dāng)機械手撿起一個物體或推拉東西時，操作者就會感到力和力矩的作用，因此操作者可以知道作用在機械手上的力量大小。

4）跟蹤探測

常見的跟蹤探測設(shè)備有以下幾種。

（1）頭部跟蹤。在虛擬環(huán)境中，一切物體都有自己的坐標(biāo)位置和姿態(tài)，用戶也不例外。用戶看到的景象是由頭的位置和視線的方向決定的，如果用戶挪動頭的位置或改變注視的方向，那么視景就會跟著改變。在一般的計算機圖形技術(shù)中，視景的改變是通過鼠標(biāo)和鍵盤來實現(xiàn)的，景象的改變與用戶的頭和眼睛的運動沒有必然的聯(lián)系，這樣的視覺系統(tǒng)缺乏沉浸感。在虛擬環(huán)境中通過對用戶頭部跟蹤來相應(yīng)地改變視景，就會增強視覺上的逼真程度。另外，用戶不僅可以從雙目立體視覺中獲得對環(huán)境的認識，而且還可以通過頭部的運動來觀察認識環(huán)境，這樣便可以得到更多的關(guān)于距離遠近的信息。跟蹤器多種多樣，除常用的跟蹤器外，還有大范圍跟蹤器和自跟蹤器等。（2）手、手勢及人體姿勢的跟蹤。在用戶與計算機的交互中，鍵盤和鼠標(biāo)是目前最常用的工具。鍵盤對文字的輸入是極為有效的，但對圖形、圖像就顯得不太好用。鼠標(biāo)對于二維空間的操作很有效，但對于三維空間卻很不方便。在三維空間中，因為物體具有六個自由度，所以很難找到一個比較直接的方法把鼠標(biāo)的平面運動映射成三維空間中的任意運動。為了實現(xiàn)對三維對象的方便操作，人們研制了各種各樣的三維交互工具，如數(shù)據(jù)手套、三維跟蹤球以及數(shù)據(jù)衣等。數(shù)據(jù)手套是最有用的三維輸入工具，它看起來簡單，制作技術(shù)卻相當(dāng)復(fù)雜，它由很輕的彈性材料構(gòu)成，緊貼在手上，該系統(tǒng)包括位置、方向傳感器和沿每個手指背部安裝的一組光纖導(dǎo)線，用于檢測手和手指的運動，可以將手的運動轉(zhuǎn)化為計算機的輸入信號。其工作原理是：當(dāng)手活動時，數(shù)據(jù)手套對這些活動進行檢測并向計算機送入相應(yīng)的電信號，而后計算機將這些信號轉(zhuǎn)換為虛擬手的動作，這樣虛擬手就可以隨著用戶手的移動而移動。數(shù)據(jù)手套可以跟蹤手的位置和手勢命令，這樣的系統(tǒng)有助于對虛擬物體的定位、移動等操作。數(shù)據(jù)手套的外形如圖10－2所示。圖10－2數(shù)據(jù)手套的外形圖10－3力矩球的外形三維跟蹤球可看做是由鼠標(biāo)演變而來的數(shù)據(jù)輸入工具，與它相似的三維跟蹤設(shè)備還有力矩球、操縱桿、操縱棒和其它三維探測器等。三維跟蹤球是一個像臺球的東西，球被挖空，里面裝有三維傳感器，球上有開關(guān)可用來選擇對象，當(dāng)用戶手握三維球在空間運動時，球的運動就會轉(zhuǎn)換為虛擬空間中物體的運動，可用于短時操作和導(dǎo)航。力矩球可測量用戶作用在球上的三個方向的力和三個方向的力矩，力和力矩測量的依據(jù)是彈性定律。當(dāng)用戶轉(zhuǎn)動或側(cè)向推動小球時，就能移動和操縱虛擬物體，如圖10－3所示。力矩球的技術(shù)像鼠標(biāo)一樣簡單，在空心球里面安裝了紅外線發(fā)光二極管，球里的紅外線傳感器能感知從二極管中射出的光線。每個發(fā)光二極管代表一個自由度：上下、左右、前后、俯仰、搖擺和滾動，當(dāng)用戶手握小球使它在某一方向運動時，光傳感器便記錄這個動作并把信號傳給處理系統(tǒng)。它的顯著特點是這個球和底座是放置在桌面上的，而不像三維球那樣需要拿到半空中。在虛擬環(huán)境中，如果只是利用一個漂浮的虛擬手來表示人，那是不夠理想的。若要使用戶真正成為虛擬環(huán)境中的角色，那么就要求計算機系統(tǒng)能夠識別人體的姿勢，如身體的位置、面部表情以及人體其它各部位的動作。為此有公司研制了數(shù)據(jù)衣，它采用了和數(shù)據(jù)手套相同的光纖彎曲傳感技術(shù)，數(shù)據(jù)手套中測量5個手指的彎曲一般用12根或l5根光纖導(dǎo)線，而數(shù)據(jù)衣要對人體大約50個不同的關(guān)節(jié)進行測量，其中包括膝蓋、手臂、軀干和腳。數(shù)據(jù)衣上使用了四個磁跟蹤器：每只手上一個，頭上一個，另一個裝在衣服的背部。這種數(shù)據(jù)衣的確是很理想的數(shù)據(jù)輸入工具，但是由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，過于笨重以及標(biāo)定困難等，因此目前很難普遍采用。

3．語音識別與理解

交談是人們之間以及人機之間最快的通信方式，因此語音輸入和語音識別技術(shù)已成為虛擬現(xiàn)實技術(shù)研究的重要課題。語音識別是一門跨學(xué)科的技術(shù)，它是在人們幾個世紀以來對語音學(xué)、聲學(xué)、生理學(xué)及自動化理論研究的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，直到21世紀這些基礎(chǔ)研究取得了進展才使自動語音識別成為現(xiàn)實。讓計算機識別人的語音是相當(dāng)困難的，因為語音信號和自然語言具有多變性和復(fù)雜性。例如，在連續(xù)語音中詞與詞之間沒有明顯停頓，同一個字詞的發(fā)音受到其前、后字詞的影響；不同人發(fā)音有所不同，就是同一人因受環(huán)境、心理和生理的影響對同一字詞的發(fā)音也會有所不同。為了避開連續(xù)語音識別中這些復(fù)雜的語言現(xiàn)象，最初的研究都是針對孤立的詞進行的，詞匯量也很小，并且大都限定了說話者。貝爾實驗室發(fā)明的語圖儀極大地促進了現(xiàn)代聲學(xué)語音學(xué)的發(fā)展。語圖儀能把語音信號轉(zhuǎn)換為二維圖形，其橫坐標(biāo)對應(yīng)于時間，縱坐標(biāo)為聲音的頻率，任意頻率成分在給定時刻的強弱由相應(yīng)點的灰度表示。這樣語圖儀就能提供語音的大量細節(jié)。1952年他們開發(fā)出了第一個完整的語音識別器，它將頻譜分為900Hz以上及900Hz以下兩部分，分別計算各自的過零率，通過與事先已存儲的10個數(shù)字的模式相比較來識別輸入的每一個發(fā)音，為后來語音識別的研究奠定了基礎(chǔ)。另一個研究方向是“語音理解”，這對于虛擬環(huán)境系統(tǒng)可能更加重要。在這個系統(tǒng)中，并不關(guān)心發(fā)音中的每個詞，關(guān)鍵是整個句子的正確意思，通常可以采用把關(guān)鍵詞檢出的方法來實現(xiàn)識別。這種系統(tǒng)可以在噪聲環(huán)境下正常工作，而且不限定說話者。在當(dāng)前的虛擬設(shè)計系統(tǒng)中，語音識別系統(tǒng)已成為最重要的命令輸入工具。不過相對而言，虛擬設(shè)計系統(tǒng)的情景畢竟比較簡單，不需要很多對話，語音識別主要用于對虛擬對象的一些操作，不必使用很長的句子，所以現(xiàn)有的語音識別技術(shù)基本上可以滿足虛擬設(shè)計系統(tǒng)目前的需要。

4．虛擬現(xiàn)實接口

眾所周知，現(xiàn)行CAD系統(tǒng)人機交互效率較低，尤其是在產(chǎn)品的概念設(shè)計階段，這些系統(tǒng)顯得相當(dāng)笨拙。其主要原因有二：其一，這些系統(tǒng)采用二維的交互工具，而用戶加工的對象卻是三維的機械零件或產(chǎn)品；其二，這些CAD系統(tǒng)大都要求定義零件的尺寸，而在產(chǎn)品的概念設(shè)計階段這些尺寸可能無法精確得到，或者沒必要精確定義。為克服這些不足，人們開始將虛擬現(xiàn)實的交互技術(shù)引入到CAD系統(tǒng)之中，從而形成了基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的CAD系統(tǒng)，即所謂的虛擬設(shè)計系統(tǒng)。從圖形學(xué)的角度來看，產(chǎn)品的形狀設(shè)計一般包括基本形體的生成和形體組合兩個過程，而每個過程都包含多個步驟。不管產(chǎn)品的設(shè)計多么復(fù)雜，主要應(yīng)該抓住任何產(chǎn)品概念設(shè)計過程中的共同任務(wù)，例如零件的幾何設(shè)計和產(chǎn)品的裝配設(shè)計。

利用虛擬設(shè)計系統(tǒng)，設(shè)計人員可以置身于虛擬現(xiàn)實環(huán)境之中，利用語音命令、手和手指的動作來創(chuàng)建三維實體，可以用手抓住物體使其在設(shè)計空間中移動，將其從部件上拆下或?qū)⑿碌牧慵砑拥讲考?。在這樣的場景中，多維的人機交互系統(tǒng)扮演著非常重要的角色。

一般來說，在產(chǎn)品的形狀設(shè)計中存在三個基本活動：生成、修改和查看。生成是指零部件從無到有的設(shè)計活動；修改是對現(xiàn)存零部件的變更；查看是指對設(shè)計結(jié)果從不同方向、不同角度的考察。

1）零部件的生成

在生成一個零件時，設(shè)計人員向系統(tǒng)發(fā)出語音命令，系統(tǒng)就會根據(jù)命令提供一個具有缺省尺寸的形體，然后設(shè)計人員便可在其上添加不同的屬性。設(shè)計人員可以設(shè)定零件或?qū)傩缘某叽纭⑽恢煤头较?，?dāng)完成各項設(shè)定后，屬性就可以被添加到零件之上。

有些形狀屬性不符合形體標(biāo)準，例如自由表面。對于這些屬性，設(shè)計者需要顯式地向計算機進行“描述”，例如，可以利用手的運動配合語音命令方式加以實現(xiàn)。虛擬設(shè)計系統(tǒng)允許用戶像進行泥塑造型一樣用雙手在設(shè)計空間中來回運動，塑造自由表面直到滿意為止。部件的生成涉及對現(xiàn)有零件或小部件的修改、平移、旋轉(zhuǎn)和組合等過程。利用現(xiàn)行的CAD設(shè)計系統(tǒng)進行部件組合時，用戶需要通過傳統(tǒng)的二維接口（例如屏幕、鼠標(biāo)和鍵盤等）來定義零部件的結(jié)合面，以便系統(tǒng)能將它們組合在一起，由于利用二維接口進行三維操作的能力有限，因此部件的形成耗時很大。

虛擬現(xiàn)實接口為設(shè)計人員提供了更為直觀的部件生成手段。設(shè)計人員可以用雙手拿住兩個零件或小部件，使它們的結(jié)合面靠近，等靠近到一定程度時，發(fā)出組合的語音命令，計算機便將兩個零件或小部件組合成新的部件。

2）零部件的變更

零部件的變更主要是指對其形狀、尺寸、位置以及屬性間關(guān)系的修改。在進行修改前，需要選定接受修改的實體（如尺寸、點、棱、曲面、屬性及其關(guān)系）。

對于簡單的幾何體，可以在它的上面標(biāo)明實體的編號或名稱，設(shè)計人員可以直接呼叫實體的編號或名稱來實現(xiàn)選擇。但是對于復(fù)雜的幾何體，實體的編號或名稱不得不加以隱藏以便減少環(huán)境的混亂。在這種情況下，對需要修改的實體進行選擇時，設(shè)計人員可用手指“指向”實體，而后發(fā)出諸如“選擇立方體”、“選擇曲面”或“選擇棱”的語音命令。當(dāng)一個實體被選中后，便可以通過眼、手的運動和語音命令進行修改。例如，要變更一個盲孔的深度，設(shè)計人員可以先選擇盲孔的深度尺寸，然后發(fā)出如“將深度改變?yōu)?0mm”的語音命令,也可以用手將盲孔拉伸或壓縮到需要的尺寸。若要改變屬性的位置，則首先應(yīng)將這個屬性與零件分離，這個過程可以采用像“分離”這樣的語音命令，也可以利用手勢來完成。將屬性和零件分離之后，便可以將其移到新的位置。若要從零件上刪除某些屬性，則可以通過向系統(tǒng)發(fā)出像“刪除”這樣的語音命令。

限定或修改屬性和零件的關(guān)系需要首先選擇相關(guān)實體，然后發(fā)出語音命令對屬性關(guān)系進行修改。例如，若要將兩孔的間距限定為一個常值，則可當(dāng)選擇了兩孔后發(fā)出語音命令來設(shè)置這個尺寸約束。設(shè)定約束以后，當(dāng)一個孔移動時，另一個孔也會隨著移動。

3）設(shè)計效果查看

虛擬設(shè)計系統(tǒng)應(yīng)該允許設(shè)計人員從不同方面和不同角度來考察零部件的設(shè)計效果。為了不增加系統(tǒng)的復(fù)雜度，在查看過程中，系統(tǒng)一般不提供對產(chǎn)品設(shè)計的變更功能。這樣查看過程只涉及兩項基本任務(wù)：①零件、部件及屬性的選擇；②零件、部件及屬性的查詢。選擇的方式與上述談到的選擇方式相同。查詢是指對設(shè)計對象某個方面信息的詢問。例如通過詢問來斷定屬性在零件上的位置，若要得到這個信息，則用戶可以發(fā)出像“位置”這樣的語音命令，接著系統(tǒng)就會有聲音輸出：“這個屬性的位置是x＝15.0，y＝20.0和z＝10.0”。當(dāng)然系統(tǒng)也可以通過視覺輸出來回答用戶的詢問，視覺輸出的方式對于復(fù)雜零部件的查詢更加有效。

5．設(shè)計空間接口界面

虛擬設(shè)計系統(tǒng)一般應(yīng)具有兩個基本模式：漫游模式和造型模式。在漫游模式下，用戶可以在設(shè)計空間中，依靠手、眼的運動和語音命令的導(dǎo)航來查看已經(jīng)生成的幾何形體，系統(tǒng)為用戶提供實時三維圖像、聲音和觸覺反饋。在造型模式下，用戶可以通過手、眼的運動和語音命令來創(chuàng)建和修改幾何形體，系統(tǒng)也為用戶提供視覺、聽覺和觸覺的反饋。設(shè)計人員在產(chǎn)品設(shè)計過程中可以在這兩種模式間方便地切換。用以定義用戶行為的節(jié)點網(wǎng)絡(luò)是建立界面結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，用戶的每一個行為都用網(wǎng)絡(luò)的一個節(jié)點來表示，由于一個行為的前后又有可供選擇的行為，因此這個網(wǎng)絡(luò)就形成了一個代表這個關(guān)系的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。初步的分析認為與漫游模式和造型模式關(guān)系最密切的節(jié)點有10個：①漫游；②生成／調(diào)用；③選擇；④尺寸定義；⑤定位；⑥拆卸；⑦刪除；⑧關(guān)系定義；⑨詢問；⑩添加。設(shè)計人員可以在這些節(jié)點間自由切換并通過語音命令來創(chuàng)建形體。例如，生成形體的行為（節(jié)點①）可以后續(xù)尺寸定義（節(jié)點④）和定位（節(jié)點⑤）等行為。根據(jù)節(jié)點網(wǎng)絡(luò)定義的交互方法有以下幾種。

（1）設(shè)計空間。虛擬設(shè)計系統(tǒng)將設(shè)計人員的工作環(huán)境稱為設(shè)計空間。設(shè)計人員可以在工作臺上通過手、眼的動作以及語音命令來進行零件設(shè)計。為了幫助設(shè)計人員在虛擬空間中用手來準確指定具體位置，可以在虛擬手的食指指尖處引出一條射線。為了在設(shè)計空間中漫游，用戶可以“抓住”整個設(shè)計空間進行平移和旋轉(zhuǎn)，另外，用戶可以通過語音命令對視景進行縮放處理。

虛擬設(shè)計系統(tǒng)可以為用戶提供三種輸入模式（語音命令、手的運動和手勢、眼的運動）來創(chuàng)建幾何形體。在這三種輸入模式中，語音命令具有高級優(yōu)先權(quán)。這是因為語音命令能夠更有效、更直接地將用戶的意圖傳送給計算機系統(tǒng)。（2）節(jié)點間的轉(zhuǎn)移。設(shè)計人員可以通過兩個節(jié)點進入造型模式：①生成缺省實體/調(diào)用已有實體；②選擇實體。語音命令是進入“生成”、“調(diào)用”和“選擇”的最有效方法。進入造型模式以后，就可以利用下面的語音命令在各節(jié)點間轉(zhuǎn)移：“尺寸定義”、“定位”、“拆卸”、“刪除”、“關(guān)系定義”、“詢問”和“添加”。無論在任何節(jié)點都可以發(fā)出“撤消”的語音命令來返回上一個節(jié)點，同時放棄在當(dāng)前節(jié)點的操作結(jié)果。除“拆卸”節(jié)點外，用戶可以從任何節(jié)點直接返回漫游模式，而不必通過其它節(jié)點?！安鹦丁惫?jié)點比較特殊，當(dāng)用戶從組合體上拆下一個實體后，必須在設(shè)計空間中重新放置這個實體或者從設(shè)計空間中刪除這個實體，而后才能返回漫游模式。若要返回漫游模式，則只需發(fā)出像“完成”這樣的語音命令。由于系統(tǒng)對尺寸和位置設(shè)定有缺省值，因此在退出造型模式前系統(tǒng)不要求用戶對實體的所有尺寸和位置進行顯式定義。

10.3虛擬原型及其生成

10.3.1概述

虛擬原型是產(chǎn)品的綜合信息模型，它包含著產(chǎn)品的各種屬性，描述了產(chǎn)品在虛擬環(huán)境中的設(shè)計、裝配和制造的規(guī)劃和過程。虛擬原型不僅是產(chǎn)品外形的三維幾何表達，也可以表達零件與部件之間的層次關(guān)系，是一種有組織的信息。虛擬原型是建立在CAD/CAM模型基礎(chǔ)上并綜合虛擬技術(shù)與仿真方法為產(chǎn)品原型而提供的新方法，是一種利用數(shù)字化的或虛擬的數(shù)字模型代替產(chǎn)品的物理模型，可大幅度縮短產(chǎn)品開發(fā)周期的工程方法。所構(gòu)造的虛擬原型不消耗實際材料，也不需要機床設(shè)備，它只是一種圖像和聲音相結(jié)合的所謂的數(shù)字產(chǎn)品，是對產(chǎn)品物理模型的替換。虛擬原型具有分析功能和評價功能，可在產(chǎn)品的設(shè)計階段模擬出產(chǎn)品的物理原型，幫助設(shè)計者容易發(fā)現(xiàn)設(shè)計的缺陷，并通過模擬測試和改進產(chǎn)品結(jié)構(gòu)布局及性能參數(shù)，優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計質(zhì)量，優(yōu)化生成管理和資源規(guī)劃，可以減少生產(chǎn)投資，加快設(shè)計和生產(chǎn)的進程，有時可以代替費時和費資金的產(chǎn)品實體樣品的生產(chǎn)。虛擬原型可以是一個機械零件，一個大產(chǎn)品（如汽車或飛機），也可以是一個車間、一個工廠或一個企業(yè)。因此，虛擬原型的規(guī)模大小和功能多少要根據(jù)具體的生產(chǎn)對象而定。設(shè)計虛擬原型系統(tǒng)時，基本應(yīng)具有如下功能，當(dāng)然也可根據(jù)產(chǎn)品的不同適當(dāng)增加或減少某些功能。（1）自動數(shù)據(jù)傳送。

（2）實時操作并獲得最佳的圖形。

（3）可以用人體模型進入虛擬環(huán)境的方法評價所設(shè)計產(chǎn)品在美學(xué)和人類工程學(xué)方面的特點。

（4）可以和用戶交互地評價不同的模型。

（5）可以支持不同水平的硬件。

（6）有處理大規(guī)模數(shù)據(jù)的能力。

（7）能支持對設(shè)計的修改。

（8）能在虛擬環(huán)境和CAD/CAM系統(tǒng)中作雙向數(shù)據(jù)傳送。

（9）能對虛擬產(chǎn)品進行分布式的或協(xié)同式的評價。

（10）虛擬原型系統(tǒng)要容易擴充，能夠修改或刪除不需要的內(nèi)容。基于虛擬原型技術(shù)的虛擬產(chǎn)品開發(fā)的基本思路就是用計算機完成整個產(chǎn)品的開發(fā)過程。設(shè)計者在計算機上建立產(chǎn)品模型，通過建立的數(shù)字模型，用數(shù)字化的形式來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的實物原型，在數(shù)字狀態(tài)下對模型進行靜態(tài)和動態(tài)分析，然后改進產(chǎn)品設(shè)計方案。虛擬產(chǎn)品開發(fā)由從事產(chǎn)品設(shè)計、分析、仿真、制造以及產(chǎn)品銷售和服務(wù)等方面的各種人員組成，他們可通過網(wǎng)絡(luò)通信建成“虛擬”的產(chǎn)品開發(fā)小組，不管他們所處何處，都可以實現(xiàn)異地協(xié)同工作。10.3.2虛擬原型的類型及其生成方法

1．虛擬原型的類型

虛擬原型大致可分為三類：

（1）綜合性的虛擬原型。功能較多，適應(yīng)面較廣。

（2）產(chǎn)品設(shè)計的虛擬原型。針對某一產(chǎn)品的專用原型。

（3）設(shè)計過程的虛擬原型。解決某一種設(shè)計過程，如概念設(shè)計、產(chǎn)品模型生成等。

2．虛擬原型的生成過程

虛擬原型的生成是將虛擬原型實現(xiàn)為計算機工具的過程。虛擬原型的生成過程應(yīng)包括為實現(xiàn)虛擬原型所應(yīng)具備功能的硬件和軟件手段。

虛擬原型的生成是一個綜合的過程，要求用戶在虛擬環(huán)境中對虛擬原型進行生成、調(diào)試和評價。這個過程可以自動生成，也可以讓用戶參與、修改和完善。因此，要求虛擬環(huán)境具備實時和交互的功能。虛擬原型的生成過程大致可分為三個階段。

（1）準備階段。對于要和CAD/CAM系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交換的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，產(chǎn)品模型要在CAD/CAM系統(tǒng)中生成。對于虛擬現(xiàn)實環(huán)境下的CAD系統(tǒng)，產(chǎn)品模型直接在虛擬環(huán)境中生成。

（2）生成階段。在產(chǎn)品模型的基礎(chǔ)上，在虛擬環(huán)境中完成虛擬原型中各種功能模塊的生成，最后完成全部虛擬原型系統(tǒng)，并進行調(diào)試和測試。

（3）完善階段。用人工交互的方法完善虛擬原型系統(tǒng)。

3．綜合性的虛擬原型的生成

綜合性的虛擬原型不針對某一產(chǎn)品，但針對某些功能，如針對產(chǎn)品的設(shè)計、裝配或制造。綜合性的虛擬原型提供了一種能實現(xiàn)某種功能的框架結(jié)構(gòu)，可以啟發(fā)用戶建造虛擬原型的思路，建立自己的虛擬原型。例如支持產(chǎn)品裝配、拆卸和服務(wù)的系統(tǒng)（DesignForAssemblyDisassemblyandService，DFADS），如圖10－4所示。DFADS由以下三部分組成。

（1）模型生成部分。它屬于生成虛擬原型的準備階段。首先確定所要處理的產(chǎn)品的設(shè)計方案（或裝配方案或制造方案），然后采用一種傳統(tǒng)的CAD系統(tǒng)建立產(chǎn)品模型，將其輸入到虛擬環(huán)境中。該階段的首要問題是解決數(shù)據(jù)交換問題。圖10－4

DFADS虛擬原型示意圖（2）生成虛擬原型部分。本階段包括很多內(nèi)容，例如，首先根據(jù)所處理問題的目標(biāo)，規(guī)劃虛擬原型的組成部分和各組成部分之間的聯(lián)系等；其次生成虛擬原型，由計算機按照預(yù)先設(shè)計好的生成步驟自動生成；最后，根據(jù)運行結(jié)果進一步完善虛擬原型，這個步驟需要用戶參與。上述步驟之間是可以反饋操作的，以便調(diào)整和完善虛擬原型。在該階段生成虛擬原型時，也可以按照所提供的步驟生成虛擬裝配原型、虛擬制造原型或虛擬服務(wù)原型。（3）模擬產(chǎn)品的設(shè)計過程。在虛擬環(huán)境中用虛擬原型對產(chǎn)品進行設(shè)計模擬，然后對設(shè)計結(jié)果進行評價。評價合格后，可輸出設(shè)計結(jié)果。

上述只是建立虛擬原型和生成虛擬原型的一般方法和原則，并不是一種固定的模式。用戶需要根據(jù)自己的要求自行設(shè)計虛擬原型及生成虛擬原型。

4．產(chǎn)品設(shè)計的虛擬原型的生成

產(chǎn)品設(shè)計的虛擬原型生成的通用模式如圖10－5所示。

該模式可分成以下三個階段：

（1）準備階段。在現(xiàn)實世界中應(yīng)用CAD系統(tǒng)建立產(chǎn)品的模型，首先要確定所設(shè)計產(chǎn)品的功能，然后進行概念設(shè)計，生成草圖。一般來說，多由設(shè)計者徒手勾畫產(chǎn)品的設(shè)計草圖。在計算機中，用2D鼠標(biāo)來完成3D草圖比較困難。

根據(jù)概念設(shè)計草圖的要求，進入一般的CAD系統(tǒng)中進行初步的3D造型設(shè)計，生成產(chǎn)品模型。如果用戶已有現(xiàn)存的產(chǎn)品模型，則可充分利用原有的資源。（2）生成階段。用戶開始進入虛擬世界，一方面將CAD系統(tǒng)所生成的產(chǎn)品模型經(jīng)過數(shù)據(jù)交換送入虛擬環(huán)境中，另一方面要根據(jù)產(chǎn)品的功能要求設(shè)計產(chǎn)品的虛擬原型。

在此階段必須選擇和配置虛擬環(huán)境中使用的硬件和軟件。

完成上述工作后，已具備完成產(chǎn)品虛擬原型生成的全部條件，可以生成初步的產(chǎn)品虛擬原型。（3）完善階段。通過對產(chǎn)品功能的考核和評價進一步完善虛擬原型。一方面，經(jīng)過數(shù)據(jù)交換，進入CAD系統(tǒng)，修改產(chǎn)品的模型；另一方面，用交互的方式在虛擬環(huán)境內(nèi)修改虛擬原型。這兩種方式或采用其中的一種，或兩種并用，視需要而定。一般來說，這個過程由用戶人工參與修改和完善。圖10－5產(chǎn)品設(shè)計的虛擬原型生成的通用模式考核滿意后，由虛擬世界進入現(xiàn)實世界一般有以下三種途徑。

（1）經(jīng)過數(shù)據(jù)交換，進入CAD系統(tǒng)，產(chǎn)生生產(chǎn)圖紙，生產(chǎn)產(chǎn)品；也可以進入CIM系統(tǒng)生產(chǎn)產(chǎn)品。

（2）對產(chǎn)品進行虛擬裝配考核，認為滿意，進行數(shù)據(jù)交換，進入CIM