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摘要：20世纪末出现的虚拟现实技术是一种以电子技术为基础的新型学科,在其出现以后,学界普遍认为在产品设计中运用虚拟现实技术成为了未来产品设计发展的主流方向之一。本研究以工业设计产品为例,对虚拟现实技术在其中的作用与应用进行了详细分析,尝试构建一个工业设计产品虚拟设计平台。
关键词：工业设计；产品设计；虚拟设计平台
Research on Virtual Design Platform of Industrial Design Products
YIN Siwen
(School of Design Art&Media,Nanjing University of Science&Technooigy,Nanjing Jiangsu 210094)
【Abstract】：Virtual reality technology emerged at the end of the 20th century is a new discipline based on electronic technology,after its emergence,it is generally believed that the application of virtual reality technology in product design has become one of the mainstream direction of future product design development.Taking industrial design products as an example,this paper analyzes in detail the role and application of virtual reality technology,and tries to build a virtual design platform for industrial design products.
【Key words】：industrial design;product design;virtual design platform
虚拟产品开发是建立在利用计算机完成产品开发过程构想的基础之上,它可归结为在计算机系统内以数字方式存储的并可操纵的产品模型开发。在虚拟技术出现以后,学界普遍认为在产品设计中运用虚拟现实技术成为了未来产品设计发展的主流方向之一[1]。本研究以工业设计产品为例,对虚拟现实技术在其中的作用与应用进行了详细分析,尝试构建一个工业设计产品虚拟设计平台。
1虚拟现实技术及其相关技术
1.1虚拟现实
虚拟现实技术的基本思路是：在现代计算机技术支撑之下模拟虚拟环境,同时将人的视觉、听觉以及触觉等现实生活中人类所具有的感觉融入其中。虚拟现实技术术语计算机综合技术范畴,具有广阔发展空间[2]。虚拟现实网络系统(Virtual Reality System,简称VR),是近些年所兴起的一种先进的图形图像技术,其原理是利用计算机模拟出一个三维的虚拟环境,该虚拟环境包括诸如听觉、视觉以及触觉等人体感官刺激,以带给使用者仿佛真的置身其中的使用感受；不仅如此,使用者还可以随时查看该虚拟三维空间中各种事务。虚拟现实网络实际上就是向使用者创建一个借助计算机来处理、操作或观察复杂事务及相关数据信息的途径。相比较于传统网络而言,虚拟现实网络技术思想出现质的转变,其所谈及的“现实”,一般是物理层面或功能层面的现实,在世界范围内所有环境与事务中都会存在,这种环境与事务包括可实现、难以实现甚至根本无法实现等几种。
1.2 Web3D的概念及代表技术
Web3D,即网络三维,是借助现代互联网对现实世界中有形物品虚拟处理,以三维立体形式予以展示,同时借助工具对其进行浏览、进行互动,网络三维是依托于虚拟现实技术得以实现的。就目前而言,图片、Flash以及动画等都是网络中比较常见的几种展示方式,相比较而言,Web3D技术下,使用者的自主性更强,可以开展自主性观察,同时还可以观看虚拟特效、开展互动操作[3]。
1.3三维建模技术
自20世纪70年代起,三维数据模型技术课题开始受到广泛关注,在迅猛发展的计算机技术的影响之下,初期所研发的三维计算机系统的三维制图能力已经初步显现。直到20世纪90年代初,机械制造设计与技术领域开始广泛采用计算机技术,特别是大型工业机械制作。三维立体模型主要是由点、线以及面等几大基本元素组合而成,多边形建模、细分表面建模以及NURBS建模等都是实践中应用较为普遍的模型构建方式。
2虚拟设计平台的需求分析
产品设计中的场景设计是目前虚拟现实技术中较为成熟的技术之一,技术基础VRT,在网络环境中应用VRT便是Web3D技术,用节点来进行组合,节点层层嵌套,然后定义出虚拟情景,设计的基本用例如下所示。
执行者：用户(工业产品设计者)；
功能简述：建构一个场馆；
前置条件：系统管理员权限被设置；
后置条件：场馆被建立,等待被应用或者删除；
基本事件流：(1)VRML编写虚拟大厅,设置好N个展馆；(2)在每个通往不同展馆的门上设置Anchor节点,设置好各项参数；(3)设置链接虚拟展馆的相对路径；(4)利用CULT贴图；(5)完成贴图,链接地址到网页。
其他事件流：包含了字段列表、业务规则、必须提供唯一的场馆名,以区分不同其他展馆。场馆数量最好不要超过10个,以确保较好的区分度。
产品的模型制作主要是描述如下所示。
执行者：用户(产品设计用户)；
功能简述：建立模型；
前置条件：数据已经完成采集；
后置条件：模型被应用或是删除；
基本事件流：(1)采用VIEWPOINT生成的文件格式；(2)在VIEWPOINT中导入需要制作的模型数据；(3)设置不同的参数；(4)输出网页支持格式；(5)MTS中可以对贴图数据和三维数据加以存储,还可以对基于XML数据加以描述,并且使得场景参数和场景之间可以交互；(6)链接到网页中。
产品数据管理主要分为采集和管理两部分,数据采集部分主要是对产品数据进行采集,然后进行三维模拟,用例描述如下所示。
执行者：用户(工业产品设计用户)；
功能简述：对产品数据进行导入；
前置条件：产品数据已经存在；
后置条件：等待产品数据的进一步管理；
基本事件流：(1)用户选择产品在系统中的数据；
(2)确认数据量,点击导入；(3)设置事件参数,并进行链接；(4)点击新页面显示虚拟产品。
数据管理主要是对产品数据进行添加、更改或是删除,其基本用例如下所示。
执行者：用户(平台管理员)；
功能简述：对产品的各类数据和信息进行新增、删除和更改操作；
前置条件：无；
后置条件：系统产品数据和信息被更新；
基本事件流：(1)新增产品数据；(2)更改产品数据；(3)删除产品数据；(4)删除产品信息。
3模型制作模块的设计与实现
3.1模型制作模块的设计
模型制作中,采用VIEWPOINT来进行设计,是因为其生成文件格式,由这种软件生成的格式比较小,而且有可伸缩性和流传性的特点,非常适合在网络上进行传输,在三维数据下载中也非常适合模型的高精度转化。利用其来进行设计的步骤为：
(1)在VIEWPOINT中对要制作的模型数据加以导入；(2)对不同参数加以设置；(3)是对网页支持格式加以输出,其中在MTS中可以对三维数据和贴图数据加以存储,MTX文件主要是用来对场景参数和交互进行的描述,从而能够对XML数据加以生成和保存。
用这种方法可以对物体进行建模,而且可以将物体进行类别的划分,划分成地面建模、场馆建模、产品模型和其他辅助建模。
3.1.1场馆建模
在本文中首先利用AUTOCAD构建出各个场馆平面图,对不同场馆制定不同的材质通道和贴图坐标,并处理好场馆的不同侧面,然后利用VRML Pad编辑器将场馆转换为符合VRML语言规范的配置数据。
3.1.2产品以及辅助设施建模
当使用者浏览通过漫游功能浏览地物时,这些地物始终以正面形式显示,同时其广告牌需要根据使用者视线的旋转而旋转,这样系统在处理众多辅助小品时,内存只需要调用一次,提高了系统整体运行性能和显示速度。
该模块主要由控制类XzAction、业务逻辑类Xz Manager、实体类Xz构成。XzAction类保护了list()、doAfterServ()、cascadeDelete()、onInitEntity()、onInitForm()方法；业务逻辑XzManager类有paged Find()、getXzbyPath()、getListByyx()方法；实体Xz类有getId()、getXm()、getMc()方法。
模型制作的基本流程图如图1所示。
为了更好的进行仿真,连接好两个服务,状态A可以设置为服务B的A,同理,反过来设置也是可以的。在设计中,要对相应变量进行公共特性的设置,以方便对全局进行读取,通过ServiceB.types.cs中对间隔修改请求的添加来对函数加以处理。一般通过三种方法来进行设置,(1)设置A访问服务B；(2)创建设置的服务；(3)修改Manifest。本次设计中采用的是方案三,通过修改Manifest把ServiceB,Manifest.xml中相应内容进行复制黏贴,然后服务与窗体之间就可以完成通讯了。
用户界面的编写是基于Microsoft Windows中的Windows Form而成的,因为在Windows操作系统中窗体运行是独立一条线的,不能在多线程中加以嵌套,所以在设计处理中要非常注意和仔细。
3.2建模过程的实现—以数控机床产品设计为例
利用虚拟技术可以逼真的再现画面的特点,在数控维修教学中用真实的三维立体模型来代替过去教学中只是简单的PPT演示的教学方法无疑能够为数控维修教学带来极大便利[4]。如今数控机床已经代替传统低端简单的机床逐步走向结构复杂化、功能多样化,所以虚拟数控技术正面临着应用于维修教学的好机会。由于虚拟技术是基于数字模型建立起来的,因此对数字的处理和模拟有详细的仿真效果,其逼真的效果更加便于产品设计用户对过程和原理的理解,同时其形象化的特点可以带动产品设计用户的积极性,在数控维修教学中拥有重要作用。装拆实训对零部件损坏的风险大,进行虚拟拆装无疑是缓解这个问题的好方法。可以依据实际中机床装拆过程在虚拟数控机床中,利用零件部库、工具库在计算机中进行整体和零部件的模拟,一方面做到了教学中的理论与实际相结合,锻炼产品设计用户实际操控的能力,同时降低了拆装实训的成本。
虚拟数控机床可以对示波器和万用表进行模拟,在对于机床电气连接实训,用户依据实际的数控机床的要求在计算机中完成电气柜的电气连接,在连接之后还可对其操作以进行检查和维修。同样的,在实际数控机床出现故障时,也可以利用这种方法在计算机中进行模拟,找出原因所在,模拟探寻解决方法,然后对实际机床进行检修,降低错误率。这种模拟的利用方法为用户实训搭建了桥梁同时为实际数控机床的故障检修提供了一个好方法。
4总结
目前制造业已经呈现出全球化、网络化、虚拟化的三大趋势。尽管虚拟技术还很年轻,但是虚拟现实仍然被看作是未来的人机接口方式。在工业设计中应用虚拟技术,可以实现产品的完全数字化。可以预见,在未来的工业设计中,随着技术的发展,虚拟技术及其应用会越来越广泛,虚拟技术也必将发挥更大的优势。
参考文献
[1]刘磊,张嘉鹭.“新工科”背景下工程机械类虚拟仿真实验教学资源建设[J].实验技术与管理,2021,38(1):140-143.
[2]陶表达,姚桂玲.虚拟技术在现代机械产品研发中的应用[J].湖北第二师范学院学报,2010,27(2):105-107．
[3]梁民仓,尹勇,刘虎,等.基于虚拟现实技术的ROV收放操作仿真[J].大连海事大学学报,2018,26(4):116-120．
[4]李云.工程机械产品结构件加工现状及发展[J].金属加工(冷加工),2020,20(12):67-68.
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