先进制造技术结课论文
题目：虚拟现实技术在计算机辅助设计中的应用
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虚拟现实技术在计算机辅助设计中的应用
摘要:在计算机辅助设计系统中引入虚拟现实技术进行设计是当前计算机辅助
设计系统的发展趋势之一,可以为设计人员提供自然、逼真、多感知的设计环
境,从而大大提高设计的效率和质量。本文简述了虚拟现实技术在计算机辅助
设计中应用的产生背景、意义;介绍了目前研究的基本状况及其基本概念和基
本内容;综述了当前的一些主要方法和关键技术。
关键词:虚拟现实技术；计算机辅助设计；应用
0引言
随着实体曲面造型技术、特征技术以及计算机硬件设备的发展,CAD飞速
发展。大量商品化的CAD软件走向各个领域。然而,与此不相匹配的是,直到今
天,用户与CAD系统的交互手段几乎没有改变,还是采用标准的键盘/鼠标输
入。用二维的界面来处理三维的造型环境,缺乏三维的交互设备,因而也就缺
乏直观性。这样促使人们寻求新的方法来解决人扒交互问题。近年来VR技术
的产生和发展,使得越来越多的人们采用VR的三维交互设备来改进CAD的人
机交互界面,进而产生了基于VR的CAD研究领域。
(1)VR技术简介
VR是虚拟现实的简称,是指给人以身临其境的现实感觉的虚拟环境。一般
是指由计算机生成的虚拟环境。通常VR由硬件设备和软件系统两部分组成。
主要硬件设备有:头盔显示器;跟踪设备(如数据手套和衣服等);触觉器与运
动反馈设备;三维鼠标、耳机、立体声设备等。主要的软件工具有图形开发系
统、语言识别系统等。这些软件、硬件本身也在不断地改进完善过程中。
(2)两类基于VR的CAD设计系统
基于VR的CAD设计系统主要可分为两大类,一类是增强的显示系统,一
类是VR-CAD设计系统。
·增强的显示系统:在这种类型中,物体模型由现有的CAD系统生成。通
过适当的变换处理,把物体模型输入到VR环境。一旦物体输入到VR环境,
通过三维交互设备和显示设备对物体模型进行检查,对物体进行操作。
·VR-CAD系统:这一类系统可使用户在VR环境下进行设计活动。这样的
好处使得设计者在进行三维设计时突破传统二维设计界面。这类系统使用各种
输入设备(如数据手套、三维导航设备等)给用户提供三维设计和交互界面。另
外,还可用声音和手势进行交互输入。声音和手势输入形式是目前人机界面研
究的一个重要部分。
(3)VR在CAD中的应用是一个90年代出现的新领域。虽然许多国内外
学者展开了不少研究工作。总体说来，研究工作还很初步。本文主要讨论VR
在CAD中应用的几个方面的问题。
1利用VR技术支持概念设计
CAD系统的研究者们总是力图使CAD系统支持产品设计的全过程,尤其是
支持产品的概念设计。有关研究表明,产品成本的60%-70%决定于概念设
计阶段。然而传统的CAD系统支持概念设计方面是困难的。主要问题在于用户
必须先确定产品的外形。几何尺寸等建立模型。而建模过程要做很多低级操作
(如对点、线、面操作)。这样,一个非专业CAD人员是无法使用的。要建立
一个产品模型,必须由设计师和CAD人员共同协调完成。为一支持产品的概念
设计,大量学者进行长期的努力。草图设计、参数化设计、基于特征的产品设
计等技术都为支持概念设计提供了条件。而利用VR技术使得真正意义上的支持
概念设计的CAD系统的产生成为可能,利用VR技术支持产品的概念设计主要
解决以下几个问题:
(l)产品的设计模式产品的表示方式多种多样,其中常用的有两种:参数
化设计和自由曲面设计。参数化设计主要用于生成立方体、圆柱体、球等标准
几何形状。用户可以用高级命令通过确定参数来方便地生成。自由曲面可通过
手的运动轨迹给出曲面的初步形状,而不用控制顶点方式来生成。
(2)产品形状生成的交互方式
用户生成一儿何形状可用两种方式:隐式的和显式的。例如:生成一个立
方体。首先可发出声音命令“产生一个立方体”,然后说：“长这样、宽这
样、高这样”。而在说“这样”的同时用两手比画出一个长度,以确定立方体
的初始尺寸,这样一个立方体就