基于WEB3D的虚拟现实技术在产品生命周期系统中的应用

基于ＷＥＢ３Ｄ的虚拟现实技术在产品生命周期系统中的应用程建新饶瑞（华东理工大学艺术设计与传媒学院２００２３７）ｒｕｉｒｕｉｃｏｍｓ＠１２６．ｔｏｍ

摘要：信息技术强化下的制造业逐渐形成虚拟化、网络化的产品开发模式。为了适应这种发展变化，提高产品创新能力，无论是驻厂设计部门，还是独立设计公司都开始采用基于网络的虚拟产品设计模式。虚拟现实技术设计就是建立在这种设计模式之上的组合型设计工具。基于ＷＥＢ３Ｄ的虚拟产品生命周期研究是虚拟现实技术应用的一部分，也是未来网络互交支持手段。利用ＷＥＢ３Ｄ技术建立的产品虚拟开发环境不仅具有高度的真实感，而且也有很强的人机交互性。文中以虚拟场景中汽车的构建为基础，首先论述了虚拟现实技术在产品模型建立时的构建技术、虚拟产品的控制方法和虚拟人使用情况的构建和控制方法，然后论述了基于ＷＥＢ３Ｄ的虚拟现实技术在产品生命周期系统模型中的应用，虚拟现实在智能人机交互中的应用，最后分析和预测了虚拟现实技术在产品研发领域的发展前景。关键词：ＷＥＢ３Ｄ；虚拟现实；可控性；人机互交技术；产品生命周期系统Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｕｎｄｅｒｔｈｅｐｏｗｅｒ

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Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＷＥＢ３Ｄ，ＶｉｒｔｕａｌＲｅａｌｉｔｙ，Ｃｏｎｔｒｏｌ，Ｈｕｍａｎ—ｍａｃｈｉｎｅＩｎｔｅｒａｃｔｉｖｅＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＰｒｏｄｕｃｔＬｉｆｅ—ｃｙｃｌｅＳｙｓ一

１引言

今天的企业面临着三个正在进行的挑战：改善客户亲密关系，实现卓越运营，提供产品的领导。改善客户的亲密关系，需要理解和迅速应对现有的和潜在的客户的需求。针对客户的需求，实现卓越经营的企业把重点放在运营效率，有效和灵活的工作与他们的合作伙伴上，以减少提供高品质产品的成本和时间，以及时满足客户的需求。提供产品的领导方式，提供一流的产品和解决方案。所有这些挑战需要获得正确的产品，在合适的市场，在正确的时间与合适的成本。为了应付这些挑战，企业必须变得更加富有创新精神。然而，作为一个创新的商业并不仅仅意味着创造新的产品，这也意味着改善一个公司生产产品和战略设备的过程，以支持他们整个产品生命周期。现今国内的产品设计与制造尽管已经使用电脑辅助设计，快速成型技术制作草模，但是仍是传统的产品设计流程：草图一效果图一结构图一模型。虽然前三个大部分已通过共享数据库和网络技术实现交互，图纸阶段的修改可以快速完成，但是仍需要制作实物模型和样机来研究设计是否美观实用，人机是否合理等等。每一个阶段必须是灵活的，必须综合和更新实时时间。长期的设计和开发过程可以归因于需要许多设计上的反复。目前，设计者在完成客户所要求的设计系统或设备后，不能形象地向客户描述设备及系统的功能与运作情况，这样用户就不能了解此系统相对其他同类系统来说的优良特点，这都是因为设计师、制造商、消费者无法及时交流，模型阶段往往要反复修改多次，这件费事费时费钱的工作成为限制设计师自由发挥和缩短设计周期的瓶颈，且由于自动化领域的设备与系统更为庞大，所需资金也更多，所以客户对所需系统的选择也就更为谨慎，同时延误了产品的生命周期。因此需要引入新的技术来突破这个瓶颈。虚拟现实技术所拥有的独特魅力决定了它的应用技术的鲜明特点。它提供的看起来像真的、听起来像真的、摸起来像真的，能给人身临其境的虚拟环境，并且人机之间能以人所熟悉的自然方式进行交互操作。２设计分析２．１基于ＷＥＢ３Ｄ的虚拟现实技术概况虚拟现实技术（ＶｉｒｔｕａｌＲｅａｌｉｔｙ，ＶＲ）是一种高度逼真地模拟人在自然环境中的视听动等行为的人机界面技术，简单地说是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机系统。现在它已被广泛应用于社会生活的各个方面，如“虚拟生产”、“虚拟贸易”、“虚拟市场”、“虚拟网络”等。其核心由计算机生成的一些交互式三维环境组成。这些环境可以是真实的，也可以是通过想象构建的模型，主要是为了通过人工合成的经历来表示和传达信息。有了虚拟现实技术，再复杂抽象系统概念的形成也可以通过具有确切含义的符号以某种方式来表示。虚拟现实融合了许多人的因素，并且放大了它对个人感觉的影响。简单地说，虚拟现实技术是建立在集成诸多学科（如心理学、控制学、计算机图形学、数据库设计、实时分布系统、电子学、机器人及多媒体技术等）之上的，借助于计算机技术及硬件设备，实现人们可以通过视觉、听觉、嗅觉以及触觉等多维信息通道获取信息的下一代高级用户界面。实现虚拟现实技术主要目的是构建一个尽可能真实的虚拟环境，在这个环境中，观察者能像真实环境中一样感受周围的世界，能观察、能触摸、能聆听甚至能操作其中的各种设备。在产品设计与开发的过程中，利用虚拟现实技术可以提前模拟产品在今后的使用情况，提前预知产品在使用过程中可能出现的各种问题，从而为提出产品的修改意见提供依据。２．２国内外发展研究现状西方国家已经将虚拟现实技术运用于制造业的各个环节，他们的产品设计实现了草图创意一三维建模—设计评价一用户体验全过程的交互和可逆。利用ＶＲ技术和全息技术可以建立虚拟的模型用于设计研究，并可作为虚拟产品让顾客试用，极大的缩短产品开发的时间，降低新产品的风险。美国福特汽车公司科隆研究中心设计部经理罗勃认为，采用虚拟设计技术，可使整个设计流程时问减少２／３。目前，虚拟现实技术在国内主要用于航天（航空）飞行仿真、模拟军事演习等，在工业设计中应用的相关报道也日益增多。发展ＶＲ技术在工业产品生命周期中的应用无疑是工业设计发展的明天，因为它能实现设计过程中任一环节的交互考察与操作，且所见即所得，所以它将使设计师更加快速、形象、具体地实现和修改设计方案，减少不必要的劳动，加强工业设计师与结构工程师的资源共享，加强设计师与业主及使用者之间的交流，提高产品更新的速度，降低市场风险，创造更好的经济效益。在这个信息网络时代里，迅速发展的计算机硬件技术与不断改进的计算机软件系统相匹配，使得基于大型数据集合的声音和图像的实时动画制作成为可能。人机交互系统的设计不断创新，新颖、实用的输入输出设备不断地进入市场。而这些都为虚拟现实系统的发展打下了良好的基础。可以看出，正是因为虚拟现实系统极其广泛的应用领域，如娱乐、军事、航天、设计、生产制造、信息管理、商贸、建筑、医疗保险、危险及恶劣环境下的遥操作、教育与培训、信息可视化以及远程通信等，人们对迅速发展中的虚拟现实系统的广阔应用前景充满了僮憬与兴趣。

３技术实现今天，一切从烤面包机到汽车、飞机设计的ＣＡＤ解决方案。这包括对所有产品的设计，以及发展的各个部件。通常情况下最好的设计是通过许多重复的、没有任何保证、更多的迭代到接近最佳。这意味着，设计师不知道是否他的设计过程是数学计算结果。名义上，设计过程包括不同的步骤：问题的定义、基本要求、设计、分析、测试、原型测试、设计修改和生产测试。如果设计师们从概念到制造基于一个独特的三维数字模型，那么相当大一部分的重复工作可以消除，从而尽量减少错误所造成的设计意图的误解。三维虚拟产品的工作流程在整个产品开发过程带来的好处是很明显的。使用参数化ＣＡＤ和类似工程工具鼓励互动操纵复杂的三维形式存在于设计过程早期。逼真的渲染可以准确地可视化设计细节甚至在设立任何原型。不仅有二维图样来解释，而且在原来设计意图的帮助下，三维模型和三维动画，演示产品的功能和预览装配方法表达准确。３．１虚拟现实技术在产品生命周期系统中的实现

虚拟产品是在计算机中模拟并表现出一件真实