基于虚拟现实技术的新产品开发设计
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作者: 毛怀艳 刘子建
[摘要] 本文主要论述了虚拟现实技术的概念、特征和实现方法,提出虚拟现实技术在新产品开发设计中的应用,从而为缩短新产品开发设计流程,提高产品的优化设计,降低设计开发的风险和成本提供新的理念和方式。
[关键词] 虚拟现实新产品开发设计产品设计
随着计算机图形学、可视化技术、软件工程、硬件设计及控制工程的迅速发展,虚拟现实技术已经应用到了制造、医学、建筑等领域。将虚拟技术应用到新产品开发设计中,实现草图―效果图―结构图―模型全过程的交互和可逆,更会体现出它的很多优势,给设计业带来新的理念和方式,极大地加快产品开发的进程,使设计者、消费者融为一体设计出满足市场需要的产品。
一、虚拟现实技术
虚拟现实是利用计算机技术产生一个高度逼真,具有视觉、听觉、触觉、嗅觉、味觉等感觉的虚拟环境,使置身于该环境中的人通过使用各种专用的传感交互设备对虚拟环境中的实体进行相互作用,达到交互考察与控制,融为一体的程度。将虚拟技术应用于产品的开发设计,本质上讲它是将产品从概念设计到投入使用的全过程在计算机上构造的虚拟环境中虚拟地实现,其目标不仅是对产品的物质形态和制造过程进行模拟和可视化,而且对产品的性能、行为和功能以及在产品实现的各个阶段中的实施方案进行预测、评价和优化。
二、虚拟现实技术在新产品开发设计中的实现
虚拟现实技术在产品设计中的实现分为硬件系统和软件系统两部分。
1.虚拟现实硬件系统。简单的虚拟现实系统并不需要太多复杂的设备来实现,只要能够满足具有输入、输出功能的设备即可。但要充分实现虚拟现实技术带来的沉浸感、交互性、想象性三个特征就需要专业的信息输入设备和信息输出设备。信息输入设备包括键盘、鼠标、数据手套、手柄等,信息输出设备包括高性能显示器适配器、单通道或多通道投影仪、立体眼镜等。
2.虚拟现实软件系统。要想让设计者和用户或者其他人员真正体验到虚拟现实技术所带来的临场感和沉浸感,首要的是建立一个与客观世界相符合或者与设计者头脑预想的设计方案相符合的虚拟三维模型,而且需要较真实的反映出产品的色彩、材质、光照等方面。要建立可视化三维模型从技术实现上可分为几何建模、形象建模和行为建模。
其中几何建模是可视化三维模型的基础,主要建立所需三维场景的几何构形。形象建模主要对几何建模的结果进行材质、颜色、光照等处理。行为模型主要处理物体的运动和行为描述,体现了虚拟环境的动态特征。
三、虚拟现实技术在新产品开发设计中的应用
1.产品的造形设计。采用虚拟现实技术的造形设计,可随时修改、评测、方案确定后的建模数据,可直接用于冲压模具设计、仿真和加工,甚至用于广告和宣传。
2.产品的色彩及材质设计。在产品的色彩及材质设计中,通过虚拟现实技术可以直观地进行色彩和材质的选择与搭配,确定主调色和辅助色以及进行材质的确定。
3.产品的结构设计。设计者通过虚拟现实技术可直观地进行产品结构设计,使用虚拟现实硬件和软件装备在虚拟环境中可直接指导操纵模型,在产品开发的各个阶段,对虚拟产品原形的结构、功能、加工工艺、装配、生产组织等各个方面进行虚拟环境下的仿真,从而保证设计的可靠、高效。
4.产品的运动和动力学仿真,产品设计必须解决运动物件工作时的运动协调关系,运动范围设计,产品动力学性能、强度等,例如,生产线上各个环节的动作协调和配合是比较复杂的,采用仿真技术,可以直观地进行配置和设计,保证工作的协调。
5.产品的展示。用虚拟现实技术制作的产品广告具有逼真的效果,不仅可显示产品的形态,还可显示产品的内部结构,装配和维修过程、使用方法、工作性能等,尤其是利用网络进行的产品介绍,生动、直观,广告效果好,使人们能在城市、工厂、机器内部乃至图样和零部件之间直观地获取信息。
四、虚拟现实技术在新产品开发设计中的作用
1.缩短产品开发设计流程,提高产品的成功率。将虚拟现实技术应用到产品开发后,由于产品设计过程是数字化的,所以节省了传统设计中制造物理模型所需要的物质,时间也会大大缩短,而且通过使用虚拟技术让使用者直接参与设计,从而使产品在生产之前获得各方面的鉴定,这就为设计师改进设计、完善设计提供了极大的便利,从而缩短产品的开发周期,提高产品的成功率。如Mercedes―Benz公司根据用户要求设计出具有个性的汽车。用户可按照自己的要求,在不同的虚拟环境中,亲身体验修改汽车模型的感受。
2.降低产品设计开发的风险和成本。通过使用者的直接参与,可以与设计师进行更好的交流互动,使用者与产品之间多了一些亲切的感觉,这就避免了产品只刻上某一个设计师的烙印。例如通用公司的新型电力机车。设计人员为用户提供的是三维数字化机车模型,若用户需要修改,可直接与设计人员一起对机车模型提出修改意见,使设计绘图的工作量比传统的绘图工作量减少一半以上。
五、结论
社会的进步和科技的发展,使人们对产品的要求越来越高,这就迫使各生产企业在降低生产成本的同时更要使产品的设计周期大大缩短以增多商机,在新产品开发设计中虚拟现实技术的引入,可以实现产品的完全数字化。可以预见,在未来的产品设计中,从产品的外观造型、色彩及材质,到动力学仿真,甚至于产品设计管理、产品展示等,虚拟技术将会发挥更大的优势。
参考文献:
[1]陈为:虚拟现实技术在工业设计中的应用[J].机电产品开发与创新,2006,(05)
[2]朱宁克等:虚拟现实技术在建筑设计中的应用[J].北京建筑工程学院学报,2008,(01)
[3]薛建华 安 秀:论虚拟设计在现代产品开发中的重要作用[J].计算机技术与发展, 2006,(11)
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