基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的工業(yè)產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)

嚴(yán)褒

關(guān)鍵詞： 虛擬現(xiàn)實(shí); 工業(yè)產(chǎn)品; 外觀建模; Vega; 造型設(shè)計(jì); 人機(jī)交互

中圖分類號(hào)： TN02?34; TP393 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)： 1004?373X（2019）03?0184?03

Abstract： In order to use virtual reality （VR） technology to model the appearance of industrial products， and use the advanced human?computer interaction technology to improve the working efficiency of product modeling design， a design method of industrial product modeling based on VR technology is proposed. The influence factors and aesthetic principle of industrial product modeling design are analyzed， and the overall framework of virtual design environment is constructed. The stereo vision model is established， and a virtual environment is created by using Vega VR development platform. The effect analysis of product modeling in virtual environment is given. The virtual technology used for product modeling design can evaluate and improve the product modeling and human?computer interaction effects before product manufacturing， shorten the development cycle， and reduce the production cost.

Keywords： virtual reality; industrial product; appearance modeling; Vega; modeling design; human?computer interaction

0 ?引 ?言

虛擬產(chǎn)品開(kāi)發(fā)（Virtual Product Development，VPD）也稱虛擬設(shè)計(jì)制造（Virtual Design and Manufacture），指仿真、建模和分析技術(shù)及工具的綜合應(yīng)用，以增強(qiáng)各層制造設(shè)計(jì)和生產(chǎn)決策與控制[1]。VPD是產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造的真實(shí)過(guò)程在虛擬環(huán)境中的映射，也是將產(chǎn)品從概念設(shè)計(jì)到投入使用的全過(guò)程（產(chǎn)品的生命周期）在計(jì)算機(jī)上構(gòu)造的虛擬環(huán)境中虛擬地實(shí)現(xiàn)[2]。

虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，VR）是一個(gè)計(jì)算機(jī)生成的三維環(huán)境，人們沉浸其中，通過(guò)適當(dāng)?shù)慕缑娌倏v其中的虛擬對(duì)象，并采用人類的表達(dá)形式進(jìn)行交互[3]。隨著圖形處理設(shè)備性能的快速發(fā)展，虛擬產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的相關(guān)應(yīng)用和研究得到了企業(yè)界的廣泛關(guān)注。國(guó)外諸多大型先進(jìn)設(shè)備制造商已經(jīng)開(kāi)始將虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用于工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)，如波音公司大型客機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和評(píng)估等。在我國(guó)，虛擬產(chǎn)品開(kāi)發(fā)相關(guān)的發(fā)展還處在起步階段，現(xiàn)階段的相關(guān)研究中涉及到虛擬工業(yè)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和制造領(lǐng)域的文獻(xiàn)較少[4]。而對(duì)于虛擬設(shè)計(jì)制造中設(shè)計(jì)的影響因素和美學(xué)法則研究就更少了。文獻(xiàn)[5]對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)VR產(chǎn)品及其產(chǎn)業(yè)鏈展開(kāi)了廣泛的討論和分析。文獻(xiàn)[6]提出一種基于虛擬現(xiàn)實(shí)的機(jī)械產(chǎn)品維修系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)CAD系統(tǒng)和虛擬維修系統(tǒng)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。該系統(tǒng)通過(guò)建立面向虛擬維修的產(chǎn)品層次信息表達(dá)模型，將人機(jī)交互技術(shù)應(yīng)用到虛擬維修系統(tǒng)中，并設(shè)計(jì)了人機(jī)交互操作流程和產(chǎn)品維修性分析流。

通過(guò)分析上述研究?jī)?nèi)容發(fā)現(xiàn)，虛擬設(shè)計(jì)制造的應(yīng)用需要對(duì)工程學(xué)科和藝術(shù)技術(shù)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，才能克服虛擬設(shè)計(jì)制造中普遍存在的傳統(tǒng)問(wèn)題。因此，本文通過(guò)研究工業(yè)產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)的影響因素和美學(xué)法則，建立了虛擬產(chǎn)品開(kāi)發(fā)環(huán)境的總體框架，并采用World Tool Kit和立體視覺(jué)模型構(gòu)造環(huán)境，從而建立起面向工業(yè)產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)應(yīng)用的虛擬產(chǎn)品開(kāi)發(fā)平臺(tái)，這對(duì)將虛擬產(chǎn)品開(kāi)發(fā)技術(shù)有效引入工業(yè)制造領(lǐng)域具有重要的參考價(jià)值。

1 ?工業(yè)產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)的原則和基礎(chǔ)

虛擬產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的研究需要采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)造一個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造環(huán)境，把設(shè)計(jì)、制造工藝、樣機(jī)制造的過(guò)程集成其中[7]。當(dāng)前，虛擬產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的研究集中在以下幾個(gè)方面：可視化、環(huán)境構(gòu)造、信息表達(dá)、元模型建模方法、集成體系結(jié)構(gòu)、模擬、方法論、制造特性和評(píng)價(jià)。成熟的工業(yè)產(chǎn)品造型應(yīng)該是實(shí)用功能和藝術(shù)設(shè)計(jì)之間的有機(jī)結(jié)合，是嚴(yán)謹(jǐn)性工程科學(xué)（電路布局、金屬結(jié)構(gòu)、材料工藝、電氣電子）和創(chuàng)造性勞動(dòng)的共同體，涉及到多工種、各種工藝等多個(gè)方面。產(chǎn)品造型的影響因素如圖1所示，包括形態(tài)、材質(zhì)、顏色、線條、重量、空間大小。

此外，產(chǎn)品設(shè)計(jì)工程師利用不同的造型手段將思維中的抽象藝術(shù)具象為一個(gè)真實(shí)的外觀造型。所以，造型設(shè)計(jì)涉及到的方面很多，需要充分利用各種造型手段，才能設(shè)計(jì)出符合大眾審美和實(shí)際需要的產(chǎn)品造型。因此，工業(yè)產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)需要遵循一定的美學(xué)準(zhǔn)則，具體為對(duì)稱平衡法則、比例協(xié)調(diào)法則、統(tǒng)一和變化法則、穩(wěn)定和輕巧法則，如圖2所示。

2 ?虛擬設(shè)計(jì)環(huán)境的總體框架設(shè)計(jì)

2.1 ?總體結(jié)構(gòu)

針對(duì)CAD系統(tǒng)的虛擬產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)需求，建立虛擬設(shè)計(jì)環(huán)境總體結(jié)構(gòu)，如圖3所示。用戶通過(guò)系統(tǒng)主界面對(duì)CAD系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行控制，并對(duì)生產(chǎn)制造的其他過(guò)程參數(shù)進(jìn)行管理。此外，數(shù)據(jù)管理還包括虛擬環(huán)境中的加工參數(shù)、裝配參數(shù)和場(chǎng)景參數(shù)。虛擬設(shè)計(jì)環(huán)境中用戶通過(guò)CAD系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)床仿真模型進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制。上述虛擬設(shè)計(jì)環(huán)境能夠?yàn)橛脩籼峁└憬莸墓ぷ鳁l件，實(shí)現(xiàn)自然的三維人際交互效果，有效提升了設(shè)計(jì)的能力和效率。

3 ?應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境進(jìn)行具體造型設(shè)計(jì)

3.1 ?系統(tǒng)硬件配置

本文虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境采用的系統(tǒng)硬件配置為：3.6 GHz AMD Ryzen 5，內(nèi)存8 GB，硬盤500 GB，顯示器為32寸。3D圖形加速卡為Ge Force GTX1050TI，DRAM為4 GB。虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境的層次結(jié)構(gòu)如圖5所示。

3.2 ?虛擬工業(yè)產(chǎn)品造型分析

在本文設(shè)計(jì)的虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境下，考慮工業(yè)產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)的影響因素和美學(xué)法則，對(duì)民用望遠(yuǎn)鏡產(chǎn)品進(jìn)行具體造型設(shè)計(jì)，結(jié)果如圖6所示。

從圖6中可以看出，產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)滿足了一定的藝術(shù)性要求。此外，針對(duì)不同類型的工業(yè)產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)時(shí)間進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表1所示。從表1的對(duì)比結(jié)果可以得出，應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境進(jìn)行造型設(shè)計(jì)可以有效減少工作時(shí)間，縮短設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)周期。由于具有良好的人機(jī)交互效果，設(shè)計(jì)工程師的工作效率得到了有效提升。

4 ?結(jié) ?語(yǔ)

本文提出基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的工業(yè)產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)方法。首先對(duì)工業(yè)產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)的影響因素和美學(xué)法則進(jìn)行分析，并構(gòu)建了虛擬設(shè)計(jì)環(huán)境的總體框架。然后建立立體視覺(jué)模型，并采用Vega虛擬現(xiàn)實(shí)開(kāi)發(fā)平臺(tái)創(chuàng)建虛擬環(huán)境。最后給出了虛擬環(huán)境下產(chǎn)品造型的效果分析，結(jié)論顯示該虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境有效縮短了開(kāi)發(fā)周期，降低了產(chǎn)品的生產(chǎn)成本，為將虛擬產(chǎn)品開(kāi)發(fā)技術(shù)有效引入工業(yè)制造領(lǐng)域提供了一定參考。

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