基于虛擬現實技術的工業(yè)產品造型設計

嚴褒

關鍵詞： 虛擬現實; 工業(yè)產品; 外觀建模; Vega; 造型設計; 人機交互

中圖分類號： TN02?34; TP393 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 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

虛擬產品開發(fā)（Virtual Product Development，VPD）也稱虛擬設計制造（Virtual Design and Manufacture），指仿真、建模和分析技術及工具的綜合應用，以增強各層制造設計和生產決策與控制[1]。VPD是產品設計制造的真實過程在虛擬環(huán)境中的映射，也是將產品從概念設計到投入使用的全過程（產品的生命周期）在計算機上構造的虛擬環(huán)境中虛擬地實現[2]。

虛擬現實（Virtual Reality，VR）是一個計算機生成的三維環(huán)境，人們沉浸其中，通過適當的界面操縱其中的虛擬對象，并采用人類的表達形式進行交互[3]。隨著圖形處理設備性能的快速發(fā)展，虛擬產品開發(fā)的相關應用和研究得到了企業(yè)界的廣泛關注。國外諸多大型先進設備制造商已經開始將虛擬現實應用于工業(yè)產品設計，如波音公司大型客機的結構設計和評估等。在我國，虛擬產品開發(fā)相關的發(fā)展還處在起步階段，現階段的相關研究中涉及到虛擬工業(yè)產品開發(fā)和制造領域的文獻較少[4]。而對于虛擬設計制造中設計的影響因素和美學法則研究就更少了。文獻[5]對虛擬現實VR產品及其產業(yè)鏈展開了廣泛的討論和分析。文獻[6]提出一種基于虛擬現實的機械產品維修系統(tǒng)，能夠實現CAD系統(tǒng)和虛擬維修系統(tǒng)的數據轉換。該系統(tǒng)通過建立面向虛擬維修的產品層次信息表達模型，將人機交互技術應用到虛擬維修系統(tǒng)中，并設計了人機交互操作流程和產品維修性分析流。

通過分析上述研究內容發(fā)現，虛擬設計制造的應用需要對工程學科和藝術技術進行有機結合，才能克服虛擬設計制造中普遍存在的傳統(tǒng)問題。因此，本文通過研究工業(yè)產品造型設計的影響因素和美學法則，建立了虛擬產品開發(fā)環(huán)境的總體框架，并采用World Tool Kit和立體視覺模型構造環(huán)境，從而建立起面向工業(yè)產品造型設計應用的虛擬產品開發(fā)平臺，這對將虛擬產品開發(fā)技術有效引入工業(yè)制造領域具有重要的參考價值。

1 ?工業(yè)產品造型設計的原則和基礎

虛擬產品開發(fā)的研究需要采用虛擬現實技術構造一個產品設計制造環(huán)境，把設計、制造工藝、樣機制造的過程集成其中[7]。當前，虛擬產品開發(fā)的研究集中在以下幾個方面：可視化、環(huán)境構造、信息表達、元模型建模方法、集成體系結構、模擬、方法論、制造特性和評價。成熟的工業(yè)產品造型應該是實用功能和藝術設計之間的有機結合，是嚴謹性工程科學（電路布局、金屬結構、材料工藝、電氣電子）和創(chuàng)造性勞動的共同體，涉及到多工種、各種工藝等多個方面。產品造型的影響因素如圖1所示，包括形態(tài)、材質、顏色、線條、重量、空間大小。

此外，產品設計工程師利用不同的造型手段將思維中的抽象藝術具象為一個真實的外觀造型。所以，造型設計涉及到的方面很多，需要充分利用各種造型手段，才能設計出符合大眾審美和實際需要的產品造型。因此，工業(yè)產品造型設計需要遵循一定的美學準則，具體為對稱平衡法則、比例協調法則、統(tǒng)一和變化法則、穩(wěn)定和輕巧法則，如圖2所示。

2 ?虛擬設計環(huán)境的總體框架設計

2.1 ?總體結構

針對CAD系統(tǒng)的虛擬產品造型設計需求，建立虛擬設計環(huán)境總體結構，如圖3所示。用戶通過系統(tǒng)主界面對CAD系統(tǒng)參數進行控制，并對生產制造的其他過程參數進行管理。此外，數據管理還包括虛擬環(huán)境中的加工參數、裝配參數和場景參數。虛擬設計環(huán)境中用戶通過CAD系統(tǒng)實現對機床仿真模型進行調節(jié)和控制。上述虛擬設計環(huán)境能夠為用戶提供更便捷的工作條件，實現自然的三維人際交互效果，有效提升了設計的能力和效率。

3 ?應用虛擬現實環(huán)境進行具體造型設計

3.1 ?系統(tǒng)硬件配置

本文虛擬現實環(huán)境采用的系統(tǒng)硬件配置為：3.6 GHz AMD Ryzen 5，內存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。虛擬現實環(huán)境的層次結構如圖5所示。

3.2 ?虛擬工業(yè)產品造型分析

在本文設計的虛擬現實環(huán)境下，考慮工業(yè)產品造型設計的影響因素和美學法則，對民用望遠鏡產品進行具體造型設計，結果如圖6所示。

從圖6中可以看出，產品造型設計滿足了一定的藝術性要求。此外，針對不同類型的工業(yè)產品造型設計時間進行對比，結果如表1所示。從表1的對比結果可以得出，應用虛擬現實環(huán)境進行造型設計可以有效減少工作時間，縮短設計開發(fā)周期。由于具有良好的人機交互效果，設計工程師的工作效率得到了有效提升。

4 ?結 ?語

本文提出基于虛擬現實技術的工業(yè)產品造型設計方法。首先對工業(yè)產品造型設計的影響因素和美學法則進行分析，并構建了虛擬設計環(huán)境的總體框架。然后建立立體視覺模型，并采用Vega虛擬現實開發(fā)平臺創(chuàng)建虛擬環(huán)境。最后給出了虛擬環(huán)境下產品造型的效果分析，結論顯示該虛擬現實環(huán)境有效縮短了開發(fā)周期，降低了產品的生產成本，為將虛擬產品開發(fā)技術有效引入工業(yè)制造領域提供了一定參考。

參考文獻

[1] 崔善君，談敦銘，趙罡.虛擬現實航天仿真技術研究[J].圖學學報，2012，33（1）：80?86.

CUI Shanjun， TAN Dunming， ZHAO Gang. Research on virtual reality space simulation technology [J]. Journal of graphics， 2012， 33（1）： 80?86.

[2] 劉保衛(wèi).虛擬現實場景的建模特點及生成效果[J].計算機工程與應用，2014，50（5）：137?141.

LIU Baowei. Modeling features and generation effects of virtual reality scenes [J]. Computer engineering and applications， 2014， 50（5）： 137?141.

[3] 任鏷，王文劍，白雪飛.基于虛擬現實技術的山西大學堂建筑復原[J].計算機仿真，2012，29（11）：20?23.

REN Pu， WANG Wenjian， BAI Xuefei. Architectural restoration of Shanxi University Hall based on virtual reality technology [J]. Computer simulation， 2012， 29（11）： 20?23.

[4] 陳奇朋，羅滇生，胡強，等.基于虛擬現實技術的電力作業(yè)仿真培訓系統(tǒng)[J].計算機工程與應用，2013，49（11）：232?236.

CHEN Qipeng， LUO Diansheng， HU Qiang， et al. Electric power operation simulation training system based on virtual reality technology [J]. Computer engineering and applications， 2013， 49（11）： 232?236.

[5] 迪建.虛擬現實VR產品及其產業(yè)鏈探究[J].集成電路應用，2016，33（3）：16?20.

DI Jian. Virtual reality VR product and its industrial chain explore [J]. Integrated circuit applications， 2016， 33（3）： 16?20.

[6] 宋國民，劉新華，崔小龍.基于虛擬現實的機械產品維修系統(tǒng)研究[J].組合機床與自動化加工技術，2012（8）：43?46.

SONG Guomin， LIU Xinhua， CUI Xiaolong. Research on mechanical product maintenance system based on virtual reality [J]. Modular machine tools and automated processing technology， 2012（8）： 43?46.

[7] LAVER K E， GEORGE S， THOMAS S， et al. Virtual reality for stroke rehabilitation [J]. Physical therapy， 2016， 2（9）： 20?21.

[8] DAVIS A. Virtual reality simulation： an innovative teaching tool for dietetics experiential education [J]. Applied spectroscopy， 2015， 60（4）： 373.