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摘要 随着科学技术的发展和电子计算机的普及与应用，新材料、新工艺、新技术、新的设计与理论方法不断出现，机械设备更新换代的周期日益缩短。其中，虚拟技术具有缩短开发周期、有效地控制和降低产品成本、提高产品竞争力和生产企业经济效益的特点。为此，论述了虚拟技术的基本组成及其建模过程，分析了虚拟技术在机械工程中的应用和发展前景。
关键词 计算机应用；虚拟技术；应用；机械工程
1 虚拟技术的内涵及其特点
1.1 概念。虚拟现实技术汇集了计算机图形学、多媒体技术、图像处理与模式识别、智能接口接术、传感器技术、高度并行的实时计算技术、人工智能、人机工程学、语音处理与音响技术、网络技术、人的行为研究及心理学等多项关键技术，是这些技术更高层次的集成和渗透。虚拟技术通常是指以仿真的方式给用户创造一个反映实体对象变化及相互作用的三维世界，并通过头盔显示器、数据手套等辅助传感器设备，提供了一个观察并与该虚拟世界交互的三维界面，使用户可以直接参与和探索仿真对象在所处环境中的作用与变化，获得相应看似真实的体验。身临其境和交互作用是其主要特点。它的具体含义：一是虚拟现实是一种基于计算机图形学的多观点、实时动态的三维环境，这个环境可以是现实世界的真实再现，也可以是超越现实的虚构世界；二是操作者可以通过人的视、听、触等多种感官，直接以人的自然技能和思维方式与所投入的环境交互；三是在操作过程中，人是以一种实时数据源的形式沉浸在虚拟环境中的行为主体。而不仅仅是窗口外部的观察者。
1.2 主要特点。
1.2.1 动态环境建模技术。虚拟环境的建立是虚拟现实技术的核心内容，应用动态环境建模技术能获取实际环境的三维数据，并根据需要，利用获取的三维数据建立相应的虚拟环境模型。
1.2.2 实时三维图形生成技术。目前，三维图形的生成技术已经比较成熟，关键是如何满足实时性的要求。为了达到实时的目的，至少要保证图形的刷新频率不低于15帧／s，最好高于30帧／s。在不降低图形质量和复杂程度的前提下提高刷新频率。图形生成的硬件体系结构以及在虚拟现实的真实感图形生成中，用于加速的各种有效技术是关键。
1.2.3 立体显示和传感器技术。虚拟现实依赖于立体显示和传感器技术的发展。立体显示技术涉及人体感官的生理原理及在计算机上如何产生深度线索的技术。现有的硬件系统(如头盔显示器、单目镜及可移动视觉显示器)有待进一步研究，光学显示还存在许多局限性。传感器技术中需解决设备的可靠性、可重复性、精确性及安全性等问题，各种类型传感器的性能亟待提高。
1.2.4 应用系统开发工具。技术最终要面向应用，通用平台的开发可缩短与应用结合的时间。为此，必须研究虚拟现实的开发工具。目前，常用的虚拟现实系统开发工具Super8cape公司VRT，它是一个可视化平台，允许较高程度的交互和网络处理；Sense 8公司的WTK是一个c函数库，提供了一个完整的合成虛拟环境的应用开发环境3MudtiGen公司的MuMGen系列软件是一个交互式的图形建模系统3MudtiGen－PoIadign公司的Vega可用于实时视觉和听觉仿真，使用简单；SGI公司的IRISPeformer是一种强有力的API，用于生成实时可视仿真和其它交互式三维图形应用；CG2公司的VTree是实时三维图形开发软件包，可以实现视觉仿真、实时场景生成等应用。
1.2.5 多种系统集成技术。虚拟技术系统的最终集成是必然的，它包含了大量表达信息的模型，必须根据设计意图合理组合集成技术包括信息的同步、模型的标定、数据转换数据管理模型、模式识别与合成等技术。
2 虚拟技术在机械工程中的应用
虚拟技术的应用领域很多，其中最广泛的几个重要的领域：①是医疗，包括解剖学各病理学教学外科手术训练和复杂外科手术的规划等，特别是显微外科手术；②是娱乐业，利用虚拟技术可创造出虚拟环境，可生动、逼真地模拟“星球大战”、“太空旅游”、“海底探险”以及“角色打斗”等游戏给人身临其境之感。具有很强的趣味性、惊险性和知识性；③是军事、航空和航天，主要用于人员培训、产品设计及战略规划等方面，典型的成果如虚拟战场、虚拟毒刺导弹训练器、波音飞机虚拟设计系统及太空训练系统等；④是教育培训，对于宇航员、飞机和舰艇的驾驶员、军事指挥员及各类复杂系统的操作人员，仿真培训是必不可少的，利用虚拟技术可使仿真效果更加生动、副真，仿真内容更加丰富，培训效果更为理想。
2.1虚拟技术在机械产品开发中的应用。虚拟产品的设计开发技术是建立在计算机完成产品开发过程基础上的。它在虚拟的条件下对产品进行构思、设计、制造、测试和分析。传统的机械产品设计方法需经过设计、样机试制、试验、修改设计、重新试制，经过较长时间才能投入生产，许多设计问题不能在产品设计阶段及时发现，导致了产品开发周期长。虚拟设计的研究和开发使缩短机械产品的开发周期成为现实。其显著特点之一是利用存储在计算机内部的数字化模型一虚拟产品来代替实物模型进行仿真分析，在制造过程中由计算机生成全部工件原形，然后对虚拟原形进行预装配，在预装配同时还能进行碰撞检测、阶段性的性能检测等。若对测试结果不满意，还可对工件设计图进行实时修改，提高了可靠性，节约了大量原材料，从而提高产品在时间、质量、成本、服务和环境等多且标的决策水平，达到全局优化和一次性开发成功的目的。复杂的大型收获机械非常需要这种虚拟仿真技术，它不但可以在机构运动学上加以仿真，还可以通过有限元分析、优化设计等方法对机构的动力学加以分析、仿真，对各构件参数进行优化。
2.2虚拟技术的建模。同仿真技术一样，虚拟世界的建模是开发虚拟技术应用的核心。首先从数学上定义基本过程，并配备已有的硬件资源。建立起设备零件的几何模型，再将之转换成能在计算机上实现和运行的仿真模型。其次，开发对象数据库和优化模型，即建立对象的形状、外表、行为、限制模型并将对应的I／O工具映射到仿真的世界。虚拟现实技术的建模过程如图1所示。
①几何建模。描述虚拟对象的形状和外表，可通过照片扫描或图像绘图软件建立。
②运动建模。表示虚拟对象在虚拟世界中的动态特性，有关对象位置变化、碰撞、伸缩、手抓提和表面变形等方面的特性就属于运动建模问题。
③物理建模。反映对象的质量、惯性、表面粗糙度、硬度和形状变化模式。如果建立了实体的物理模型，就可以用虚拟手握住这个实体，就能够真实地感受到该物体的质量、表面光滑程度等。
④声音建模。根据听觉机理提供声音模拟。
⑤模型分割。在不失真的条件下，减少模型的复杂度，提高显示实时性。
3 结束语
在机械工程中应用虚拟技术的优点是很明显的。实时建模可使得整个生产线的工作流程最佳化，缩短达到最佳计划生产的时间。在制造生产设备之前就可调试工具和软件程序。
综上所述，可以预料在2I世纪。随着科学技术的不断发展，虚拟技术必将会在机械领域逐步扩大应用。当然，亦应充分认识到，虚拟技术是一门新兴的高科技发展技术，具有很大的潜力，在我国尚处于开拓时期的初级阶段。但是只要重视并大力发展虚拟技术在机械工程中的应用，虚拟技术在机械中将会有广阔的发展前景。
参考文献
[1]孙江宏，Pro／Engineer 2001虚拟设计与装配[M]，北京：中国铁道出版社，2003
[2]周廷美，王仲范，虚拟现实技术在汽车车身开发中的应用[J]，汽车工业研究，2003，(3)：37-39
[3]丁良旭，虚拟技术与汽车工业[J]，汽车工业研究，2001，(1)：32-36
[4]李霞，王维新，虚拟技术在农业机械中的应用[J]，农机化研究，2005，(5)：54-56
[5]孙超雄，虚拟现实在机械设计制造中的作用[J]，黄石高等专科学校学报，2002，(6)：12－14
关键词 计算机应用；虚拟技术；应用；机械工程
1 虚拟技术的内涵及其特点
1.1 概念。虚拟现实技术汇集了计算机图形学、多媒体技术、图像处理与模式识别、智能接口接术、传感器技术、高度并行的实时计算技术、人工智能、人机工程学、语音处理与音响技术、网络技术、人的行为研究及心理学等多项关键技术，是这些技术更高层次的集成和渗透。虚拟技术通常是指以仿真的方式给用户创造一个反映实体对象变化及相互作用的三维世界，并通过头盔显示器、数据手套等辅助传感器设备，提供了一个观察并与该虚拟世界交互的三维界面，使用户可以直接参与和探索仿真对象在所处环境中的作用与变化，获得相应看似真实的体验。身临其境和交互作用是其主要特点。它的具体含义：一是虚拟现实是一种基于计算机图形学的多观点、实时动态的三维环境，这个环境可以是现实世界的真实再现，也可以是超越现实的虚构世界；二是操作者可以通过人的视、听、触等多种感官，直接以人的自然技能和思维方式与所投入的环境交互；三是在操作过程中，人是以一种实时数据源的形式沉浸在虚拟环境中的行为主体。而不仅仅是窗口外部的观察者。
1.2 主要特点。
1.2.1 动态环境建模技术。虚拟环境的建立是虚拟现实技术的核心内容，应用动态环境建模技术能获取实际环境的三维数据，并根据需要，利用获取的三维数据建立相应的虚拟环境模型。
1.2.2 实时三维图形生成技术。目前，三维图形的生成技术已经比较成熟，关键是如何满足实时性的要求。为了达到实时的目的，至少要保证图形的刷新频率不低于15帧／s，最好高于30帧／s。在不降低图形质量和复杂程度的前提下提高刷新频率。图形生成的硬件体系结构以及在虚拟现实的真实感图形生成中，用于加速的各种有效技术是关键。
1.2.3 立体显示和传感器技术。虚拟现实依赖于立体显示和传感器技术的发展。立体显示技术涉及人体感官的生理原理及在计算机上如何产生深度线索的技术。现有的硬件系统(如头盔显示器、单目镜及可移动视觉显示器)有待进一步研究，光学显示还存在许多局限性。传感器技术中需解决设备的可靠性、可重复性、精确性及安全性等问题，各种类型传感器的性能亟待提高。
1.2.4 应用系统开发工具。技术最终要面向应用，通用平台的开发可缩短与应用结合的时间。为此，必须研究虚拟现实的开发工具。目前，常用的虚拟现实系统开发工具Super8cape公司VRT，它是一个可视化平台，允许较高程度的交互和网络处理；Sense 8公司的WTK是一个c函数库，提供了一个完整的合成虛拟环境的应用开发环境3MudtiGen公司的MuMGen系列软件是一个交互式的图形建模系统3MudtiGen－PoIadign公司的Vega可用于实时视觉和听觉仿真，使用简单；SGI公司的IRISPeformer是一种强有力的API，用于生成实时可视仿真和其它交互式三维图形应用；CG2公司的VTree是实时三维图形开发软件包，可以实现视觉仿真、实时场景生成等应用。
1.2.5 多种系统集成技术。虚拟技术系统的最终集成是必然的，它包含了大量表达信息的模型，必须根据设计意图合理组合集成技术包括信息的同步、模型的标定、数据转换数据管理模型、模式识别与合成等技术。
2 虚拟技术在机械工程中的应用
虚拟技术的应用领域很多，其中最广泛的几个重要的领域：①是医疗，包括解剖学各病理学教学外科手术训练和复杂外科手术的规划等，特别是显微外科手术；②是娱乐业，利用虚拟技术可创造出虚拟环境，可生动、逼真地模拟“星球大战”、“太空旅游”、“海底探险”以及“角色打斗”等游戏给人身临其境之感。具有很强的趣味性、惊险性和知识性；③是军事、航空和航天，主要用于人员培训、产品设计及战略规划等方面，典型的成果如虚拟战场、虚拟毒刺导弹训练器、波音飞机虚拟设计系统及太空训练系统等；④是教育培训，对于宇航员、飞机和舰艇的驾驶员、军事指挥员及各类复杂系统的操作人员，仿真培训是必不可少的，利用虚拟技术可使仿真效果更加生动、副真，仿真内容更加丰富，培训效果更为理想。
2.1虚拟技术在机械产品开发中的应用。虚拟产品的设计开发技术是建立在计算机完成产品开发过程基础上的。它在虚拟的条件下对产品进行构思、设计、制造、测试和分析。传统的机械产品设计方法需经过设计、样机试制、试验、修改设计、重新试制，经过较长时间才能投入生产，许多设计问题不能在产品设计阶段及时发现，导致了产品开发周期长。虚拟设计的研究和开发使缩短机械产品的开发周期成为现实。其显著特点之一是利用存储在计算机内部的数字化模型一虚拟产品来代替实物模型进行仿真分析，在制造过程中由计算机生成全部工件原形，然后对虚拟原形进行预装配，在预装配同时还能进行碰撞检测、阶段性的性能检测等。若对测试结果不满意，还可对工件设计图进行实时修改，提高了可靠性，节约了大量原材料，从而提高产品在时间、质量、成本、服务和环境等多且标的决策水平，达到全局优化和一次性开发成功的目的。复杂的大型收获机械非常需要这种虚拟仿真技术，它不但可以在机构运动学上加以仿真，还可以通过有限元分析、优化设计等方法对机构的动力学加以分析、仿真，对各构件参数进行优化。
2.2虚拟技术的建模。同仿真技术一样，虚拟世界的建模是开发虚拟技术应用的核心。首先从数学上定义基本过程，并配备已有的硬件资源。建立起设备零件的几何模型，再将之转换成能在计算机上实现和运行的仿真模型。其次，开发对象数据库和优化模型，即建立对象的形状、外表、行为、限制模型并将对应的I／O工具映射到仿真的世界。虚拟现实技术的建模过程如图1所示。
①几何建模。描述虚拟对象的形状和外表，可通过照片扫描或图像绘图软件建立。
②运动建模。表示虚拟对象在虚拟世界中的动态特性，有关对象位置变化、碰撞、伸缩、手抓提和表面变形等方面的特性就属于运动建模问题。
③物理建模。反映对象的质量、惯性、表面粗糙度、硬度和形状变化模式。如果建立了实体的物理模型，就可以用虚拟手握住这个实体，就能够真实地感受到该物体的质量、表面光滑程度等。
④声音建模。根据听觉机理提供声音模拟。
⑤模型分割。在不失真的条件下，减少模型的复杂度，提高显示实时性。
3 结束语
在机械工程中应用虚拟技术的优点是很明显的。实时建模可使得整个生产线的工作流程最佳化，缩短达到最佳计划生产的时间。在制造生产设备之前就可调试工具和软件程序。
综上所述，可以预料在2I世纪。随着科学技术的不断发展，虚拟技术必将会在机械领域逐步扩大应用。当然，亦应充分认识到，虚拟技术是一门新兴的高科技发展技术，具有很大的潜力，在我国尚处于开拓时期的初级阶段。但是只要重视并大力发展虚拟技术在机械工程中的应用，虚拟技术在机械中将会有广阔的发展前景。
参考文献
[1]孙江宏，Pro／Engineer 2001虚拟设计与装配[M]，北京：中国铁道出版社，2003
[2]周廷美，王仲范，虚拟现实技术在汽车车身开发中的应用[J]，汽车工业研究，2003，(3)：37-39
[3]丁良旭，虚拟技术与汽车工业[J]，汽车工业研究，2001，(1)：32-36
[4]李霞，王维新，虚拟技术在农业机械中的应用[J]，农机化研究，2005，(5)：54-56
[5]孙超雄，虚拟现实在机械设计制造中的作用[J]，黄石高等专科学校学报，2002，(6)：12－14