虚拟样机

基于计算机技术的概念

虚拟样机技术是上世纪80年代逐渐兴起、基于计算机技术的一个新概念。从国内外对虚拟样机技术 (Virtual Prototyping, VP)的研究可以看出，虚拟样机技术的概念还处于发展的阶段，在不同应用领域中存在不同定义。

有关概念的建设性意见

（1）定义：虚拟样机是建立在计算机上的原型系统或子系统模型，它在一定程度上具有与物理样机相当的功能真实度。

（2）虚拟样机设计，是指利用虚拟样机代替物理样机来对其候选设计的各种特性进行测试和评价。

（3）虚拟样机设计环境，是模型、仿真和仿真者的一个集合，它主要用于引导产品从思想到样机的设计，强调子系统的优化与组合，而不是实际的硬件系统。

代表性的论述

（1）虚拟样机技术是将CAD 建模技术、计算机支持的协同工作(CSCW)技术、用户界面设计、基于知识的推理技术、设计过程管理和文档化技术、虚拟现实技术集成起来，形成一个基于计算机、桌面化的分布式环境以支持产品设计过程中的并行工程方法；

（2）虚拟样机的概念与集成化产品和加工过程开发 (Integrated Product and Process Development,简称IPPD)是分不开的。IPPD是一个管理过程，这个过程将产品概念开发到生产支持的所有活动集成在一起，对产品及其制造和支持过程进行优化，以满足性能和费用目标。IPPD的核心是虚拟样机，而虚拟样机技术必须依赖IPPD才能实现；

（3）虚拟样机技术就是在建立第一台物理样机之前，设计师利用计算机技术建立机械系统的数学模型，进行仿真分析并从图形方式显示该系统在真实工程条件下的各种特性，从而修改并得到最优设计方案的技术；

（4）虚拟样机是一种计算机模型，它能够反映实际产品的特性，包括外观、空间关系以及运动学和动力学特性。借助于这项技术，设计师可以在计算机上建立机械系统模型，伴之以三维可视化处理，模拟在真实环境下系统的运动和动力特性并根据仿真结果精简和优化系统；

（5）虚拟样机技术利用虚拟环境在可视化方面的优势以及可交互式探索虚拟物体功能，对产品进行几何、功能、制造等许多方面交互的建模与分析。它在CAD模型的基础上，把虚拟技术与仿真方法相结合，为产品的研发提供了一个全新的设计方法。

虚拟样机的构建技术

建立可信赖的1：1产品虚拟原型

建立可信的图像是一个核心要求。绘图师和设计师都用不同的射线跟踪包（沿物理样机）去形成高真实的图像或动画电影。这些工具对于交流是非常有用的，他们也能描述必需的经验上的碰撞。当你在墙上看到这些图像时，你就会想象你正经历着这个产品，或正在看它漂亮的图片。这种预先渲染的技术限制了通常物理样机所提供的探测和交互的种类。例如，你不能进入图像的内部和感受到聚集在你周围的场景。这种情况下，具有现实性的图像并没有充分的理由代替物理样机。既然这样，使用这种技术生成的虚拟样机的应用的可信度就会大打折扣，因为它们限制了探测场景的比例和现场的沉浸感。当计算机可视化的价值得到工业界的普遍认可时，具有“沉浸感”的虚拟样机还是被许多专家持怀疑和观望态度。但当它呈现出高可信度的图像和虚拟样机时，这种怀疑的态度就会消失。虚拟样机的展示，的确给观察者一种与物理样机同处一室的感觉，这时，观察者就会认为他看到的虚拟样机是真实的。

虚拟样机的性能评估

虚拟样机已成为一个有效的工具，它已成为设计部门评估和交流设计的必要工具。大尺寸显示格式的好处之一就是，允许人能模拟在屏幕中行走和与屏幕交流问题。在背面投影环境中，群体就很容易地参与进来。图2显示的是“Powerwall”演示，它是Panoram公司的正式评审场景, 这幅图片是文档、3D模型和2D图像结合生成的一个虚拟样机演播环境。

沉浸式显示环境的建立

沉浸式的环境能形成各种大小和形状，它需要使用不同的设备支持交互、跟踪和立体观察，也要用各种不同的通道、管道和主机配置的工作站来驱动。因此虚拟样机必须灵活的支持各种变化。建立投影的最有效的一种方法就是利用立体眼镜，这种方式的显示有主动或被动两种（主动就是你必须带特殊的有电池的眼镜，被动就是只要带简单的偏振眼镜）。这两种眼镜都能使虚拟样机呈现并围绕在观者的周围。这种技术对于通过投影把样机显示在观者的视野中是非常有效的。

虚拟样机的交互

虚拟样机本身不仅提供所有的交流设计意图所必须的可视化信息, 而且各种传统的介质因素必须同虚拟样机一起被显示。层信息、位图和其它沉浸式显示的因素都能使评估人员建立合理的对产品的设计印象包括产品规格、标题、列举、注解及其它的信息，有图表，曲线图和各种表格。大尺寸显示环境能对不同层次的讨论变得更有利，更适用，也在设计过程中起到一个普遍的作用。

虚拟样机人机界面的设计

为了提供真实、有效、自然的界面，使人机界面简化，须排除技术上的限制和处理大量的显示配置。另外一个目标就是这个界面对广大用户来说是易学易用的（特别是对从事技术的设计师），而且能快速的完成作图。一般来说，能简单的选择目标并看到它, 这种界面可以在自然感官上增加娱乐性。

DMSO 虚拟样机定义

在建模和仿真领域比较通用的关于虚拟样机的概念是美国国防部（DoD）的定义。DMSO 将虚拟样机定义为对一个与物理原型具有功能相似性的系统或者子系统模型进行的基于计算机的仿真；而虚拟样机技术则是使用虚拟样机来代替物理样机，对候选设计方案的某一方面的特性进行仿真测试和评估的过程。

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