虚拟现实技术及其在机械工程中的应用

[摘 要]机械工程是我国工业化建设的重要组成部分，它的发展情况直接影响着我国的科技水平和国际综合实力，研究发现，将虚拟现实技术应用到机械工程中不但可以降低机械人物复杂程度，同时还能减少工程成本，提高机械工程运作效率。本文就针对虚拟现实技术在机械工程中的应用这一问题，详细论述虚拟现实技术的原理，特点以及对机械工程的实用性，并提出虚拟现实技术在机械工程的应用领域以及具体的应用建议。

[关键词]虚拟现实技术 机械工程 应用状况 应用方式

中图分类号：TH122 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）15-0338-01

一 虚拟现实技术简介

虚拟现实技术是21世纪才逐渐发展起来的全新技术，它概念的在1980年首次提出，是一项以计算机仿真技术为基础的，与许多相关联的综合型技术，由于它发展历史较短，目前对它还没有一个统一的标准定义，笼统的讲，虚拟坚实技术就是一个通过计算机仿真技术，计算机处理技术以及信息处理技术等手段对生活中的真实对象及其物质运动过程进行虚拟模仿的技术，它能够为我们建成一个形象逼真的虚拟环境，是我们能够在这一环境内进行工程上的操作并感受真实的运动过程。总之通过虚拟技术可以实现人机交互，对一些工程实例进行逼真模仿，为后续的制作工作奠定良好的基础。

二 虚拟现实技术的特征及关键技术

作为一项全新的综合技术，虚拟现实技术与传统的技术相比具有许多新的特点，具体包括以下几点：

（1）逼真性：这是指观察者对由这一技术所创建的虚拟世界的真实感受，虚拟现实技术通过仿真技术和信息处理技术创建出虚拟世界，并允许用户通过各种感官来体会发生在这一虚拟空间中的一切，给使用者以最逼真的感觉。

（2）相关性：这主要是指在虚拟世界中用户和计算机的沟通程度，利用虚拟现实技术，用户可以与计算机之间进行深入的沟通，不仅可以利用鼠标，键盘还可以利用指纹，声音等其它手段，同时还可以利用一些监控设备来监控人机沟通的过程。

（3）全方位性：利用虚拟现实技术所构成的人机交互系统中包含视觉感应，触觉感应，听觉感应，嗅觉感应以及动作感应装置，因此，在虚拟空间中，使用者可以在听觉，视觉，徐觉以及动作等多种信息中与计算机进行沟通，不但可以给人以直观的全方位的感觉，还能够有效的激发人的内在潜力，提高后续工作的效率。

（4）及时性。这也是提高工程效率的关键，利用虚拟现实技术所构建的系统可以保证人与计算机之间的沟通，计算机的现实，以及计算机工作过程的实时性，将人机沟通以及计算机处理的时间降到最低，达到人机高度融合，人机一体的效果。

要想成功的创建一个逼真的虚拟空间，必须掌握虚拟现实技术中的关键手段，主要包括以下几点：

（1） 动态建模技术：动态建模师虚拟现实技术的关键内容，建模的目的是得到现实环境的真实信息，三维指数等，并以这些信息为基础来构建我们需要的虚拟环境，为后续环节创造条件。

（2） 图像生产技术：这里所指的图形是三维图像，不但要保证图像的准确合理性，还要保证图像生成过程的实时性，为了达到实时性的要求，必须是图像的更新频率高于或等于15帧/秒，且在高于35帧/秒时效果最好，更新频率的提高也是使虚拟现实技术的有效性增加的重要手段。

（3）显示技术和传感技术：显示技术和传感技术是虚拟现实系统中进行人机交互的关键技术，就当前的发展情况来看，现在的现实技术和传感技术与期待的水平还差很多，并且在触觉感应和动作感应方面还有一定的不足，另外现在的一些基于虚拟现实技术的产品的精度也比较低。

（4）系统开发技术：任何一个技术最终都是要投入实际应用的，虚拟现实技术也是如此，由此可先，系统开发也是虚拟现实技术中的一个十分重要的技术。现在世界上用来实现虚拟开放技术的工具主要有：aVRT，它来自super cape公司，VRT可以实现具有较高水平的信息处理和人机相互的可视化平台。b.WTK，它来自sense8公司，WTK中具有一个合成的虚拟空间的应用开发环境。c.Multi Gen，它来自Multi Gen公司，Multi Gen提供了一个具有人机交互功能的图像建模系统。d.Vega，它来自Multi Gen―paradigm公司，在Vega可以实现听觉感应以及视觉感应的仿真。e.IRIS performer，它来自SGI公司，可以实现三维图像的人机相互应用。

（5）集成技术。构建虚拟空间是往往包含着大量的物质模型和感觉信息，将这些信息和模型整合起来才能成功的构建虚拟空间，集成技术就是实现这个环节的技术，现有的集成技术主要包括信息同步技术，信息转换技术，模型标定技术，信息合成技术以及信息管理技术等。

三.虚拟现实技术在机械工程中的应用

1.虚拟设计

虚拟设计就是指虚拟人员依照概念设计的结果开始进行虚拟产品设计的过程，在这一过程中，设计者需要及时有效的分析虚拟产品的质量，一旦发现问题就哟及时更改，避免影响后续制造过程。利用虚拟现实技术可以帮助设计者高效快速的虚拟设计，具体的应用方法有以下两种：（1）利用CAD系统构建机械模型，在这这一模型转换到虚拟空间中，在虚拟空间里多角度观察模型并继续完善设计，设计者可以利用各种虚拟设备如立体显示器来提高设计效果。（2）应用VR-CAD系统，具体过程为直接在CAD系统中应用虚拟现实技术，在展现机械模型形状信息的同时还向用户展现模型的材料，物理性能以及重量等信息，更加全面的展现虚拟设计的产品，帮助设计者完善虚拟设计。

发动机的虚拟设计图如图一：

2 虚拟制造

虚拟制造就是指用计算机仿真实际的制造过程，将虚拟现实技术与仿真技术结合起来，能将产品的虚拟制造过程形象的在三维虚拟空间内动态的展现出来，利用虚拟现实技术进行仿真还可以实现公益规划，产品性能分析，产品功能体验，产品质量检查以及制造过程的监督与管理，提高虚拟制造的水平。在汽车以及飞机的虚拟制造方面，虚拟现实技术的应用尤为突出，利用虚拟现实技术进行飞机的虚拟制造时，机械设计，装机过程以及模型测试等操作全在虚拟系统中完成，这不但降低了成本，也降低了工程难度，提高了工程效率。一个制造过程中的虚拟体验例子如图二

四 结语

虚拟现实作为一门新颖并且充满生命力的技术，它的应用研究已经引起越来越多的学者和工程技术人员的关注我国对虚拟现实技术应用于机械工程领域进行了大量研究，取得了很多可喜成果，但在工厂的实际应用方面却仍处于初级阶段，应该认真吸取发达国家虚拟设计虚拟装配维修训练和维修设计的先进经验，让虚拟现实技术成为我国振兴机械装备制造业的技术支撑。