基于虚拟现实技术的工业产品造型设计
严褒
关键词： 虚拟现实; 工业产品; 外观建模; Vega; 造型设计; 人机交互
中图分类号： TN02?34; TP393 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文献标识码： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章编号： 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 interaction0 ?引 ?言
虚拟产品开发（Virtual Product Development，VPD）也称虚拟设计制造（Virtual Design and Manufacture），指仿真、建模和分析技术及工具的综合应用，以增强各层制造设计和生产决策与控制[1]。VPD是产品设计制造的真实过程在虚拟环境中的映射，也是将产品从概念设计到投入使用的全过程（产品的生命周期）在计算机上构造的虚拟环境中虚拟地实现[2]。
虚拟现实（Virtual Reality，VR）是一个计算机生成的三维环境，人们沉浸其中，通过适当的界面操纵其中的虚拟对象，并采用人类的表达形式进行交互[3]。随着图形处理设备性能的快速发展，虚拟产品开发的相关应用和研究得到了企业界的广泛关注。国外诸多大型先进设备制造商已经开始将虚拟现实应用于工业产品设计，如波音公司大型客机的结构设计和评估等。在我国，虚拟产品开发相关的发展还处在起步阶段，现阶段的相关研究中涉及到虚拟工业产品开发和制造领域的文献较少[4]。而对于虚拟设计制造中设计的影响因素和美学法则研究就更少了。文献[5]对虚拟现实VR产品及其产业链展开了广泛的讨论和分析。文献[6]提出一种基于虚拟现实的机械产品维修系统，能够实现CAD系统和虚拟维修系统的数据转换。该系统通过建立面向虚拟维修的产品层次信息表达模型，将人机交互技术应用到虚拟维修系统中，并设计了人机交互操作流程和产品维修性分析流。
通过分析上述研究内容发现，虚拟设计制造的应用需要对工程学科和艺术技术进行有机结合，才能克服虚拟设计制造中普遍存在的传统问题。因此，本文通过研究工业产品造型设计的影响因素和美学法则，建立了虚拟产品开发环境的总体框架，并采用World Tool Kit和立体视觉模型构造环境，从而建立起面向工业产品造型设计应用的虚拟产品开发平台，这对将虚拟产品开发技术有效引入工业制造领域具有重要的参考价值。1 ?工业产品造型设计的原则和基础
虚拟产品开发的研究需要采用虚拟现实技术构造一个产品设计制造环境，把设计、制造工艺、样机制造的过程集成其中[7]。当前，虛拟产品开发的研究集中在以下几个方面：可视化、环境构造、信息表达、元模型建模方法、集成体系结构、模拟、方法论、制造特性和评价。成熟的工业产品造型应该是实用功能和艺术设计之间的有机结合，是严谨性工程科学（电路布局、金属结构、材料工艺、电气电子）和创造性劳动的共同体，涉及到多工种、各种工艺等多个方面。产品造型的影响因素如图1所示，包括形态、材质、颜色、线条、重量、空间大小。
此外，产品设计工程师利用不同的造型手段将思维中的抽象艺术具象为一个真实的外观造型。所以，造型设计涉及到的方面很多，需要充分利用各种造型手段，才能设计出符合大众审美和实际需要的产品造型。因此，工业产品造型设计需要遵循一定的美学准则，具体为对称平衡法则、比例协调法则、统一和变化法则、稳定和轻巧法则，如图2所示。
2 ?虚拟设计环境的总体框架设计
2.1 ?总体结构
针对CAD系统的虚拟产品造型设计需求，建立虚拟设计环境总体结构，如图3所示。用户通过系统主界面对CAD系统参数进行控制，并对生产制造的其他过程参数进行管理。此外，数据管理还包括虚拟环境中的加工参数、装配参数和场景参数。虚拟设计环境中用户通过CAD系统实现对机床仿真模型进行调节和控制。上述虚拟设计环境能够为用户提供更便捷的工作条件，实现自然的三维人际交互效果，有效提升了设计的能力和效率。
3 ?应用虚拟现实环境进行具体造型设计
3.1 ?系统硬件配置
本文虚拟现实环境采用的系统硬件配置为：3.6 GHz AMD Ryzen 5，内存8 GB，硬盘500 GB，显示器为32寸。3D图形加速卡为Ge Force GTX1050TI，DRAM为4 GB。虚拟现实环境的层次结构如图5所示。
3.2 ?虚拟工业产品造型分析
在本文设计的虚拟现实环境下，考虑工业产品造型设计的影响因素和美学法则，对民用望远镜产品进行具体造型设计，结果如图6所示。
从图6中可以看出，产品造型设计满足了一定的艺术性要求。此外，针对不同类型的工业产品造型设计时间进行对比，结果如表1所示。从表1的对比结果可以得出，应用虚拟现实环境进行造型设计可以有效减少工作时间，缩短设计开发周期。由于具有良好的人机交互效果，设计工程师的工作效率得到了有效提升。
4 ?结 ?语
本文提出基于虚拟现实技术的工业产品造型设计方法。首先对工业产品造型设计的影响因素和美学法则进行分析，并构建了虚拟设计环境的总体框架。然后建立立体视觉模型，并采用Vega虚拟现实开发平台创建虚拟环境。最后给出了虚拟环境下产品造型的效果分析，结论显示该虚拟现实环境有效缩短了开发周期，降低了产品的生产成本，为将虚拟产品开发技术有效引入工业制造领域提供了一定参考。
参考文献
[1] 崔善君，谈敦铭，赵罡.虚拟现实航天仿真技术研究[J].图学学报，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] 刘保卫.虚拟现实场景的建模特点及生成效果[J].计算机工程与应用，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] 任镤，王文剑，白雪飞.基于虚拟现实技术的山西大学堂建筑复原[J].计算机仿真，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] 陈奇朋，罗滇生，胡强，等.基于虚拟现实技术的电力作业仿真培训系统[J].计算机工程与应用，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.虚拟现实VR产品及其产业链探究[J].集成电路应用，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] 宋国民，刘新华，崔小龙.基于虚拟现实的机械产品维修系统研究[J].组合机床与自动化加工技术，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.
关键词： 虚拟现实; 工业产品; 外观建模; Vega; 造型设计; 人机交互
中图分类号： TN02?34; TP393 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文献标识码： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章编号： 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 interaction0 ?引 ?言
虚拟产品开发（Virtual Product Development，VPD）也称虚拟设计制造（Virtual Design and Manufacture），指仿真、建模和分析技术及工具的综合应用，以增强各层制造设计和生产决策与控制[1]。VPD是产品设计制造的真实过程在虚拟环境中的映射，也是将产品从概念设计到投入使用的全过程（产品的生命周期）在计算机上构造的虚拟环境中虚拟地实现[2]。
虚拟现实（Virtual Reality，VR）是一个计算机生成的三维环境，人们沉浸其中，通过适当的界面操纵其中的虚拟对象，并采用人类的表达形式进行交互[3]。随着图形处理设备性能的快速发展，虚拟产品开发的相关应用和研究得到了企业界的广泛关注。国外诸多大型先进设备制造商已经开始将虚拟现实应用于工业产品设计，如波音公司大型客机的结构设计和评估等。在我国，虚拟产品开发相关的发展还处在起步阶段，现阶段的相关研究中涉及到虚拟工业产品开发和制造领域的文献较少[4]。而对于虚拟设计制造中设计的影响因素和美学法则研究就更少了。文献[5]对虚拟现实VR产品及其产业链展开了广泛的讨论和分析。文献[6]提出一种基于虚拟现实的机械产品维修系统，能够实现CAD系统和虚拟维修系统的数据转换。该系统通过建立面向虚拟维修的产品层次信息表达模型，将人机交互技术应用到虚拟维修系统中，并设计了人机交互操作流程和产品维修性分析流。
通过分析上述研究内容发现，虚拟设计制造的应用需要对工程学科和艺术技术进行有机结合，才能克服虚拟设计制造中普遍存在的传统问题。因此，本文通过研究工业产品造型设计的影响因素和美学法则，建立了虚拟产品开发环境的总体框架，并采用World Tool Kit和立体视觉模型构造环境，从而建立起面向工业产品造型设计应用的虚拟产品开发平台，这对将虚拟产品开发技术有效引入工业制造领域具有重要的参考价值。1 ?工业产品造型设计的原则和基础
虚拟产品开发的研究需要采用虚拟现实技术构造一个产品设计制造环境，把设计、制造工艺、样机制造的过程集成其中[7]。当前，虛拟产品开发的研究集中在以下几个方面：可视化、环境构造、信息表达、元模型建模方法、集成体系结构、模拟、方法论、制造特性和评价。成熟的工业产品造型应该是实用功能和艺术设计之间的有机结合，是严谨性工程科学（电路布局、金属结构、材料工艺、电气电子）和创造性劳动的共同体，涉及到多工种、各种工艺等多个方面。产品造型的影响因素如图1所示，包括形态、材质、颜色、线条、重量、空间大小。
此外，产品设计工程师利用不同的造型手段将思维中的抽象艺术具象为一个真实的外观造型。所以，造型设计涉及到的方面很多，需要充分利用各种造型手段，才能设计出符合大众审美和实际需要的产品造型。因此，工业产品造型设计需要遵循一定的美学准则，具体为对称平衡法则、比例协调法则、统一和变化法则、稳定和轻巧法则，如图2所示。2 ?虚拟设计环境的总体框架设计
2.1 ?总体结构
针对CAD系统的虚拟产品造型设计需求，建立虚拟设计环境总体结构，如图3所示。用户通过系统主界面对CAD系统参数进行控制，并对生产制造的其他过程参数进行管理。此外，数据管理还包括虚拟环境中的加工参数、装配参数和场景参数。虚拟设计环境中用户通过CAD系统实现对机床仿真模型进行调节和控制。上述虚拟设计环境能够为用户提供更便捷的工作条件，实现自然的三维人际交互效果，有效提升了设计的能力和效率。
3 ?应用虚拟现实环境进行具体造型设计
3.1 ?系统硬件配置
本文虚拟现实环境采用的系统硬件配置为：3.6 GHz AMD Ryzen 5，内存8 GB，硬盘500 GB，显示器为32寸。3D图形加速卡为Ge Force GTX1050TI，DRAM为4 GB。虚拟现实环境的层次结构如图5所示。
3.2 ?虚拟工业产品造型分析在本文设计的虚拟现实环境下，考虑工业产品造型设计的影响因素和美学法则，对民用望远镜产品进行具体造型设计，结果如图6所示。
从图6中可以看出，产品造型设计满足了一定的艺术性要求。此外，针对不同类型的工业产品造型设计时间进行对比，结果如表1所示。从表1的对比结果可以得出，应用虚拟现实环境进行造型设计可以有效减少工作时间，缩短设计开发周期。由于具有良好的人机交互效果，设计工程师的工作效率得到了有效提升。4 ?结 ?语
本文提出基于虚拟现实技术的工业产品造型设计方法。首先对工业产品造型设计的影响因素和美学法则进行分析，并构建了虚拟设计环境的总体框架。然后建立立体视觉模型，并采用Vega虚拟现实开发平台创建虚拟环境。最后给出了虚拟环境下产品造型的效果分析，结论显示该虚拟现实环境有效缩短了开发周期，降低了产品的生产成本，为将虚拟产品开发技术有效引入工业制造领域提供了一定参考。
参考文献
[1] 崔善君，谈敦铭，赵罡.虚拟现实航天仿真技术研究[J].图学学报，2012，33（1）：80?86.
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[2] 刘保卫.虚拟现实场景的建模特点及生成效果[J].计算机工程与应用，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] 任镤，王文剑，白雪飞.基于虚拟现实技术的山西大学堂建筑复原[J].计算机仿真，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] 陈奇朋，罗滇生，胡强，等.基于虚拟现实技术的电力作业仿真培训系统[J].计算机工程与应用，2013，49（11）：232?236.
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[5] 迪建.虚拟现实VR产品及其产业链探究[J].集成电路应用，2016，33（3）：16?20.
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[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.
