虚拟现实技术下的工业产品设计CAD三维造型系统

胡铭 王荻

摘  要： 为了将虚拟现实（VR）技术与传统CAD工业产品建模进行有效结合，设计一种基于虚拟现实技术的机械产品CAD三维造型系统，可以有效解决传统产品开发所面临的问题。采用非均匀有理B样条曲线构造实体几何模型，并对立体视觉模型的投影进行变换设计，从而在有限硬件条件下减少计算所需的时间。给出虚拟环境系统的具体软硬件参数。开发语言采用Visual C#，并采用工业级模拟开发软件Vega实现CAD数据转换。系统运行结果显示，设计系统能够有效实现机械产品零部件的辅助设计，节省了设计研发时间。

关键词： 虚拟现实; 仿真技术; 产品造型; 软硬件体系; CAD; 产品开发

中图分类号： TN99?34; TP391.72                     文献标识码： A                  文章编号： 1004?373X（2019）09?0142?03

Virtual reality technology based CAD three?dimensional modeling system

of mechanical industry product

HU Ming， WANG Di

（Wuxi Taihu University， Wuxi 214064， China）

Abstract： In order to effectively combine the virtual reality （VR） technology with traditional CAD industrial product modeling， a virtual reality technology based CAD three?dimensional modeling system for mechanical products is designed， which can effectively solve the problems of traditional product development. The non?uniform rational B?spline curve is used to construct the solid geometry model， and the projection of the stereo vision model is transformed， so as to reduce the calculation time under limited hardware conditions. The specific hardware and software parameters of the virtual environment system are given. The development language Visual C# and industrial?level simulation development software Vega are used to realize the CAD data conversion. The system operation results show that the design system can effectively realize the auxiliary design of mechanical parts and components， and save the design and development time.

Keywords： virtual reality; simulation technology; product modeling; software and hardware system; CAD; product development

0  引  言

通过将虚拟现实技术（Virtual Reality，VR）应用到企業产品造型设计工作中，不但能够有利于产品外观优化设计、人机交互设计，还能够有助于产生更多的创新设计理念[1?2]。产品设计工程师通过VR技术能够和产品对象进行更自然和更直观的交互，从而摆脱传统显示器、键盘和鼠标的约束[3]。VR技术在产品造型设计领域有着广泛的应用前景。

文献[4]对基于用户体验的旅游景点虚拟现实项目进行研究，分析了虚拟现实网络化遇到的问题，结合现代虚拟现实与前沿计算机网络技术给出相应解决方案。文献[5]对面向汽车产品设计的虚拟现实服务平台展开研究，设计了一种基于云计算模式的应用服务架构，并给出其服务模型和逻辑架构，从而为VR技术在汽车产品创新设计中的应用部署和快速服务提供了理论指导和有力支撑。文献[6]提出基于三维虚拟现实的便携式3C产品外观仿真设计，对3C产品外观仿真设计系统的总体结构进行了分析并给出具体模块设计，所设计产品外观造型效果较好，有效地提高了设计人员的工作效率。

通过以上分析，可知VR技术在产品造型设计领域已经成为热点研究方向。但是，如何将VR技术有效引入到机械产品造型设计中，是目前富有挑战性的研究领域。因此，本文对基于VR技术的产品造型设计进行具体研究分析。首先，建立基于桌面机的虚拟环境系统的软硬件体系结构，提高建模的工作效率;然后，对机械产品虚拟优化设计与分析流程进行介绍。通过VR与CAD的有机结合，优化产品结构的动态性能。

1  立体视觉模型设计

1.1  三维实体表示方法

在VR系统中，实体模型常见的有构造实体几何（CSG），如图1所示。

图1  构造实体几何法原理示意图

本文采用在高级三维建模中广泛支持的非均匀有理B样条曲线（Non?Uniform Rational B?Splines，NURBS）进行虚拟环境的三维建模，其构建公式如下：

1.2  视角定义

产品测量过程中，通过相关运算能够在视网膜上将视角[θ]转换成为产品的投影大小，如图2所示。

图2  视角[θ]的定义

1.3  立体视觉处理

为在VR环境中生成立体视觉效果，需要运用人体的双眼视觉和视运动知觉技术。人类对所见物体的立体感主要来源于双目视差。因此，立体视觉模型需要分别计算两个试点，以便产生两个单目视图。在立体视觉模型中，如果把三维空间物体上的点[I（Xi，Yi，Zi）]投影在[Z]平面上产生2个点[Il（Xsl，Ysl）]，[Ir（Xsr，Ysr）]。则有[7]：

式中：[d]表示双目间的距离;[k]表示视点与投影平面之间的长度。通过上述模型的运算方法对投影进行变换，能够在有限硬件条件下减少计算所需的时间。

2  桌面虚拟环境系统的软硬件配置

2.1  系统的硬件配置

VR技术需要通过计算机技术实现，包括模拟环境、感知、自然技能和传感设备数据处理等多方面功能。PC主机的CPU为AMD FX?8350，内存为8 GB，硬盘为 200 GB，图形显示器为HKC P4000 23.8寸电脑显示器。VR系统硬件的核心显卡设备为NVIDIA GeForce GTX1080Ti，DRAM为11 GB，显存位宽为352 bit，核心频率为1 480/1 733 MHz，显存频率为11 000 MHz。

2.2  系统的软件配置

桌面虚拟环境采用的操作系统为Windows 10。系统支撑平台采用美国Multi Gen?Paradigm公司开发的工业级模拟开发软件Vega。开发语言采用Visual C#。三维实体建模软件为Auto CAD。

3  基于CAD构建3D模型实例

3.1  机械产品虚拟优化设计

在虚拟现实环境下，设计人员可以进行产品造型的结构优化设计，完成机械产品的动态分析、造型优化和性能预测。本文采用的机械产品虚拟优化设计与分析流程如图3所示。

图3  机械产品虚拟优化设计与分析流程

3.2  實例效果演示

在产品造型设计的工作中，一般首先采用Auto CAD绘制工业产品图形并以ASCⅡ格式DXF文件保存。以机械变速箱的CAD零件数据为例，图4为系统所用VR眼镜设备实物，图5显示了机械变速箱的几何图形和 VR环境的3D效果。

图4  VR眼镜设备实物展示

图5  机械产品虚拟设计演示

4  结  语

本文对基于VR技术的产品造型设计进行了具体研究分析。采用三维实体表示方法和立体视觉处理技术建立基于桌面机的虚拟环境系统，并给出具体软硬件参数。通过有机结合VR与CAD，实现了产品结构动态性能的优化，提高建模的工作效率。最后，以机械变速箱的CAD零件为例，对基于CAD构建交互式VR模型进行实例演示，为促进VR技术和机械产品造型设计在我国的进一步发展提供了借鉴。

参考文献

[1] BURDEA G， COIFFET P. Virtual reality technology [J]. Digital technology & application， 2015， 95（6）： 663?664.

[2] SAMPAIO A Z， MARTINS O P. The application of virtual reality technology in the construction of bridge： the cantilever and incremental launching methods [J]. Automation in construction， 2014， 37（1）： 58?67.

[3] HUANG Y C， BACKMAN K F， BACKMAN S J， et al. Exploring the implications of virtual reality technology in tourism marketing： an integrated research framework [J]. International journal of tourism research， 2015， 18（2）： 116?128.

[4] 李辉熠，钟山，张立里.基于用户体验的旅游景点虚拟现实项目设计研究[J].数字技术与应用，2013（3）：87.

LI Huiyi， ZHONG Shan， ZHANG Lili. Research on virtual reality project design of tourist attractions based on user experience [J]. Digital technology & applications， 2013（3）： 87.

[5] 张林鍹，辛献杰，崔冰，等.面向汽车产品设计的虚拟现实服务平台研究[J].系统仿真学报，2014，26（10）：2407?2411.

ZHANG Linxuan， XIN Xianjie， CUI Bing， et al. Research on virtual reality service platform for automotive product design [J]. Journal of system simulation， 2014， 26（10）： 2407?2411.

[6] 袁媚.基于三维虚拟现实的便携式3C产品外观仿真设计与实现[J].现代电子技术，2016，39（22）：85?88.

YUAN Mei. Design and implementation of portable 3C product appearance simulation based on 3D virtual reality [J]. Modern electronics technique， 2016， 39（22）： 85?88.

[7] FU Zhaoguo， WANG Tianwei， NI Xiaopeng， et al. The virtual reality technology and its application in special equipment education based on Virtools [J]. Computer engineering & science， 2012， 34（6）： 97?100.

[8] REN P， WANG W J， BAI X F. Reconstruction of Imperial University of Shanxi based on virtual reality technology [J]. Computer simulation， 2012， 29（11）： 19?20.

[9] 张慧敏，陈启祥.工业设计加工产品零件视角精度优化控制[J].计算机仿真，2018，35（1）：197?200.

ZHANG Huimin， CHEN Qixiang. Industrial design processing product parts visual angle accuracy optimization control [J]. Computer simulation， 2018， 35（1）： 197?200.

[10] 龙薜岳，秦兴盛.基于三维视觉的产品虚拟设计方法研究[J].现代电子技术，2018，41（2）：10?13.

LONG Biyue， QIN Xingsheng. Research on virtual product design method based on 3D vision [J]. Modern electronics technique， 2018， 41（2）： 10?13.