多種傳感器與多維信息環(huán)境自然交互的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)解析方案

設(shè)計(jì)表達(dá)在信息時(shí)代已是多元化的展示形式，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用，使設(shè)計(jì)思路和設(shè)計(jì)表達(dá)如虎添翼。讓人多了一種直觀的、親切的及交互的感受，這樣開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的產(chǎn)品與傳統(tǒng)相比，大大減少了投放市場(chǎng)的風(fēng)險(xiǎn)性，也為企業(yè)決策人尋找商機(jī)、判斷概念產(chǎn)品能否進(jìn)一步開(kāi)發(fā)生產(chǎn)，提供更好的依據(jù)。

一、虛擬現(xiàn)實(shí)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

(一)虛擬現(xiàn)實(shí)(Virtual Reality，VR)及虛擬設(shè)計(jì)(Virtual Design，VD)

虛擬現(xiàn)實(shí)(Virtual Reality，VR)是利用計(jì)算機(jī)省城一種模擬環(huán)境，通過(guò)多種傳感設(shè)備使用戶“沉浸”到該環(huán)境中，實(shí)現(xiàn)用戶與該環(huán)境直接進(jìn)自然交互的技術(shù)。這里所謂模擬環(huán)境就是計(jì)算機(jī)生成的具有色彩的立體圖形，它可以是某特定現(xiàn)實(shí)世界的真實(shí)體現(xiàn)，也可以是純粹構(gòu)想的世界。傳感設(shè)備包括立體頭盔、數(shù)據(jù)手套、數(shù)據(jù)衣服等穿戴于用戶身上的裝置和設(shè)置現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的傳感裝置。自然交互是指用日常使用的方式對(duì)環(huán)境內(nèi)的武體進(jìn)行操作并得到實(shí)時(shí)立體反饋。虛擬現(xiàn)實(shí)是一種全新的人機(jī)交互系統(tǒng)，它能對(duì)介入者產(chǎn)生各種感官刺激，如聽(tīng)覺(jué)、視覺(jué)、嗅覺(jué)、觸覺(jué)，給人身臨其境的感覺(jué)，人能以自然的方式與計(jì)算機(jī)生成的環(huán)境進(jìn)行交互操作。

虛擬設(shè)計(jì)是以“虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為基礎(chǔ)，以機(jī)械產(chǎn)品為對(duì)象的設(shè)計(jì)手段”，借助這樣的設(shè)計(jì)手段，設(shè)計(jì)人員可以通過(guò)多種傳感器與多維的信息環(huán)境進(jìn)行自然地交互，實(shí)現(xiàn)從定性和定量綜合集成環(huán)境得到感性和理性的認(rèn)識(shí)，從而幫助深化概念和萌發(fā)新意。

(二)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是人的想象力和電子學(xué)等相結(jié)合而產(chǎn)生的一項(xiàng)綜合技術(shù)，它利用多媒體計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)構(gòu)成一種特殊環(huán)境，用戶可以通過(guò)各種傳感系統(tǒng)與這種環(huán)境進(jìn)行自然的交互，從而體驗(yàn)比現(xiàn)實(shí)世界更加豐富的感受。

二、概念設(shè)計(jì)的定義及內(nèi)涵

Pahl和Beitz在《Engineering Design》一書中提出“概念設(shè)計(jì)”這一名詞以來(lái)，人們對(duì)概念設(shè)計(jì)進(jìn)行了十幾年的研究。他們將其定義為：在確定任務(wù)之后，通過(guò)抽象化，擬定功能結(jié)構(gòu)，尋求適當(dāng)?shù)淖饔迷順O其組合等，確定出基本求解途徑，得到求解方案，這部分設(shè)計(jì)工作叫做概念設(shè)計(jì)。

國(guó)內(nèi)的學(xué)者也對(duì)概念設(shè)計(jì)進(jìn)行了大量的研究，其中鄧家|在《產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)》一書中將“產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)”定義為“由分析用戶需求到生成概念產(chǎn)品的一系列有序的，可組織的，有目標(biāo)的設(shè)計(jì)活動(dòng)，它表現(xiàn)為一個(gè)由粗到精、由模糊到清楚、由抽象到具體、不斷進(jìn)化的過(guò)程。”

在幾十年的時(shí)間里，人們對(duì)概念設(shè)計(jì)的研究日益增加、不斷深入，使概念設(shè)計(jì)的內(nèi)涵更加廣泛和深刻。主要體現(xiàn)在:根據(jù)產(chǎn)品生命周期各個(gè)階段的要求進(jìn)行市場(chǎng)需求分析、功能分析、功能的工作原理、動(dòng)作行為的構(gòu)思、行為載體的選擇和方案的組成的等?？梢?jiàn)，確定方案是概念設(shè)計(jì)的最終結(jié)果，產(chǎn)品生命周期全過(guò)程的滿足才是概念設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。設(shè)計(jì)方法上更加全面融合各種方法，尋求綜合最優(yōu)方案，同時(shí)使設(shè)計(jì)更具創(chuàng)造性。

概念設(shè)計(jì)是對(duì)產(chǎn)品或部件的構(gòu)思，目的是捕捉產(chǎn)品的基本形狀。這個(gè)階段，產(chǎn)品的形狀和精確尺寸尚未確定，設(shè)計(jì)人員有一定變更自由，所以盡可能考察設(shè)計(jì)方案，以便選出生產(chǎn)成本最低、創(chuàng)意良好的方案。利用傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，往往多是二維交互工具，缺乏三維或者多維的功能，但是產(chǎn)品卻是三維的部件，這樣必然導(dǎo)致人機(jī)交互效率低?，F(xiàn)行的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)要求定義零件的尺寸，而在產(chǎn)品的概念設(shè)計(jì)階段這樣的尺寸可能無(wú)法精確得到或者根本沒(méi)必要精確定義，這樣必然影響設(shè)計(jì)效率和周期。傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)需要兩類人員配合，即產(chǎn)品的設(shè)計(jì)人員和電腦繪圖員，產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員有關(guān)產(chǎn)品的概念信息通過(guò)草圖或者口述的方法傳達(dá)給電腦人員，這樣導(dǎo)致信息的丟失或者繪圖者的曲解，而如果設(shè)計(jì)者本人直接參與電腦輔助設(shè)計(jì)建模的話，由于現(xiàn)行的電腦輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)的操作復(fù)雜和交互能力若，大大分散了設(shè)計(jì)者的精力，限制了思路。為了克服這樣的限制，充分發(fā)揮設(shè)計(jì)人員的創(chuàng)造性，人們開(kāi)始把虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)引入計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行概念設(shè)計(jì)，將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和概念設(shè)計(jì)有效結(jié)合，利用豐富直觀的交互手段，在虛擬環(huán)境中進(jìn)行概念設(shè)計(jì)，從而節(jié)省產(chǎn)品精確描繪和尺寸定義的時(shí)間，這就是基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的計(jì)算機(jī)輔助概念設(shè)計(jì)，即虛擬概念設(shè)計(jì)。

三、虛擬概念設(shè)計(jì)的研究方向和應(yīng)用前景

(一)概念設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的兩個(gè)問(wèn)題

1. 虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境下的概念可視化。概念可視化是指設(shè)計(jì)師透過(guò)畫面或者模型，將市場(chǎng)的需求轉(zhuǎn)換成可視化的具體形態(tài)。概念設(shè)計(jì)是否能符合目標(biāo)用戶的要求，“眼見(jiàn)為實(shí)”的圖面或者模型是最具有說(shuō)服力的。

2. 虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境下的人機(jī)交互界面。想實(shí)現(xiàn)人機(jī)互動(dòng)，必須解決一系列技術(shù)問(wèn)題，形成和諧的人機(jī)環(huán)境。虛擬現(xiàn)實(shí)就是一種基于可計(jì)算信息的沉浸式交互環(huán)境，具體地說(shuō)，就是采用計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心的現(xiàn)代高科技省城逼真的視聽(tīng)觸覺(jué)一體化的特定范圍的虛擬環(huán)境，用戶借助必要的設(shè)備以自然的方式與虛擬環(huán)境中的對(duì)象進(jìn)行交互作用、互相影響，從而產(chǎn)生“沉浸”于等同真環(huán)境的感受和體驗(yàn)。

(二)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在概念設(shè)計(jì)中的前景

在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境下，進(jìn)行產(chǎn)品的概念設(shè)計(jì)是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的基本內(nèi)容。在電腦虛擬現(xiàn)實(shí)提供的良好的可視化條件下，對(duì)電腦輔助設(shè)計(jì)建立的三維模型在幾何、功能、加工與裝配等方面進(jìn)行交互性的修改，利用虛擬現(xiàn)實(shí)給用戶提供諸如視聽(tīng)觸覺(jué)等各種感知交互手段，最大限度地方便用戶的操作，從而減輕用戶的負(fù)擔(dān)、提高整個(gè)系統(tǒng)的工作效率。相關(guān)人員可以對(duì)原型的各方面包括視覺(jué)效果、部件間比率進(jìn)行評(píng)價(jià)。針對(duì)不同用戶的愛(ài)好要求，在不同的虛擬環(huán)境中，親自體驗(yàn)修改模型;選擇產(chǎn)品的可選部件，觀察設(shè)計(jì)和修改過(guò)程。

面對(duì)日益加劇的產(chǎn)品市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的挑戰(zhàn)，可以預(yù)見(jiàn)，基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的計(jì)算機(jī)輔助概念設(shè)計(jì)必有長(zhǎng)足發(fā)展，最終將與現(xiàn)有計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無(wú)縫集成。