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

設計表達在信息時(shí)代已是多元化的展示形式，虛擬現實(shí)技術(shù)的應用，使設計思路和設計表達如虎添翼。讓人多了一種直觀(guān)的、親切的及交互的感受，這樣開(kāi)發(fā)設計的產(chǎn)品與傳統相比，大大減少了投放市場(chǎng)的風(fēng)險性，也為企業(yè)決策人尋找商機、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。

一、虛擬現實(shí)與虛擬現實(shí)技術(shù)

(一)虛擬現實(shí)(Virtual Reality，VR)及虛擬設計(Virtual Design，VD)

虛擬現實(shí)(Virtual Reality，VR)是利用計算機省城一種模擬環(huán)境，通過(guò)多種傳感設備使用戶(hù)“沉浸”到該環(huán)境中，實(shí)現用戶(hù)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)境就是計算機生成的具有色彩的立體圖形，它可以是某特定現實(shí)世界的真實(shí)體現，也可以是純粹構想的世界。傳感設備包括立體頭盔、數據手套、數據衣服等穿戴于用戶(hù)身上的裝置和設置現實(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環(huán)境內的武體進(jìn)行操作并得到實(shí)時(shí)立體反饋。虛擬現實(shí)是一種全新的人機交互系統，它能對介入者產(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算機生成的環(huán)境進(jìn)行交互操作。

虛擬設計是以“虛擬現實(shí)技術(shù)為基礎，以機械產(chǎn)品為對象的設計手段”，借助這樣的設計手段，設計人員可以通過(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)現從定性和定量綜合集成環(huán)境得到感性和理性的認識，從而幫助深化概念和萌發(fā)新意。

(二)虛擬現實(shí)技術(shù)

虛擬現實(shí)技術(shù)是人的想象力和電子學(xué)等相結合而產(chǎn)生的一項綜合技術(shù)，它利用多媒體計算機仿真技術(shù)構成一種特殊環(huán)境，用戶(hù)可以通過(guò)各種傳感系統與這種環(huán)境進(jìn)行自然的交互，從而體驗比現實(shí)世界更加豐富的感受。

二、概念設計的定義及內涵

Pahl和Beitz在《Engineering Design》一書(shū)中提出“概念設計”這一名詞以來(lái)，人們對概念設計進(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，擬定功能結構，尋求適當的作用原理極其組合等，確定出基本求解途徑，得到求解方案，這部分設計工作叫做概念設計。

國內的學(xué)者也對概念設計進(jìn)行了大量的研究，其中鄧家|在《產(chǎn)品概念設計》一書(shū)中將“產(chǎn)品概念設計”定義為“由分析用戶(hù)需求到生成概念產(chǎn)品的一系列有序的，可組織的，有目標的設計活動(dòng)，它表現為一個(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，人們對概念設計的研究日益增加、不斷深入，使概念設計的內涵更加廣泛和深刻。主要體現在:根據產(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)，確定方案是概念設計的最終結果，產(chǎn)品生命周期全過(guò)程的滿(mǎn)足才是概念設計的關(guān)鍵。設計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)使設計更具創(chuàng )造性。

概念設計是對產(chǎn)品或部件的構思，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，設計人員有一定變更自由，所以盡可能考察設計方案，以便選出生產(chǎn)成本最低、創(chuàng )意良好的方案。利用傳統的計算機輔助設計，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，這樣必然導致人機交互效率低?，F行的計算機輔助設計系統要求定義零件的尺寸，而在產(chǎn)品的概念設計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，這樣必然影響設計效率和周期。傳統的計算機輔助設計需要兩類(lèi)人員配合，即產(chǎn)品的設計人員和電腦繪圖員，產(chǎn)品設計人員有關(guān)產(chǎn)品的概念信息通過(guò)草圖或者口述的方法傳達給電腦人員，這樣導致信息的丟失或者繪圖者的曲解，而如果設計者本人直接參與電腦輔助設計建模的話(huà)，由于現行的電腦輔助設計系統的操作復雜和交互能力若，大大分散了設計者的精力，限制了思路。為了克服這樣的限制，充分發(fā)揮設計人員的創(chuàng )造性，人們開(kāi)始把虛擬現實(shí)技術(shù)引入計算機輔助設計系統進(jìn)行概念設計，將虛擬現實(shí)技術(shù)和概念設計有效結合，利用豐富直觀(guān)的交互手段，在虛擬環(huán)境中進(jìn)行概念設計，從而節省產(chǎn)品精確描繪和尺寸定義的時(shí)間，這就是基于虛擬現實(shí)技術(shù)的計算機輔助概念設計，即虛擬概念設計。

三、虛擬概念設計的研究方向和應用前景

(一)概念設計中應注意的兩個(gè)問(wèn)題

1. 虛擬現實(shí)環(huán)境下的概念可視化。概念可視化是指設計師透過(guò)畫(huà)面或者模型，將市場(chǎng)的需求轉換成可視化的具體形態(tài)。概念設計是否能符合目標用戶(hù)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. 虛擬現實(shí)環(huán)境下的人機交互界面。想實(shí)現人機互動(dòng)，必須解決一系列技術(shù)問(wèn)題，形成和諧的人機環(huán)境。虛擬現實(shí)就是一種基于可計算信息的沉浸式交互環(huán)境，具體地說(shuō)，就是采用計算機技術(shù)為核心的現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(hù)借助必要的設備以自然的方式與虛擬環(huán)境中的對象進(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。

(二)虛擬現實(shí)技術(shù)在概念設計中的前景

在虛擬現實(shí)環(huán)境下，進(jìn)行產(chǎn)品的概念設計是虛擬現實(shí)技術(shù)的基本內容。在電腦虛擬現實(shí)提供的良好的可視化條件下，對電腦輔助設計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，利用虛擬現實(shí)給用戶(hù)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(hù)的操作，從而減輕用戶(hù)的負擔、提高整個(gè)系統的工作效率。相關(guān)人員可以對原型的各方面包括視覺(jué)效果、部件間比率進(jìn)行評價(jià)。針對不同用戶(hù)的愛(ài)好要求，在不同的虛擬環(huán)境中，親自體驗修改模型;選擇產(chǎn)品的可選部件，觀(guān)察設計和修改過(guò)程。

面對日益加劇的產(chǎn)品市場(chǎng)競爭的挑戰，可以預見(jiàn)，基于虛擬現實(shí)技術(shù)的計算機輔助概念設計必有長(cháng)足發(fā)展，最終將與現有計算機輔助設計系統實(shí)現無(wú)縫集成。