淺析多種傳感器與多維信息環(huán)境虛擬現(xiàn)實技術(shù)

設(shè)計表達在信息時代已是多元化的展示形式，虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用，使設(shè)計思路和設(shè)計表達如虎添翼。讓人多了一種直觀的、親切的及交互的感受，這樣開發(fā)設(shè)計的產(chǎn)品與傳統(tǒng)相比，大大減少了投放市場的風(fēng)險性，也為企業(yè)決策人尋找商機、判斷概念產(chǎn)品能否進一步開發(fā)生產(chǎn)，提供更好的依據(jù)。

一、虛擬現(xiàn)實與虛擬現(xiàn)實技術(shù)

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

虛擬現(xiàn)實(Virtual Reality，VR)是利用計算機省城一種模擬環(huán)境，通過多種傳感設(shè)備使用戶“沉浸”到該環(huán)境中，實現(xiàn)用戶與該環(huán)境直接進自然交互的技術(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(xiàn)實世界的真實體現(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(nèi)的武體進行操作并得到實時立體反饋。虛擬現(xiàn)實是一種全新的人機交互系統(tǒng)，它能對介入者產(chǎn)生各種感官刺激，如聽覺、視覺、嗅覺、觸覺，給人身臨其境的感覺，人能以自然的方式與計算機生成的環(huán)境進行交互操作。

虛擬設(shè)計是以“虛擬現(xiàn)實技術(shù)為基礎(chǔ)，以機械產(chǎn)品為對象的設(shè)計手段”，借助這樣的設(shè)計手段，設(shè)計人員可以通過多種傳感器與多維的信息環(huán)境進行自然地交互，實現(xiàn)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(xiàn)實技術(shù)

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

二、概念設(shè)計的定義及內(nèi)涵

Pahl和Beitz在《Engineering Design》一書中提出“概念設(shè)計”這一名詞以來，人們對概念設(shè)計進行了十幾年的研究。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)計工作叫做概念設(shè)計。

國內(nèi)的學(xué)者也對概念設(shè)計進行了大量的研究，其中鄧家褆在《產(chǎn)品概念設(shè)計》一書中將“產(chǎn)品概念設(shè)計”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)計活動，它表現(xiàn)為一個由粗到精、由模糊到清楚、由抽象到具體、不斷進化的過程。”

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

概念設(shè)計是對產(chǎn)品或部件的構(gòu)思，目的是捕捉產(chǎn)品的基本形狀。這個階段，產(chǎn)品的形狀和精確尺寸尚未確定，設(shè)計人員有一定變更自由，所以盡可能考察設(shè)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(tǒng)的計算機輔助設(shè)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(dǎo)致人機交互效率低。現(xiàn)行的計算機輔助設(shè)計系統(tǒng)要求定義零件的尺寸，而在產(chǎn)品的概念設(shè)計階段這樣的尺寸可能無法精確得到或者根本沒必要精確定義，這樣必然影響設(shè)計效率和周期。傳統(tǒng)的計算機輔助設(shè)計需要兩類人員配合，即產(chǎn)品的設(shè)計人員和電腦繪圖員，產(chǎn)品設(shè)計人員有關(guān)產(chǎn)品的概念信息通過草圖或者口述的方法傳達給電腦人員，這樣導(dǎo)致信息的丟失或者繪圖者的曲解，而如果設(shè)計者本人直接參與電腦輔助設(shè)計建模的話，由于現(xiàn)行的電腦輔助設(shè)計系統(tǒng)的操作復(fù)雜和交互能力若，大大分散了設(shè)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(shè)計人員的創(chuàng)造性，人們開始把虛擬現(xiàn)實技術(shù)引入計算機輔助設(shè)計系統(tǒng)進行概念設(shè)計，將虛擬現(xiàn)實技術(shù)和概念設(shè)計有效結(jié)合，利用豐富直觀的交互手段，在虛擬環(huán)境中進行概念設(shè)計，從而節(jié)省產(chǎn)品精確描繪和尺寸定義的時間，這就是基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的計算機輔助概念設(shè)計，即虛擬概念設(shè)計。

三、虛擬概念設(shè)計的研究方向和應(yīng)用前景

(一)概念設(shè)計中應(yīng)注意的兩個問題

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

2. 虛擬現(xiàn)實環(huán)境下的人機交互界面。想實現(xiàn)人機互動，必須解決一系列技術(shù)問題，形成和諧的人機環(huán)境。虛擬現(xiàn)實就是一種基于可計算信息的沉浸式交互環(huán)境，具體地說，就是采用計算機技術(shù)為核心的現(xiàn)代高科技省城逼真的視聽觸覺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)境中的對象進行交互作用、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(xiàn)實技術(shù)在概念設(shè)計中的前景

在虛擬現(xiàn)實環(huán)境下，進行產(chǎn)品的概念設(shè)計是虛擬現(xiàn)實技術(shù)的基本內(nèi)容。在電腦虛擬現(xiàn)實提供的良好的可視化條件下，對電腦輔助設(shè)計建立的三維模型在幾何、功能、加工與裝配等方面進行交互性的修改，利用虛擬現(xiàn)實給用戶提供諸如視聽觸覺等各種感知交互手段，最大限度地方便用戶的操作，從而減輕用戶的負擔(dān)、提高整個系統(tǒng)的工作效率。相關(guān)人員可以對原型的各方面包括視覺效果、部件間比率進行評價。針對不同用戶的愛好要求，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，觀察設(shè)計和修改過程。

面對日益加劇的產(chǎn)品市場競爭的挑戰(zhàn)，可以預(yù)見，基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的計算機輔助概念設(shè)計必有長足發(fā)展，最終將與現(xiàn)有計算機輔助設(shè)計系統(tǒng)實現(xiàn)無縫集成。