虚拟设计（第3版）

本书全面、系统地介绍了虚拟设计的理论与研究成果，内容主要包括虚拟现实技术体系结构、虚拟现实硬件基础、虚拟现实软件技术、虚拟设计中的建模技术、虚拟加工系统的设计与开发、基于力/触觉反馈技术的交互式虚拟拆卸系统、虚拟设计与3D打印软硬件融合平台、虚拟环境下的物理建模、增强现实案例-虚拟与现实融合的路径可调室内攀岩机，全书内容翔实、案例典型，具有系统性、先进性和实用性。

前言
第1章绪论
11虚拟现实的概念
12虚拟现实的发展历程和研究现状
13虚拟现实技术的主要应用领域
14虚拟现实技术未来展望

第2章虚拟现实技术体系结构
21虚拟现实技术与计算机仿真的关系
22虚拟现实技术体系结构
23虚拟现实系统的分类
24虚拟设计/制造系统的体系结构
25VR进阶：增强虚拟现实(AR)
26VR进阶：混合现实(MR)
27未来的机遇

第3章虚拟现实硬件基础
31虚拟现实建模设备
32手部数据交互设备
33跟踪定位设备
34视觉感知设备
35听觉感知设备
36力反馈和触觉设备
37虚拟嗅觉、味觉设备

第4章虚拟现实软件技术
41VRML概述
42VRML的语法与结构
43三维页面制作
44实现交互功能
45VRML建模案例——挖掘机交互仿真
46虚拟世界工具包

第5章虚拟设计中的建模技术
51虚拟建模的类型
52几何建模
53基于图像的虚拟环境建模技术
54图像与几何相结合的建模技术
55场景优化技术

第6章虚拟加工系统的设计与开发
61虚拟加工仿真综述
62虚拟加工系统设计
63虚拟模型构建
64插补算法
65基于OSG的虚拟数控加工场景漫游
66基于OSG的虚拟数控车削过程
67非圆齿轮的数控插齿加工

第7章基于力觉/触觉反馈技术的交互式虚拟拆卸系统
71力反馈交互技术原理
72力反馈虚拟拆卸实例分析

Ⅶ第8章虚拟设计与3D打印软硬件融合平台
81虚拟设计与3D打印软硬件融合平台构思
82谐波减速器虚拟设计与3D打印融合平台
83谐波齿轮虚拟设计
84谐波齿轮虚拟加工仿真

第9章虚拟环境下的物理建模
91虚拟环境下物理建模的基本理论与方法
92案例一：行星减速器的虚拟装配
93案例二：虚拟环境下的行星减速器动力学特性分析
94案例三：虚拟环境下的桥式起重机驾驶模拟器物理建模

第10章增强现实案例——虚拟与现实融合的路径可调室内攀岩机
101增强现实技术的应用
102虚拟与现实融合的路径可调室内攀岩机设计背景和思路
103机械控制系统设计
104虚拟现实系统设计
105用户操作流程

回顾70多年来计算机技术发生、发展和不断完善的过程，各行各业的计算机应用都在按照自动化（Automation）、智能化（Intelligence）、可视化（Visualization）不断发展。目前备受关注的“VR”技术，是十分引人瞩目的一个分支。
“VR”技术即虚拟现实技术，是计算机图形学、人工智能、计算机网络、信息处理等技术综合发展的产物。虚拟设计是基于虚拟现实理念和技术手段的设计，是在由高性能计算机和网络构成的虚拟空间中通过计算机仿真技术、专家系统的辅助进行产品研制的设计过程。虚拟设计充分利用虚拟现实技术的交互性、沉浸感和构想性三个重要特征，构造当前不存在的环境、人类不可能到达的环境和耗资巨大的产品设计环境。
在虚拟设计过程中，设计对象可以通过极具沉浸感的显示系统呈现在人们的眼前，通过力反馈系统将设计对象的力学特性传递给设计者，通过专家系统对产品设计进行全方位的观察、检测、优化，从而在产品的设计阶段模拟出产品，即虚拟样机开发的全过程，从而评估对产品设计的影响，预测产品功能、性能、制造成本、工艺性、可维护性、可拆卸性，提高产品设计的成功率，灵活、经济地组织生产，提升产品质量和生产效率，缩短开发周期和降低成本，缩短产品设计与用户之间的距离。
尽管虚拟设计的出现只有很短的时间，但它对传统设计方法的革命性的影响却很快地显现出来。由于虚拟设计系统基本上不消耗资源和能量，也不生产实际产品，而是产品的设计、开发与加工过程在计算机上的实现，即完成产品的数字化过程。与传统的设计和制造相比较，它具有高度集成、快速成型、分布合作等特征。这些特征能够很好地解决TQCSE难题，即以最快的上市速度(T—Time to Market)、最好的质量 (Q—Quality)、最低的成本(C—Cost)、最优的服务(S—Service)和保护环境（E—Environvent）来满足不同顾客的需求。因此，虚拟设计技术不仅在科技界，而且在企业界引起了广泛关注，成为研究的热点。
1996年以来，作者的研究团队，先后承担了一系列科学研究项目和用户委托的应用项目，并取得了一定的成果，如：“分布式虚拟设计/制造研究及应用”获得湖北省科技进步一等奖；“基于分布式虚拟汽车驾驶平台关键技术研究”获得湖北省科技进步二等奖；“长江干堤重点堤岸失稳计算机仿真系统CJDAFZS”获得湖北省科技进步二等奖。
为了总结研究工作，与更多的同行交流研究成果，同时，也为了使正在进入虚拟设计领域的年轻学者尽快进入学科前沿，我们撰写了这本专著，并分别于2002年出版了第1版、2007年出版了第2版。本书推出后，取得了良好的应用效果，被遴选为普通高等教育“十一五”国家级规划教材、研究生教学用书。
自本书第2版推出近十年来，研究团队在虚拟设计领域取得了一系列新的成果，如：“虚拟与现实融合的路径可调室内攀岩机”获得湖北省第十一届“挑战杯”竞赛特等奖、第十五届全国“挑战杯”竞赛三等奖；“无线传感器网络与移动机器人相结合的物联网技术研究与应用”获得湖北省科技进步二等奖；“桥（门）式起重机作业人员仿真操作培训考核专家系统”获得湖北省科技进步二等奖；“面向供应链服务的现代物流中心关键技术与应用”获得湖北省科技进步二等奖。
Ⅳ基于虚拟设计技术在近年来的发展，研究团队在第2版的基础上，总结归纳近年来的新成果，推出第3版，介绍了更深层次的方法和更前沿的技术，如：虚拟环境下的物理建模、增强现实技术、VR与3D技术融合平台及企业应用案例等。
第3版由10章组成。
第1章至第5章为理论基础部分。
第1章绪论，对虚拟现实的概念、组成、发展历程、国内外研究现状和主要应用及未来发展进行了概述。
第2章虚拟现实技术体系结构，论述了虚拟现实技术与计算机仿真的关系、虚拟现实技术体系结构、虚拟现实系统的分类、虚拟设计/制造系统的体系结构，并阐述了前沿的AR/MR等新技术的发展趋势。
第3章虚拟现实硬件基础，从人的感官对应的各种接口着手，介绍了手部数据交互设备、视觉感知设备、听觉感知设备、触觉和力反馈设备、虚拟嗅觉、味觉设备等VR硬件设备。
第4章虚拟现实软件技术，以典型的虚拟现实建模语言VRML和虚拟世界工具包WTK为软件工具，介绍了虚拟环境开发的一般软件技术。
第5章虚拟设计中的建模技术，在阐述虚拟建模的类型的基础上，分别介绍了几何建模、基于图像的建模、图像与几何模型相结合的虚拟环境建模技术，并介绍了场景优化方法。
第6章至第10章为应用部分。
第6章虚拟加工系统的设计与开发，阐述虚拟加工系统的设计与建模方法、插补算法，介绍了基于OSG的虚拟数控加工场景漫游和虚拟数控车削过程，以创新设计产品——非圆齿轮为例，介绍了基于VR技术的加工过程。
第7章基于力觉/触觉反馈技术的交互式虚拟拆卸系统，在阐述力反馈交互技术原理的基础上，以虚拟拆卸为实例，阐明了力反馈技术的实现与应用方法。
第8章虚拟设计与3D打印软硬件融合平台，阐述了虚拟现实与3D打印软硬件融合平台的构思，设计了虚拟设计与3D打印融合平台框架，以双圆弧谐波减速器为例，阐明了虚拟设计与3D打印相融合的设计方法。
第9章虚拟环境下的物理建模，分别用行星减速器的虚拟装配、虚拟环境下的行星减速器动力学特性分析、虚拟环境下的桥式起重机驾驶模拟器物理建模三个案例，阐述了虚拟环境下物理建模的基本理论与方法。
第10章增强现实案例——虚拟与现实融合的路径可调室内攀岩机，以作者研究团队完成的全国“挑战杯”竞赛获奖作品为案例，阐述了增强现实的基础理论与实现方法。
本书的第1章由罗亚波、杨艳芳、陈定方撰写，第2章由杨艳芳、罗亚波、田斌、陈定方撰写，第3章由杨艳芳、周丽琨、王锐、陈定方撰写，第4章由罗亚波、杨艳芳、周丽琨、陈定方、郭文庚撰写，第5章由杨艳芳、吴敬兵、陈满意、陈定方、李勋祥撰写，杨普归纳整理，第6章由杨艳芳、李波、孙晗、柏强、陈定方、袁莎撰写，第7章由杨艳芳、李嘉、杨普、王锐、陈定方撰写,第8章由陈定方、杨艳芳、曾帆、聂少文、李波、何李朋撰写,第9章由陈定方、陶孟仑、何毅斌、有人、李亚强撰写，李攀归纳整理，第10章由梅杰、王思涵、陶孟仑、陈定方撰写，何烽仡归纳整理。全书由陈定方、罗亚波整理成文。
在本书出版之际，要感谢武汉市科学技术局、湖北省科学技术厅、国家自然科学基金委员会、国家863高技术专家组和教育部数字制造装备与技术国家重点实验室、材料成形与模具技术国家重点实验室、中国科学院计算技术研究所智能信息处理重点实验室对我们研究工作的支持。这是我们能够长期从事应用基础研究的有效保证。要感谢多年来在研究所一起学习与工作的博士后、博士研究生和硕士研究生们，没有他们的辛勤劳动和长期积累，亦不可能有本书的出版。要感谢上海振华重工（集团）股份有限公司（ZOMC）、武钢集团机械制造公司、东风汽车制造公司、武汉重型机床集团有限公司、中船重工集团716研究所、海军潜艇学院、郑州机械研究所、深圳惠尔海洋工程设计有限公司、湖北科峰传动设备制造有限公司、云南吉人包装科技有限公司等企业在与我们长期的合作过程中，对我们的支持和帮助。
由于作者水平所限，书中难免存在不足与错漏，恳请广大读者批评、指正。

陈定方罗亚波