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上篇 理论基础篇 1

第1章 绪论 1

1．1 虚拟现实的概念 1

1．1．1 虚拟现实的定义 1

1．1．2 虚拟现实的四个重要特征 1

1．1．3 虚拟现实的组成 3

1．2 虚拟现实的发展历程和研究现状 4

1．2．1 虚拟现实的发展历程 4

1．2．2 国外虚拟现实技术的研究现状 6

1．2．3 国内虚拟现实技术的研究现状 8

1．3 虚拟现实技术的主要应用领域 9

1．3．1 工程应用 9

1．3．2 医学领域的应用 11

1．3．3 教育培训领域的应用 12

1．3．4 军事应用 12

1．4 本书的目的 13

参考文献 14

第2章 虚拟现实技术体系结构 17

2．1 虚拟现实技术与计算机仿真的关系 17

2．1．1 一个典型的计算机仿真系统——齿轮加工仿真系统 17

2．1．2 虚拟现实环境实例 19

2．1．3 虚拟现实技术与计算机仿真的关系 20

2．2 虚拟现实技术的体系结构 21

2．2．1 虚拟环境的系统结构 21

2．2．2 虚拟现实系统的组成模块 21

2．2．3 虚拟环境的实现方法 22

2．3 虚拟现实系统的分类 23

2．3．1 沉浸式虚拟现实系统 23

2．2．2 非沉浸式虚拟现实系统 24

2．3．3 叠加式虚拟现实系统 25

2．4 虚拟设计/虚拟制造系统的体系结构 25

2．4．1 虚拟设计的特点 25

2．4．2 虚拟设计/虚拟制造的优点 25

2．4．3 虚拟设计与传统CAD/CAM系统的区别 26

2．4．4 理想的虚拟设计系统的结构 27

2．4．5 虚拟设计/虚拟制造/虚拟装配/虚拟企业总体框架 27

参考文献 28

第3章 虚拟现实硬件基础 29

3．1 概论 29

3．2 3D位置跟踪器 29

3．3 传感手套 31

3．3．1 触觉与力反馈 31

2．3．2 力学反馈手套 32

3．3．3 压力反馈系统 32

3．3．4 VPL数据手套 33

3．3．5 PowerGlove手控器 34

3．3．6 CyberGlove 34

3．4 三维鼠标 35

3．5 数据衣 37

3．6 触觉和力反馈的装置 37

3．7 立体显示设备 38

3．7．1 头盔式显示器HMD 38

3．7．2 特殊的头部显示器BOOM 39

3．7．3 立体眼镜 39

3．7．4 立体投影显示 40

3．7．5 3D显示器 41

3．8 3D声音生成器 42

参考文献 43

第4章 虚拟现实软件技术 44

4．1 引言 44

4．2 VRML详解 44

4．2．1 VRML概述 44

4．2．2 VRML文件框架结构 45

4．2．3 VRML环境设置 46

4．2．4 VRML光效设置 49

4．2．5 虚拟场景几何建模 52

4．2．6 虚拟场景浏览 55

4．3 虚拟世界工具包WTK 57

4．3．1 WTK概述 57

4．3．2 WTK的结构和对象机制 58

4．3．3 WTK的仿真流程管理 58

4．3．4 WTK的场景结构 59

4．3．5 传感器 61

4．3．6 三维立体声 61

4．3．7 以WTK为开发工具的虚拟现实系统 61

参考文献 62

第5章 虚拟设计中的建模技术 63

5．1 概论 63

5．2 几何建模 63

5．2．1 几何建模概述 63

5．2．2 模型的描述 64

5．2．3 几何模型的数据结构 65

5．2．4 三维实体建模技术 67

5．2．5 参数化建模 69

5．3 基于特征的建模 71

5．3．1 特征技术的研究概况 71

5．3．2 特征建模技术的特点 72

5．3．3 特征的定义与分类 73

5．3．4 特征设计方法 74

5．3．5 基于特征的约束分析 78

5．4 基于特征的参数化建模 79

5．4．1 基于约束的特征描述 79

5．4．2 特征结构图元参数化 79

5．4．3 特征之间的约束建模 80

5．4．4 轴类零件的参数化建模过程 80

5．4．5 程序实现 82

参考文献 83

下篇 应用篇 85

第6章 虚拟实验示例——虚拟风洞 85

6．1 概述 85

6．2 虚拟汽车风洞的基本组成 85

6．3 虚拟汽车风洞的实现 86

6．3．1 系统建模 86

6．3．2 网格生成技术 86

6．3．3 车身绕流场的数值模拟 90

6．3．4 SIMPLE算法 92

6．3．5 三维流场的可视化 93

6．4 虚拟风洞的流场分布与试验 95

6．4．1 风洞试验 95

6．4．2 阻力系数、升力系数与试验结果的对比分析 96

6．5 小结 96

参考文献 96

第7章 一个基于图像的汽车虚拟原型 98

7．1 基于图像的虚拟现实技术概论 98

7．1．1 定义 98

7．1．2 国内外研究现状 98

7．2 基于图像的三维重建技术研究现状 99

7．3 原始图像的获取方法 101

7．4 基于射影几何的封闭空间形成原理 103

7．5 构建封闭纹理影射空间 104

7．5．1 纹理影射基本方法 104

7．5．2 构建图像纹理影射空间 105

7．6 汽车内部空间三维重建实例 106

参考文献 107

第8章 虚拟装配 108

8．1 虚拟装配的概述 108

8．1．1 概论 108

8．1．2 虚拟装配定义 109

8．1．3 虚拟装配特点 110

8．2 虚拟装配环境的软硬件配置 110

8．2．1 软件配置 111

8．2．2 硬件配置 112

8．3 虚拟环境下的几何建模 113

8．3．1 描述对象的形状 113

8．3．2 对象形状的数据传递机制 113

8．3．3 对象外表 113

8．4 面向虚拟装配的产品层次信息表达 114

8．4．1 装配信息的分类及表达 114

8．4．2 虚拟装配中零件的信息层次模型 114

8．4．3 虚拟装配中装配关系的定义及分类 115

8．4．4 虚拟装配中装配信息表达模型 116

8．5 装配序列规划 117

8．5．1 装配序列的规划方法 117

8．5．2 装配序列的表达 118

8．5．3 装配序列规划中的几何推理 119

8．5．4 装配序列的规划 119

8．5．5 装配序列规划的评价 120

8．6 虚拟装配运动规划 121

8．7 零件装配过程扫掠体积 121

8．8 基于物理的装配建模 122

8．9 实时碰撞检测 123

8．10 虚拟装配数据到CAD系统的数据传输与设计修改 124

8．10．1 CAD系统数据集成 124

8．10．2 虚拟装配系统数据格式 125

8．10．3 数据交换及修改 125

8．11 虚拟装配系统体系结构 125

8．11．1 系统体系结构 125

8．11．2 动作检测(输入) 126

8．11．3 感觉信息合成(输出) 127

8．11．4 虚拟装配环境(模拟) 127

8．12 产品可制造装配性综合评价 127

8．12．1 可制造装配性评价指标体系确定 127

8．12．2 指标值的确定 127

8．12．3 指标的综合与评价方法 128

8．13 双级渐开线圆柱齿轮减速器的虚拟装配实例 128

8．13．1 软硬件配置 128

8．13．2 虚拟环境生成 128

8．13．3 装配操作 129

8．13．4 实现及结果 129

参考文献 130

第9章 虚拟制造 132

9．1 虚拟制造的定义 132

9．2 虚拟制造的分类 134

9．3 虚拟制造的研究任务 137

9．4 虚拟制造中的关键技术 139

9．4．1 核心技术 139

9．4．2 使能技术 139

9．4．3 突破技术 139

9．4．4 一般技术 140

9．4．5 研究的关键问题 140

9．5 虚拟制造技术与其他先进制造技术 140

9．6 虚拟制造系统的体系结构 142

9．6．1 通用体系 142

9．6．2 专用体系 143

9．6．3 虚拟设计/虚拟制造/虚拟装配/虚拟企业总体框架 143

9．7 VM的应用实例 144

9．7．1 销售 144

9．7．2 设计 144

9．7．3 生产 145

9．7．4 基于CAD/CAM的虚拟设计系统实例 145

9．8 虚拟加工 145

9．8．1 零件和刀具的描述 145

9．8．2 刀具运动扫描体的计算 150

9．8．3 加工过程仿真的实现 152

9．9 一个基于Iternet的图像与几何模型相结合的虚拟加工系统 154

9．9．1 两种虚拟环境的实现方法 154

9．9．2 图像与几何模型相结合的虚拟现实概念 155

9．9．3 一个基于Internet的图像与几何模型相结合的虚拟加工系统实例 155

参考文献 156

第10章 分布式虚拟现实 158

10．1 分布式虚拟现实(DVR)概述 158

10．2 分布式虚拟现实(DVR)的特性 159

10．3 分布式虚拟现实(DVR)的系统结构 159

10．4 分布式虚拟现实技术(DVR)的体系结构 160

10．5 CORBA技术 161

10．5．1 对象管理组织(OMG)简介 162

10．5．2 CORBA主要版本的发展历程 162

10．5．3 CORBA的体系结构 163

10．5．4 对象请求代理(ORB) 165

10．5．5 接口仓库 170

10．5．6 对象适配器 171

10．5．7 动态调用接口 172

10．5．8 上下文对象 173

10．6 DCOM/COM＋技术 173

10．6．1 DCOM的结构 174

10．6．2 Internet上的安全性 183

10．6．3 Internet上的DCOM 188

10．7 EJB技术 189

10．8 分布式虚拟现实系统实现中的若干关键问题 190

10．8．1 信息的时间同步问题 190

10．8．2 规模可扩展、功能可扩充、异构型分布式虚拟现实系统的软件结构问题 190

10．8．3 自然的人-机、人-人交互技术 191

10．8．4 网络通信和网络协议问题 191

10．8．5 快速环境建模和实时图形绘制问题 192

10．8．6 行为真实感问题 192

10．8．7 安全性问题 192

10．9 DVR的调度算法 192

10．9．1 PRR算法 193

10．9．2 静态误差分布的调度 194

10．9．3 动态误差分布的调度 194

10．9．4 结合可见性信息 195

10．10 基于网络上的虚拟现实实现 196

10．10．1 应用实例——DIS 196

10．10．2 CoDICGRS——一个基于CORBA的机械协同设计系统 197

10．10．3 基于J2EE架构的Web会议系统 200

10．11 基于Internet和Web的设计与制造 206

10．11．1 基于Internet和Web的设计、制造与虚拟企业 206

10．11．2 分布式基于特征的建模 207

10．11．3 分布式的协同设计 207

10．11．4 制造企业新型信息系统的总体框架 209

参考文献 210