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第14讲 CAD及CG技术应用
14.1、简要概述
14.2、虚拟现实技术及应用
14.3、科学数据可视化
14.4、动画及游戏
14.5、结构分析及动力学分析(专题介绍)
14.6、快速成型前处理
14.7、数控自动编程
14.8、数字化工厂
14.9、CAD/CAE/CAPP/CAM/PLM集成
14.10、CAD技术应用典型案例分析
本章目的
1.了解CAD及CG的工程应用情况
2、通过典型案例了解CAD技术及应用
14.1、简要概述
CAD技术产生于上世纪50年代后期发达国家的航空和军事工业中,随着计算机技术的发展而迅速成长起来。当前CAD技术广泛应用到航空航天、造船、机械、建筑、电气、电子、轻纺、化工等许多工业领域。
CAD在机械制造行业的应用最为广泛。采用CAD技术进行产品设计,可更新传统的设计思想,实现设计自动化;还可以使企业建立全新的技术管理体制,改变原来的串行开发模式,降低产品成本, 缩短开发周期。而且世界各大航空航天及汽车等制造业巨头投入大量的人力物力及资金进行CAD/CAM软件的开发,以保持自己技术上的领先地位和市场优势。
如今,CG技术越来越成熟,其应用范围已延伸到艺术、电影、动画、广告、游戏和其它娱乐等领域,产生了巨大的经济及社会效益。
CAD在建筑方面的应用,它为建筑设计带来了一场真正的革命。CAD技术应用不仅提高设计质量,缩短工程周期,还可以节约2%至5%的建设投资,而近几年来我国每年基建投资上万亿元,可大大提高基本建设的投资效益。
CAD技术还被用于轻纺及服装行业中。采用CAD进行花样设计、图案协调、图案分色、配色等效率大大提高,用于数控裁剪、绣花等大幅度提高生产效率。
如今,CGCAD技术已进入到人们的日常生活中,在电影、动画、广告和娱乐等领域大显身手。比如美国的《外星人》、《侏罗纪公园》、《阿凡达》等科幻片以及完全用三维计算机动画制作的影片《玩具总动员》,都取得了极大的成功。轰动全球的大片《泰坦尼克》应用了大量的三维动画制作,用计算机真实地模拟了泰克尼克航行、沉船的全过程。此外,动画和广告制作中也充分利用了计算机造型技术,实质上也是一种虚拟现实技术。
14.2、虚拟现实技术及应用
虚拟现实技术(Virtual Reality,VR)是二十世纪末才兴起的一门崭新的综合性信息技术,上世纪九十年代初逐渐为各界所关注。VR技术融合了图像处理、计算机图形学、多媒体、传感器等多个信息技术分支。
VR技术利用计算机产生一种人为虚拟的环境,通常采用计算机图形技术建立三维数字模型,从而使得用户在视觉上产生一种沉浸于虚拟环境的感觉,这就是虚拟现实技术的沉浸感(Immersion)或临场参与感。
虚拟现实与CAD模型以及传统的三维动画不同,它不是一个静态世界,而是一个开放互动的环境,可以通过控制与使用者交互,即交互性(Interaction)。
另外,虚拟现实不仅是演示媒体,而且还是设计工具。它以视觉形式反映了设计者思想,大大提高了设计和规划的质量与效率,即VR的想象性(Imagination)。
VR系统的核心硬件仍然是计算机,主要功能是生成虚拟环境图形,又称图形工作站,目前应用最广泛。近年来,微机系统因其性能价格比更为优异,具有后来居上之势。
图像显示设备是用于产生立体视觉效果的关键外设,目前常见的产品包括光阀眼镜、三维投影仪和头盔显示器等。其中高档的头盔显示器可以使人产生强烈的浸没感。
其它外设主要用于实现与虚拟现实的交互,包括数据手套、三维鼠标、运动跟踪、力反馈、语音识别与合成等。
1)虚拟现实硬件设备
狭义上CAD也是一种VR系统,它是基于Open GL等三维图形库对产品进行设计建模及显示。但CAD系统对用户而言没有沉浸感。
通常VR系统利用头盔显示或其它设备,提供虚拟感觉空间,结合位置跟踪、数据手套及其它输入设备使参与者有沉浸感。常见沉浸式系统有:
2)虚拟现实系统
头盔式系统:参与虚拟体验者要戴上一个头盔式显示器,视听觉与外界隔绝。通过语音识别、数据手套等的接口设备,从而使参与者与虚拟世界进行交互。这是目前沉浸度最高的一种虚拟现实系统。
投影式系统:让参与者从一个屏幕上看到本人在虚拟境界中的形象,摄像机捕捉参与者行为,并将图像数据和虚拟场景一起投射到参与者观看的屏幕上,参与者感觉就象是在真实空间中一样。
增强现实(Augmented Reality,简称AR)系统:把原本在现实世界的一定时间空间范围内很难体验到的实体信息(视觉、声音、味道、触觉等)通过模拟仿真后再叠加到现实世界被人类感官所感知,增强参与者对真实环境的感受。如飞行员的平视显示器,它可将仪表读数和瞄准数据投射到飞行员的穿透式屏幕上,飞行员不必低头读仪表数
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