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一种结合虚拟现实技术与CAD的模板在汽车内饰仿真方案中的运用
Alexis Paljic, Laure Leroy and
Philippe Fuchs
摘要：在这篇文章中，我们介绍一种将虚拟现实技术与CAD技术结合起来使用的方法。目的是为了提高设计者的生产力，尤其是在汽车行业来说。它所描述的第一种方法是建立CAD与虚拟现实系统之间的双向链接，并在功能性虚拟仿真汽车内饰设计过程中允许部分产品修改。为此，我们建议使用一个模板来收集不同的必要信息，从而实现使其身临其境的模拟和对产品修改的数据交换。我们的方法也在一项汽车仪表板按钮布置的案例中得到了测试。在文中，不同的交互模式和设计师援助支持模板也已经解决。
关键词：虚拟现实技术；CAD；仿真系统；设计流程；汽车仿真
1.前言
在这篇文章中，我们将介绍这项工作的工业环境，之后，我们将介绍虚拟现实模拟结合CAD的优点，以及它带来的附加值的设计过程。最后我们会讨论一些先前的基于虚拟现实技术和CAD软件体系结构的工作成果。最后则是介绍这项技术所面临的问题以及可能的方法。
1.1工业化和汽车发展的需求
汽车工业必须面对效率的问题，因此必须强化时间的限制。在全球制造业市场中，产品的设计周期成为了竞争的一个重要的标准。开发周期缩短了，然而每种车的类型却在增加。汽车行业采用这样的一个过程，它将一种产品的零部件分给零部件制造商，因此，不同的零件被分配到不同的独立设计者进行研发产品中特定部位的零件。
这种工作框架取决于某些参数，这些参数可分为内部参数和外部参数两类。内部参数与产品的任何其他元素无关，为了获得良好的一致性并设置设计过程，外部参数与产品的其他子部分共享。因此，某个参与者取决于其他参与者在产品中起作用。每一个参数由先前定义的开发区域框架与所有参与该产品设计的团队或实体保持一致。（见图1.1）
这些不同的实体在项目评审期间被收集，在此期间不同的参与者设置共享参数。然后，一个原型被用来评估该解决方案的相关性。这是不同的参与者可以讨论设置和装修的不同实体。
这样的项目评审可以在虚拟原型身临其境的环境中进行，使产品开发获得的性能和质量能够快速生成，从而使复杂人力系统界面和多模态接口的评估成为可能。因此，它是可能的，例如，快速评估使用新的汽车功能，如平视显示器，触摸屏，新的触觉设备，语音命令和多模态控制。因此，虚拟现实模拟的使用使汽车内饰设计具有全球视野，使其设计更具有全球化。
图1.1 该图是基于进行产品设计方法，侧重通过参数系统和规则使产品实体间相互作用（颜色见在线版本）
但是，模拟仿真仍然不允许修改设计，并且在虚拟现实数据和CAD数据间需要一个耗时的过程，因此，在虚拟仿真设计评价中需要的是能够直接在虚拟仿真环境修改设计的产品，为了更好地评估修改后的后果，并提高围绕虚拟样机的讨论。
1.2在设计过程中对VR-CAD编辑目标
我们定义两个交互循环︰ 一个循环用于评价，另一个用于修改设计。受工期限制的虚拟仿真项目，在短时间内，很快从一个循环传递给其他允许的用户，从而进行制作和测试大量的假设。测试的假设越多多，可以预期在产品上的错误就会越多。
物理模型模拟方法在很多文献中被提出来，例如显示温度领域或机械限制部分领域，从而能够确定产品设计中产品得不足之处。
此外，在产品生产之前，能够模拟产品所拥有的功能，从一开始的设计阶段要考虑产品的使用功能到模拟最终用户将会如何理解或使用它。因此，如果产品性能不能反映用户行为的预期的模型，能够直接在模拟仿真的环境中进行修改。（见图1.2）
这种系统也可能涉及使用者在产品生产中的设计等，包括他们对产品的期望。
所以，可能涉及基于一个或多个 CAD 软件和虚拟现实环境之间的双向联系，进行的一个单一过程，人体工学，设计和舒适性等问题。正如我们将在下一节看到的，虚拟现实技术和CAD结合可以设计出多种不同的结构来解决各种工程难题。
图1.2 在一个虚拟的产品模拟一个VR-CAD链接系统模型的交互图（见在线版的颜色）
1.3 VR与CAD结合的前期工作探讨
在这一节中，我们将介绍一个国家的最先进的VR系统与CAD系统的概述。我们可以区分三种类型的体系结构：
VR系统集成CAD几何内核：对CAD-VR耦合一些工作建议纳入一个虚拟现实系统的CAD几何内核。在虚拟现实装置中主要有两个几何内核；它是开放的梯级开发。这些提供了虚拟现实系统直接编辑几何模型的能力。几何内核是完全独立的定义整个几何体的STEP文件。这种类型的体系结构的缺点是从虚拟现实和CAD软件模型之间的兼容性问题，这种问题在数据的传递过程中会“断掉”，这往往需要全部或部分重建。
VR集成模块到CAD软件：一些CAD软件已经开始整合拥有面向VR的方法。然而，他们并没有在这方面真正实现。可能交互作用的目录太有限了，到目前为止，它是不可能用逻辑行为丰富模型，这种模型可以模拟产品的功能。从其他程序中加入元素的可能性也不容易实现，这限制了在使用系统中对模板进行脚本化的可能性。
VR系统与CAD软件接口：其他的方法提出了一个独立的系统，但同时连接到一个或多个CAD应用。一般这种类型的系统经常用来运行虚拟仿真模拟而不是虚拟仿真的设计修改。这种架构为在CAD系统确保连续性和完整性的CAD模型几何模型提供了优势。因此，这种类型的系统作为用户和一个或多个CAD软件之间的接口，使其更灵活和适应设计过程。
因此，我们注意到，大多数以前的作品主要是感兴趣的是使用虚拟现实作为一种工具，以改善与CAD模型的相互作用。只有少数的研究集中在全球设计过程中的这样一个环节。事实上，他们试图在CAD和虚拟现实之间建立一个紧密的联系，而不必担心交互操作性和灵活性的问题。然而，正如我们已经看到，在产品开发的背景下，特别是在汽车领域，不同的实体组成的产品组装成虚拟模拟。这些后者来自不同的制造商或分包商，这些生产者或多或少彼此疏远，并且都有自己的设计工具和自己的CAD系统。从这些观察结果，它导致三个约束：首先，重要的是要能够连接这些不同的实体，利用这样的设计工具的位置使它们根据距离可互操作。其次，由于要使用不同型号，就必须能够合并数据的异质性。最后，根据实体的演变自不同地区定义交互范式是很有必要的，因为连接它们的不同参数将会被处理。
如何连接这些限制，同时也促进交互和修改的CAD模拟？要做到这一点，我们在基于第三种类型的体系结构添加一个模板上提出了一种方法，其目的是给出一个模拟和修改的框架。这是我们将在下一节中讨论的内容。
2.提出虚拟现实与CAD耦合
在这一节中我们描述了一种新的方法用于交互式VR-CAD改进工艺。它是一个基于模板的方法，参数化技术与CAD之间的数据交换。还提出了一种实时视觉更新修改的解决方案。
2.1模板方法
通过结构设计的一部分，连接不同的参数特征的部分能够进行更快的修改。
我们根据沙阿的定义称这样的结构模板，及其参数、特点。在一个CAD系统的零件可能需要许多参数，但一个模板的优势在于它的结构数量有限的部分参数，并定义它们之间的关系的规则。如果我们创建和共享CAD和VR之间的模板，它只通过减少模板参数集来修改复杂的形状离子交互。我们可以做一个类比与基于集合的过程中，可以探索所有可能的考虑即根据自由度的参数绑定到这个公共模板左边。
例如，一个按钮可以通过一个框架来描述这些参数：轴，半径和位置；CAD模板可以表示为一个点，一条线和一个圆（见图2.1）。
使用CAD系统下的内部规则对其他参数自动管理和修改。
模板还包括有关部件功能的信息，以便定义它们的行为。例如，在按钮的框架中，不仅要定义它的类型（一个压力或开关）和课程，还根据产品的逻辑模型将触发动作的事件。所有这些信息通常是由产品规格。这些信息可以通过不同类型的接口（按钮，滑块等）建立。
图2.1 左图定义参数数量的模板：右图警告按钮：模板元素（见在线版本的颜色）
模板还可以包括注释区域，用于根据产品开发进度向特定约束区域推荐设计器。稍后我们会看到这些区域可以设置虚拟指南，用来帮助在仿真中的设计师。
因此，可以定义一个双向链路上的有限数量的参数，这为设计部件提出了问题。
2.2 双向参数VR-CAD链接
为了确保实时交互，在虚拟仿真的项目审查要快速修改产品部件是必要的。为此，我们提供了两个级别的修改：实时修改的基础上已经加载到VR仿真的几何形状的变形，和一个较长的修改依赖于在远程CAD系统上执行的模板参数设置。
然后，当VR系统加载的产品模拟，它也加载并行产品模拟相关的修改模板。因此，模板将共享CAD和VR。从而VR系统将分析和解释虚拟仿真交互范式的模拟和修改模板。它也定义和设置实时空间变形，在由CAD系统更新的部件延迟的时间段中将用于模拟CAD形状的修改。
Barr定义了空间变形（1984）。其原理是通过周围空间的变形来修改物体。他们提供的优势是使用描述零件来独立建模。因此，要改变零件的几何形状，它是不需要知道所有的拓扑元素，它描述只几何形状的一部分。我们在模板中使用参数，特别是主拓扑元素（线、边、轴）定义周围的变形空间，从而变形整个零件。
此外，他们可以根据几何元素，控制他们的行为。然后利用模板给的拓扑元素来控制变形的空间，它一定会计算的CAD系统之前来评估在实时的结果。Gain和Bechmann作出的调查是由对空间变形的各种拓扑驱动，从而得到更多信息便可以得到。
在VR软件和CAD软件之间的数据交换循环中，对产品部分进行修改。虚拟现实系统发送给定的影响参数由模板到CAD系统。然后CAD系统更新并发回在模拟过程中已经修改的零件几何（见图2.2）。
图2.2 基于模板的VR-CAD双向通信的结构方案（见在线版本的颜色）
这种双向链接是基于三轴：
参数化CAD零件通过模板框架
脚本或命令流的CAD操作员的远程控制
CAD计算结果对虚拟现实系统的输出
我们开发了一个原型，这样的架构和链接在两个PC工作站，一个专门虚拟仿真模拟，第二个专门的CAD计算。为此，我们采用CATIA（达索的ystemes，2012a）作为CAD软件和3DVIA Virtools（达索系统，2012b）为VR软件。
我们开始在CAD系统中建立一个模板来提取拓扑元素，表征部分，虚拟审查有关。然后这些元素是共享和丰富了VR系统内（Virtools）与逻辑行为功能相关的数据：空间的变形和交互模式。最后的模板存储在xml文件中这两个CAD和VR系统将加载在开始的虚拟仿真审查中。
在虚拟审查期间，数据交换回路是通过以太网的。参数传输到客户端程序，收集并发送到CAD的仪器问题和需要纠正的部分几何参数。当部分进行了修改，零件的几何形状，也通过网络发送输出一个3DXML文件。这个文件进行读取和导入进VR系统，以取代先前的几何数据修改后的部分。
以太网的使用实现了在不同的工作站及分布位置和部分修改计算份额计算权重，针对不同的CAD软件传递和获取距离信息，因为他们是分散的不同行为者之间的一个项目。
因此，虚拟现实系统的资源可用于显示和交互的虚拟样机和CAD系统，这被称为在延迟时间修改的设计和数值分析。在接下来，我们开发了一个实例来验证我们的方法。
3.实验使用案例
在本节中，我们将介绍一个应用程序的在汽车设计情况下的使用。我们将描述使用的情况，我们选择了测试所提出的双向链路的设计任务是设计公司协助我们进行的。参数的选择，在VR-CAD环节通过自然和自由度，对用于虚拟现实的交互式环境有强烈影响。为了探索这一点，我们建议研究适应互动技术在VR这个特定的用例。我们最后表明，模板方法提供了一个框架，为用户提供帮助沉浸式设计过程。
3.1 设计用例
我们的实验为我们的双向VR-CAD链接设计任务的验证。我们选择一个优化的任务，符合人体工程学的标准，这是优化的位置和大小的警告按钮在一个虚拟汽车仪表盘的控制台中央（见图3.1）
图3.1 设计任务的计划：在控制台中央的虚拟汽车仪表板模型优化的位置和大小的警告按钮（颜色见在线版本）
报警按钮的虚拟仿真的修改方案是由七个步骤：
1 设计者加载模拟
2 虚拟仿真设计师抓住虚拟按钮
3 设计师在虚拟仿真空间中通过他的手改变按钮位置和大小
4 模板参数发送到CAD系统
5 设计师按下按钮
6 CAD修改按钮和相关部件的几何形状
7 修改后的对象的几何形状加载VR系统
这个场景被设置为用户测试。我们确保模型的视觉更新是在实时进行的。所以当用户对虚拟模型进行修改时，他可以立即查看修改。而CAD模型的更新是在作出修改的虚拟模型之后延迟8秒，。事实上，用户直接的视觉反馈确认的虚拟模型的修改，使修改的CAD模型转移到用户上，在这个意义上，在更新时间上使用不受CAD模型的的约束。这是可能的，因为修改的虚拟模型，可以确保已加载的按钮几何形状的空间变形。
在下面的章节中，我们将介绍互动的模式，设计师的帮助和指导，和我们用来测试我们的方法的虚拟现
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