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协同虚拟设计环境
协同虚拟设计环境:导论
但2D生成和投影图像仍有不足之处，因为它们不能让我们真正沉浸在3D环境中，或在现实世界中完全存在的感觉。为了克服这些限制，更现实的虚拟现实(VR)和3D显示和环境已经被开发出来。它们代表了技术的状态，并提供了一个更自然的第三维度，通过3D视觉和声音来刺激人类的感官，如果需要的话，还可以触摸。
协同虚拟设计环境(CVDEs)是产品和系统设计活动的VR应用，允许查看和审查整个系统、组件和部件。它们提供了更逼真的3D显示，甚至还提供了旋转功能，可以在局部或网络环境中缩小、正常或大尺度的物体内部、顶部、旁边或下面观看。如果需要，触觉反应系统提供抓握、旋转、捡起和运动的感觉。幸运的是，当公共和私营部门组织不断寻求提高完成任务的生产力和效率的方法时，就有了这些有利的技术。主要目标是减少新产品上市时间和军事系统作战准备，并大幅削减总体开发成本。
一些商业上可用的第一代和第二代cvde现在可用。第一代系统包括:头盔式显示器(HMDs)、双目全向监视器(BOOM)和立体监视器系统。有关这些技术和这些系统的比较测试的更多信息，请参见[2］．三种不同的第二代CVDE系统同时存在。每个都使用大型投影仪和立体眼镜，允许多个用户同时查看虚拟产品或系统模型，同时保持接近自然的人际交流。通过这种方式，多个观众共享虚拟体验、发现和想法。
其中一个系统就是由芝加哥伊利诺伊大学电子可视化实验室开发的洞穴自动虚拟环境(Cave)。CAVE系统是一个沉浸式的多人，10x10x10英尺。3.房间大小，高分辨率3D视频和音频CVDE。从CAD工程数据开始为CAVE环境创建图像。通过使用特殊的翻译软件(目前是一个耗时的过程)，同步的3D视图被投射在前面和侧面的透明墙壁和CAVE地板上。有关该技术的更多信息，请参见[3.］．另一种流行的第二代虚拟环境设备是刚性的Powerwall屏幕系统(由假空间系统公司称为沉浸式工作墙)。该系统显示从多个视频源投影的完全无缝的混合3D图像。屏幕尺寸可达约20英尺。宽,算上上。高。与沉浸式CAVE不同，这种半沉浸式系统在平面上创建了一个大视图，供大量参与者同时进行3D观看。
许多组织正在使用各种各样的第一代和第二代cvde作为协作虚拟设计和产品开发的基础。
第二代技术的最后一种类型是便携式半沉浸式台式CVDE，其主要优势是机动性。这些系统被设计成可以折叠，通过标准尺寸的门，并在自己的轮子上滚动。市面上有几种这种类型的系统，特别是由Fakespace systems公司开发的ImmersaDesk。这些桌面型系统被设计成类似于传统设计师的制图板，当人们想要查看似乎坐在工作台表面的虚拟模型时可以使用。
许多组织正在使用各种各样的第一代和第二代cvde作为协作虚拟设计和产品开发的基础。例如，国内和国际汽车和飞机制造商有兴趣评估车辆造型、发动机舱设计和可服务性，以及客户和用户功能(例如，能见度、座位和头部空间，以及到达范围)。美国国防部最近授权并正在实施基于模拟的技术和方法，用于所有未来军事系统和车辆的端到端(从坟墓到坟墓)设计和采买[5］．
这些组织和其他组织认识到产品或系统开发生命周期中两个最重要的度量—总体上市时间(或准备就绪)和产品成本—由设计过程的早期阶段所做的决策所支配，特别是在概念设计阶段。例如，据估计，当总资金的10%被支出时，大约90%的产品开发成本已经确定[4］．另一项研究表明，85%的产品开发成本是在产品设计交付制造之前确定的[7］．
换句话说，大多数决定成本的决策都发生在设计阶段。在这一早期阶段，进行需求和设计评估，并确定取舍，以降低风险和提高总体产品质量。这也是识别和纠正设计错误的最关键和最好的时间，而不是在制造或客户使用过程中发现它们，因为修复缺陷和疏忽的成本要高得多。由于早期设计活动所涉及的时间和成本影响，组织需要识别并使用CVDE系统和方法，为协作团队成员(设计人员、生产人员、维护人员、培训人员和最终用户)提供做出可行设计决策的能力。
由于这些需求和认识，一些盈利组织正在使用cvde来改进他们的产品设计、开发和制造过程。例如，波音公司使用计算机辅助三维交互应用软件(CATIA)为其777飞机减少了60% ~ 90%的设计返工[5］．通过使用cvde，各种汽车制造商在汽车造型和设计方面也有了实质性的改进和加速[6］．克莱斯勒(现在的戴姆勒克莱斯勒)公司的道奇无畏系列产品采用了该公司所谓的“网络合成”技术，开发出了五款新车和三款V6发动机。由于使用了CVDE技术和数字模型，该公司已经节省了7500万美元的成本，并将Intrepid模型的开发时间减少了20% [5］．在公共部门，美国陆军已将cvde用于未来作战车辆、一种新的移动外科单位和现有系统升级的概念审查[1］．这些应用程序(以及其他应用程序)节省了大量的成本，缩短了开发时间，并提高了用户满意度。对于这些组织和其他组织来说，cvde已经成为现实。
但是cvde在商业和军事开发和采办组织中尚未得到广泛使用和充分接受。虽然其中一些系统的高采购价格和运营成本是问题的一部分，但另一个原因是组织、操作、行为和研究问题仍有待识别、研究和理解。当这些问题得到解决并集成到过程中时，有理由相信通过使用CVDE技术，更多的组织和开发人员将从程序、系统和产品开发中的改进中受益。需要持续的应用经验、进一步的调查和知识的传播来提供对各种问题的见解，这些问题最好通过工业界、学术界和政府组织之间的伙伴关系来实现。
这个特别部分报告了一组选定的应用和研究进展。兰德尔·史密斯指出通用汽车对新车造型评价的共同愿景正在不断发展。他谈到了通用汽车公司大规模的cvde的发展，这使得以前不可能的一些操作变得例行公事，而其他的操作则非常昂贵(比如在户外检查汽车模型)。这些场所已经变成了协作会议室，并开始将全球工作组捆绑在虚拟共享模式上。
Bowen Loftin报道了NASA航天飞机轨道机动系统(OMS)和相关的反应控制系统(RCS)的联合重新设计，批准使用无毒推进剂。这次重新设计使用了实时的3D图形，使工程团队能够可视化正在开发的复杂系统，并快速探索替代设计方案。
Mark Maybury描述了一种Java协作虚拟工作场所(CVW)能力，旨在帮助军方向分布式分析和关键任务情报和防御计划的设计和开发的协作虚拟环境迈进。该系统通过使用文字聊天、音频和视频会议、联合使用白板、共享和私有数据空间实现同步和异步协作。Maybury、Ray D’amore和David House的补充侧栏简要描述了两个系统(Expert Finder和XpertNet)，它们在员工数据库中定位个人，以及在支持协作项目所需的某些领域拥有共同兴趣和专业知识的其他来源。该系统使用自然语言处理来提取和关联专业知识信息，以便识别具有各种工具技能、出版兴趣和以前的项目经验的员工。
Simon Su和Loftin简要描述了一个名为“PaulingWorld”的共享虚拟环境，用于探索和设计分子。本项目是科学空间项目的一部分，用于科学教育的分子显示和操作。在虚拟环境中，PaulingWorld允许用户从任何角度和在许多表示中检查小分子和大分子的结构。
Imre Horváth和Zoltán Rusák描述了在CVDEs中促进协同形状概念化的扩展功能。它们确定了不同用户对虚拟对象的并发成型需求，并描述了一个系统，该系统提供了形状概念化和定义的开发，以及在本地和网络环境中对产品的个人定制。
Cristian Luciano, Pat Banerjee和Sanjay Mehrotra描述了一种新的工具和系统，用于远程协作拟人化化身(或数字人)的动画使用高性能，实时逆运动学。本文介绍了一种在网络虚拟现实环境(VRE)中更有效的虚拟形象运动学数学表示的应用。这项工作的目标是在两个或多个地理位置遥远的人之间提供实时远程协作交互的能力，操作虚拟部件、产品或设施，同时由在共同VRE中执行人类动作的拟人化化身表示。
这个特别部分的主要目的是共享CVDE信息并提供该技术状态的状态报告。然而，空间只允许相对较小的当前应用程序和工具开发的样本。希望下面的文章和边栏将提供一些新的见解，并作为催化剂鼓励其他人研究cvde的潜力，以满足他们的组织需求和研究工作。
参考文献
1.沉浸式虚拟环境支持系统设计和获取。国家汽车中心技术报告(美国陆军TACOM)(2000)， 110。
2.Bochenek, G.M.和Ragusa, J.M.研究结果:虚拟环境在产品设计中的使用。IEEE系统、人与控制论国际会议。(1998年2月),12501253。
3.Cruz-Neira, C.， Sandin, D. J.和DeFanti, T. A.基于环绕屏幕投影的虚拟现实:CAVE的设计和实现。在计算机图形学国际会议论文集。(1993), 135142。
4.加西亚，a.b.，小哥克，r.p.，小约翰逊，N.P.虚拟样机概念到生产。国防系统管理学院出版社，贝尔沃堡，弗吉尼亚州，1994年。
5.基于模拟的获取:现实世界的例子。军队RD&A(Sept.Oct。1998), 2526。
6.Purschke, F.， Schulze, M.和Zimmermann, P.虚拟现实改进和加速汽车造型和设计开发过程的新方法。在计算机图形学国际会议论文集。(1998年6月2226日)，789797。
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