虚拟现实辅助机械设计

《中国制造2025》重点领域技术路线图重大政策文件中，将虚拟现实列为智能制造核心领域的关键技术之一。随着虚拟现实相关硬件设备的快速发展，虚拟现实技术必将在产品设计领域掀起一股巨大的浪潮。 自20世纪90年代以来，虚拟现实技术作为一种强大的人机交互技术，一直是信息领域研究开发和工程应用的热点方向之一。作为虚拟现实教材，从人机交互技术、虚拟现实是将影响科技发展的关键技术，是在计算机基础上，更好地融合人与物之间的协调，真正使计算机成为人的不可分割的一部分。 本教材以虚拟现实技术为基础，围绕虚拟现实在产品设计中的应用，开展相关技术的介绍，本书立足于虚拟现实的“3I”特性，主要包含人机交互技术、可视化技术、开发环境Unity3D、C#语言、虚拟现实辅助设计技术等，使虚拟现实成为机械设计领域的一个必不可少的工具，为我国设计领域提供一种有力工具，也可为培养多学科融合人才提供一门综合学术类教材。

姚寿文，男，汉族，博士，北京理工大学副教授，硕士生导师。1971年4月出生于安徽歙县。2002年至今任职于北京理工大学机械与车辆工程学院，从事本科生和研究生教学以及科研工作。科研上主要从事虚拟现实辅助设计技术应用研究，包括虚拟装配、虚拟维修、虚拟训练、虚拟设计、虚拟远程控制、人体捕捉、人机交互和用户体验等。主持国家自然科学基金面上项目2项（51275039，51975051）。编著教材4本，发表论文40余篇，发明专利申请8项，授权4项。

第1章 虚拟现实技术简介 引言 1.1 虚拟现实的I3特征 1.2 虚拟现实的发展里程碑 1.3 虚拟现实系统的典型组成及关键技术 1.3.1 虚拟现实系统的典型组成 1.3.2 虚拟现实的关键技术 1.4 虚拟现实系统的分类 1.5 虚拟现实仿真引擎 1.6 虚拟现实辅助技术 1.7 虚拟现实技术的典型应用 1.8 虚拟现实的未来 1.9 本书结构 本章小结 练习与思考 参考文献 第2章 虚拟现实输入技术 引言 2.1 手势识别设备Leap Motion传感器 2.1.1 Leap Motion概述 2.1.2 Leap Motion的硬件结构 2.1.3 Leap Motion的原理 2.1.4 Leap Motion检测的信息 2.1.5 Leap Motion采用的算法 2.1.6 Leap Motion的应用 2.2 人体捕捉设备Kinect 2.2.1 Kinect概述 2.2.2 Kinect V1与Kinect V2硬件结构介绍 2.2.3 Kinect骨骼追踪原理 2.2.4 Kinect SDK的功能 2.2.5 Kinect的应用 2.2.6 Azure Kinect 2.3 其他虚拟现实输入设备 2.3.1 三维空间鼠标 2.3.2 数据手套 2.3.3 数据衣 本章小结 练习与思考 参考文献 第3章 虚拟现实输出技术 引言 3.1 立体显示 3.1.1 立体显示概述 3.1.2 人眼视觉系统 3.1.3 虚拟现实立体显示设备的发展 3.1.4 虚拟现实立体显示设备 3.2 HTC Vive虚拟现实系统 3.2.1 HTC Vive构成 3.2.2 HTC Vive安装过程 3.2.3 Lighthouse定位系统 3.3 触觉反馈 本章小结 练习与思考 参考文献 第4章 虚拟现实建模技术 引言 4.1 3D建模 4.1.1 3D建模基础知识 4.1.2 3D建模方法 4.2 物理建模 4.2.1 碰撞检测算法 4.2.2 接触力模型 4.3 行为建模 4.3.1 虚拟控制手柄的行为建模 4.3.2 徒手交互的行为建模 4.4 动力学建模 本章小结 练习与思考 参考文献 第5章 虚拟现实开发引擎Unity3D 引言 5.1 Unity3D简介 5.2 Unity3D开发架构 5.2.1 软件安装 5.2.2 Unity3D编辑器 5.2.3 资源导入 5.2.4 创建工程和游戏场景 5.3 渲染引擎 5.3.1 Unity3D中的自定义Shader 5.3.2 相关编程接口介绍 5.3.3 图形管线基本原理介绍 5.3.4 渲染管线 5.4 PhysX物理引擎 5.4.1 Rigidbody 5.4.2 Colliders 5.4.3 Character Controller 5.4.4 Joint 5.5 C#语言简介 5.5.1 概述 5.5.2 C#语言的编译和运行环境 5.6 Unity3D案例实解 本章小结 练习与思考 参考文献 第6章 虚拟现实人机交互技术 引言 6.1 虚拟现实人机交互方式 6.1.1 视觉交互 6.1.2 HUD 6.1.3 语音交互 6.1.4 肢体运动交互 6.1.5 眼球追踪与面部表情捕捉 6.1.6 力反馈交互 6.1.7 脑机交互 6.2 虚拟手建模与交互 6.2.1 虚拟手建模 6.2.2 虚拟手模型驱动方式 6.2.3 虚拟手型模型 6.2.4 虚拟手碰撞检测 6.3 虚拟人体建模与交互 6.3.1 坐标标定 6.3.2 数据传输 6.3.3 数据融合 6.4 虚拟现实人机交互技术的应用 6.5 未来人机交互发展趋势 本章小结 练习与思考 参考文献 第7章 虚拟现实辅助产品设计技术 7.1 产品设计 7.1.1 产品设计的开发模式变革 7.1.2 产品设计的要求 7.1.3 产品设计流程 7.2 计算机辅助设计 7.2.1 概述 7.2.2 产品设计的关键步骤 7.2.3 计算机辅助设计的不足 7.3 虚拟现实辅助设计 7.3.1 虚拟现实辅助概念设计 7.3.2 虚拟现实辅助布局设计 7.3.3 虚拟现实辅助装配设计 本章小结 练习与思考 参考文献 第8章 虚拟现实辅助装配平台开发与实例 引言 8.1 开发架构 8.1.1 什么是架构 8.1.2 Simple GameManager与Manager of Managers 8.1.3 UI框架 8.1.4 MVC框架 8.2 虚拟现实辅助装配平台架构 8.3 虚拟现实辅助装配的多层级零件建模 8.3.1 零件层次结构模型 8.3.2 几何外形属性 8.3.3 物理属性数据 8.3.4 几何装配特征数据 8.3.5 碰撞包围盒数据 8.4 基于自由度限制算法约束计算 8.5 虚拟现实辅助装配的人机交互操作 8.5.1 虚拟手无标记交互操作 8.5.2 虚拟环境下实时信息显示界面 8.5.3 虚拟环境下交互电子指导手册 8.6 某综合传动装置装配实例 8.6.1 某综合传动三轴的实际装配 8.6.2 虚拟装配的虚拟环境搭建 8.6.3 虚拟环境下传动轴的动态装配过程 8.6.4 信息反馈辅助装配机制 本章小结 练习与思考 参考文献 附录 基于VRduino电路板介绍六自由度姿态跟踪 后记