虚拟现实技术与制造业

虚拟现实技术发展趋势与制造业重点应用分析研究,虚拟现实技术,参考文献,制造业,应用分析,Part1,虚拟现实技术,虚拟现实技术,发展历程,1. 有声形动态的模拟阶段（1963年以前）1929年，Edward Link设计出用于训练飞行员的模拟器；1956年，Morton Heilig开发出多通道仿真体验系统 Sensorama 。,2. 虚拟现实萌芽阶段（1963-1972年）1965年，Ivan Sutherland发表论文“Ultimate Display”（终极的显示）；1968年，Ivan Sutherland研制成功了带跟踪器的头盔式立体显示器（HMD）；1972年，Nolan Bushnell开发出第一个交互式电子游戏 Pong。,3. 概念产生和理论初步形成阶段（1973-1989年）1977年，Dan Sandin、Tom DeFanti和Rich Sayre研制出第一个数据手套Sayre Glove；1984年，NASA AMES研究中心开发出用于火星探测的虚拟环境视觉显示器；1984年，VPL公司的Jaron Lanier首次提出“虚拟现实”的概念；1987年，Jim Humphries设计了双目全方位监视器（BOOM）的最早原型。,4. 虚拟现实理论进一步完善和应用阶段（1990-至今）1990年，提出VR技术包括三维图形生成技术、多传感器交互技术和高分辨率显示技术；VPL公司开发出第一套传感手套”Data Gloves”，第一套HMD“EyePhones”；21世纪以来，VR技术高速发展，软件开发系统不断完善，有代表性的如MultiGen Vega、Open Scene Graph、Virtools等。,发展历程：,虚拟现实技术（VR）是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机仿真系统，它利用计算机生成模拟环境，是一种多源信息融合、交互式的三维动态视景和实体行为的系统仿真，并使用户沉浸到该环境中。VR是仿真技术的一个重要方向，是仿真技术与计算机图形学、人机接口技术、多媒体技术、传感技术、网络技术等多技术的集合，也是一门富有挑战性的交叉技术前沿学科和研究领域。,VR概念：,虚拟现实技术,虚拟现实技术,指三维交互设备。数据手套、力矩球、操纵杆、触觉反馈装置、力觉反馈装置、运动捕捉系统、运动捕捉（机械式、声学式、电磁式、光学式）、数据衣等。,模拟环境,指理想的VR应该具有一切人所具有的感知。除计算机图形技术所生成的视觉感知外，还有听觉、触觉、力觉、运动等，甚至还包括嗅觉和味觉等，也称为多感知。,自然技能,指人的头部转动，眼睛、手势、或其他人体行为动作，由计算机来处理与参与者的动作相适应的数据，并对用户的输入作出实时响应，并分别反馈到用户的五官。,感知,由计算机生成的、实时动态的三维立体逼真图像。,传感设备,VR主要包括模拟环境、感知、自然技能和传感设备等几部分。,虚拟现实技术,沉浸性：用户感到作为主角存在于虚拟环境中的真实程度，是VR技术最主要的特征。影响因素包括多感知性、自主性、三维图像中的深度信息、画面的视野、实现跟踪的时间或空间响应及交互设备的约束程度等。交互性：对虚拟环境中对象的可操作程度和从虚拟环境中得到反馈的自然程度。借助各种专用设备（头盔显示器、数据手套等）产生，使用户以自然方式如手势、体势、语言等技能，如同真实世界一样操作虚拟环境中的对象。想象性：用户在虚拟世界中根据所获取的多种信息和自身在系统中的行为，通过逻辑判断、推理和联想等思维过程，随着系统的运行状态变化而对其未来进展进行想象的能力。,VR 特征：,G. Burdea 在1993年提出“VR三角形”，简捷说明了虚拟现实的基本特征: 沉浸（immersion）、交互（Interaction）、想象（imagination）。,虚拟现实技术,VR类别：,利用个人计算机和低级工作站进行仿真，将计算机屏幕作为用户观察虚拟境界的窗口。通过输入设备实现与虚拟现实世界的交互，但参与者缺少完全沉浸。缺乏真实体验，但价格较低，因而应用较广泛。,1.桌面式虚拟现实,高级虚拟现实系统提供完全沉浸的体验，使用户有一种置身于虚拟境界中的感觉。它利用头盔式显示器或其它设备，把参与者的视觉、听觉和其它感觉封闭起来，并提供一个新的、虚拟的感觉空间，并利用位置跟踪器、数据手套、其它手控输入设备、声音等使得参与者产生一种身临其境、全心投入和沉浸其中的感觉。,2.沉浸式虚拟现实,增强现实性虚拟现实不仅利用虚拟现实技术来模拟现实世界、仿真现实世界，而且要利用它来增强参与者对真实环境的感受，也就是增强现实中无法感知或不方便的感受。,3.增强现实性虚拟现实,4.分布式虚拟现实,多个用户通过计算机网络连接在一起，同时参加一个虚拟空间，共同体验虚拟经历，这就是分布式虚拟现实系统。多个用户可通过网络对同一虚拟世界进行观察和操作，以达到协同工作的目的。,虚拟现实技术,01,02,03,04,05,虚拟环境的建立是虚拟现实技术的核心内容。动态环境建模技术的目的是获取实际环境的三维数据，并根据应用的需要，利用获取的三维数据建立相应的虚拟环境模型。,三维图形的生成技术已经较为成熟，其关键是如何实现“实时”生成。在不降低图形的质量和复杂度的前提下，如何提高刷新频率将是该技术的研究内容。,虚拟现实的交互能力依赖于立体显示和传感器技术的发展。现有的虚拟现实还远远不能满足系统的需要，因此有必要开发新的三维显示技术。,虚拟现实应用的关键是寻找合适的场合和对象，即如何发挥想象力和创造力。选择适当的应用对象可以大幅度地提高生产效率、减轻劳动强度、提高产品开发质量。为了达到这一目的，必须研究虚拟现实的开发工具。,虚拟现实中包括大量的感知信息和模型，因此系统的集成技术起着至关重要的作用。集成技术包括信息的同步技术、模型的标定技术、数据转换技术、数据管理模型、识别和合成技术等等。,动态环境建模技术,实时三维图形生成技术,立体显示和传感器技术,应用系统开发工具,系统集成技术,关键技术,关键技术：,技术应用：,虚拟现实技术,随着计算机技术、交互技术和人工智能等相关技术的快速发展, 虚拟现实技术取得了巨大进步。适合应用于使用计算机仿真技术或计算机模拟技术的场合, 特别是需要在三维空间中表现仿真模拟过程或结果且需实时交互时, 具有很大优势。最初, 虚拟技术是美国航空航天局与军事部门为了模拟训练而开发的。目前虚拟现实技术已被运用在教育教学、医疗卫生、游戏产业、工程制造、航空航天、军事仿真、科学研究、娱乐产业、室内设计、房产开发、文物古迹展示、能源开发、轨道交通等各个领域中。,发展趋势：,虚拟现实技术,1. 市场初级，但显现巨大潜力,2. 项目进展迅速，大部分在初级阶段,发展趋势：,虚拟现实技术,3. 认知度不高，用户不愿付费,4. 内容和舒适感，成为关注主流,发展趋势：,虚拟现实技术,虚拟现实技术的应用非常广泛。为满足应用领域的新需求，虚拟现实技术研究遵循“低成本、高性能”的原则，表现出一些新的发展趋势。如：动态环境建模技术；实时三维图形生成和显示技术；适人化、智能化人机交互设备的研制；大型网络分布式虚拟现实的研究与应用；计算机计算速度和图形处理速度的发展将促进其普及；更真实的虚拟环境，更先进的交互系统；更先进的软件技术等。虚拟现实技术是一门新兴的科学技术，它与许多相关学科领域交叉、集成，应用领域非常广泛，应用前景也非常广阔。随着计算机技术飞速发展，虚拟现实技术将更为广泛地为人类的生产生活带来全新的面貌。,待解难题：,虚拟现实技术,价格问题：大多数虚拟现实设备较昂贵，高昂售价阻碍了虚拟现实设备的普及。性能问题：对帧数、画面清晰度等要求较高，电脑资源耗费较大。舒适问题：因需传输大量数据，大多数厂商使用传统线缆，线缆较多；头戴式设备质量较大，会产生沉重的坠压感；长时间佩戴会产生眩晕感、易疲劳。繁琐的三维建模：基于图形的虚拟环境首先要解决三维造型问题，大部分模型仍由人工绘制，且需聘请高水平的专业人士。数据量大：虚拟现实应用的数据量非常大，在现有网络速度较慢的情况下，等待时间较长。虚拟现实系统中应考虑数据压缩问题。缺乏统一标准：该技术应用仍处于初级阶段，而对于这个平台大家都有各自的演示方法。没有真正进入虚拟世界的方法：通过线缆连接到虚拟现实设备上，限制了使用者的活动范围。,VR 与 AR：,虚拟现实技术,虚拟现实技术利用电脑模拟产生一个三维空间的虚拟世界，提供使用者关于视觉、听觉、触觉等感官的模拟，让使用者如同身历其境一般，可以及时、无限制地观察三维空间内的事物。通俗说来就是你看到的所有东西都是计算机生成的，都是虚假的纯虚拟画面。,增强现实技术通过电脑技术，将虚拟信息应用到真实世界，“在屏幕上把虚拟世界套在现实世界，并进行互动”。不仅展现了真实世界的信息,而且将虚拟的信息同时显示出来，两种信息相互补充、叠加。,虚拟现实,增强现实,VR：在梦里见到了鬼！AR：在现实中见到了鬼！,Part2,制造业,制造业,制造业：是指对制造资源（物料、能源、设备、工具、资金、技术、信息和人力等），按照市场要求，通过制造过程，转化为可供人们使用和利用的大型工具、工业品与生活消费产品的行业。制造业的发展水平直接体现了一个国家的生产力水平，是区别发展中国家和发达国家的重要因素，制造业在世界发达国家的国民经济中占有重要份额。制造业包括：产品制造、设计、原料采购、仓储运输、订单处理、批发经营、零售。在主要从事产品制造的企业（单位）中，为产品销售而进行的机械与设备的组装与安装活动。,制造业,我国制造业存在的问题和考验：,“五大问题”：创新能力薄弱； 传统产业产能严重过剩；核心技术匮乏； 大而不强。资源浪费，环境污染；,“双向压迫”：发达国家“再工业化”；新兴国家成本优势进一步凸显。,（1）我国制造业本身存在一些问题；（2）发达国家利用既有技术优势，不断增强其先进制造业在全球价值链的竞争优势；（3）新兴经济体凭借其廉价的劳动力成本优势，也不断提升其制造业在全球的影响力；,制造业,中国制造2025提出“创新驱动、质量为先、绿色发展、结构优化、人才为本”基本方针， “三步走”实现制造强国战略目标：2025年迈入制造强国行列；2035年中国制造业整体达到世界制造强国阵营中等水平；新中国成立一百年时，综合实力进入世界制造强国前列。德国提出“工业4.0”概念及模式。作为全球制造装备的“领头羊”，德国制造业拥有强大的设备和车间制造工业，在信息技术领域、嵌入式系统和自动化工程方面有非常专业的技术。美国推出了先进制造业回归计划。“美国公司合作关系对于美国研发世界前沿技术起到关键作用。而美国鼓励尝试制造企业和教育、培训机构合作办学的人才培养方式，为教育和培训各个层次的学生、工人提供独特的机会。”日本制造也提出了“产业振兴”战略。安倍政府上台后，提出了“安倍经济学”战略，其三项主要内容除金融量化宽松和财政刺激举措之外，就是“产业振兴”。2008年，英国政府就推出“高价值制造”战略，希望鼓励英国企业在本土生产更多世界级的高附加值产品，以加大制造业在促进英国经济增长中的作用。,各国制造业战略：,我国制造业发展方向：,智能化,如果说第一次工业革命是蒸汽革命，那么所谓“第四次工业革命”就是智能革命。在中国，在实现这个阶段还有待时日，但在2015年发布的相关政策中，智能化已写入有关文件，成为制造业转型升级的必然方向。,01,02,互联网,“互联网”是把互联网的创新成果与经济社会各领域深度融合，提升实体经济创新力和生产力，形成更广泛的以互联网为基础设施和创新要素的经济社会发展新形态。推进信息化与工业化深度融合，实际上就是打造“互联网”。,03,04,绿色发展,中国制造2025提出制造业绿色发展的要求。加大先进节能环保技术、工艺和装备的研发力度，加快制造业绿色改造升级；积极推行低碳化、循环化和集约化，提高制造业资源利用效率；强化产品全生命周期绿色管理，努力构建高效、清洁、低碳、循环的绿色制造体系。,服务化,制造业服务化是制造业发展的必然趋势，而且当前制造业流行的所谓的“自动化改造方案”等等各种方案，以及一些企业所冠名的“服务供应商”，本身就具有服务化的成分。应该说，以产品服务客户早已过时，未来的客户需要的是一整套的服务方案。,发展方向,制造业,Part3,应用分析,应用分析,为适应变化迅速的市场需求，企业必须考虑先进的产品研制方法、手段以及实施途径，以保证产品研制质量、降低开发成本、缩短设计周期，提高企业的竞争力。随着计算机软件、硬件技术的发展和网络技术进步，全球化、网络化和虚拟化已成为制造业发展的重要特征，越来越多的企业在新产品开发过程中采用数字化技术，用数字模型代替众多昂贵的实体进行设计验证。数字模型是根据产品开发过程中所有技术数据完成的，工程技术人员用其代替实体原型进行空气动力学分析、人机工程学的研究、碰撞测试等。但这些研究分析过程中，技术人员不能与虚拟对象进行真实互动，无没法得到精确反馈，一些研发数据缺乏可信度，尤其是在进行机械产品设计装配拆卸与维护的研究时，因此发展受到了一定的限制。虚拟现实技术（VR）为解决以上问题创造了良好条件，并引起了生产领域中方法和观念上的变革。,（1）虚拟制造技术：以虚拟现实和仿真技术为基础，对产品的设计、生产过程统一建模，在计算机上实现产品从设计、加工和装配、检验、使用整个生命周期的模拟和仿真；（2）模拟产品外形设计：如波音777飞机外型设计，采用虚拟现实建模的外形设计后, 可随时修改和评测,方案确定后的建模数据可直接用于冲压模具设计、仿真和加工，或用于广告；（3）模拟产品结构设计：在复杂产品的结构设计中,通过虚拟现实技术可直观地进行设计,避免潜在的干涉等问题；（4）虚拟产品开发：用数字化试验模型取代实物试验模型进行仿真、分析，将产品设计分析、测试、制造等整个产品开发过程；（5）虚拟实验技术：把虚拟技术用于试验研究中，通过交互改变参数、条件等，来模拟真实试验；（6）虚拟维修：现在许多国家的航空公司都在进行用于飞机检测人员培训的虚拟现实系统的开发，以期提高飞机检测质量和可靠度的培训。,应用分析,VR在制造业中的应用：,虚拟制造,虚拟制造技术（virtual manufacturing technology, VMT）是近些年来先进制造技术领域内的一门新兴技术，是许多先进学科领域知识的综合集成与应用，它以数字化建模技术，计算机仿真技术，分析优化技术为基础，在产品设计阶段或产品制造之前，实时、并行地模拟出产品的未来制造全过程及其对产品设计的影响，预测产品性能、成本和可制造性，以达到产品开发周期和成本的最优化，生产效率最高化之目的。,“虚拟”是相对于实物产品的实际制造系统而言，它强调制造系统运行过程的计算机化。虚拟制造是实际制造的抽象，生产出的是全数字化产品，是在计算机及网络系统和相关软件系统中进行的制造，所处理的对象是有关产品和制造系统的信息和数据，处理结果是全数字化产品，而不是真实的物质产品。,虚拟制造,特点：,（1）无须制造实物样机就可预测产品性能，节约制造成本，缩短产品开发周期；（2）产品开发中可以及早发现问题，实现及时的反馈和更正；（3）以软件模拟形式进行产品开发；（4）企业管理模式基于Intranet或Internet,整个制造活动具有高度的并行性。,虚拟制造,分类：,A,B,C,虚拟设计：产品建模；产品异地设计；产品优化设计；产品性能评价；零部件分析优化；可制造性评价；快速原型。 虚拟制造：生产工艺优化；工具设计优化；刀位控制参数优化；刀位轨迹参数优化；加工方案评估；虚拟实验；虚拟检测；工艺模型验证、产品模型实验：虚拟机床。 虚拟生产：生产计划仿真优化；虚拟生产布局；虚拟设备集成；虚拟装配；虚拟生产平台服务器。虚拟企业：虚拟企业平台服务器；企业协同工作环境；企业虚拟运行；企业运行仿真。,虚拟制造,体系结构：,虚拟制造,1.虚拟设计：,虚拟设计是指在设计阶段采用虚拟现实技术，使设计人员可随时看到并修改三维的作品，让设计人员更专注于产品功能的实现。虚拟设计是用数字模型来代替物理原型进行产品设计的分析与评价，以产品的计算机辅助设计（CAD）模型为基础，以领域知识和虚拟现实技术等为支撑，应用不同分析方法检验并改进设计结果。在广义上，虚拟设计对应于以设计为中心的虚拟制造。,特点:（1）虚拟设计的核心是体现了产品原型的全数字化；（2）它是在多学科集成的基础上实现的；（3）通过虚拟现实系统为设计师提供更为直观的交互。,虚拟制造,虚拟装配是在计算机上模拟设备的连续装配过程，如何有效地模拟实际装配过程是虚拟装配的目的。虚拟装配技术以可视化方式展示设计产品的可装配性，同时还可通过对零部件形状进行改进以降低装配的复杂性。在广义上，虚拟装配对应于以控制为中心的虚拟制造。,2. 虚拟装配：,虚拟制造,2. 虚拟装配：,1,1,2,3,2,自顶向下（top-down）装配,以产品设计为中心的虚拟装配,自底而上（down-top）装配,以工艺规划为中心的虚拟装配,以虚拟原型为中心的虚拟装配,依据实现功能和目的,依据设计方式,虚拟制造,3. 虚拟企业：,虚拟企业（Virtual Enterprise），是当市场出现新机遇时，具有不同资源与优势的企业为了共同开拓市场，共同对付其他的竞争者而组织的、建立在信息网络基础上的共享技术与信息，分担费用，联合开发的、互利的企业联盟体。虚拟企业的出现常常是参与联盟的企业追求一种完全靠自身能力达不到的超常目标，即这种目标要高于企业运用自身资源可以达到的限度。虚拟企业具有集成性和实效性两大特点。在面对多变的市场需求时，虚拟企业具有加快新产品开发速度、提高产品质量、降低生产成本、快速响应用户需求、缩短产品生产周期等优点。因此，虚拟企业是快速响应市场需求的部队，能在商战中为企业准时把握机遇。,虚拟产品开发是以计算机仿真和产品生命周期建模为基础，集计算机图形学、人工智能、网络技术、数据库技术、并行工程、多媒体技术和虚拟现实技术为一体，用数字化试验模型取代实物试验模型进行仿真、分析，将产品设计分析、测试、制造等整个产品开发过程在计算机虚拟环境中进行映射，利用其交互性、沉浸性和想象性达到产品开发环境的高度逼真化，使顾客直接参与产品开发，身临其境地测试产品性能和真实感受产品的使用性能，实现全局优化和一次性开发成功的目的，有效提高汽车设计、制造质量、缩短设计周期、降低设计成本。应用虚拟设计技术可以快捷地建立产品的模型族，可实现并行的、闭环的工作模式，实现远程协同产品开发，实现产品的变型设计和系列化设计虚拟产品开发。最大限度缩短产品开发周期、降低成本。,虚拟产品开发,虚拟实验技术,虚拟实验是指借助于多媒体、仿真和虚拟现实（又称VR）等技术在计算机上营造可辅助、部分替代甚至全部替代传统实验各操作环节的相关软硬件操作环境，实验者可以像在真实的环境中一样完成各种实验项目，所取得的实验效果等价于甚至优于在真实环境中所取得的效果。,虚拟实验建立在一个虚拟的实验环境(平台仿真)之上，而注重的是实验操作的交互性和实验结果的仿真性。虚拟实验室由虚拟实验台、虚拟器材库和开放式实验室管理系统组成。虚拟实验对于高校教师、学生、企业研究部门、研究院等进行某些实验具有重要的作用。,应用分析,VR应用：,波音公司曾投资40亿美元研制波音777喷气式客机，其整机设计、部件测试、整机装配以及各种环境下的试飞均是在计算机上完成，开发周期从过去8年缩短了5年。从1990年10月开始到1994年6月仅用了3年零8个月时间就完成了研制，一次试飞成功，且投入运营。波音公司分散在世界各地的技术职员可以从777客机数以万计的零部件中调出任何一种在计算机上观察、研究、讨论，所有零部件均是三维实体模型。可见虚拟产品设计给企业带来的效益。,应用分析,VR应用：,设计制造 RAH-66 直升机时, 波音-西科斯基公司使用了全任务仿真的方法进行设计和验证,通过使用数字样机和多种仿真技术,花费 4590h 仿真测试时间,却省去了 11590h 的飞行时间,节约经费总计 6.73 亿美元,获得了巨大收益。,应用分析,VR应用：,从应用基础看：北京航空航天大学和一汽公司合作开发的板料形成软件，基本能够模拟车门等复杂覆盖件的冲压成型过程；沈阳铸造研究所开发的电渣熔铸工艺模拟软件已经应用在水轮机组叶片曲面造型中；合肥工业大学开发研制的双刀架数控加工模拟已应用于马鞍山钢铁车轮轮毂厂。从应用实践看：中国商飞研发出虚拟仿真系统，用于新型民机的预先研究评估和关键技术攻关。,我国在虚拟现实领域形成的科研成果：,应用分析,VR在制造业中面临的问题：,各种资源的整合与协同。包括人力资源和现有的知识与技术资源的有效组织，使各方面专家利用现有条件、方法与工具有效的合作，进行VR在制造业的研究与开发；实时三维图形生成和显示技术；全息建模和细节捕捉；模型数据在虚拟产品设计、虚拟工艺设计、虚拟生产加工、虚拟装配、虚拟企业与虚拟设备、原料和产品供应链等共享和继承、可重用性问题；虚拟装配中的碰撞和零件的碰撞变形以及力反馈问题。我国制造业自身发展层级不高，致使新技术应用的效率成本难以平衡。,虚拟现实技术虽然在制造业中得到了广泛应用，但应用仍然处于初级阶段，还存在着很多尚未解决的理论问题和技术障碍。虚拟现实技术所取得的成就，仅仅局限于扩展了计算机的接口能力，仅仅是刚刚开始涉及到人的感知系统和肌肉系统与计算机的交互作用问题，还根本未涉及“人在实践中所得到的感觉信息是怎样在人的大脑中存储和加工处理，成为人对客观世界的认识”的过程。因此，虚拟现实技术前景广阔，任重道远。,应用分析,总结：,Part4,参考文献,参考文献,1 陈皓磊,邹湘军,陈燕,刘天湖.虚拟现实技术的最新发展与展望J