大有可為的VR/AR技術(shù)

在智能制造系統(tǒng)虛實工廠的信息閉環(huán)流程中，VR/AR技術(shù)大有可為。

虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality，VR），也稱為沉浸計算技術(shù)，具有虛擬世界、沉浸感、感覺反饋、交互性等特征。增強現(xiàn)實（Augmented Reality，AR）是VR技術(shù)的擴展，通過計算機系統(tǒng)提供的信息來增加用戶對現(xiàn)實世界的感知，具有虛實融合、三維注冊、實時交互的特征。由于VR系統(tǒng)計算平臺的特性，AR系統(tǒng)對真實世界補充信息的特性，VR/AR技術(shù)已經(jīng)被廣泛應用于醫(yī)療、教育、娛樂、軍事、工程（含工業(yè)設計制造）等領域。

技術(shù)的產(chǎn)生

VR技術(shù)的產(chǎn)生，可以追溯到1962年，美國電影攝影師莫頓?海利希（Morton Heilig）發(fā)明世界上第一臺VR設備——Sensorama仿真器。用戶可以通過該VR視頻設備體驗紐約的夜間街景。1965年，圖靈獎獲得者、美國計算機科學家伊萬?薩瑟蘭（Ivan Sutherland）在名為《終極顯示》的文章中提出了對VR技術(shù)的想法，為虛擬現(xiàn)實的研究奠定了基礎。1989年，美國計算機科學家、VPL Research公司創(chuàng)始人之一雅龍?拉尼爾（Jaron Lanier）最早提出“Virtual Reality”這個詞。

直到20世紀90年代初，支持伊萬?薩瑟蘭對于VR想法的必備技術(shù)才開始萌芽。1992年，在芝加哥舉辦的計算機圖形學年度會議SIGGRAPH上，伊利諾伊大學芝加哥分校推出了投影VR，用四面投影的洞穴式虛擬環(huán)境（CAVE）來替代基于頭盔的范例，成為該會上最具有吸引力的新技術(shù)。1999年，美國計算機科學家弗雷德?布魯克斯（Fred Brooks）開展了關(guān)于VR應用的工業(yè)調(diào)研，基于其在戴姆勒公司、美國國家航空航天局（NASA）等的工業(yè)應用體驗，指出VR技術(shù)勉強能夠使用，但仍面臨挑戰(zhàn)。此后，工業(yè)界和學術(shù)界都開始致力于VR技術(shù)創(chuàng)新和工業(yè)應用知識的構(gòu)建，以滿足不同的需求。2016年，美國桑迪亞國家實驗室研究人員萊夫?伯格（Leif P.Berg）在調(diào)研VR工業(yè)應用情況的基礎上認為，在過去的20年中，VR技術(shù)的專業(yè)知識得到了極大的擴展，工業(yè)應用得到了蓬勃發(fā)展。國內(nèi)工業(yè)界的VR應用緊跟國際，在航天、汽車、船舶等領域獲得了廣泛的應用。

AR技術(shù)的產(chǎn)生可以追溯到1968年，當時在美國麻省理工學院攻讀博士學位的伊萬?薩瑟蘭研制出世界上第一臺頭戴式顯示器，用于實時顯示計算機生成的圖形。1970年，商用航空公司將AR平視顯示技術(shù)（Head-up Display，HUD）用于飛機座艙。1992年，波音公司研究人員定義了“Augmented Reality”這個名詞，開發(fā)出試驗性的AR系統(tǒng)，用以在工人組裝線路時提供輔助。

1997年，美國休斯研究所的研究人員羅納德?阿祖馬（Ronald T. Azuma）撰文，將AR的研究分為醫(yī)療、制造與維修、標注與可視化、機器人路徑規(guī)劃、娛樂、軍用飛行器等領域，其技術(shù)的發(fā)展情況遠不如同期的VR成熟。2011年，德國慕尼黑工業(yè)大學的研究人員皮埃爾?菲特若熱爾（Pierre Fite-Georgel）調(diào)研了AR工業(yè)應用的現(xiàn)狀，發(fā)現(xiàn)在產(chǎn)品設計、制造（裝配、培訓）、試運行、檢測與維護等領域中，已有兩項成功的應用：一是智能焊槍，在顯示屏上導航下一個焊接螺柱位置；二是設計差異檢查，發(fā)電廠建設后與CAD設計模型對比。至此，AR技術(shù)在工業(yè)領域的研發(fā)進入新階段。

工業(yè)應用最新進展

在學術(shù)界和工業(yè)界專業(yè)人士的共同推動下，VR技術(shù)在工業(yè)上的應用已經(jīng)取得了巨大的成功，VR技術(shù)和系統(tǒng)越來越成熟穩(wěn)定：計算能力的提高使得復雜產(chǎn)品的刷新幀率足以支持實時交互顯示，位置跟蹤器越來越小，跟蹤速度越來越快、越來越精確，以較低的成本就能構(gòu)建虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)等。VR技術(shù)逐漸可應用于解決工業(yè)問題，例如，在工業(yè)產(chǎn)品的設計階段：設計方案的可視化評估、人機工學可及性評估、仿真分析數(shù)據(jù)可視化、裝配和維修場景仿真等。目前，已有不少可用的商品化軟硬件系統(tǒng)，支持工業(yè)界的決策過程和創(chuàng)新過程。

AR技術(shù)由于其具有虛實融合的特征，技術(shù)的實現(xiàn)難度要大于VR。目前，工業(yè)AR技術(shù)仍主要處于研究階段，但發(fā)展很快。在工業(yè)領域?qū)嶋H應用方面，已有基于空間投影顯示的AR商用系統(tǒng)，將三維CAD內(nèi)容通過3D激光投影系統(tǒng)直接投射在加工工件上，指導不同產(chǎn)品原型的制造過程，確保零錯誤。

助力搭建智能工廠

中國的智能制造與德國“工業(yè)4.0”有很多相同之處，德國“工業(yè)4.0”將虛擬仿真技術(shù)和增強現(xiàn)實技術(shù)列為九大技術(shù)之一。VR/AR技術(shù)在產(chǎn)品開發(fā)階段、生產(chǎn)系統(tǒng)的規(guī)劃階段和產(chǎn)品的制造階段都展現(xiàn)了其獨特的作用，在智能制造中扮演著重要的角色。

智能制造將智能工廠作為切入點，智能工廠的實施需要虛擬工廠與真實工廠之間的互動。數(shù)據(jù)在虛擬工廠與真實工廠之間進行雙向傳遞，虛擬工廠中的產(chǎn)品、工藝、資源對象以及其運作邏輯和物理過程，與真實工廠一一對應。對于數(shù)據(jù)的采集，基于信息物理系統(tǒng)（CPS）的智慧生產(chǎn)輔助系統(tǒng)將起到至關(guān)重要的作用。

智能化的制造系統(tǒng)應具備狀態(tài)感知、實時分析、自主決策、精準執(zhí)行四個基本特征。通過CPS等傳感器系統(tǒng)從真實工廠中實時采集生產(chǎn)制造過程中機床、機器人、工人操作等數(shù)據(jù)，并輸入虛擬工廠中（或者通過AR技術(shù)進行展示）。在真實工廠實時輸入數(shù)據(jù)的基礎上，虛擬工廠進行生產(chǎn)運作仿真與優(yōu)化（虛擬仿真的執(zhí)行可以借助于VR技術(shù)和虛擬環(huán)境），在信息系統(tǒng)中形成新的決策方案。新的決策方案再通過信息系統(tǒng)，向下傳遞到各類執(zhí)行任務的生產(chǎn)設備和操作者（通過AR技術(shù)反饋給操作者進行操作的引導），通過這些環(huán)節(jié)，形成閉環(huán)系統(tǒng)。在智能制造系統(tǒng)虛實工廠的信息閉環(huán)流程中，VR/AR技術(shù)大有可為。

盡管VR/AR技術(shù)在智能制造環(huán)境下有很多的研究應用機遇，但是，通過實際工業(yè)應用調(diào)研發(fā)現(xiàn)，VR/AR應用系統(tǒng)仍面臨挑戰(zhàn)。例如，VR系統(tǒng)應用過程中的場景三維建模和模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化過程的便捷性，虛擬世界中環(huán)境模型的幾何和物理仿真建模真實感，交互過程中的力反饋感知等仍有待提高。AR系統(tǒng)工業(yè)應用的成功實例較少，在虛實環(huán)境的無縫融合和三維高精度實時跟蹤注冊方面，還存在技術(shù)難題。在VR/AR應用實施成本降低和專門技術(shù)人才培養(yǎng)上，還有很大的工作空間。隨著學術(shù)界和工業(yè)界對VR/AR技術(shù)知識的積累，參與人員對VR/AR認知的深入和提高，以及產(chǎn)業(yè)資本的投入，VR/AR技術(shù)在促進智能制造發(fā)展上將得到越來越多的體現(xiàn)。