基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的工廠布局和漫游系統(tǒng)??

蔡 寶 朱文華 顧鴻良 孫張馳

(上海第二工業(yè)大學(xué)工程訓(xùn)練中心，上海201209)

虛擬現(xiàn)實(shí)(virtual reality，VR)是一種可以創(chuàng)建和體驗(yàn)虛擬世界的計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)，它利用計(jì)算機(jī)生成一種模擬環(huán)境，是一種多源信息融合的、交互式的三維動(dòng)態(tài)視景和實(shí)體行為的系統(tǒng)仿真使用戶沉浸到該環(huán)境中[1-3]。近年來(lái)將VR技術(shù)引進(jìn)到智能工廠建設(shè)領(lǐng)域的研究成果頗為豐富。于強(qiáng)等人[4]研究了在三維交互式環(huán)境下進(jìn)行工廠工藝布局，文懷興等人[5]設(shè)計(jì)了基于Virtools的并聯(lián)機(jī)床的虛擬裝配系統(tǒng)，梁宏寶[6]等人討論三維場(chǎng)景建模技術(shù)和三維場(chǎng)景優(yōu)化技術(shù)，朱文華[7]等人開(kāi)發(fā)了虛實(shí)結(jié)合的減速器工程訓(xùn)練系統(tǒng)，郭建[8]等人提出了一種針對(duì)機(jī)床虛擬仿真教學(xué)訓(xùn)練系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)方案，

總的說(shuō)來(lái)，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)虛擬漫游技術(shù)領(lǐng)域研究較多。本文以上海第二工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程訓(xùn)練車(chē)間為例，進(jìn)行車(chē)間實(shí)訓(xùn)機(jī)械設(shè)備場(chǎng)景漫游開(kāi)發(fā)，首先建立各類機(jī)械設(shè)備的三維模型，進(jìn)行貼圖處理使得效果更加接近真實(shí)，在Unity3D軟件下開(kāi)發(fā)虛擬車(chē)間漫游系統(tǒng)，最后應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備zSpace實(shí)現(xiàn)帶有VR和AR功能的車(chē)床仿真系統(tǒng)。具體開(kāi)發(fā)流程如圖1所示。

1 建立系統(tǒng)框架

圖1是虛擬工廠車(chē)間布局和漫游的系統(tǒng)框架，根據(jù)制定好的系統(tǒng)框架逐步進(jìn)行開(kāi)發(fā)。

2 軟件簡(jiǎn)介

2.1 SketchUp 軟件

SketchUp又稱為草圖大師[9]，是由Google公司開(kāi)發(fā)的一款三維輔助設(shè)計(jì)軟件。它是一套直接面向設(shè)計(jì)方案創(chuàng)作過(guò)程的設(shè)計(jì)工具，使得設(shè)計(jì)師可以直接在電腦上進(jìn)行十分直觀的構(gòu)思。其主要優(yōu)點(diǎn):簡(jiǎn)單易用，建模快速，即見(jiàn)即得，即時(shí)交流，直接輸出。

2.2 Unity3D 軟件

Unity3D是由Unity Technologies公司開(kāi)發(fā)的跨平臺(tái)專業(yè)游戲引擎[10-11]，用戶可以通過(guò)它輕松實(shí)現(xiàn)各種游戲創(chuàng)意和三維互動(dòng)開(kāi)發(fā)，創(chuàng)作出精彩的2D和3D仿真內(nèi)容。

3 虛擬工廠模型建立

系統(tǒng)開(kāi)發(fā)初始，首先對(duì)實(shí)際車(chē)間情況進(jìn)行調(diào)研統(tǒng)計(jì)，尤其需要統(tǒng)計(jì)出車(chē)間內(nèi)各類機(jī)械設(shè)備的數(shù)量和擺放情況。表1是統(tǒng)計(jì)的各類機(jī)械設(shè)備的數(shù)量和名稱。

表1 工廠設(shè)備統(tǒng)計(jì)表

3.1 設(shè)備模型建立

由于Unity3D軟件本身并不具備建模工程，首先運(yùn)用SolidWorks軟件建立各類設(shè)備的三維模型(如圖2)，所有設(shè)備尺寸參數(shù)均通過(guò)實(shí)際測(cè)量得到，保證了模型的可靠性。

3.2 添加紋理和貼圖

為了使虛擬模型更加接近實(shí)際模型，本文對(duì)模型進(jìn)行詳細(xì)的紋理貼圖操作。首先用相機(jī)拍下實(shí)際機(jī)床的表面圖案，將圖像導(dǎo)入Photoshop軟件中進(jìn)行校正處理后作為素材，在SketchUp中進(jìn)行貼圖操作。圖3是對(duì)普通車(chē)床操作面板貼圖前后的效果比較，可以明顯比較出經(jīng)過(guò)處理的模型更加接近真實(shí)效果。

3.3 工廠漫游功能開(kāi)發(fā)

手動(dòng)漫游是最為常見(jiàn)的虛擬場(chǎng)景觀察方式，通過(guò)上下左右鍵實(shí)現(xiàn)模型的左右移動(dòng)和正向反向旋轉(zhuǎn)。車(chē)間漫游場(chǎng)景如圖4所示，典型程序如下:

if(Input.GetKey(KeyCode.A))

{

transform.Rotate(0， 20 ? Time.deltaTime ? speed， 0，Space.Self)；

}

為了能夠更加清晰地觀察到車(chē)間機(jī)械設(shè)備的模型，漫游系統(tǒng)設(shè)計(jì)了模型的縮放和旋轉(zhuǎn)功能，通過(guò)調(diào)用射線函數(shù)和Lerp函數(shù)等進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。函數(shù)調(diào)用語(yǔ)句如下:

ray＝ Camera.main.ScreenPointToRay(Input.mousePosition)；

transform.rotation ＝ Quaternion.Lerp(transform.rotation， mRotation，Time.deltaTime?Damping)；

車(chē)間漫游通常需要整體瀏覽設(shè)備的布局情況，這時(shí)虛擬攝像機(jī)不能做到全局觀察的效果。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了車(chē)間小地圖漫游技術(shù)(圖5)，其主要功能有:(1)可實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前所在場(chǎng)景中的方位。(2)可縮小和放大小地圖方便漫游者了解當(dāng)前位置。(3)可從正視和斜視兩個(gè)角度設(shè)置地圖觀察方式。

3.4 工廠設(shè)備布局功能開(kāi)發(fā)

虛擬工廠設(shè)計(jì)是指通過(guò)獲取物理車(chē)間、生產(chǎn)線及物流等裝備資料，利用三維設(shè)計(jì)工具對(duì)車(chē)間進(jìn)行三維整體建模，建設(shè)智能制造數(shù)字化虛擬車(chē)間；虛擬工廠設(shè)備布局具有實(shí)時(shí)、交互式布局操作功能，能夠在3D場(chǎng)景中進(jìn)行布局分析。圖6為系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的工廠機(jī)床自由布局界面，移動(dòng)機(jī)床可自動(dòng)測(cè)算該機(jī)床與相鄰機(jī)床的距離并實(shí)時(shí)顯示。圖7為機(jī)床設(shè)備選擇場(chǎng)景，場(chǎng)景中不僅可實(shí)現(xiàn)布局功能，亦可自由選擇需要的機(jī)床并進(jìn)行數(shù)據(jù)保存。

3.5 虛擬車(chē)床切削仿真功能開(kāi)發(fā)

在虛擬仿真切削場(chǎng)景中，所有的切削工藝和機(jī)床運(yùn)行數(shù)據(jù)均來(lái)自對(duì)實(shí)際切削數(shù)據(jù)的采集，包括車(chē)床基本尺寸參數(shù)和切削用量等數(shù)據(jù)，將采集好的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)通過(guò)貼圖的方式顯示在加工場(chǎng)景中。圖8便是根據(jù)實(shí)際加工情況虛擬仿真的切削場(chǎng)景。

4 虛擬車(chē)間漫游VR系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

zSpace系統(tǒng)(圖9)是整合現(xiàn)實(shí)世界工作環(huán)境的桌面虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。技術(shù)核心是高保真的立體顯示系統(tǒng)，低延遲的跟蹤系統(tǒng)。zSpace的核心技術(shù)包括:立體視覺(jué)、直接交互。應(yīng)用zSpace進(jìn)行虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，相對(duì)于Unity3D開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)，最重要的便是體現(xiàn)新系統(tǒng)自然的交互性、沉浸性的特點(diǎn)。

4.1 交互方式設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的系統(tǒng)交互設(shè)計(jì)是通過(guò)調(diào)用UI函數(shù)實(shí)現(xiàn)，即通過(guò)鼠標(biāo)點(diǎn)擊按鈕實(shí)現(xiàn)，這樣雖然相比傳統(tǒng)的多媒體課件略有智能感，但是無(wú)論從交互程度和沉浸程度均不能讓學(xué)習(xí)者有身臨其境之感。本節(jié)則嘗試在zSpace中調(diào)用某些函數(shù)將實(shí)現(xiàn)物體對(duì)物體的交互方式。圖10的交互方式為模型與模型交互實(shí)現(xiàn)車(chē)間第一視角漫游(系統(tǒng)為立體界面，拍攝畫(huà)面重影)。

4.2 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用

系統(tǒng)除了具有虛擬現(xiàn)實(shí)功能，還兼有增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的功能。zView設(shè)備能分享VR中看到的立體模型，它以高清攝像頭作為硬件，屏幕重疊技術(shù)作為軟件，將zSpace畫(huà)面進(jìn)行重疊處理。該技術(shù)的目的是在屏幕上把虛擬世界套在現(xiàn)實(shí)世界并進(jìn)行互動(dòng)。圖11為虛擬車(chē)間中車(chē)床外部結(jié)構(gòu)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)效果。

5 結(jié)語(yǔ)

虛擬制造系統(tǒng)的仿真開(kāi)發(fā)具有一定的工程應(yīng)用意義。本系統(tǒng)相比于傳統(tǒng)的制造仿真系統(tǒng)在可視化、交互性等方面進(jìn)行了創(chuàng)新，借助虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了工廠車(chē)間設(shè)備布局設(shè)計(jì)和機(jī)床仿真切削的數(shù)字化與立體可視化，使得操作者在使用該系統(tǒng)時(shí)具有更為強(qiáng)烈的沉浸感，大大增加了其人機(jī)使用性能。該系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的虛擬工廠車(chē)間漫游、虛擬機(jī)械設(shè)備布局等功能不僅能快速了解車(chē)間生產(chǎn)設(shè)備的布局情況，更有助于工廠管理者合理優(yōu)化車(chē)間生產(chǎn)空間，起到了節(jié)省生產(chǎn)時(shí)間和提高制造效率的作用，能夠?yàn)檎鎸?shí)的生產(chǎn)制造過(guò)程提供較大的參考意義。

后續(xù)研究將虛擬現(xiàn)實(shí)手套與機(jī)床制造過(guò)程相結(jié)合，開(kāi)發(fā)更為高級(jí)的人際交互，使得虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)更好地服務(wù)于智能制造過(guò)程。

.知識(shí)窗.

全面質(zhì)量管理(total quality control)簡(jiǎn)稱TQC，六十年代初由美國(guó)通用電氣公司菲根鮑姆首先提出。所謂全面質(zhì)量管理，是相對(duì)于傳統(tǒng)的質(zhì)量管理而言的。它是從系統(tǒng)理論出發(fā)，把企業(yè)作為產(chǎn)品質(zhì)量生產(chǎn)的整體，以最優(yōu)生產(chǎn)、最低消耗、最佳服務(wù)，使用戶得到滿意的產(chǎn)品質(zhì)量為目的。它是用一定的組織體系，用科學(xué)的管理方法，動(dòng)員、組織企業(yè)各個(gè)部門(mén)和全體職工，在產(chǎn)品質(zhì)量形成的所有環(huán)節(jié)上，對(duì)影響產(chǎn)品質(zhì)量的各種因素進(jìn)行綜合的治理。它比檢驗(yàn)的質(zhì)量管理、統(tǒng)計(jì)的質(zhì)量管理更加完善，所以稱為全面質(zhì)量管理。它的基本觀點(diǎn)包括為用戶服務(wù)的觀點(diǎn)，以預(yù)防為主的觀點(diǎn)，全面管理的觀點(diǎn)。