基于UNREAL ENGINE 的沉浸式加工中心造型定制設計技術

符 莎

（中山市技師學院， 廣東 中山 528403）

0 引言

數控加工設備是制造業(yè)的重要基礎， 在 《中國制造2025》規(guī)劃中，高檔數控加工中心被列為我國十大重點發(fā)展領域之一[1]。 近年來，由于全球疫情影響導致線下展覽受到大規(guī)模沖擊， 用戶通過展會直接接觸大型加工中心設備的機會變得越來越少，因此，為了讓用戶獲得更好的用戶體驗，開發(fā)一種沉浸式、可視化的定制系統，讓用戶以更自然的交互方式瀏覽和定制加工中心類產品顯得尤為重要。 在競爭的市場環(huán)境下，對加工中心類產品而言，功能等品質愈發(fā)接近， 更多的企業(yè)逐漸將設計重心放在提升產品外觀質量與人機交互操作等方面。 為了提高競爭力，企業(yè)也需要為用戶提供更為個性化的產品服務，這些都促使企業(yè)逐步面向用戶進行定制化設計， 以滿足不同用戶的個性化需求， 而為用戶提供身臨其境的產品定制環(huán)境， 提高用戶進行產品定制時的沉浸感與對產品的關注度就成為了一個重要的課題。

1 沉浸式加工中心造型定制設計

在現代設計方法學、 信息技術和先進制造等技術的支撐下，定制設計由此產生，一些企業(yè)從標準化、通用化及模塊化理論出發(fā)，快速響應用戶個性化需求，為用戶提供個性化的產品服務并獲得成功[2-4]。 數控加工中心屬于特殊裝備類產品，種類繁多，設計與生產周期較長，用戶需求也不完全一致，采用定制生產模式較為合理。 隨著互聯網技術的發(fā)展，大多數產品定制設計系統仍多采用B/S架構，以網絡定制方式為主，這種方式可以帶來相對直觀的體驗交互， 但由于網絡帶寬的限制及只能在顯示器之類的終端上進行瀏覽，無法讓用戶更深入的體驗產品，因此多數加工中心類產品生產企業(yè)仍然以參加線下展覽的方式讓用戶近距離接觸實際產品， 從而使用戶獲得更為直接的產品使用體驗，而疫情影響，參加展會已變成一種較難實現的方式。 針對上述情況，本文在前期基于Web3D技術研究產品定制技術的基礎上[5]，基于定制設計理論與用戶為中心理念， 利用更為先進的VR 設備， 以EMCO MC75-50 加工中心為例開發(fā)了沉浸式加工中心產品定制設計系統原型。

2 平臺的選用與設計流程

目前大多數產品定制設計多以通過Web3D 技術實現的桌面型VR 定制系統為主，在這一類定制模式中，產品可進行全方位展示、實時裝配、色彩定制等，但由于帶寬和響應時間等問題，產品模型無法做到非常精致，影響了產品呈現效果， 并且用戶多以計算機顯示器作為終端進行瀏覽，體驗效果較差。 為了增強交互體驗，使用戶盡可能的用更自然的方式與定制產品進行交互， 則需要開發(fā)沉浸式的VR 交互定制系統。通過對各種VR 制作平臺進行分析與應用研究， 本文選擇了可以多平臺發(fā)布的Unreal Engine 工具作為了本次研究的主要制作平臺。

Unreal Engine 是一個面向多平臺的完整開發(fā)框架，其目標是賦予設計師盡可能多的控制權來開發(fā)可視化環(huán)境中的資源，各方面功能的設計思想也使內容創(chuàng)建和編程更方便，并提供了高度模塊化、可升級與擴展的架構，便于開發(fā)測試及發(fā)行各種類型的VR 作品。 Unreal Engine提供的前向渲染技術、實時光柵化技術、光線追蹤和精細光照技術等，配合可視化的材質編輯器，可以為產品增加極其逼真的實時視覺效果，可增強用戶的視覺體驗；另外，Unreal Engine 提供了一種可視化的藍圖（Blueprint）腳本編程環(huán)境， 可以使用基于節(jié)點的界面創(chuàng)建虛擬環(huán)境中的各種交互，極大的提高了開發(fā)效率。借助Unreal Engine 的強大編輯功能， 可以非常簡便的實現加工中心的定制系統設計，見圖1。 該系統的設計流程主要包括以下幾個環(huán)節(jié)：①模型創(chuàng)建：在工程軟件中建立加工中心主軸及需要進行定制的各個零部件模型并進行裝配， 這個階段中需要注意裝配模型時各相鄰模型的公共邊界線需保持一致，以免后期模型切換時出現邊界錯誤；②場景創(chuàng)建：在Unreal Engine 中將模型文件導入后搭建展示場景， 增加環(huán)境光源， 通過可視化材質編輯器為各個零部件賦予基于物理屬性的材質著色；③交互界面制作：通過強大的圖形UI 設計器UMG 制作用戶交互界面；④設定VR 控制器：導入VR 控制器模塊，在虛擬場景中設定控制器功能，綁定控制器按鍵；⑤藍圖編程：通過可視化編程工具——藍圖系統，編寫各種功能代碼，實現定制交互功能；⑥發(fā)布：為各種沉浸式虛擬現實設備發(fā)布可用的程序包， 并選擇適當的平臺發(fā)布，完成系統的最終設計。

圖1 系統構建工作流程Fig.1 Workflow of system construction

3 實現定制系統的關鍵技術

3.1 沉浸式交互環(huán)境設計

在虛擬環(huán)境中，對普通用戶而言，越接近真實物理環(huán)境中的視覺、聽覺及觸覺等交互方式就越自然，越容易使用戶獲得沉浸感。近年來，由于硬件技術的突破，陸續(xù)出現了一類面向消費級的虛擬現實終端，如HTC VIVE、Oculus Rift，以及可以獨立使用的QUEST 等VR 一體機，這些設備均包含頭部顯示設備和手持交互設備， 這使為用戶構建沉浸式的虛擬環(huán)境提供了更為廣闊的硬件平臺。這類設備所呈現的交互界面具有沉浸感與參與感兩種核心特性[6]，沉浸感意味著用戶能在虛擬環(huán)境中產生主觀臨場感[7]，參與感則代表用戶在虛擬環(huán)境中無外界環(huán)境干擾， 具有高度的專注度[8]。 相較于傳統桌面型虛擬現實類型，沉浸式交互環(huán)境從二維顯示屏轉向用戶置身的三維空間； 操作也不再是鍵盤鼠標，而是更接近真實的身體手勢交互；用戶不再受限于固定場所，可在虛擬環(huán)境中移動行走；用戶甚至可以獲得觸摸的力反饋或嗅覺等感知[9]。這些特性都使用戶可以更加深入的、無干擾的探索虛擬對象。

Unreal Engine 支持多種虛擬現實硬件設備， 可以快速的將各種控制器導入虛擬場景中使用。 在加工中心定制設計系統中， 沉浸式交互的實現主要包含以下幾個環(huán)節(jié)：①導入控制器模型，根據需求對模型進行修改，方便用戶理解；②將控制器與Motion Controller 綁定；③通過UMG系統制作交互界面；④通過藍圖腳本為控制器增加交互。在控制器交互功能設定中， 左手控制器設置加工中心造型定制界面開關功能，右手控制器設置指點模型功能，從而引導用戶進行交互操作。當用戶關閉交互界面時，可以以自然的狀態(tài)在場景中行走，從不同角度以物理世界的視覺經驗觀察場景中的加工中心； 可以通過觸摸和推拉動作打開防護窗，觀察加工中心主軸和內部機構工作；可以打開或關閉加工中心箱體內部的照明燈進行觀察等。 當用戶打開交互界面時，則在左手位置的空間中出現一個懸浮的造型定制功能面板，用戶可以通過右手控制器點擊面板上的功能按鍵，實時獲得不同造型、不同色彩的加工中心定制方案，其交互操作環(huán)境見圖2。

圖2 沉浸式交互定制界面Fig.2 Immersive interactive design interface

3.2 形態(tài)與色彩定制

在產品造型中， 形態(tài)是促進用戶產生消費決策的重要因素之一，在一定程度上，加工中心類產品的造型定制主要圍繞形態(tài)進行。這要求在模型設計與制作階段，將加工中心產品可以提供定制的零部件按模組全部生成三維數據文件，且按照實際裝配關系將零部件進行虛擬裝配。制作出的加工中心零部件模型數據按命名規(guī)則放入后臺，等候用戶交互調用。此時需要注意各零部件之間存在裝配關系，相同零部件的不同造型方案模型要求邊界一致，特別是與多個零件存在裝配關系的零部件， 一定要確保所有邊界均滿足裝配要求，如在加工中心三維模型中，箱體和底座之間、箱體與防護門之間都存在邊界裝配關系。

在文獻[5]中闡述過造型定制的基本原理，在Unreal Engine 中，實現邏輯基本相同，但實現手段更為高效，表現效果更為突出。 在Unreal Engine 中， 通過調用加工中心零件庫中的不同模型進行組合并顯示于交互場景中，從而獲得不同的造型方案。 用戶通過沉浸式操作界面進行交互，選擇不同方案進行組合，以選擇出用戶最為滿意的造型方案。 其實現原理為通過藍圖腳本控制模型對象數據的調用與重組、顯示與消隱，其邏輯，見圖3。 用戶在沉浸式的環(huán)境中， 可動態(tài)打開加工中心造型定制設計界面，以自然的方式進行交互操作，造型方案可以完美呈現在用戶所處的虛擬環(huán)境中。

圖3 形態(tài)定制原理Fig.3 The Principle of form customize

在Unreal Engine 中， 控制模型數據顯示與消隱不需要編輯復雜的代碼， 由系統自帶的藍圖腳本工具可以非常方便的實現，具體邏輯為：當左手VR 控制器菜單激活時，虛擬場景中出現定制菜單面板，定制菜單面板可隨左手控制器移動，處于自然懸浮狀態(tài)；右手控制器可以直接指點面板上的按鍵切換加工中心的各部分造型零件，在本系統中，支持加工中心箱體、底座、防護門及門把手的形態(tài)定制； 系統后臺根據藍圖代碼直接刪除目前場景中的目標模型，清空內存，并調用選中的模型及開啟顯示狀態(tài)，達到造型定制的目的，其形態(tài)定制藍圖腳本見圖4。

圖4 形態(tài)定制藍圖Fig.4 Form customize blueprint

企業(yè)在推出新產品時， 都會提供若干種配色方案供用戶選擇， 因此色彩定制也是定制系統中不可或缺的重要功能之一。在沉浸式交互操作過程中，色彩定制的視覺沖擊力更強。Unreal Engine 提供了強大的材質著色技術，其采用節(jié)點的材質編輯器可以快速生成具有物理屬性的模型外觀，獲得使用戶能夠近距離觀看的、像素級模型表面，以增強用戶瀏覽時的沉浸感。加工中心定制系統中各個零件模型均具有基于物理屬性的材質，其反光、陰影、透明及環(huán)境反射等都呈現良好的效果。 在本文采用的加工中心色彩設計中， 底座與主箱體部分色彩按機床行業(yè)慣例，已做好色彩配置，用戶無需參與設計，其余部分則可由用戶進行定制。進行色彩定制時，同樣由左控制器激活定制面板，右控制器直接點擊面板上的顏色球，即可達到色彩替換的效果。 其內部邏輯仍然是通過藍圖腳本切換零件模型的材質實現，更換色彩的藍圖腳本見圖5。 另外， 為了讓用戶在虛擬環(huán)境中獲得更深的沉浸感，所有操作面板全部整合在一起，并由左手控制器開啟或關閉。當控制面板關閉時，用戶可以在一個純粹的虛擬環(huán)境中游歷， 沉浸感和關注度都會顯著提高。

圖5 色彩定制藍圖Fig.5 Color customize blueprint

與傳統的圖形引擎工具相較，Unreal Engine 最顯著的特點是可提供逼真的物理場景效果， 其強大的光線追蹤、全局照明、動態(tài)陰影及局部強化反射等高級照明技術可以讓用戶置身于極度接近于真實的虛擬場景， 這些都進一步強化了用戶操作時的沉浸感。圖6 展示了用戶使用加工中心定制系統進行定制時，通過不同模塊重組后產生的不同形態(tài)與色彩方案。

圖6 形態(tài)與色彩定制方案Fig.6 Results of the form and color customize

3.3 系統發(fā)布

Unreal Engine 提供了一次創(chuàng)作， 多種平臺部署的強大支持， 可以直接發(fā)布面向Windows、Mac OS、Linux 等個人PC 設備， 也可以發(fā)布到基于Android 及Apple iOS 的移動設備，另外，Unreal Engine 原生支持Oculus VR、Steam VR、HoloLens、Magic Leap 等虛擬現實設備， 可根據各種平臺或設備特性提供高品質交互設計方案。為了使用戶獲得更好的沉浸感，本文所開發(fā)的加工中心造型定制系統首先選擇面向HTC VIVE 和QUEST 兩種設備發(fā)布。 HTC VIVE 可直接運行基于Windows 系統的VR 應用程序， 在發(fā)布時直接選擇64 位Windows 系統即可，本文中也采用了HTC VIVE 控制器模型作為虛擬場景中的交互模型，便于用戶理解；QUEST 是基于Android 的一體式虛擬現實頭盔，在發(fā)布時直接選擇Android 平臺即可。 用戶在使用時，借助虛擬現實頭盔和控制器即可獲得相對真實的沉浸感。

獲得高質量的沉浸感必須借助相應的VR 頭盔和控制器實現，在沒有相關設備的情況下，加工中心造型定制系統仍可以發(fā)布為面向顯示終端的應用程序， 可直接發(fā)布至Windows 系統使用鍵盤鼠標操作， 但需要重新制作一套面向普通顯示器的交互界面，見圖7，或發(fā)布至Android 及Apple iOS 手 機上通過手勢進行交互定制。 這種方式可面向更廣泛的普通計算機和手機設備， 但會大幅度削弱用戶使用時的沉浸感， 在沒有VR 設備的情況下，可臨時使用。

圖7 非沉浸式的定制界面Fig.7 Non-Immersive interactive design interface

4 結束語

通過基于新型虛擬現實設備開發(fā)加工中心的造型定制系統， 用戶可以在完全沉浸的狀態(tài)下， 通過更自然的交互方式進行加工中心各零部件的造型與色彩等方面的自由定制， 從而獲得具備個性化的產品造型方案。 該方法不僅能夠使用戶獲得良好的交互體驗，也增強了用戶對企業(yè)與產品的認識。該技術結合新型的虛擬現實設備， 可拓展并適用于各類產品，具有很強的應用前景和社會效益。