什么是虛擬現實?
虛擬現實(Virtual Reality),簡稱VR,就是把虛擬世界的東西呈現到你眼前。其實廣義上的虛擬現實是一個長期存在的概念。有人用電腦打游戲會陷入游戲中的虛擬現實,有人看電視會陷入劇情中的虛擬現實,有人想象力特別強,讀小說可以在腦海中構建出一個非常逼真的虛擬現實。所以廣義的虛擬現實是我們人類長久以來都能夠利用輸入和輸出的信息加上想象力構建出來的。狹義來說就是我們現在認為虛擬現實是專指封閉式VR頭顯看到的場景。
利用封閉式頭顯體驗虛擬現實
在漫長的人類文明發展史中,人類一直在探索利用科技增強人類的潛能。機器通過延伸人的物理極限,開啟了人類的工業化文明,例如汽車是人類腳步的延伸,洗衣機是人類手臂的延伸,計算機的發明則是人類大腦的延伸。回顧人類過去,收音機相對于報紙可以在更多場景提供體驗的機會,并且能夠通過語氣傳遞更好的體驗;電腦相對于電視賦予了人類創造的機會;智能手機讓創造和體驗無處不在。
從總體趨勢來看,能夠從更多維度或者更深層次滿足人類創造和體驗的愿望,順應了輸入/輸出設備的發展史。與電腦和手機不同,虛擬現實頭顯是戴在頭上的,從理論上來說除了傳統的輸入方式,人類的腦電波都可以用來輸入,創造的潛力是有很大空間的。而未來的虛擬現實技術,將從視覺、聽覺、觸覺、嗅覺、運動感等等方面不斷延伸,創造出一個讓人難以分辨的虛擬世界。
虛擬現實技術最大的優勢在于3D場景的逼真給我們提供了"沉浸感",圖像和聲音都是3D的,未來甚至還可以增加嗅覺和觸覺,多維度多層次地提升人類在虛擬現實的體驗。虛擬現實與3D打印的結合,在眾多領域里能夠為人們帶來直觀逼真的解決方案。
虛擬現實與3D打印完美銜接
在開展一項復雜的外科手術之前,醫生會通過醫學影像對患者的解剖結構進行分析,并制定手術方案。二維的醫學影像在表達人體解剖學中存在的復雜3D關系方面存在一定局限性,醫生需要在腦中集成一系列2D圖像,并提取定義組織或器官及其鄰近的解剖結構。
隨著計算機科學的發展,數字化的3D醫學影像已成為醫生進行手術規劃、手術模擬的重要工具。專業的醫學3D軟件能夠將斷層醫學圖像轉化為數字化的3D模型。這些模型隨后可以通過3D打印變成實體,方便醫生進行手術規劃和演練。虛擬現實技術是一種新興的3D醫學影像解決方案,通過交互式的全息3D醫療模型使醫生直觀的進行手術規劃和模擬。
美國EchoPixel公司開發了一套醫療VR解決方案True 3D,是一款可以集成到DICOM診斷級工作站中并且能實時交互的VR系統。在True 3D系統和3D眼鏡的幫助下,人體內部器官能夠以全息3D圖像的形式出現在屏幕中。醫生在這個虛擬空間中,從各個角度檢查患者的解剖結構。這些3D圖像信息可以根據要求進行定制,醫生在操作時可以對圖像進行縮放,也可以將患者的掃描圖像進行提取,或者是用3D打印機打印出來,以進行進一步研究。通過這種方式,醫生更容易檢查出患者體內出現的病變。
醫生觀察3D圖像信息
EchoPixel公司表示,該技術對于新生兒心臟手術尤其有幫助。醫生可以在VR系統中對微小的新生兒心臟模型進行放大,從而更加清晰和快速的分析病情。臨床研究顯示,醫生通過該技術確診90%以上患有先天性心臟病的新生兒的時間比原來縮短了40%。 除了疾病分析和診斷功能,醫生通過該系統還可以快速計算出手術中需要放置的心血管支架的大小。
在2017年的巴塞羅那先進設施展會上,西班牙Eurecat技術中心揭示了一款開創性的新3D打印機。新機器結合了VR技術,能虛擬現實呈現3D打印作業,從而可實現實時監控。這款3D打印機有一個屏幕,通過它,操作員可在一個虛擬現實環境中觀察打印作業。這一點對于進行大規模3D打印生產的工廠尤其有用。操作員可以在打印過程中的任何一個時間點上監控3D對象,并執行任何必要的檢查或干預。打印對象的幾何或材料性狀信息將一目了然。我們相信下一代制造工廠將在所有領域整合入3D打印、虛擬或增強現實等前瞻性技術。
通過虛擬現實實現實時監控的3D打印機
在汽車制造業中,虛擬現實技術就已經在設計、零部件制造、組裝甚至是銷售環節都有所運用。很多傳統制造業的汽車廠商也更樂于接受新技術為自己帶來的變革。下面就讓我們一起看看虛擬現實技術與3D打印在汽車制造中能發揮哪些作用。
外觀設計
在汽車設計階段,廠商可以利用VR技術得到1比1的仿真感受,對車身數據進行分層處理,根據不同的部位和需要達到的不同感受選用材質,設置不同的光照效果,達到高度仿真的目的。然后還可以對該模型進行動態實時交互,改變配色、軸距、背景以及查看細節特征結構。從多個角度全面觀察,并實時進行調整,從而使整個評審過程簡單、明了,使抽象的概念具象化、模糊的印象清晰化。
內飾設計
除了外觀和材質,在汽車內部的人機交互部件設計也同樣可以讓虛擬現實技術發揮作用。包括座椅、轉向盤、變速桿、指示燈、后視鏡、刮水器、車門手柄、多媒體娛樂以及空調等都可以利用虛擬現實技術進行設計。
設計師可以借助VR數據手套設計開發。開閉件的合理性、上下車的便利性,以及人機界面操作的合理性、便捷性,都可以有效地在虛擬現實中獲得直觀真實的感受。通過虛擬工具,人們可以坐在汽車的座椅上,看到真實的駕駛室布置,觀察各式各樣的儀表板、變速桿及附屬裝置,可以檢查座椅的高低是否合適、儀表的按鍵是否在手可及的范圍內、手指操作是否方便,以及車內采光效果如何等,從而進行更細致專業的調整。
安全測試
在福特的汽車生產線上,公司將虛擬現實技術與人體工程學設計相結合,通過收集數據和使用計算機模型來預測裝配工作中的身體碰撞。通過測量每名生產線上的工人,幫助識別運動可能會導致的過度疲勞、勞損或受傷。
每輛車在發布前要做平均900個虛擬裝配任務的研究。研究團隊使用全身動作捕捉技術跟蹤每個員工手臂、背部、腿和軀干的平衡和受力,3D打印技術用于確認間隙大小不同的手的握力點。迄今為止,福特的生物工程學家在全球超過100輛新車上進行過,優化減少了90%的過度動作、難以解決的問題和難以安裝部件的問題,并且減少了70%的工傷率。
工程師在進行安全測試
原型車測試
在福特的FIVE實驗室,可以看到一款虛擬現實原型車,并且配備了80英寸4K顯示器和計算機平臺,汽車只有一個座位和方向盤。使用者戴上VR眼鏡和一只手套,遍布墻壁的19個運動跟蹤攝像頭會對其進行監測,以獲得佩戴者頭部的精確位置和方向。戴上眼鏡后,用戶可以加載車輛CAD模型,將它們置于不同的環境中,然后在汽車周圍走動就好像自己身處陳列室一樣。
坐入測試平臺后,用戶可以體驗汽車的內部情況,這感覺完全像是坐在一輛真正的汽車中,其細節是非凡的。用戶還可以把頭伸到引擎蓋里檢查發動機,CAD模型足夠詳細,包括了發動機的內部機制和車內裝飾。在完成模型或其他物理原型前,福特會使用這個虛擬平臺來測試CAD設計的質量、工程問題、適配和完成情況。
福特FIVE實驗室里的虛擬現實原型車
銷售環節選配置
德國汽車廠商奧迪在銷售環境也融入了虛擬現實技術。使用虛擬現實頭戴設備可以看到很多可供用戶選擇的汽車自定義選項,包括顏色、皮革、鑲嵌飾物和信息娛樂系統。用戶只需移動他們的頭部,就好像在車內環顧四周一樣,頭戴設備的顯示屏上將顯示該車內部的環境。
虛擬現實技術運用于銷售環境
3D打印機的建模軟件一般都有比較高的門檻,開發平易近人的VR建模系統將會極大方便用戶。就在2017年6月,3D打印機制造商XYZprinting宣布與HTC Vive合作,使用戶能夠利用VR設計3D模型。先使用XYZprinting的3D掃描儀對任何喜歡的圖像進行成像,然后通過Google Tilt Brush等將掃描導入VR軟件然后創建新的VR內容。另外杭州空靈智能、北京毛豆科技也陸續推出了VR建模軟件。通過VR眼鏡實現全真視角，可以第一人稱視角進行建模體驗。對于3D建模零基礎、缺乏立體空間思維的用戶，VR建模軟件是一把有力的武器，使原本沒有建模能力的部分群體也能夠體驗科技的力量。
利用VR進行3D建模
