什么是虚拟现实?
虚拟现实(Virtual Reality),简称VR,就是把虚拟世界的东西呈现到你眼前。其实广义上的虚拟现实是一个长期存在的概念。有人用电脑打游戏会陷入游戏中的虚拟现实,有人看电视会陷入剧情中的虚拟现实,有人想象力特别强,读小说可以在脑海中构建出一个非常逼真的虚拟现实。所以广义的虚拟现实是我们人类长久以来都能够利用输入和输出的信息加上想象力构建出来的。狭义来说就是我们现在认为虚拟现实是专指封闭式VR头显看到的场景。
利用封闭式头显体验虚拟现实
在漫长的人类文明发展史中,人类一直在探索利用科技增强人类的潜能。机器通过延伸人的物理极限,开启了人类的工业化文明,例如汽车是人类脚步的延伸,洗衣机是人类手臂的延伸,计算机的发明则是人类大脑的延伸。回顾人类过去,收音机相对于报纸可以在更多场景提供体验的机会,并且能够通过语气传递更好的体验;电脑相对于电视赋予了人类创造的机会;智能手机让创造和体验无处不在。
从总体趋势来看,能够从更多维度或者更深层次满足人类创造和体验的愿望,顺应了输入/输出设备的发展史。与电脑和手机不同,虚拟现实头显是戴在头上的,从理论上来说除了传统的输入方式,人类的脑电波都可以用来输入,创造的潜力是有很大空间的。而未来的虚拟现实技术,将从视觉、听觉、触觉、嗅觉、运动感等等方面不断延伸,创造出一个让人难以分辨的虚拟世界。
虚拟现实技术最大的优势在于3D场景的逼真给我们提供了"沉浸感",图像和声音都是3D的,未来甚至还可以增加嗅觉和触觉,多维度多层次地提升人类在虚拟现实的体验。虚拟现实与3D打印的结合,在众多领域里能够为人们带来直观逼真的解决方案。
虚拟现实与3D打印完美衔接
在开展一项复杂的外科手术之前,医生会通过医学影像对患者的解剖结构进行分析,并制定手术方案。二维的医学影像在表达人体解剖学中存在的复杂3D关系方面存在一定局限性,医生需要在脑中集成一系列2D图像,并提取定义组织或器官及其邻近的解剖结构。
随着计算机科学的发展,数字化的3D医学影像已成为医生进行手术规划、手术模拟的重要工具。专业的医学3D软件能够将断层医学图像转化为数字化的3D模型。这些模型随后可以通过3D打印变成实体,方便医生进行手术规划和演练。虚拟现实技术是一种新兴的3D医学影像解决方案,通过交互式的全息3D医疗模型使医生直观的进行手术规划和模拟。
美国EchoPixel公司开发了一套医疗VR解决方案True 3D,是一款可以集成到DICOM诊断级工作站中并且能实时交互的VR系统。在True 3D系统和3D眼镜的帮助下,人体内部器官能够以全息3D图像的形式出现在屏幕中。医生在这个虚拟空间中,从各个角度检查患者的解剖结构。这些3D图像信息可以根据要求进行定制,医生在操作时可以对图像进行缩放,也可以将患者的扫描图像进行提取,或者是用3D打印机打印出来,以进行进一步研究。通过这种方式,医生更容易检查出患者体内出现的病变。
医生观察3D图像信息
EchoPixel公司表示,该技术对于新生儿心脏手术尤其有帮助。医生可以在VR系统中对微小的新生儿心脏模型进行放大,从而更加清晰和快速的分析病情。临床研究显示,医生通过该技术确诊90%以上患有先天性心脏病的新生儿的时间比原来缩短了40%。 除了疾病分析和诊断功能,医生通过该系统还可以快速计算出手术中需要放置的心血管支架的大小。
在2017年的巴塞罗那先进设施展会上,西班牙Eurecat技术中心揭示了一款开创性的新3D打印机。新机器结合了VR技术,能虚拟现实呈现3D打印作业,从而可实现实时监控。这款3D打印机有一个屏幕,通过它,操作员可在一个虚拟现实环境中观察打印作业。这一点对于进行大规模3D打印生产的工厂尤其有用。操作员可以在打印过程中的任何一个时间点上监控3D对象,并执行任何必要的检查或干预。打印对象的几何或材料性状信息将一目了然。我们相信下一代制造工厂将在所有领域整合入3D打印、虚拟或增强现实等前瞻性技术。
通过虚拟现实实现实时监控的3D打印机
在汽车制造业中,虚拟现实技术就已经在设计、零部件制造、组装甚至是销售环节都有所运用。很多传统制造业的汽车厂商也更乐于接受新技术为自己带来的变革。下面就让我们一起看看虚拟现实技术与3D打印在汽车制造中能发挥哪些作用。
外观设计
在汽车设计阶段,厂商可以利用VR技术得到1比1的仿真感受,对车身数据进行分层处理,根据不同的部位和需要达到的不同感受选用材质,设置不同的光照效果,达到高度仿真的目的。然后还可以对该模型进行动态实时交互,改变配色、轴距、背景以及查看细节特征结构。从多个角度全面观察,并实时进行调整,从而使整个评审过程简单、明了,使抽象的概念具象化、模糊的印象清晰化。
内饰设计
除了外观和材质,在汽车内部的人机交互部件设计也同样可以让虚拟现实技术发挥作用。包括座椅、转向盘、变速杆、指示灯、后视镜、刮水器、车门手柄、多媒体娱乐以及空调等都可以利用虚拟现实技术进行设计。
设计师可以借助VR数据手套设计开发。开闭件的合理性、上下车的便利性,以及人机界面操作的合理性、便捷性,都可以有效地在虚拟现实中获得直观真实的感受。通过虚拟工具,人们可以坐在汽车的座椅上,看到真实的驾驶室布置,观察各式各样的仪表板、变速杆及附属装置,可以检查座椅的高低是否合适、仪表的按键是否在手可及的范围内、手指操作是否方便,以及车内采光效果如何等,从而进行更细致专业的调整。
安全测试
在福特的汽车生产线上,公司将虚拟现实技术与人体工程学设计相结合,通过收集数据和使用计算机模型来预测装配工作中的身体碰撞。通过测量每名生产线上的工人,帮助识别运动可能会导致的过度疲劳、劳损或受伤。
每辆车在发布前要做平均900个虚拟装配任务的研究。研究团队使用全身动作捕捉技术跟踪每个员工手臂、背部、腿和躯干的平衡和受力,3D打印技术用于确认间隙大小不同的手的握力点。迄今为止,福特的生物工程学家在全球超过100辆新车上进行过,优化减少了90%的过度动作、难以解决的问题和难以安装部件的问题,并且减少了70%的工伤率。
工程师在进行安全测试
原型车测试
在福特的FIVE实验室,可以看到一款虚拟现实原型车,并且配备了80英寸4K显示器和计算机平台,汽车只有一个座位和方向盘。使用者戴上VR眼镜和一只手套,遍布墙壁的19个运动跟踪摄像头会对其进行监测,以获得佩戴者头部的精确位置和方向。戴上眼镜后,用户可以加载车辆CAD模型,将它们置于不同的环境中,然后在汽车周围走动就好像自己身处陈列室一样。
坐入测试平台后,用户可以体验汽车的内部情况,这感觉完全像是坐在一辆真正的汽车中,其细节是非凡的。用户还可以把头伸到引擎盖里检查发动机,CAD模型足够详细,包括了发动机的内部机制和车内装饰。在完成模型或其他物理原型前,福特会使用这个虚拟平台来测试CAD设计的质量、工程问题、适配和完成情况。
福特FIVE实验室里的虚拟现实原型车
销售环节选配置
德国汽车厂商奥迪在销售环境也融入了虚拟现实技术。使用虚拟现实头戴设备可以看到很多可供用户选择的汽车自定义选项,包括颜色、皮革、镶嵌饰物和信息娱乐系统。用户只需移动他们的头部,就好像在车内环顾四周一样,头戴设备的显示屏上将显示该车内部的环境。
虚拟现实技术运用于销售环境
3D打印机的建模软件一般都有比较高的门槛,开发平易近人的VR建模系统将会极大方便用户。就在2017年6月,3D打印机制造商XYZprinting宣布与HTC Vive合作,使用户能够利用VR设计3D模型。先使用XYZprinting的3D扫描仪对任何喜欢的图像进行成像,然后通过Google Tilt Brush等将扫描导入VR软件然后创建新的VR内容。另外杭州空灵智能、北京毛豆科技也陆续推出了VR建模软件。通过VR眼镜实现全真视角，可以第一人称视角进行建模体验。对于3D建模零基础、缺乏立体空间思维的用户，VR建模软件是一把有力的武器，使原本没有建模能力的部分群体也能够体验科技的力量。
利用VR进行3D建模