工業(yè)產(chǎn)品虛擬現(xiàn)實成本管理

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一、虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的關鍵技術及成本構成

虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的關鍵技術及成本構成主要包括以下幾個方面：

1.動態(tài)環(huán)境建模技術：虛擬環(huán)境的建立是虛擬現(xiàn)實技術的核心內(nèi)容。動態(tài)環(huán)境建模技術的目的是獲取實際環(huán)境的三維數(shù)據(jù)，并根據(jù)應用的需要，利用獲取的三維數(shù)據(jù)建立相應的虛擬環(huán)境模型。三維數(shù)據(jù)的獲取可以采用CAD技術（有規(guī)則的環(huán)境），而更多的環(huán)境則需要采用非接觸式的視覺建模技術，兩者的有機結合可以有效地提高數(shù)據(jù)獲取的效率。這里的開發(fā)成本主要表現(xiàn)為環(huán)境三維模型和貼圖帶來的系統(tǒng)空間及時間占用，如果不能較好的優(yōu)化模型和貼圖將會嚴重影響整個系統(tǒng)的視覺效果及運行速度，大量浪費計算機系統(tǒng)資源，甚至導致復雜場景環(huán)境無法實現(xiàn)。

2.實時三維圖形生成技術：三維圖形的生成技術已經(jīng)較為成熟，其關鍵是如何實現(xiàn)“實時”生成。為了達到實時的目的，至少要保證圖形的刷新率不低于15楨/秒，最好是高于30楨/秒。在不降低圖形的質(zhì)量和復雜度的前提下，如何提高刷新頻率將是該技術的研究內(nèi)容。隨著新一代高性能圖形處理器三維渲染技術的實用化，經(jīng)過適當優(yōu)化模型貼圖的虛擬環(huán)境實時生成已不再是系統(tǒng)設計的成本瓶頸了—大多數(shù)主流圖形處理器已可以輕松勝任此項任務，不必再增加額外的開發(fā)成本。

3.立體顯示和傳感器技術：虛擬現(xiàn)實的交互能力依賴于立體顯示和傳感器技術的發(fā)展。現(xiàn)有的傳感器技術還遠遠不能滿足系統(tǒng)的需要。例如，數(shù)據(jù)手套有延遲大、分辨率低、作用范圍小、使用不便等缺點；虛擬現(xiàn)實設備的跟蹤精度和跟蹤范圍也有待提高，因此有必要開發(fā)新的三維顯示技術。由此可見，現(xiàn)有的立體顯示和傳感器技術還遠遠不能滿足高仿真度虛擬環(huán)境的構建要求，并且由于技術的不成熟性還極大的提高了系統(tǒng)開發(fā)的成本。據(jù)統(tǒng)計系統(tǒng)開發(fā)成本的40%以上將消耗在該方面，因此是低成本虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)開發(fā)必須解決的問題。

3.仿真控制技術：自然環(huán)境中的各物體之間是有相互作用的，簡單的說就是各種力場的存在特性。幾乎所有的運動和交互動作都要涉及到約束力學，這意味著仿真環(huán)境及身處其中的用戶應該在合理的作用力影響下活動。因此虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)需要模擬環(huán)境中出現(xiàn)的大量物體的材料及物理力學特性，單從需要仿真的數(shù)量及類型上看就會極大地增加系統(tǒng)實際的工作量及成本，更何況虛擬環(huán)境中物體之間紛繁復雜的相互影響關系了。事實上針對這些問題現(xiàn)代工程物理學也沒有一種簡單有效的解決方法，故而要想找到合理簡單的數(shù)學模型并最終形成算法是虛擬現(xiàn)實技術的重要研究方向。就目前的情況來看仿真度要求越高算法的實現(xiàn)就越困難，系統(tǒng)開發(fā)成本就越巨大。

4.系統(tǒng)集成技術：由于虛擬現(xiàn)實中包括大量的感知信息和模型，因此系統(tǒng)的集成技術起著至關重要的作用。集成技術包括信息的同步技術、模型的標定技術、數(shù)據(jù)轉換技術、數(shù)據(jù)管理模型、識別和合成技術等等。目前的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)開發(fā)通常都是單獨開發(fā)相關的部分，致使系統(tǒng)存在開發(fā)難度及工作量巨大、可重復利用率低、通用性差等缺陷，這也是系統(tǒng)開發(fā)中成本高昂的重要原因之一。

二、虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的構成

虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的設計開發(fā)須涉及到人工智能、計算機科學、電子學、傳感器、計算機圖形學、智能控制等多個學科，一般來說完整的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)由以下幾部分構成：

1.傳感器模塊：是用戶與虛擬環(huán)境的接口，一方面接受用戶的操作并將其作用于虛擬環(huán)境；另一方面將操作結果以綜合形式反饋給用戶，使用戶形成對虛擬環(huán)境的感知。

2.檢測模塊：用于檢測分析由傳感器模塊接收到的用戶操作，并將其轉換為系統(tǒng)操作指令傳輸給控制模塊操控虛擬環(huán)境。

控制模塊：是仿真系統(tǒng)的核心部分，既可以仿真控制虛擬環(huán)境以應對用戶操作，又可以將虛擬環(huán)境的反饋通過反饋模塊控制傳感器使用戶獲得仿真體驗。

3.反饋模塊：接收來自控制模塊的處理信息為用戶提供實時反饋。

4.建模模塊：獲得現(xiàn)實世界的三維表示，并由此構成對應的虛擬環(huán)境。

三、低成本化虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)解決方案分析

使虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)在工業(yè)產(chǎn)品設計生產(chǎn)方面無法大規(guī)模應用的高昂開發(fā)成本，主要來源于高精度三維環(huán)境模擬，高度真實的動力學仿真設計及高度沉浸感的交互式感覺器及三維顯示技術等幾個方面。綜合來看，虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)對虛擬環(huán)境及虛擬交互的仿真度要求越高則系統(tǒng)的開發(fā)成本就越大，因此有必要提出適度仿真的概念，以解決當前高成本阻礙應用的問題，至于完善的問題盡可以在應用擴展的同時，隨著技術的發(fā)展逐漸解決。

首先，合理的選擇虛擬三維環(huán)境模型的建模方式和優(yōu)化方法就可以大大節(jié)省對系統(tǒng)資源的消耗，如手工建模方式中的可編輯多邊形建模，就可以在環(huán)境或物體尺寸精度要求不高的情況下，以少量的多邊形網(wǎng)格和極少的代價獲得非常精致的視覺效果，而使用有效的優(yōu)化方法還可以進一步提高網(wǎng)格的效率。同時選擇通用化成熟的商品建模工具也可以大大提高建模的效率，使原來用編輯手段實現(xiàn)的效果開發(fā)變得簡單、快捷，這就大大降低了相應的成本消耗。

其次，在工業(yè)產(chǎn)品的大多數(shù)虛擬現(xiàn)實應用中，降低對傳感器及立體顯示的似真度要求也可以在降低成本的前提下保持相對較好的環(huán)境沉浸感，比如，技術比較成熟的環(huán)幕顯示技術，虛擬洞穴顯示技術雖然還不是立體顯示技術，但其視覺效果已可以滿足大多數(shù)的沉浸交互應用了，而使用傳統(tǒng)的鼠標指點設備代替復雜的數(shù)據(jù)手套等高技術傳感器，雖然對用戶的沉浸體驗有很大的影響，但依然可以滿足大多數(shù)的低成本系統(tǒng)的要求，而開發(fā)成本卻可以極大下降。

在力學仿真方面，可以通過降低系統(tǒng)的粒度即降低系統(tǒng)復雜度來達到適度仿真的目的，也就是說可以只仿真最主要的力場相互作用，而使用模仿動力學如預設動畫來處理非關鍵相互作用，就可以大大降低仿真設計的復雜度，從而控制成本，當然，粒度的選擇要依據(jù)實際問題進行精確的優(yōu)化和選擇。

最后，使用成熟的系統(tǒng)集成來臺可以避免重復開發(fā)帶來的巨大成本和時間消耗，增加系統(tǒng)的復用率及通用性，此類系統(tǒng)通常都可以提供相當理想的實時渲染引擎及靈活開放的設計架構，對系統(tǒng)開發(fā)的管理和接口控制也能提供低成本的支持，因此是實現(xiàn)低成本的可靠保障。

【摘要】虛擬現(xiàn)實與仿真技術在工業(yè)產(chǎn)品設計生產(chǎn)方面的應用有十分廣闊的前景。仿真難度大、成本高昂是此類系統(tǒng)應用的主要障礙，適度仿真及高效的解決方案是實現(xiàn)低成本化的關鍵。

【關鍵詞】虛擬現(xiàn)實適度仿真低成本化

虛擬現(xiàn)實技術(簡稱VR技術)是基于計算機技術及數(shù)據(jù)處理技術的沉浸式交互技術，也就是基于計算機技術等現(xiàn)代科技，人為產(chǎn)生的可以綜合感知以模擬特定環(huán)境的虛擬交互技術。用戶可以借助相應的設備以人類自然的方式與虛擬環(huán)境對象進行交互影響，從而產(chǎn)生類似真實環(huán)境的體驗。