虚拟现实，用数字技术诠释生产力

　　生产一架飞机有多复杂？还在画图纸、做模型、建风洞？太繁琐了。而今，这些步骤都已经被搬入IT系统，实现了全数字化的工业制造。

　　电影《少数派报告》中有着这样一个情节：主人公在空中用手指挥舞了几下，很快，在他面前凭空出现了一个虚拟的立体城市。通过手指拖拽，这座城市可以旋转，也可以被放大缩小、变换视角。

　　与之类似的场景已经无数次地被科幻电影导演们搬上银幕。但是从今天起，如果再有科幻电影运用这样的桥段，那么我们可以毫不犹豫地认为，这个电影的导演已经落伍了。因为，这类应用已经实实在在地来到我们的身边，而不再是科学幻想。

　　IT技术植入工业设计

　　这类将使用者所见以三维立体呈现出来的技术被称为虚拟现实（Virtual Reality）。利用信息技术，虚拟现实可以逼真地描绘出视、听和嗅觉，并允许使用者以更自然的方式与虚拟世界进行交互。虚拟现实融合了计算机图形、计算机仿真、人工智能、传感、显示以及网络并行处理等多种技术门类，是IT技术发展的一个综合体。

　　在虚拟现实发展的基础上，又随之诞生了名为增强现实（Augmented Reality）的概念。与虚拟现实着重用户在虚拟世界的沉浸感不同，增强现实主要强调将所创造的虚拟物体与真实世界结合，而并不隔断人与真实世界的联系。现在大热的谷歌眼镜（Google Glasses），就是增强现实的一种体现。数据显示，到2016年预计全球增强现实领域相关产品的市场规模将达到51.5亿美元，5年间的年复合增长率为95.3%。

　　近年来，随着相关技术的逐渐成熟，增强现实和虚拟现实技术的应用日益广泛。特别是在工业设计、工业制造领域，这两类技术发挥了巨大的作用。

　　最早让虚拟现实技术大显身手的，是在交通工具设计方面。大名鼎鼎的波音777客机在设计阶段就采用了虚拟现实技术，实现了无图纸设计和制造。借此，波音的工程师们可以在产品的设计阶段，就徜徉于这台飞机之中，审视各方面的设计，并随时从300多万块零部件中调取任意一个进行修改。甚至于，在虚拟现实技术的帮助下，飞机制造公司还可以对产品的性能进行物理仿真、动力仿真，并借此测试产品的可靠性。

　　与之相比，在设计707客机时，波音公司花费50万美元搭建1：1客舱模型的做法就显得不是那么经济实惠了。有数据显示，使用虚拟现实技术设计飞机座舱，可以使设计周期从两年缩短到两个半月。

　　除了在设计中应用虚拟现实技术以外，波音公司也在将增强现实技术引入产品制造之中。在波音计算机服务研究和技术组的研究成果中，就包含了利用增强现实技术进行飞机内部电力线缆连接以及装配适配器的部分。通过这一研究，一个从没受过相关培训的工人也可以胜任相关工作。显而易见，这节省了大量的培训经费。

　　如何与工业整合

　　虚拟现实和增强现实技术为产品设计和制造过程提供了更为贴近实际的仿真环境，业内普遍认为，采用这两项技术能够有效提高效率，控制产品上市的时间和成本，增强企业的竞争力。这一点在当今应用模式快速变化的社会中极为重要。

　　目前来看，这两项技术大多被应用于产品的造型和装配设计中。在产品设计上，虚拟现实技术能够提供极为接近真实物品的形状、外观，甚至是材质表现，并可以实现即改即现的效果。这不仅降低了设计的复杂度，同时也节省了时间和金钱。

　　而从装配上，虚拟现实可以灵活对产品进行组装、分解和构造展现，解决了传统制造中的一个大难题：零件不匹配。这种预先的虚拟检验过程，避免了不必要的浪费。这一部分内容在工业领域非常重要，以至于还出现了一个专有的名词——虚拟装配设计（Virtual Assembly Design）。借助虚拟装配设计系统，设计人员可以在虚拟环境中使用各种装配工具对产品进行装配检验。虚拟装配设计技术包含了多种基础技术，除了虚拟现实技术以外，还包括CAD技术、仿真技术、高级可视化技术、装配制造工艺及工具开发等，

　　目前，在虚拟现实和增强现实技术与工业、制造业结合的领域，德国和美国表现得非常积极。德国帕德博恩大学、Heinz Nixdorf研究所、亚琛工大、Fraunhofer和慕尼黑工大研究所等德国高校和科研部门很早就已经设立了相关的科研项目。同时，包括博世、空中客车、宝马、大众等知名企业也都在就此进行投资。这些德国高校和企业在这方面一直保持着紧密的合作关系。

　　在美国，麻省理工大学专门成立了图象导航外科手术室，哥伦比亚大学则拥有自己的图形和用户交互实验室。目前在虚拟现实和增强现实业界盛行的一款名为ARToolkit的快速开发开源软件，也来自于美国人的实验室项目。

　　目前，除了ARToolkit以外，虚拟现实领域还拥有着自己的通用编程语言VRML（Virtual Reality Modeling Language，虚拟现实建模语言）。可以说，这个领域的技术根基已经非常成熟。

　　通过对虚拟现实和增强现实技术的运用，企业不仅可以在工业设计和制造的初期构造起廉价的数字模型，对产品进行分析和改进，而且还能够获得产品运行的模拟实验数据（包括装配流程、装配轨迹、装配公差、零件特性数据、零件方向等）。利用这些数据，企业可以对产品的生产流程、工艺机械进行规划。即使在百密一疏的情况下出现问题，利用虚拟现实技术，企业也能更好对问题进行回溯、拆解和逆向。

　　经过以上这些流程，企业能够更加合理有效地安排产品的生产计划，减少库存。目前来看，在工业领域，尽管虚拟现实技术还存在着人机交互性不足、与CAD系统数据接口不统一、产生数据量过大等问题，但是瑕不掩瑜，从长远来看，这一技术已经成为工业生产中的必然组成元素。

　　通过对虚拟现实和增强现实技术的运用，企业不仅可以在工业设计和制造的初期构造起廉价的数字模型，对产品进行分析和改进，而且还能够获得产品运行的模拟实验数据。利用这些数据，企业可以对产品的生产流程、工艺机械进行规划。

　　本报记者 李旭阳

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