什么是虛擬現(xiàn)實(shí)?

虛擬現(xiàn)實(shí)(Virtual Reality),簡(jiǎn)稱VR,就是把虛擬世界的東西呈現(xiàn)到你眼前。其實(shí)廣義上的虛擬現(xiàn)實(shí)是一個(gè)長(zhǎng)期存在的概念。有人用電腦打游戲會(huì)陷入游戲中的虛擬現(xiàn)實(shí),有人看電視會(huì)陷入劇情中的虛擬現(xiàn)實(shí),有人想象力特別強(qiáng),讀小說(shuō)可以在腦海中構(gòu)建出一個(gè)非常逼真的虛擬現(xiàn)實(shí)。所以廣義的虛擬現(xiàn)實(shí)是我們?nèi)祟愰L(zhǎng)久以來(lái)都能夠利用輸入和輸出的信息加上想象力構(gòu)建出來(lái)的。狹義來(lái)說(shuō)就是我們現(xiàn)在認(rèn)為虛擬現(xiàn)實(shí)是專指封閉式VR頭顯看到的場(chǎng)景。

利用封閉式頭顯體驗(yàn)虛擬現(xiàn)實(shí)

在漫長(zhǎng)的人類文明發(fā)展史中,人類一直在探索利用科技增強(qiáng)人類的潛能。機(jī)器通過(guò)延伸人的物理極限,開(kāi)啟了人類的工業(yè)化文明,例如汽車是人類腳步的延伸,洗衣機(jī)是人類手臂的延伸,計(jì)算機(jī)的發(fā)明則是人類大腦的延伸。回顧人類過(guò)去,收音機(jī)相對(duì)于報(bào)紙可以在更多場(chǎng)景提供體驗(yàn)的機(jī)會(huì),并且能夠通過(guò)語(yǔ)氣傳遞更好的體驗(yàn);電腦相對(duì)于電視賦予了人類創(chuàng)造的機(jī)會(huì);智能手機(jī)讓創(chuàng)造和體驗(yàn)無(wú)處不在。

從總體趨勢(shì)來(lái)看,能夠從更多維度或者更深層次滿足人類創(chuàng)造和體驗(yàn)的愿望,順應(yīng)了輸入/輸出設(shè)備的發(fā)展史。與電腦和手機(jī)不同,虛擬現(xiàn)實(shí)頭顯是戴在頭上的,從理論上來(lái)說(shuō)除了傳統(tǒng)的輸入方式,人類的腦電波都可以用來(lái)輸入,創(chuàng)造的潛力是有很大空間的。而未來(lái)的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù),將從視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)、嗅覺(jué)、運(yùn)動(dòng)感等等方面不斷延伸,創(chuàng)造出一個(gè)讓人難以分辨的虛擬世界。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)最大的優(yōu)勢(shì)在于3D場(chǎng)景的逼真給我們提供了"沉浸感",圖像和聲音都是3D的,未來(lái)甚至還可以增加嗅覺(jué)和觸覺(jué),多維度多層次地提升人類在虛擬現(xiàn)實(shí)的體驗(yàn)。虛擬現(xiàn)實(shí)與3D打印的結(jié)合,在眾多領(lǐng)域里能夠?yàn)槿藗儙?lái)直觀逼真的解決方案。

虛擬現(xiàn)實(shí)與3D打印完美銜接

在開(kāi)展一項(xiàng)復(fù)雜的外科手術(shù)之前,醫(yī)生會(huì)通過(guò)醫(yī)學(xué)影像對(duì)患者的解剖結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,并制定手術(shù)方案。二維的醫(yī)學(xué)影像在表達(dá)人體解剖學(xué)中存在的復(fù)雜3D關(guān)系方面存在一定局限性,醫(yī)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(jié)構(gòu)。

隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)的發(fā)展,數(shù)字化的3D醫(yī)學(xué)影像已成為醫(yī)生進(jìn)行手術(shù)規(guī)劃、手術(shù)模擬的重要工具。專業(yè)的醫(yī)學(xué)3D軟件能夠?qū)鄬俞t(yī)學(xué)圖像轉(zhuǎn)化為數(shù)字化的3D模型。這些模型隨后可以通過(guò)3D打印變成實(shí)體,方便醫(yī)生進(jìn)行手術(shù)規(guī)劃和演練。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是一種新興的3D醫(yī)學(xué)影像解決方案,通過(guò)交互式的全息3D醫(yī)療模型使醫(yī)生直觀的進(jìn)行手術(shù)規(guī)劃和模擬。

美國(guó)EchoPixel公司開(kāi)發(fā)了一套醫(yī)療VR解決方案True 3D,是一款可以集成到DICOM診斷級(jí)工作站中并且能實(shí)時(shí)交互的VR系統(tǒng)。在True 3D系統(tǒng)和3D眼鏡的幫助下,人體內(nèi)部器官能夠以全息3D圖像的形式出現(xiàn)在屏幕中。醫(yī)生在這個(gè)虛擬空間中,從各個(gè)角度檢查患者的解剖結(jié)構(gòu)。這些3D圖像信息可以根據(jù)要求進(jìn)行定制,醫(yī)生在操作時(shí)可以對(duì)圖像進(jìn)行縮放,也可以將患者的掃描圖像進(jìn)行提取,或者是用3D打印機(jī)打印出來(lái),以進(jìn)行進(jìn)一步研究。通過(guò)這種方式,醫(yī)生更容易檢查出患者體內(nèi)出現(xiàn)的病變。

醫(yī)生觀察3D圖像信息

EchoPixel公司表示,該技術(shù)對(duì)于新生兒心臟手術(shù)尤其有幫助。醫(yī)生可以在VR系統(tǒng)中對(duì)微小的新生兒心臟模型進(jìn)行放大,從而更加清晰和快速的分析病情。臨床研究顯示,醫(yī)生通過(guò)該技術(shù)確診90%以上患有先天性心臟病的新生兒的時(shí)間比原來(lái)縮短了40%。 除了疾病分析和診斷功能,醫(yī)生通過(guò)該系統(tǒng)還可以快速計(jì)算出手術(shù)中需要放置的心血管支架的大小。

在2017年的巴塞羅那先進(jìn)設(shè)施展會(huì)上,西班牙Eurecat技術(shù)中心揭示了一款開(kāi)創(chuàng)性的新3D打印機(jī)。新機(jī)器結(jié)合了VR技術(shù),能虛擬現(xiàn)實(shí)呈現(xiàn)3D打印作業(yè),從而可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控。這款3D打印機(jī)有一個(gè)屏幕,通過(guò)它,操作員可在一個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中觀察打印作業(yè)。這一點(diǎn)對(duì)于進(jìn)行大規(guī)模3D打印生產(chǎn)的工廠尤其有用。操作員可以在打印過(guò)程中的任何一個(gè)時(shí)間點(diǎn)上監(jiān)控3D對(duì)象,并執(zhí)行任何必要的檢查或干預(yù)。打印對(duì)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(lǐng)域整合入3D打印、虛擬或增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等前瞻性技術(shù)。

通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控的3D打印機(jī)

在汽車制造業(yè)中,虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)就已經(jīng)在設(shè)計(jì)、零部件制造、組裝甚至是銷售環(huán)節(jié)都有所運(yùn)用。很多傳統(tǒng)制造業(yè)的汽車廠商也更樂(lè)于接受新技術(shù)為自己帶來(lái)的變革。下面就讓我們一起看看虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與3D打印在汽車制造中能發(fā)揮哪些作用。

外觀設(shè)計(jì)

在汽車設(shè)計(jì)階段,廠商可以利用VR技術(shù)得到1比1的仿真感受,對(duì)車身數(shù)據(jù)進(jìn)行分層處理,根據(jù)不同的部位和需要達(dá)到的不同感受選用材質(zhì),設(shè)置不同的光照效果,達(dá)到高度仿真的目的。然后還可以對(duì)該模型進(jìn)行動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)交互,改變配色、軸距、背景以及查看細(xì)節(jié)特征結(jié)構(gòu)。從多個(gè)角度全面觀察,并實(shí)時(shí)進(jìn)行調(diào)整,從而使整個(gè)評(píng)審過(guò)程簡(jiǎn)單、明了,使抽象的概念具象化、模糊的印象清晰化。

內(nèi)飾設(shè)計(jì)

除了外觀和材質(zhì),在汽車內(nèi)部的人機(jī)交互部件設(shè)計(jì)也同樣可以讓虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)發(fā)揮作用。包括座椅、轉(zhuǎn)向盤、變速桿、指示燈、后視鏡、刮水器、車門手柄、多媒體娛樂(lè)以及空調(diào)等都可以利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

設(shè)計(jì)師可以借助VR數(shù)據(jù)手套設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)。開(kāi)閉件的合理性、上下車的便利性,以及人機(jī)界面操作的合理性、便捷性,都可以有效地在虛擬現(xiàn)實(shí)中獲得直觀真實(shí)的感受。通過(guò)虛擬工具,人們可以坐在汽車的座椅上,看到真實(shí)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(nèi)、手指操作是否方便,以及車內(nèi)采光效果如何等,從而進(jìn)行更細(xì)致專業(yè)的調(diào)整。

安全測(cè)試

在福特的汽車生產(chǎn)線上,公司將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與人體工程學(xué)設(shè)計(jì)相結(jié)合,通過(guò)收集數(shù)據(jù)和使用計(jì)算機(jī)模型來(lái)預(yù)測(cè)裝配工作中的身體碰撞。通過(guò)測(cè)量每名生產(chǎn)線上的工人,幫助識(shí)別運(yùn)動(dòng)可能會(huì)導(dǎo)致的過(guò)度疲勞、勞損或受傷。

每輛車在發(fā)布前要做平均900個(gè)虛擬裝配任務(wù)的研究。研究團(tuán)隊(duì)使用全身動(dòng)作捕捉技術(shù)跟蹤每個(gè)員工手臂、背部、腿和軀干的平衡和受力,3D打印技術(shù)用于確認(rèn)間隙大小不同的手的握力點(diǎn)。迄今為止,福特的生物工程學(xué)家在全球超過(guò)100輛新車上進(jìn)行過(guò),優(yōu)化減少了90%的過(guò)度動(dòng)作、難以解決的問(wèn)題和難以安裝部件的問(wèn)題,并且減少了70%的工傷率。

工程師在進(jìn)行安全測(cè)試

原型車測(cè)試

在福特的FIVE實(shí)驗(yàn)室,可以看到一款虛擬現(xiàn)實(shí)原型車,并且配備了80英寸4K顯示器和計(jì)算機(jī)平臺(tái),汽車只有一個(gè)座位和方向盤。使用者戴上VR眼鏡和一只手套,遍布?jí)Ρ诘?9個(gè)運(yùn)動(dòng)跟蹤攝像頭會(huì)對(duì)其進(jìn)行監(jiān)測(cè),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(huán)境中,然后在汽車周圍走動(dòng)就好像自己身處陳列室一樣。

坐入測(cè)試平臺(tái)后,用戶可以體驗(yàn)汽車的內(nèi)部情況,這感覺(jué)完全像是坐在一輛真正的汽車中,其細(xì)節(jié)是非凡的。用戶還可以把頭伸到引擎蓋里檢查發(fā)動(dòng)機(jī),CAD模型足夠詳細(xì),包括了發(fā)動(dòng)機(jī)的內(nèi)部機(jī)制和車內(nèi)裝飾。在完成模型或其他物理原型前,福特會(huì)使用這個(gè)虛擬平臺(tái)來(lái)測(cè)試CAD設(shè)計(jì)的質(zhì)量、工程問(wèn)題、適配和完成情況。

福特FIVE實(shí)驗(yàn)室里的虛擬現(xiàn)實(shí)原型車

銷售環(huán)節(jié)選配置

德國(guó)汽車廠商奧迪在銷售環(huán)境也融入了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)。使用虛擬現(xiàn)實(shí)頭戴設(shè)備可以看到很多可供用戶選擇的汽車自定義選項(xiàng),包括顏色、皮革、鑲嵌飾物和信息娛樂(lè)系統(tǒng)。用戶只需移動(dòng)他們的頭部,就好像在車內(nèi)環(huán)顧四周一樣,頭戴設(shè)備的顯示屏上將顯示該車內(nèi)部的環(huán)境。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)運(yùn)用于銷售環(huán)境

3D打印機(jī)的建模軟件一般都有比較高的門檻,開(kāi)發(fā)平易近人的VR建模系統(tǒng)將會(huì)極大方便用戶。就在2017年6月,3D打印機(jī)制造商XYZprinting宣布與HTC Vive合作,使用戶能夠利用VR設(shè)計(jì)3D模型。先使用XYZprinting的3D掃描儀對(duì)任何喜歡的圖像進(jìn)行成像,然后通過(guò)Google Tilt Brush等將掃描導(dǎo)入VR軟件然后創(chuàng)建新的VR內(nèi)容。另外杭州空靈智能、北京毛豆科技也陸續(xù)推出了VR建模軟件。通過(guò)VR眼鏡實(shí)現(xiàn)全真視角，可以第一人稱視角進(jìn)行建模體驗(yàn)。對(duì)于3D建模零基礎(chǔ)、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(méi)有建模能力的部分群體也能夠體驗(yàn)科技的力量。

利用VR進(jìn)行3D建模