华控图形科协同式虚拟现实仿真平台教学平台建设方案

2023-02-15 17:20:49 [ 中关村在线原创 ] 作者：zoljn

一、序言

为了实现“中国制造2025”的目标，当前我国对国内工业制造业的转型升级和如产能化大力推进，一股高新尖技术开始呈现井喷式发展，其中虚拟现实技术的普及得到的非常强烈的关注。虚拟现实技术被列为九大支撑技术之一，覆盖了产品设计、生产过程管理、设备维修等多个环节。全世界的工业制造强国都开始使用虚拟现实技术辅助工业设计和制造。

虚拟现实技术在设计、制造领域的成功应用改变了“设计-试制-分析-改进”的传统模式，虚拟样机（电子样机）将逐渐取代研制过程中用于工程分析的实物模型或全尺寸样机，通过异地系统、多人协同实现一体化协同设计、评审，这种趋势已经成为制造业中一个不可逆转的潮流。

另一方面，由于虚拟现实技术能够提供真实感强的交互式仿真环境，而且用户在该虚拟环境下能够模拟进行各种动作与操作，因此它具有在维护性、维修性分析领域的潜在应用。通过虚拟维护人员在虚拟样机上进行维护、维修操作仿真来进行维护性分析可以有效地克服现有定性分析方法的不足。

在教育和实践领域同样需要通过虚拟现实技术使学生更加直观、深入的了解教学内容。虚拟现实技术可以能够创造出良好的虚拟学习环境，操作者以自然的方式，如亲自动手参与，抓取、挪动等动作与学习内容发生交互，学生得到的反馈更多来自于对知识和技能的掌握，是对内部需要和动机的满足。虚拟现实技术的沉浸感和交互性，使操作者能够在虚拟学习的环境中模拟扮演一个参与者的身份，非常有利于学生的技能训练，同时可以摆脱现实中各种条件的限制，使操作者能够得到更多的技能训练，彻底改变实训设备缺乏而导致的操作者实践动手能力弱的状况。同时对于我院不断地提升科技能力层次、办出特色和扩大社会知名度、产生社会效应等将具有重要意义。

二、用户需求分析

通过与用户的深入沟通了解，用户期望建设一套综合性的虚拟现实平台，该平台满足两大需求，其一为科研设计和仿真验证需求，兼顾展示汇报，其二为教学体验，满足专业教育和职业教育所需的体验性操作。这两大需求的细化如下：

2.1科研设计和仿真验证

（1）具备高度沉浸感的显示环境，在指定范围内的体验者可以完全沉浸在立体显示环境中，充分感受到三维模型的空间和景深。

（2）支持三维设计软件的模型实现立体显示和交互，在沉浸式体验环境下操作人员可以与三维模型实现互动。

（3）具备工业设计仿真验证功能，可以用于体验、验证工业设计的合理性、科学性，如数字样机的审查、零部件之间的装配关系、柔性线缆布线仿真等，提高工艺规划的合理性，优化生产装配流程。

（4）支持多种三维设计软件的立体显示、融合显示，支持多学科联合仿真设计评审。

（5）需具备3D显示效果的展示汇报和联合评审的功能，显示系统的屏幕设计尺寸必须满足不少于20人同时观看，同时可以与其他显示系统实现协同。

2.2教学体验

（1）可以用于演示虚拟现实教学课件。使学生可以在立体沉浸式环境条件中接受教学培训。

（2）可以满足学生操作体验需求，至少一次性满足两名学生通过头戴式VR显示设备进行交互式操作、体验和学习。

沉浸式体验

1. 三维模型进入到平台软件后，可通过立体显示硬件终端，实现视觉效果上1:1的立体显示效果，具备较强的视觉沉浸感受。

2. 为保证较高的观看舒适度，避免因画面延迟导致的眩晕感，所以要求平台软件的实时渲染能力较强，实时渲染速率要达到人眼观看的舒适帧率以上。具体要求为一千万三角面片的三维模型实时渲染速率不低于20帧。打开物理引擎，实时计算零部件之间的碰撞检测关系时实时渲染速率不低于16帧。

3. 在多人协同的人机工效分析工作模式下，要求佩戴头盔显示器的人员均可以第一人称视点观察，同时立体显示屏幕上可以第三人称视点观看，也可随时调取任何一台头盔显示器的视点在多窗口中显示。所以平台软件应该满足立体显示屏幕和至少2台HTC头盔之间的协同显示。

4. 为保证满足现有场地条件较小且维护简单方便无耗材两个条件所需，要求采用支持7*24运行的立体显示屏幕作为主显示系统，要求显示系统占地面积要小，集成简单方便，维护成本低。

交互式数字样机审查

1. 在沉浸式显示环境下，评审人员可通过交互系统与平台软件中三维模型进行交互式操作。

2. 要求通过交互手柄可以实现完全六自由度的漫游操作，可以对模型进行放大、缩小、剖切、测量、标注等操作。

3.因为装配验证和结合工具的人机工效验证过程中，对于零部件和维修工具与维修空间的精确距离是验证零部件和工具通过性的重要依据，所以在虚拟现实环境下的测量功能中必须实现精确选定三维模型和工具模型的点、线、面，要求可以精确测量这些点、线、面之间的间距，而不是近似测量。在此基础上可以实现实时动态间距测量，如人体或工具在移动过程中某点（或线、面）距离指定的飞机零部件的面（或点、线）之间的距离实时显示。

4.要求平台软件具备虚拟装配验证功能，可通过交互手柄或数据手套实现零部件之间的虚拟拆装，拆装过程可以关键帧动画的方式记录回放。拆装过程中的刚体之间干涉、刚体与柔体之间的干涉等需以高亮显示做醒目提醒。

5.为方便虚拟拆装操作，软件中需具备可定义的约束关系，如轴向副、球副、铰接副等常见的约束类型。对于拆装过程中的不同工况状态可以实时保存、调取。

6.软件平台需具备高精度的物理引擎，实现非穿透的零部件碰撞检测和视觉呈现，可选择性体现重力、摩擦力、碰撞力，并需提供支持力反馈设备的接口。碰撞关系上可仿真并显示刚体与刚体之间、刚体与柔性管线之间、以及柔体管线相互之间的碰撞仿真分析和效果显示。

支持多人协同模式

6. 基于HTC头盔显示器的多人协同模式

7. 人机工效功能支持多种VR外设，如头盔显示器，全身动捕等，可以直接由多个真人穿戴头盔和全身动捕驱动软件中对应的数字人体直接实现快速人机工效评审。每个人都可以实现第一人称的视角跟踪。此模式在虚拟驾驶体验中的应用是一致的。

2.3协同式虚拟现实仿真验证平台总体解决方案

针对以上用户需求，结合用户产品设计流程和现有先进技术手段，我们提供如下解决方案，方案示意如图：

图虚拟仿真数字样机虚拟装配验证教学平台建设方案

在工业设计领域，工业产品的设计流程大概分为可行性论证、总体方案设计、初步设计、技术设计和设计定型五个阶段，在每个阶段虚拟现实系统都可以发挥相应作用，做到为整个设计流程服务，从而给用户带来可观的投资回报。

协同式虚拟现实仿真验证平台首先要解决的核心问题有协同式沉浸式用户体验、交互式体验、工艺规划的验证与优化，以及展示汇报和教学使用。

根据图1所示，协同式虚拟现实仿真验证平台主要由投影显示系统、纯硬件融合系统、图形工作站集群、交互系统、音响系统、协同式虚拟仿真验证平台软件五大分系统组成。辅助设备包括交互机、光纤、数据线缆、数字头盔显示器、VR外设等。

三、设计思路

关于不同形式的显示系统我们曾做过大量的调研工作，从不同的显示形式分析来看两通道主动立体的显示方式最符合当下研究所的需求。

两通道主动立体投影机的立体融合拼接幕投影系统

前投弧幕投影系统

1、主动立体激光投影机的立体显示系统是虚拟仿真、虚拟现实应用领域的主要解决方案。投影机显示系统的优势在于画面细腻，色彩还原度较高，对于材质、颜色有较高要求的工业设计显示效果良好。而且现在主动立体激光投影机的出现增加了整套仿真平台的使用时间，激光投影机寿命长达2万小时。系统集成简单，维护成本低。后期维护成本较低，特别适用于一次性投入的项目计划。

2、根据研究所现场的特点，项目建设场地为已有场地，场地面积较小，不适宜扩建改造，且该项目长期开机演示，不适宜耗材类显示系统，所以综合各方面因素考虑，本项目建议采用两通道激光主动立体屏幕。

3.1汇报展示场景

在汇报工作模式下，汇报人员可以通过两通道主动立体屏幕及交互设备在屏幕上实时操作和演示，观众通过佩戴主动立体眼镜观看1:1比例的立体图像。

汇报模式的演示内容包括对数字样机审查及装配，两通道屏幕上的图像是汇报人员的第一人称视点跟踪，操作人员可以对能实现虚拟机器设备（4LZ-1.5联合收割机）的主机开关机控制、作业部件启停控制、主机行走换挡加减速、粮仓出粮控制。也可以让配合汇报的工程师穿戴全身动捕设备和头盔显示器驱动软件中的数字人体仿真维修过程，观众通过大屏幕以第三人称视点观摩。

汇报展示场景

3.2多人协同的虚拟装配和评审

通过全身动捕和数字头盔显示器可以实现两到三名工程师协同性维修装配和评审，模拟多人配合的工作场景，同时其他人员可以通过屏幕上以第三人称视点观察，也可以任意调取参与协同训练的工程师中任何一个人的第一人称视点。

多人协同虚拟维修装配场景

3.3工艺规划及维修过程人机工效验证与分析

无论任何产品的生产工艺中，人、产品和生产工具三个重要因素缺一不可，人机工效工作模式下可以模拟生产人员通过专业工具完成装配、维修等生产过程。可以进行人员肢体及维修工具的各种包络面分析，模拟手持维修工具情况下的装配可视性、可达性，生产过程中的舒适性分析，以及实时最小装配间隙测量。

人机工效分析

四、硬件设备

主动立体显示单元巴可F85

F85是一款紧凑型3芯片3D DLP大屏和小屏应用投影仪。它可在高达120 Hz时提供有源或无源3D，可保证色彩准确度以及模块化I/O和图像处理。

无论现在还是未来，都是您可靠的选择

4.24DP09200硬件融合处理器

融合机技术指标

型号系列	4DP9200纯硬件边缘融合机
机箱架构	输入输出和系统控制板插卡结构，背板采用无源交换
输入板卡	Dual Link DVI/Displayport 1.1a，最高330Mhz输入频率，支持DVI和DP同时输入
窗口能力	支持1个窗口模式支持800x600-6144x768 60Hz输入
输出板卡	DVI-I（DVI和VGA同时输出）最高165Mhz输出频率，支持每通道监控通道同步输出，支持800x600 —1920x1200 60hz输出；支持1024x768@120Hz /1280x720@120Hz/1280x800@120Hz主动立体信号输出
输出通道	2-7通道
被动立体	支持（可选）
主动立体	支持（可选）
主被动转换	支持（可选）
输入信号最大分辨率	支持1xN，Nx1及NXN输入；输入最大分辨率16Kx4K，典型分辨率11000x1200@60Hz, 1920x1408@60Hz, 2432x1472@60Hz, 6144x768@60Hz，5760x1080@50Hz, 4800x1080@60Hz，3072x768@120Hz等
多信号输入	支持多输入DVI-M扩展
融合带宽度	水平0-2048/上下0-1024像素完全连续可调
融合带过渡调节能力	完全可编程过渡曲线，全区域黑位补偿，全区域漏光补偿，支持纯白和非纯白过度曲线，支持四边融合
显示处理能力	任何融合带宽度和分辨率下，输入输出点对点无损显示，且无任何刷新率损失
几何校正能力	第三代超亚像素几何校正，高级像素保真控制技术，非线性多滤波器技术和纹理补偿技术，支持弧形，柱形，球形等任意异形投影，17x17网格调整
色差校正	支持RGB或者纯白校正
旋转能力	0-360度旋转，1度为单位（可选）
遮罩功能	支持任意形状遮罩功能（可选）
夜景模式	可选
操作系统	无操作系统纯硬件
启动时间	小于5秒
产品重量	根据实际通道数
产品规格	1.5U/3U机箱
产品功耗	每通道10W
工作温度	0-50摄氏度
工作湿度	15-85%

4.3音响系统

音响系统主要用于为协同式虚拟现实仿真验证平台提供演示所用音效，同时也可能会兼顾到视频的演示、普通会议或者演讲报告等使用，也可为集多功能于一身，因此要求系统要稳定、使用便捷、音响效果优良。

针对本项目的特点，我方提供一下配置：

全频吊装音箱 10寸音响数量2只；

雅马哈数字音频处理器一台；

一拖二话筒两支

以上音响配置为初步建议配置，具体配置需要根据现场房间信息以及用户更详细的需求进行更改。

4.4射频主动立体眼镜

射频主动立体眼镜是NVIDIA显卡的3D立体显示技术，可以做虚拟仿真项目、观看立体影片。不过射频技术对硬件的要求很高，你要一块NVIDIA GeForce 8以上的显卡，必须拥有一台刷新率为120Hz的投影机。

射频使用的是时分法原理，简单的说就是显卡在计算画面时将一帧计算出两个不同的画面（左右眼分别看到的画面）再以高频率轮换传输到显示器上，而射频眼镜也需要以同样的高速频率开关左右镜片的液晶屏，让人的左右两眼看到不同的换面以达到欺骗大脑，让大脑误以为看到的一个“三维”的换面。一般来讲显示器的刷新频率要达到120Hz以上，这样每只眼镜能分到的刷新率就达到了60Hz，保证画面清晰度的同时也不至于太晃眼。

4.5投影幕

投影幕的选型主要取决于以下几个因素：投影系统安装方式、空间的大小、投影机的亮度。要得到较高投影效果的要点是屏幕必须完整无缝、无色差、高度平整，目前、能提供此类高端产品。但国外的产品订货周期很长，在同等的效果下我们选择正投融合幕，其平整度和均匀度等屏幕的重要指标均可以满足融合的需求。产品的制作工艺很独特，屏幕材质为特殊配方的高分子材料，整个屏幕采用喷涂技术生产。由于每一块屏幕均采用同一桶原料进行喷涂作业，因此整个屏幕的增益率、色彩是完全一致的。同时采用此类材质和喷涂工艺生产的屏幕正常使用时根本不会出现任何皱褶气泡。

本会场我们选用的屏幕，该系列屏幕是专门为投影机设计用于提高投影效果的屏幕。

材质的屏幕经过特殊的表面工艺处理，增加表面光线散射和成像特性，为影像显示提供高性能，高对比度和更宽观看视角的屏幕，宽广的观看视角表现和极佳的影像色温表现，可以带给观众漂亮异常的画面显示。

材质的屏幕适用范围非常广泛，非常适合激光投影机的边缘融合使用，并且，应为该投影屏幕有着非常宽广的观看角度和非常好的散射特性，所以非常适合做专业的边缘融合和拼接屏幕。已经被极为广泛的应用到各种指挥控制中心、大型商务活动中心、演出娱乐中心、会议中心、体育场中心、各种大型影剧院舞台演出等各种影像显示环境中。

屏幕的主要特点：

宽视角，水平、垂直视角高达180度；

影像亮度均匀性好，无太阳效应；

屏幕表面增益：1.0；

适合1.2以上广角镜头使用；

半增益视角大于60度；

具有可清洗易维护特性；

适合大屏幕影像拼接显示应用；

适合软边融合无缝大画面影像显示；

适合固定框架等安装方式