大有可為的VR/AR技術

在智能制造系統虛實工廠的信息閉環流程中，VR/AR技術大有可為。

虛擬現實（Virtual Reality，VR），也稱為沉浸計算技術，具有虛擬世界、沉浸感、感覺反饋、交互性等特征。增強現實（Augmented Reality，AR）是VR技術的擴展，通過計算機系統提供的信息來增加用戶對現實世界的感知，具有虛實融合、三維注冊、實時交互的特征。由于VR系統計算平臺的特性，AR系統對真實世界補充信息的特性，VR/AR技術已經被廣泛應用于醫療、教育、娛樂、軍事、工程（含工業設計制造）等領域。

技術的產生

VR技術的產生，可以追溯到1962年，美國電影攝影師莫頓?海利希（Morton Heilig）發明世界上第一臺VR設備——Sensorama仿真器。用戶可以通過該VR視頻設備體驗紐約的夜間街景。1965年，圖靈獎獲得者、美國計算機科學家伊萬?薩瑟蘭（Ivan Sutherland）在名為《終極顯示》的文章中提出了對VR技術的想法，為虛擬現實的研究奠定了基礎。1989年，美國計算機科學家、VPL Research公司創始人之一雅龍?拉尼爾（Jaron Lanier）最早提出“Virtual Reality”這個詞。

直到20世紀90年代初，支持伊萬?薩瑟蘭對于VR想法的必備技術才開始萌芽。1992年，在芝加哥舉辦的計算機圖形學年度會議SIGGRAPH上，伊利諾伊大學芝加哥分校推出了投影VR，用四面投影的洞穴式虛擬環境（CAVE）來替代基于頭盔的范例，成為該會上最具有吸引力的新技術。1999年，美國計算機科學家弗雷德?布魯克斯（Fred Brooks）開展了關于VR應用的工業調研，基于其在戴姆勒公司、美國國家航空航天局（NASA）等的工業應用體驗，指出VR技術勉強能夠使用，但仍面臨挑戰。此后，工業界和學術界都開始致力于VR技術創新和工業應用知識的構建，以滿足不同的需求。2016年，美國桑迪亞國家實驗室研究人員萊夫?伯格（Leif P.Berg）在調研VR工業應用情況的基礎上認為，在過去的20年中，VR技術的專業知識得到了極大的擴展，工業應用得到了蓬勃發展。國內工業界的VR應用緊跟國際，在航天、汽車、船舶等領域獲得了廣泛的應用。

AR技術的產生可以追溯到1968年，當時在美國麻省理工學院攻讀博士學位的伊萬?薩瑟蘭研制出世界上第一臺頭戴式顯示器，用于實時顯示計算機生成的圖形。1970年，商用航空公司將AR平視顯示技術（Head-up Display，HUD）用于飛機座艙。1992年，波音公司研究人員定義了“Augmented Reality”這個名詞，開發出試驗性的AR系統，用以在工人組裝線路時提供輔助。

1997年，美國休斯研究所的研究人員羅納德?阿祖馬（Ronald T. Azuma）撰文，將AR的研究分為醫療、制造與維修、標注與可視化、機器人路徑規劃、娛樂、軍用飛行器等領域，其技術的發展情況遠不如同期的VR成熟。2011年，德國慕尼黑工業大學的研究人員皮埃爾?菲特若熱爾（Pierre Fite-Georgel）調研了AR工業應用的現狀，發現在產品設計、制造（裝配、培訓）、試運行、檢測與維護等領域中，已有兩項成功的應用：一是智能焊槍，在顯示屏上導航下一個焊接螺柱位置；二是設計差異檢查，發電廠建設后與CAD設計模型對比。至此，AR技術在工業領域的研發進入新階段。

工業應用最新進展

在學術界和工業界專業人士的共同推動下，VR技術在工業上的應用已經取得了巨大的成功，VR技術和系統越來越成熟穩定：計算能力的提高使得復雜產品的刷新幀率足以支持實時交互顯示，位置跟蹤器越來越小，跟蹤速度越來越快、越來越精確，以較低的成本就能構建虛擬現實系統等。VR技術逐漸可應用于解決工業問題，例如，在工業產品的設計階段：設計方案的可視化評估、人機工學可及性評估、仿真分析數據可視化、裝配和維修場景仿真等。目前，已有不少可用的商品化軟硬件系統，支持工業界的決策過程和創新過程。

AR技術由于其具有虛實融合的特征，技術的實現難度要大于VR。目前，工業AR技術仍主要處于研究階段，但發展很快。在工業領域實際應用方面，已有基于空間投影顯示的AR商用系統，將三維CAD內容通過3D激光投影系統直接投射在加工工件上，指導不同產品原型的制造過程，確保零錯誤。

助力搭建智能工廠

中國的智能制造與德國“工業4.0”有很多相同之處，德國“工業4.0”將虛擬仿真技術和增強現實技術列為九大技術之一。VR/AR技術在產品開發階段、生產系統的規劃階段和產品的制造階段都展現了其獨特的作用，在智能制造中扮演著重要的角色。

智能制造將智能工廠作為切入點，智能工廠的實施需要虛擬工廠與真實工廠之間的互動。數據在虛擬工廠與真實工廠之間進行雙向傳遞，虛擬工廠中的產品、工藝、資源對象以及其運作邏輯和物理過程，與真實工廠一一對應。對于數據的采集，基于信息物理系統（CPS）的智慧生產輔助系統將起到至關重要的作用。

智能化的制造系統應具備狀態感知、實時分析、自主決策、精準執行四個基本特征。通過CPS等傳感器系統從真實工廠中實時采集生產制造過程中機床、機器人、工人操作等數據，并輸入虛擬工廠中（或者通過AR技術進行展示）。在真實工廠實時輸入數據的基礎上，虛擬工廠進行生產運作仿真與優化（虛擬仿真的執行可以借助于VR技術和虛擬環境），在信息系統中形成新的決策方案。新的決策方案再通過信息系統，向下傳遞到各類執行任務的生產設備和操作者（通過AR技術反饋給操作者進行操作的引導），通過這些環節，形成閉環系統。在智能制造系統虛實工廠的信息閉環流程中，VR/AR技術大有可為。

盡管VR/AR技術在智能制造環境下有很多的研究應用機遇，但是，通過實際工業應用調研發現，VR/AR應用系統仍面臨挑戰。例如，VR系統應用過程中的場景三維建模和模型數據轉化過程的便捷性，虛擬世界中環境模型的幾何和物理仿真建模真實感，交互過程中的力反饋感知等仍有待提高。AR系統工業應用的成功實例較少，在虛實環境的無縫融合和三維高精度實時跟蹤注冊方面，還存在技術難題。在VR/AR應用實施成本降低和專門技術人才培養上，還有很大的工作空間。隨著學術界和工業界對VR/AR技術知識的積累，參與人員對VR/AR認知的深入和提高，以及產業資本的投入，VR/AR技術在促進智能制造發展上將得到越來越多的體現。