工程中的VR: 几乎囊括所有您需要了解的信息

Posted by LIU chujun on Sep 28, 2022 12:08:57 PM

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虚拟现实已经成为当今社会的一种常见的技术: 它不仅能应用在商业领域,并且还能在技术原因和安全需求上提供技术支持。

VR是自90年代以来的一项创新,由于越来越多的公司专注于数字信任,因此VR现在也被广泛应用于专业领域。这项技术正在改变我们的现在,并且也为每个有工程背景的人员提供了未来的可塑性。

现在,让我们深入了解VR工程的真正含义:

什么是虚拟现实?

虚拟现实VR

虚拟现实(VR)是一种计算机生成的仿真技术,用户在完全沉浸的情况下可以与虚拟环境进行互动。观看者通过虚拟现实头显或基于投影的设备(Powerwall或CAVE)看到虚拟世界,并通过控制器与三维物体进行互动。

在现实世界中,我们使用不同的感官来感知我们的环境。除了您在学校学习到的五感之外,还有其他设备可以用来确定我们所处的环境。虚拟现实大多依靠视觉和听觉输入(有时通过触觉和控制器振动进行触摸)来模拟存在感,并使您相信您真的处在虚拟世界中。

虚拟和增强现实需要加以区分,它们是一个硬币的两面。增强现实通过在现实世界中叠加虚拟物体而发挥作用。虚拟现实的工作原理是让用户沉浸在一个虚拟环境中,两者都可以借助相同的传感器和头显,但他们的使用目的并不相同。

16个重要的虚拟现实技术概念

长期以来,我们一直抱着可以摆脱计算机屏幕、键盘和鼠标的限制的愿望。通过虚拟技术,我们越来越了解如何用更直观的方式来进行人机互动(HMI), 也被称为人机结合。而VR则是一种与机器交流的新形势。

在进一步深入研究VR工程之前,掌握一些关于虚拟现实的核心概念尤为重要。这里有一个您应该了解的VR概念词汇表。

1.     电脑辅助设计 (CAD) 电脑辅助工程 (CAE)

电脑辅助设计和电脑辅助工程软件是用于工程和设计的程序,有助于创建零件或完整的虚拟原型。CAD和CAE软件现在正受益于虚拟现实系统在视觉协作方面的优势,这有助于减少产品开发的时间和资源。

2. 自由度(DoF)

在力学中,自由度是定义物体在空间的位置所需的最小独立变量数。换句话说,自由度决定了一个物体可以移动的方向的数量。在三维中,这些变量是

  • 从平面XY、XZ和YZ的角度。(也称为俯仰、偏航和滚动)
  • 物体在X、Y和Z轴上离原点的距离

当您沉浸在一个虚拟环境中时,您可以处于一个固定的位置(如坐着),或者四处移动。3-DoF头显只跟踪旋转运动,这意味着如果您向左或向右、向上或向下看,并以不同角度转动您的头,它就会记录下来。6-DoF头显还允许我们跟踪平移运动,这意味着它允许您在虚拟空间中进行物理移动:向前、向后、向侧,甚至向上和向下。

自由度DoF

简而言之,像谷歌Cardboard、Oculus Go或三星Gear VR这样的3-DoF头显最适合360度的内容显示。如果您是处理3D模型,并且需要更多围绕6-DoF的头显,如Oculus Rift、Oculus Rift或HTC Vive就更适合您的使用情况。而如果你需要更强大的头戴式头显,请查看Pimax 8K或Varjo VR-2。

3. 玩具屋视角

当您在观看一个完全放大的三维模型时,通常是一个自上而下的视角。它使工程师和设计师能够看到完整的(大型)CAD模型,并且还能看到它完全建成后的样子。

4. 眼部追踪

这是通过头显来追踪用户视线的过程。这些信息可以提供观看者正在观看内容的准确信息,例如,把重点放在一个或者其它的虚拟物体上,从而进一步提高沉浸感。

5. 视野(FoV)

视野是指从某一角度可见的度数。人类的FOV一般是200°(双眼视觉只能覆盖大约120°)。当涉及到VR的FOV时,它将受到镜片的限制,要想获得更广阔的视野,您就需要更大的镜片(也因此需要更大的头显)或更接近眼睛的镜片(有可能导致头痛)。市场上的大多数头显都是100-120°的,但大多数供应商都在努力扩大其HMD的FOV能力。

6. 帧率(fps)

帧率是指屏幕上一个图像(或帧)被另一个图像替换的频率。这就是您产生运动错觉的原因。低帧率会给人以动作不流畅的印象,而高帧率就会使动作流畅。60帧意味着在1秒内有60个图像显示。帧率取决于您的CPU(中央处理单元)和GPU(图形处理单元)。
 
为了防止用户产生晕动症和头痛,VR需要保持高帧率(至少90帧)。

VR帧率

7. 触觉技术

为了向用户提供反馈,我们可以通过物理模拟与虚拟环境产生互动。例如,它可以是控制器上的振动效果。使用其他可穿戴设备,如手套,可以进一步提高体验效果。通过在沉浸式体验中增加触觉效果,VR使现实世界和虚拟世界之间的差距又缩小了一步。

8. 头部追踪

头部追踪包括跟踪用户头部的位置和方向。这些信息使视角能够跟随用户在虚拟世界中的运动。在完全沉浸的背景下,头部追踪对于给用户提供完全的意志自由和真实的虚拟现实互动体验至关重要。

9. 沉浸式感与临场感

有两个概念经常在VR文章和论文中出现:沉浸感和存在感。在VR系统中的沉浸感取决于感官沉浸,即 "感官通道被虚拟仿真所吸引的程度"(Kim and Biocca 2018)。临场感是用户在虚拟现实中的感知性错觉:他们对虚拟世界的变化是会做出反应的,但他们在认知上知道这不是现实。
 
这两个术语真的很接近,而且它们经常被交替使用。大多数时候,论文将沉浸感称为感官保真度的客观水平,而将临场感称为主观的。
 
要注意的是,高度沉浸感不一定有利于在VR中的合作。为了在体验VR时能够看到自己的真实身体(例如使用Powerwall或在CAVE中),您需要使用身体追踪软件以减少迷失性,能够减少撞到其他VR用户的风险。

10. 内向外追踪与外向内追踪

以复制现实世界中的运动跟踪轨迹到虚拟现实中,我们将会用到这两种方法: 内向外追踪与外向内追踪:

  • 内向外追踪使用的是放置在VR内部的传感器。头显上的摄像头将记录您在真实环境中的固定点,并将其作为您运动的参考点。无标记的由内向外追踪也是可能的,它使用物体的位置进行追踪,但它缺乏准确性,所以它的成本要低很多。
  • 外向内跟踪使用的是外部跟踪设备(如摄像头或灯塔)来模拟用户所在的 "虚拟盒子"。它非常准确,但不能跟踪传感器视线之外的任何东西。

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11. 抖动

抖动(或涂抹)是运动模糊和同时感觉到多个图像的表现。它是由低刷新率或丢帧引起的。抖动可能导致模拟器病。

12. 延迟

延迟是指输入(视觉或听觉)和输出(通过屏幕、耳机、触觉)之间的延迟。这主要是一个技术问题,随着技术的改进这些问题可以自行解决。高延迟可能会导致VR病,是由于您的大脑知道您在与虚拟环境互动,但却没有收到正确的信息而导致的非正常感觉。

13. 单镜与立体影像

单镜视频(180°和360°)是最容易用于VR制作的。实际上,您有1个指向双眼的图像,这些图像被拼接在一起,给人以在一个圆柱体或球体内的错觉。然而,图像看起来是完全平面的,使用其他设备看到这个图像也是可行的,如电脑屏幕(使用拖放导航)或智能手机(使用运动传感器)。
 
另一方面,立体内容显示两组视频(每只眼睛一组)。这种类型的内容更类似于我们看到真实世界的方式,因为每只眼睛获得相同信息的角度略有不同(就像我们自己的眼睛一样)。这使大脑能够在360°环境中获得深度感。立体视频只能在HMD上观看。
 

14. 分辨率

分辨率(大多数情况下是指屏幕的分辨率),是指图像的细节程度,取决于其像素数。高分辨率意味着更多的像素来呈现更多的细节。当然,这也取决于屏幕的大小。一个低分辨率的图像在小屏幕(即智能手机)上看起来足够详细,但在大屏幕上会立即被像素化或模糊化。
 
在VR设备上,图像的分辨率往往会导致较低的细节水平,因为渲染内容的画面看起来比平坦的矩形屏幕大得多,这意味着图像被拉伸到一个更宽的区域。还要注意的是,对于立体视图,每只眼睛只能看到实际分辨率的一半。
 
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15. 刷新率

刷新率是指您的显示器在屏幕上重新绘制图像的时间数。就像每帧速率一样,刷新率会导致延迟。刷新率对于一个逼真的虚拟环境非常重要。它的单位是赫兹(Hz)。您的刷新率应该与您的每秒帧数相匹配,否则您的显示器显示的图像将与您的计算机生成的图像不一致。

16. 房间规模的VR

它是VR的一个子类别,意味着VR环境是一个房间的大小。他们可以在一个 "自由的盒子 "里走来走去并能够自由地浏览,而不是静止的VR体验。大多数头显的使用场地建议最小空间为2米乘2米,以获得舒适的虚拟现实体验。为了安全起见,一些头显要求您放置一个安全网格(Oculus Quest的守护者),并需要您的地面没有任何障碍。

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哪些设备对于3D可视化是至关重要的?

自动立体显示装置

自动立体显示装置涵盖了一个无需使用特殊头套或眼镜就能显示立体图像的一系列屏幕。双眼感知的3D效果可以通过不同的技术产生,如视差屏障或光栅阵列。这些设备本身是很容易设置的。因此,它们非常适用于有大量人流的商业空间。但是相反,它们也是沉浸式体验效果最少的设备类型。

头戴式显示器(HMD)

头戴式显示器(HMD)是指虚拟现实头显。它基本上是在一个智能手机大小的屏幕前的一个内置的镜片显示器。它一般是做成头显的样式(有时是护目镜),为保证舒适性需要绑在您的头上。有三种类型的头显可以应用于VR :
 
  • 智能手机驱动的头显,这是入门级的头显,主要用于3-DOF应用
  • 单机或一体式头显,使用范围有限
  • 依靠高端计算机系统的系留或PC供电的头显

沉浸式房间 (或CAVE洞穴)

CAVE(洞穴自动虚拟环境),是一种基于投影的虚拟环境显示,由至少两个屏幕组成。用户戴上具有立体感的3D护目镜,使他们能够完全沉浸在虚拟体验中。它们比Powerwall更有沉浸感,比虚拟头显更适合于大型3D模型的合作,而且图像质量高。
 
沉浸式房间的缺点是价格昂贵,而且对空间要求很高。您至少需要50万才能建立起一个装置。对于初次接触VR的人来说,为您的使用情况尝试一个较小的系统可能是个更好的选择。
 
但是,如果你需要与世界各地的人合作并且不想投入太多,那么就试试云端VR。您只需要有一台主电脑就可以了(它完全可以在云端)。这是一个云解决方案,将直接在云服务器上执行VR软件,只将必要的资源流向终端用户。因此,它就像经典的AR/VR系统那样,不需要强大的硬件、数据存储和图像处理要求。
 

投影墙

投影墙是一个基于投影的VR显示系统,由一个或几个屏幕组成,向观看者显示两组略有不同的图像。用户需要戴上与图像同步快门的特殊3D眼镜,以享受三维视图。投影墙的沉浸感不如虚拟现实头显,但它更容易促进团队合作,因为用户没有完全沉浸在其中,可以更容易地与同事沟通。

最近,使用LED墙砖代替投影仪创建投影墙已经越来越流行。它可以比投影仪占用更少的空间,可以安装在任何会议室里,这对于在VR中进行演示是非常理想的。然而,当您站在靠近屏幕的地方时,图像会被像素化。
 
因此,为了更专业地使用VR,您不仅需要在现有的设备中进行选择,并且您还需要在哪里部署vr(企业内部还是Saas)这样的问题上做出抉择。
 

虚拟现实是如何诞生的?

虚拟现实并不是近年来出现的新型技术。该技术的理念原型可追溯到19世纪。许多发明家希望人们能够 "进入 "故事,或通过感官体验模拟环境。然而,这期间的许多发明都失败了,因为虚拟现实所依赖的技术(如计算机图形、处理器、互联网带宽、3D渲染......)都还没有发明出来,或者性能不够好。
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沉浸在一个被创造的宇宙中的想法并不新鲜。"虚拟现实"一词是由VPL研究公司的创始人Jaron Lanier在1987年创造的,当时他正在发明第一个VR设备(包括虚拟现实眼镜和追踪手套)。90年代是虚拟现实第一波流行的浪潮,尤其是在工业使用和研究方面的可行性。但它仍然过于昂贵,并且缺乏适当的技术来正确地欺骗大脑,使其相信虚拟模拟实际上是 "真实的"。
 
今天,虚拟现实技术的发展在很大程度上要归功于那些为高端VR设备铺平道路的发明家们,它可以应用在很多行业中。当然,该技术仍在不断发展,一些特殊的使用案例的费用可能仍会非常昂贵。

虚拟现实只是一种炒作吗?

自从虚拟现实开始为人所知,早在90年代,它就立即被放在Gartner的炒作周期中。但是,炒作周期只是根据新兴技术的关注程度对其进行分类。换句话说,炒作周期量化了新技术的影响力。那么,虚拟现实的炒作情况如何呢?
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如果您看过所有的炒作周期,会发现VR一直处于相同位置,而且最经常的是位于 "失望的最低处",并且几乎没有改变。但通过如今处理器的改进,以及价格低廉的HMD的诞生,虚拟现实经历了又一次的复兴。不同的是,VR不仅仅是大工业集团的一个利基部门。而现在,规模较小的公司也能负担得起虚拟现实的硬件和软件。那么,VR只是一种炒作吗?并非如此,但它仍然需要很多的成功使用案例才能迎来它自己的时代。
 

虚拟现实是如何塑造今天的工作的?

现在,VR变得可负担得起,越来越多的公司正在调整他们的工作场所以便进行VR协作。这在当今世界已经成为必要,因为许多工人不得不在家工作。然而,对于复杂的项目,远距离工作可能无法使用视频会议工具,如zoom、skype或teams。而VR协作通过让人们沉浸在一个同虚拟世界中将开启新的可能性,如审查产品的设计围绕一个技术问题进行迭代和决策,并更好的促进团队合作。

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到2025年,虚拟现实将会完全重塑我们的工作方式,特别是对于远程设置。当然,许多公司仍然需要适应这种转变,因为他们的期望值和基于VR的高效工作会议之间会存在差距。然而,为了保持在虚拟和现实世界中的工作质量,您应该关注的主要领域是:

1. 给您的员工提供合适的设备(VR硬件和电脑)。
2. 培训工人使用VR技术
3. 为您的使用情况选择合适的VR软件

虚拟现实的使用案例有哪些?

由于VR已经成为商业的重要组成部分,让我们回顾一下目前使用vr软件的工程师所涉及的主要用例:

          1.  在虚拟现实中进行项目审查

设计审查在许多项目中都是必要的,以便从您的团队、其他部门甚至客户那里寻求反馈和纠正假设。它可以使每个人对项目的看法趋于一致。许多公司依靠CAD模型来传达设计理念,但它是一个有限的工具。在虚拟现实中运行项目审查使您能够以1:1的比例显示并与您的3D数据进行互动,这将比物理原型更便宜,也比在电脑屏幕上看CAD软件更直观。
欲了解更多信息,请查看以下6个在VR中进行项目审查的基本步骤。

          2.进行人机工程学研究

人体工程学分析可能会非常有用,特别是在设计内部空间时。无论我们谈论的是建筑还是车辆,重要的是要知道未来的客户对设计会有什么反应。例如,对于一辆汽车,您想知道他们是否能够完成每一个指令,并且有一个良好的视野。有了虚拟现实技术,优化人体工程学可以在瞬间完成,并减少成本和上市时间。

          3.在构思的早期阶段识别错误

创建物理原型的问题之一,是您无法在原型创建之前发现错误。这意味着更多的资源可能会被浪费在仍然存在错误或对用户有风险的产品模型上。此外,当涉及到大规模的模型时,要获得产品的真实比例并发现模型上的错误几乎是不可能的。虚拟现实使您能够以1:1的比例与3D模型互动,避免了昂贵的返工,并识别风险和构思错误,即便是在定制的情况下。

          4.与世界各地的工人合作

对于那些拥有远程工作的员工或在不同国家的子公司的公司来说,团队合作是一个挑战。为了满足他们的需求,虚拟现实技术提供了创建共享数字工作空间的可能性,来自不同地点的工程师可以在同一个CAD模型上实时工作。在VR中的协作增强了团队之间的沟通,加速了产品设计到投入市场的进程。

          5.评估维修操作员的风险

在派遣技术人员或工程师进入一个有潜在危险的区域之前,给他们提供适当的培训来评估工人的风险和安全度是非常重要的。虚拟现实技术可以帮助您为那些太危险或太昂贵而无法在真实条件下再现的情况设置培训。

          6.复杂数据的可视化与互动

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有时,平面渲染并不足以完全可视化和解释复杂的数据集。交互式虚拟现实技术可以帮助您看到和分析那些本来肉眼看不到的现象。

          7. 评估和设计工作站

在数字工厂和工业4.0的背景下,虚拟现实是优化、模拟和设计生产线的关键技术,并与之协作互动。通过工作站(或整个生产线)的3D模型,虚拟现实技术可以成为评估操作员安全和福祉以及工作站的人体工程学的有力工具。这些研究可以通过使用数字孪生全身跟踪装备来进一步优化,使操作员在现实世界和虚拟世界中的行动可视化。

虚拟现实在商业中的投资回报率是多少?

虚拟现实技术可以适用于许多案例并能更好的服务您公司的流程,但使用VR的投资回报率是什哪些呢?在VR工程中,我们能得到很多收益,比如在产品开发的不同阶段节省时间和金钱。但收益不仅仅是数量上的,还有质量上的,例如改善流程和产品质量,培养创新思维和完善工人的技能。

还有哪些技术和设备能与VR更好的结合?

虚拟现实是一个强大的工具。在工业中,计算机生成的世界一般基于3D建模软件的模拟和内容,这些内容在VR软件可以使用的格式下被转换(注意,TechViz不转换数据)。在VR世界中还有一些对工程师有益的其他输入,而这些都取决于他们的使用情况。

用LiDAR或摄影测量技术创建的3D点云,帮助您将现有的建筑或环境与VR技术相结合
人工智能,因为它可以产生有洞察力的数据并运行不同的模拟情况。
追踪设备,无论是全身追踪、vr手部追踪、手指追踪还是眼球追踪,都能为用户对虚拟模拟或物体的反应增加新的输入和信息
数字孪生,允许人们通过虚拟模拟来获取真实资产的信息,可以通过VR中的预测性模拟来做补充。
机器人与VR交织在一起形成了一个非常大的领域,因为它的范围可以从传感器产生的数据发展到与技术人员共享工作空间的合作机器人。
以上技术有很多都是现在非常流行的,并使想通过数字化转型的公司从中受益。

如何成为一名VR工程师?

如果您已经是一名工程师,答案非常简单:只要买一台VR头显。有多种插件可以与您已经使用的CAD软件无缝对接,只需要极低的时间和资金的投入就能获得VR的大部分好处。

如何成为一名vr工程师?要成为一个真正的VR专家,显然会有一整套不同的技能需要掌握,首先是编程语言。虚拟现实通常使用C、C++进行开发,有一些库可以提供工具和功能以通过编程整合VR。您可能需要熟悉IDE(集成开发环境),如Unity和Unreal 3D引擎。如果这符合您的条件,不要犹豫,申请来TechViz工作吧! 我们一直在寻找高度专业和并充满热情的专家帮助我们发展我们的解决方案。

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