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浅谈虚拟现实式之制造仿真系统

Asen

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发表于 2011-9-9 08:41:08 |只看该作者 |倒序浏览

由于当今信息科技之发达，应用软硬件工具辅助各类工程设计与分析之工作已相当普遍，尤其是在学术研究领域已经颇为成熟之计算机整合制造 (Computer-integrated Manufacturing, CIM) 系统上。而这些工具除了能提供各项工程用途精确且可靠的解答外，并可透过软件架构之整合而连贯成为高效能的工程计算机系统，其中CAD/CAM/CAE之整合就是一个最好的例子。除此之外，将上游生产目标连贯至下游制程规划之全面电子式制造(e-Manufacturing)亦已成为当今制造企业相当重视之制商整合核心功能。于是，全面且精准的电子式制造系统将成为电子式商务系统赖以有效推演之基础。

图1 电子式制造系统之范畴
      然而，大多数的产品生产原理中皆包含着多重的物理式互动，而须藉由生产设施之机械式运动来施加于原物料上，以完成阶段性的生产或加工。传统的生产模拟乃将生产行为分解为数项连贯的标准化动作，并以标准化工时串以逻辑化流程来仿真生产现场之现象。如此方式之仿真因为不包含实体互动之基础，故较难推测过程错误之异因，亦无法实时规划对策予以解决。如今，这些生产行为具体内涵之模拟已能透过虚拟现实(Virtual Reality, VR)系统中所充分定义之物理式互动来实现。这种横跨制程(Process)与生产(Production)之工作中，包含实体互动内涵者皆可利用虚拟互动来辅助求解。
   广义而言，虚拟现实乃为实境机构之数字式替代机构，可用来程序化操控、数值化验证、逻辑化推演、实体化互动、可视化观察、人性化感知，进而达到整体化理解一个虚构之场景。但上述功能于现今多数VR软件中，却因为设计上之限制而只被局部地赋予。虽可呈现视觉上之拟真影像，但因为缺乏实体之互动，故仅能做到Virtual，而无法逼近Reality。然而依据不同层次VR功能之需求，可视化的近似影像以及其延伸之应用已经足以提供许多虚拟系统操作者之有效互动与认知，例如产品展示及数字式教学等。但是应用于全面电子式制造系统仿真时，VR软件环境必须具备下列条件才能达到辅助实境之水平：(1)精准几何模型，(2)虚拟实体互动，(3)虚拟物理属性，(4)虚拟机械属性，(5)流程管理机制，(6)可程序接口，(7)数据库接口，(8)协同式信息分享，以及(9)同步化影像输出与缝合。以下则分项说明之：
(1)精准几何模型

虚拟环境乃建构于仿真实体模型之组合上，部分模型因不含互动之需求，而可用近似之造型逼近甚至简化。但是重要的互动部位则牵涉到许多物理式互动与机械式运动之交集，必须充分掌握其模型之几何(Geometry)与拓朴(Topology)数据，才能于数字式环境中以算法处理互动之结果。而处理几何数据时，尤需注意计算精度与处理效能的问题。毕竟，虚拟现实式之互动乃建构于实时(Realtime)处理之基础上，精致的几何模型必定耗费较多的CPU效能，而精致的拟真影像则需仰赖较多的影像卡效能，但这些昂贵的计算工作却不一定是必要的。如何将模型精度与运作效能做一优化之平衡，乃有赖经验与实验来得知。但无论如何，模型制作之必要守则就是以互动结果为目标，所有需要产生数字式互动输出的模型均需给予充足之精度，必要时以多重分辨率处理，其余的能简化就简化。有些VR软件虽标榜与各厂牌CAD格式的高兼容度，但多数使用者仅会用到一两种塑模软件来建模，且CAD软件间也已有转换模型格式之功能，因此建议以一两种熟悉的软件来塑模或转换，比较不会发生不可预期的问题。
(2)虚拟实体互动

一虚拟物体必须能够和其他虚拟物体间进行以实体模型为基础之互动，或可与操作者输入之讯息来互动。虚拟物体间互动之类型包括近接量测、干涉量测等与空间距离有关之互动，以及场量测与质量测等与属性有关之互动。这些虚拟互动之机制有许多已经建构在VR软件之标准功能内，例如Virtools的Building Blocks。而与使用者之互动则不外乎与输出入设备有关，例如初阶的键盘鼠标屏幕、中阶的强制反馈游戏杆与眼罩式头盔，以及进阶的穿戴式空间追踪装置和沉浸式球型屏幕与液压动感平台等。如果操作者的感受并非观测重点时，初阶的输出入设施即可满足多数需求。对于虚拟现实式之制造仿真而言，互动现象多数发生于虚拟物体间，故可省去昂贵的输出入套件，而须转为产生有意义之虚拟互动数据，供作推演数字内容之参考。
(3)虚拟物理属性

举凡产品生产行为之物理式互动不外乎摩擦、弹性、温差、压差、时差、组合、分解、吸引、排斥等之单项或其组合。而部分化学式互动原理亦可利用物理式机构来逼近，端看制作者之功力。这些物理式互动之功能部分可见于软件套件中，如Virtools Physics Pack，其余的就要善用VR软件之程序化接口来制作客制化的功能模块了。制作客制化物理属性模块或微调现有物理属性模块时，必须注意属性于互动过程之数值结果与其真实性。当真实世界中之物理性质藉由软件演算来逼近时，多数以学理式之公式来界定并以参数值来微调，运用此种方法制作属性较容易，但较难呈现多重属性交迭后之真实效应。而利用计算几何(Computational Geometry)技巧与数值方法所制作之虚拟物理属性，即可呈现属性交迭之拟真效果，不过制作上需要另有巧思。但无论如何，重力与摩擦力可说是不可或缺的真实属性，所有具备互动需求之虚拟物体皆应具备之，其他属性则可依状况需要来制作赋予。
(4)虚拟机械属性

制造环境中需要被仿真的重要机械属性可包含震动、平移、旋转、变形、断裂、周期运动等与几何与外观相关之静态与动态特征，其多数皆可由单纯的程序来控制，唯独变形与断裂不是一般软件可实时且真实地呈现的。现存的有限元素方法 (Finite Element Methods, FEM)是最常用来计算形变之技术，虽有某种程度之精准度，但也来不及处理实时之变形。且当今VR软件多数将虚拟物体视为刚体(Rigid Body)，而避开物体变形之真实现象，或仅以视觉效果来制作变形动画，没有精准的形变数据。然而变形属性是比较值得开发之虚拟属性，从虚拟手术到虚拟机械手臂都可用到，更不用说是加工变形了。

图 2 虚拟工件几何变形
(5)流程管理机制

许多自然界的事理已经可用逻辑式流程来串接，于是理所当然的，人造的机构亦可使用此机制。但是多数VR软件未将逻辑流程列为标准功能，而必须靠用户自定义流程来连贯之。因此将虚拟物体于形体外再赋予其逻辑关联流程，将可完整的描述一个实体的场景。例如当使用机械手臂夹持一个工件时，套件物体会自行连动，重力会使手臂微微变形，而爪夹摩擦力要控制到确保夹持之质量且不损毁工件，动作路径不可有任何碰撞，若遇实体干涉要及时减速回避，接近目标位置时要微调对位，完成任务要回馈讯息，遇任务冲突要智能选择等。此一夹持任务可被定义为一串含条件检测之任务包裹，且系统中必须能同步处理许多分散且独立执行之任务包裹。此种离散事件则使用Petri Nets来建构连结最为适当。有关Petri Nets之塑模技巧在此则不作赘述，其他流程管理机制软件亦可用于执行类此工作，但必须要能与VR软件数据库做实时之数据交换。

图3 制造流程设计
(6)可程序接口

由前述众多功能中不难发现，客制化的部份占了大半，而这些客制功能必须藉由VR软件之SDK接口来制作与连接，既然是客制，就不能忽略使用人工智能与算法等技术在此能发挥之功效。其目标不外乎是使操作虚空间之过程变得更顺畅且有效率。有关SDK之功能，各家软件大同小异，且如同一般的程序设计一样需经历设计、制作与除错之循环，其详细步骤可参考相关软件手册，但制作过程之创意则需要一些专业领域之知识背景来作后盾。
(7)数据库接口

此处之数据库乃指外部数据库，就是一般所熟知的ODBC。当VR环境愈复杂内容愈精细时，软件环境本身的数据库往往不敷使用，而须借助外部数据库之空间与其管理功能来扩充。而外部数据库尚可分散地对特定数据作某种前处理或后处理，以减轻VR引擎之负担。而数字式互动之结果亦可详尽的被记录于数据库中，供作进阶分析之用。
(8)协同式信息分享

由于现今制造业多将制造任务分配给多家协力厂共同执行，这些解决生产所需的设备因而分散在不同地理位置，且属于不同的生产管理机制。使用VR软件之协同式信息分享功能，如Virtools Server，藉由因特网之连结，即可将协同生产机构之运作信息做一整合式规划与运作。但随着仿真模型的扩增，虚拟环境的规模与信息量亦相当可观，因此分布式系统与阶层式架构之运用将可有效提升系统之可行性。
(9)同步化影像输出与缝合

开发虚拟环境之目的最终还是要能逼近真实环境之认知效果，真实环境中可使用多架摄影机同步展现场景各处，而虚拟环境中亦可使用类似观念同步输出特定场景之影像。这些影像若给予恰当之编辑与缝合，更可塑造沉浸式的全境视觉环境，来达到认知无误差之境界。使用Virtools VR Pack搭配参数式影像扭曲系统，即可将虚拟环境中之多重影像做一编辑并投射于双曲率之大型球形屏幕上，塑造出视觉感知之完美呈现。
   为了达到实时反应之互动效果，虚拟现实之应用非常仰赖软硬件之效能，然而相关软硬件之技术亦不断的在创新，可以想见于未来，虚拟机构所可能扮演之角色，将随着这些新技术的发明而愈见多样且愈显重要。未来的虚拟环境也将比真实环境更鲜活、更灵巧，且更能有效协助人类完美的达成各项工作。