【工业4.0案例分析之八六】大众手势控制的移动虚拟规划系统MoviA

在规划软件中使用消费类技术可让处理复杂数据变得更加直观。在未来，哪怕是“非专业人员”也能使用规划系统。工业4.0的解决方案会优化规划和数据采集系统之间的通信，让用户更加直观地使用规划系统，用户做出某些手势，就可以在虚拟世界抓取并且操控物体。

虚拟技术在大众汽车公司的产品研发中至关重要。当今汽车产品研发过程中，模型和变形的数量日益增长，而研发时间愈加缩短。采用虚拟技术正可以满足该研发需求。因此，大众汽车公司研究中心积极努力解决虚拟现实和增强现实中的研究相关问题。大众汽车公司分析现有趋势，进行虚拟技术方面的创新，这是本行业当下的研究热点。大众汽车公司还同时开发新方法及新应用，作为产品创新过程组成部分在不同部门中采用。虚拟技术方面的研究成果转化有助于加快生产流程、节省成本，并实现员工日常工作信息数字化。

由于应用了MoviA系统，大众汽车公司在招聘员工时把数字化和老龄化都考虑进去。日后所有人员都能够访问虚拟规划数据，提高该领域的能力会变得越来越重要。工业4.0的解决方案将能优化规划和数据采集系统之间的通信，让使用者更加直观地使用设计系统，这样数据查看和编辑都一目了然。“Kinect”和“Leap Motion Controller”等新技术的采用使生产员工能够直观地通过手势来使用设计内容。用户在虚拟世界用手势来抓住对象，对其进行定位和编辑。借助MoviA系统，大众汽车公司的“非专业人员”也能以交互、移动的方式规划生产步骤和物流过程。大众汽车公司采用MoviA系统的目标包括：借助3D模型实现非接触式交互，并检查应用的实施情况；优化规划和数据采集之间的通信，使设计数据能够及时交换和处理，从而达到更好的设计效果。

大众汽车公司在奥迪汽车生产中检测虚拟组装手势控制

• 在3D环境下模拟车辆组装
• 员工通过直观手势在虚拟空间内移动部件
• 技术基础是游戏产业技术

在奥迪公司生产新车辆模型前，前期中心（Pre Series Center）的工程师就已经在3D项目中检测个别组装步骤。他们在虚拟环境内组装部件，从而判断该程序是否可行、对生产线上的工人而言是否符合工效学。作为试验项目的一部分，现在工程师们首次在虚拟环境内用简单的手势移动部件。

奥迪汽车在前期研发过程中就在虚拟环境下检测个别组装步骤，判断步骤在日常使用中是否实用。这些检测都在拥有沉浸式虚拟环境的“自动虚拟环境工作室”（CAVE）中完成。这包括位于地板及墙面上用于展示部件3D影像的投影屏。奥迪汽车工程师可通过3D眼镜进入虚拟现实环境。

作为串联工作的一部分，前期研发园通过游戏控制台的调节器控制虚拟部件。采用简单手势即可控制也将很快实现。奥迪虚拟校验研发工程师凯瑟琳娜•库斯（Katharina Kun）称，“在未来，我们希望能做到让抓取及移动部件更加直观。”现在，凯瑟琳娜与她的小组正在就试验阶段组成部分Myo进行检测。Myo是游戏行业中用于手势控制的臂章。

该臂章可以测量前臂中的肌肉电流并推测用户将如何移动手臂及手指。随后，臂章通过蓝牙将运动数据传送至计算机中。该计算机还将在天花板上红外摄像机的帮助下收集用户的位置坐标。为确保Myo臂章不会将所有可能产生的运动都识别为控制手势，用户可用拇指及中指触碰臂章以激活系统。

凯瑟琳娜•库斯和她的团队经常采用游戏产业中的技术。她表示，“这些技术非常适合我们，因为它们价格相对低廉，发展也极为迅速。”前期中心的工程师们希望在未来几个月内实现Myo在串联工作中的使用。

德国大众汽车集团成立于1937年，是德国最大企业，2010年打败日本丰田汽车公司和美国通用汽车公司成为世界最大的汽车公司。大众汽车公司是一个在全世界许多国家都有生产厂的跨国汽车集团，名列世界十大汽车公司之首。公司总部设在德国沃尔夫斯堡。

大众汽车公司在奥迪汽车的销售中使用虚拟现实技术

自2012年起，奥迪公司已率先在汽车销售中使用虚拟现实技术，将实体经销商服务与数字创新的优点结合起来：有线下实体的网络商店奥迪城（Audi City）在高至天花板的数字投影墙上以1：1实物比例展示奥迪汽车。在这里，顾客可确定自己心仪的车型。

奥迪城的线下实体占地面积小并提供专门服务，极大地补充了奥迪公司在主要国际化城市主要中心区域的销售网店，今年，莫斯科将成为继伦敦、北京和柏林后又一个拥有奥迪城门店的城市。在2014年，奥迪城的技术模块已在第一批16个欧洲试点经销商处投入使用。今年，奥迪公司计划在全世界范围内实现200多个经销点的数字化。

有了奥迪虚拟现实（VR），消费者有机会在经销商处通过虚拟现实头戴式耳机选择喜欢的车型，更可以以前所未有的真实方式体验所选车型。奥斯公司是首家利用虚拟现实头戴式耳机研发销售软件解决方案的汽车制造商。

使用创新技术后，消费者和潜在购买者可体验更高层次的虚拟奥迪世界，这里有三维图像、附有所有声音效果，和现实世界几乎没什么差别。在这里，体验者可以在所选车型车轮后选择虚拟座位入座，仔细观察车体。摄像头会追踪使用者头部运动，系统将相应地改变展示图像。使用者可以查看奥迪型号范围的全光谱，也可查看各自的用户定制选项，选项包括颜色、皮革、镶嵌物及娱乐系统。因此，经销商可方便地展示多种奥迪系列产品，并为顾客提供个性化建议。

奥迪公司今年末将向第一批经销商提供新型销售工具。重心将尤其放在销量激增的市场，那里奥迪公司销量高、经销商销售能力大。未来，奥迪虚拟现实体验可能不只局限在经销商处，还可能提供移动解决方案，比如消费者在家中即可享受到此项服务。

由于视域大、位置及移动追踪效率高，虚拟现实头戴式耳机提供了极强的浸入感。戴上头戴式耳机后，使用者可完全融入虚拟现实内部场景。奥迪经销商使用头戴式耳机时，耳机可从高性能计算机处获取极详尽的数据记录。高性能计算机为高质量的影像再现提供了保障。

大众汽车开发过程中的实际计算和反射的呈现

在汽车开发的过程中，重要的决策在早期阶段是通过数字化呈现被制定的。这不仅涉及整车的呈现，也包括汽车部件。对决策过程来说，重要的是可靠的呈现。在这种情况下，关注点落在了对汽车车窗玻璃的反射的再现上。举例来说，当驾驶座带有颜色时，这种反射就会出现在前挡风玻璃上。然而，由于像发光的控制面板这样的存在，汽车侧面玻璃的反射将会更加频繁。这时，必须防止这类反射在有外部镜面的环境中出现。

在工程框架内，针对虚拟反射的计算应当增加。当今的光线追踪技术（Ray-Tracing-Technologien）已经提供了一种计算反射的可能性。在其中，重要的是针对位置计算的高可靠程度。一个更重要的值得关注的方面是反射强度，尤其是司机对于反射的真实感受。鉴于这个原因，也要回答知觉心理学层面的问题。

光线追踪技术提供了一种方式，来计算涉及位置的反射。为了正确地体现强度，常规的借助RGB值计算颜色的方法是不够的。为此光谱渲染的技术被开发出来，确保了颜色和照明水平一贯的计算。对于整体场景的实际计算来说，实际的输入值是必要的。为此材料测量的方法被研发出来，同时测得的光源被运用到了实际模拟中。过程链的末端是一个监视器，它只能通过RGB值控制。因此，一方面必须在颜色还原方面对监视器进行测试并校准，另一方面，监视器要具备将光谱转化为RGB的功能。由此开发出对应的色调映射器，这确认了人类对所计算的场景的具体感受。

项目框架内，涉及到反射计算的位置精确性方面，不同市售产品的光线追踪方法能够得到测试。为了这一目的，一个新的测量方法被研究出来。为了查验人类感知的影响，进行了一项受检者测试。该测试表明，对比度和颜色都会影响人类对反射的感知。为了能够得到正确的计算结果，相应的光谱渲染技术被开发出来并投入到场景中进行测试。为此不同的材料测量的可能也已被确定和评价。高动态范围（HDR）显示器已经被运用在模拟结果的呈现中。这种显示器能够还原极高的亮度和极大的对比度，因此即使在一个明亮的整体环境下或者黑暗的区域内，也能清楚地辨认细节。

大众虚拟汽车内饰的功能性评价

在汽车工业产品研发过程中，来源于构造数据的虚拟模型越来越多地被用于保障车辆研发的。对虚拟汽车的纯粹外观评价已经得到了广泛的应用，然而在功能方面还是与之前一样主要依靠硬件模型来进行评估鉴定。为了在这一领域的研究也能运用虚拟技术的优点，必须让虚拟概念车的沉浸式体验成为可能。其中主要的挑战是构造三维模型的正确呈现，以及实现与汽车之间真实牢固的交互。

在这个场景中概念车功能方面的虚拟保障得到描述。对此在产品生产过程相当早的阶段，虚拟的车辆数据就被拟真地展现并评估。使用者进入虚拟车辆并评价概念车的功能，像顾客在之后的实体车中体验到的那样。通过使用虚拟车辆数据的同时，硬件原型车和驾驶室壳体的数量显著减少了。通过这种技术，研究能够更早地，型号的衍生和变化能够更快更简单地呈现在我们眼前。

概念车空间的体验在功能保障所有的层面中处于最重要的地位。人体工程学角度，比如对可触及性和可视性的评价，也和新的车辆功能以及驾驶员交互界面创新的呈现和评价一样，从它在现实目标环境的评估中获益。
在这个工程的范围内，为了使那些能够评价概念车功能的虚拟技术更加可靠，相关科技需要研究和应用。为了这个目的，必须保证汽车三维模型的成像是准确可信的。首先，在以往使用头戴式显示器的过程中，物体的尺寸和距离常常被错误地估计，从而导致使用者不知所措。除此之外车辆内饰的主要部件应当能够以真实和自然的方式被使用。交互界面的概念应该融合到虚拟汽车中并且便于操作。虚拟汽车中有关触觉体验的机遇和挑战也应该是研究的对象。

为了实现这个场景需要各种技术。第一，虚拟车辆数据在沉浸式显示系统中以正确比例呈现。部分的庞大的设计数据必须被加载到一个虚拟现实系统里，而无需数据准备工作，并显示高性能。虚拟车辆里，用户的正确定位和基准视觉位置的引进应该得到保证。对象和车辆部件必须对用户的输入信息做出真实的反馈。对象同时以不同的方式与互相之间或者与车辆进行连接。用户应当能够确信自己抓到了对象。对此用户的手必须在虚拟场景中进行转化。交互的一致性信息例如开关逻辑和汽车功能必须存储在模型之中。HMI的概念在虚拟汽车中体现了出来，并通过虚拟物体得以实现。尤其对于头戴式显示器的显示，它掩盖了真实的感知，有必要让用户感受到自己的形象。由此他们的动作会被记录下来并实时地转移到虚拟人物模型上去。而对于虚拟汽车的触觉体验来说，需要研发的不仅仅只有真实汽车数据的触觉反映，还包括一个合适的输出设备。

大众的研究团队正在处理有关如何在头戴式显示器中感知物体尺寸的课题。对此已经有方法被研究出来用于测量不同种类的头戴式显示器中影响图像的参数。首先，他们成功开发了一种专门针对光学透视式头盔显示器（Optical-See-Through-HMD）的校准技术。其中，为了计算头戴式显示器的特性而使用了二维的像素点和三维的参照物。这种技术并不适用于那些不能直接看到现实物体的头盔。对于这些设备，有另外一种技术可供使用。它可以忽略此类头盔上述的特性。除此之外还有一种校准技术得到了应用，它允许使用者自行设置一个对他们自身而言恰到好处的视野。为了让已经查明的显示器特征运用于虚拟成像的定义，一方面定义了一个描述格式，另一方面明确了为了实现转化所必要的技术前提。为了计算显示器特征的对于用户尺寸感知的影响，最终开发出了一个评估手段。

ICIDO公司成功应用了一款沉浸式交互型虚拟汽车。为了让用户坐在一个简单的汽车座椅样品上或者通过定义的眼点被置于一个直接由设计数据导出的虚拟汽车里，汽车的部件可以直接被用户借助虚拟手模型握住或者放开。对象合理自由地或者依照车内障碍物来移动，并且通过不同的联结点遵循简单的限制，譬如车门，或者遵守复杂的运动学原理比如转向杆的调整。一些车辆功能如雨刮器区域，或者电子功能例如闪光灯会随着实际部件到某一特定位置的转换或者虚拟按钮的触碰而被触发。

此外，ICIDO公司将任意一个外部模拟器与虚拟汽车进行了整合。为此外部的屏幕可以被截取显示在车辆的几何图形上。模拟器可以由虚拟按键进行控制或者直接通过触碰虚拟图像。因此，举例来说，可以在虚拟汽车里显示无线电导航设备的运行逻辑并且操作它。

为了将用户带入虚拟环境，发展出了多种多样的技术。首先，项目合作伙伴A.R.T.设定了一个特殊的目标以对用户进行光学追踪，同时为了这个目标设定开发了一种校准手段。ICIDO公司成功将以此记录下的运动信息转移到虚拟的人体模型上。除此之外，大众和A.R.T.一起开发了一种对捏这一动作敏感的手指追踪设备，它识别手指的收拢并将信息整合到握持试探法当中。在一个针对使用者的研究当中，大众探究了输入输出设备对自然状态下相互作用的影响。他们发现，输出设备的选择对相互作用的影响很小，取决于不同的应用。此外，捏敏感装置和触觉握持反馈对用户的帮助已经得到验证。

为了使虚拟场景对用户显得真实可触，普法芬霍芬的德国航空航天中心（DLR）与大众的研究团队共同开发了一个力回馈机器人。大众方面，对薄钢板的触觉呈现的研究在稳步推进。其局限性在一个用户研究当中得到了鉴定。