现实与数字世界的融合 增强现实/虚拟现实 | 工业新概念
【中文条目】增强现实/虚拟现实
【英文条目】AR/VR （Augmented/Virtual Reality）
波音才是AR的发源地
增强现实（Augmented Reality，AR）的起源，可以回溯到1957年，美国的Morton Helig开始了可以给个人用户带来剧场体验的Sensorama项目。在1966年哈佛大学教授发明了头盔显示器。而“虚拟现实”一词是由美国VPL Research 公司的奠基人Lanier 于20 世纪80 年代末首次正式提出的。他将虚拟现实描述为一种逼真地模拟人在自然环境中的视觉、听觉、运动等行为的人机界面技术。
今天所说的增强现实技术，则是实际起源于1990年的波音。当时波音飞机制造过程中需要反复查看一本复杂的工作手册，一个教授为了解决这个问题而开发了一个软件，它能够将重要的原理图位置信息显示在一个可重用的板子上。然而，直到二十世纪末的1999年Hirokazu Kato发明AR工具软件箱之前，增强现实技术一直完全停留在科研工具阶段。而与之颇有渊源的虚拟现实（Virtual Reality，VR）技术就起源得更早了，根据百度百科，虚拟现实技术演变发展史大体上可以分为四个阶段：有声形动态的模拟是蕴涵虚拟现实思想的第一阶段（1963年以前）；虚拟现实萌芽为第二阶段（1963 -1972 ）；虚拟现实概念的产生和理论初步形成为第三阶段（1973 -1989 ）；虚拟现实理论进一步的完善和应用为第四阶段（1990 -2004 ）。
AR/VR——工业新概念的定义
虚拟现实呈现在使用者面前的是一个包含由计算机创造的图像和声音的人造世界，而且这些内容会受到来自使用者的影响。其基本特征被描述为“浸没－交互－构想”；增强现实是通过技术手段将数字信息所形成的虚拟环境叠加到现实环境并融为一体，使用户通过设备从感官效果上确信虚拟环境是其周围真实环境的组成部分。
二者都可以看成人机界面的一种技术。
AR/VR技术的异同
两者最大的不同是沉浸水平差异。虚拟现实是基于对真实世界的模拟，可以通过特定的设备（主要是头盔显示器）来体验，而增强现实则通过日常使用的智能手机、平板或网络摄像机将电脑产生的图像叠加到真实世界的不同地点和物体上。增强现实避免了全虚拟化带来的复杂性、脱离了对空间的限制、减少了对设备的依赖，因此具备更广的可行性和应用前景。
图1:AR与VR技术效果
AR/VR技术的市场前景和生态
高盛在2016年发布了第一份关于增强现实AR及虚拟现实VR市场的分析报告指出，到2025年AR和VR硬件软件营收将达800亿美元，如果它们迅速跳出小众市场走向大众，年营收可以达到1820亿美元。考虑到产业可能要花费一定的时间解决延迟和其它技术问题，即使按最慢速度预测，到2025年时VR和AR行业的年营收也有230亿美元。而根据Juniper Research 的一份报告指出，到2019 年企业级增强现实应用程序的使用规模将达到 24 亿美元（而2014年的使用规模为2.47亿美元）。由此可见，AR市场不论在大众市场还是企业市场，无论是在硬件还是在软件应用程序领域都有巨大的增长潜力。
目前，AR和VR市场已经形成了繁荣的生态，如图2所示：
图2：AR和VR市场生态
来源：theVRFund.com
工业领域的大展身手
AR/VR技术最早来自工业领域的需求，但在消费者市场，例如游戏、教育等领域被发展壮大。在高盛预测2016年关于AR/VR报告涉及的九个行业中，有五个为工业领域亦或涉及到工业的领域，包括：医疗、教育、房地产、军事和工程领域。该报告预测，到 2025 年，五个领域中的医疗和工程领域的创收将成为所有行业创收的主力军。但需要注意的是，AR/VR技术在企业级市场的增长速度将会高于消费类市场，因为AR/VR技术从专业的影视、娱乐产业进入了与民生更直接相关的军事、医疗、工业维修和工程设计等领域后，会马上产生更大和更丰富的应用价值，比如虚拟化的销售配置、产品评审、智能作业指导、远程服务等。如下是AR/VR技术在工业领域的典型应用场景：
△ 沉浸式产品设计评审
利用来自于CAD、PLM的三维数据和AR/VR技术进行产品评审，支持全球协同的分布式开发团队评审，进行产品过滤式查看，比如只看车身，并且将反馈信息利用声音、文字或者是视频的方式链接回PLM进行追踪。AR/VR技术除了可以支持iPAD、iPhone等移动终端外，还可以支持Microsoft HoloLens、HTC Vive等穿戴设备。
图3：AR/VR用于沉浸式产品设计
△ 远程交互式产品设计评审
在开放式创新模式中，AR/VR技术也将扮演重要的角色。一方面制造商和客户在概念设计早期阶段，就可以借助AR/VR技术在移动终端上进行产品概念的体验，甚至是沉浸式产品体验，另一方面客户可以更直观地参与评审并提出建议。在开放式创新的模式下，客户很难像企业内部研发人员一样坐在一起评审产品，因此还需要考虑多人的远程评审模式。
△ 产品设计改型
AR/VR技术可以用于在物理样机制造之前，进行设计的创新或改型。可以在已经制造出来的超级三轮摩托车上进行改装设计，在设计上加一个观后镜，利用AR/VR技术可以查看观后镜的角度，装配位置、外形等是否合适。如果不喜欢轮廓锐利的边沿，则可以快速创建一个更具流线型的版本，在所有相关人员达成一致后，再将CAD模型发往制造部门。节省上市时间和成本，加快创新。
△ 通过智能作业指导书指导工人精准执行
在车间可以为每个零件贴上一个标识码，当操作工人用AR程序扫描标识码后，便可以增强出来其底座、与底座的装配作业指导书（含装配动画）以及从PLM系统中获取此零件的相关信息（如变更、版本、供应商、库存数量、是否低库存），帮助车间工人更好、更快地理解产品装配过程，更快地进行产品制造。
图6：AR/VR指导工人精准执行
△ 助力产品个性化选装选配和定制
可以帮助企业进行产品的发布，让观众虚拟沉浸式体验新产品的功能、优点。在销售环节，可以帮助用户或销售人员进行交互式、虚拟化的选装选配。
图7：AR/VR助力产品个性化选装选配和定制
△ 指导产品安装，实现客户体验
可以用来进行产品的销售、安装，如家具布置、饮料贩卖机的安装调试模拟等。
△ 电子教学技术和自服务
在使用现场通过计算机控制的电子显示系统，将维修技术人员或操作人员所需的特定训练内容（如手册、声音、影像、图片等），精确地展现在使用者面前，通过动画、视频、声音来配合展现深层次细节，辅助客户各级维修人员进行训练和培训。支持增强现实技术应用，在客户现场通过增强现实穿戴设备（如AR眼镜、手持终端、AR屏幕等），对产品实物拍照，在增强现实穿戴设备展示产品操作示意和维修示意，指导客户学习。
图9：AR/VR用于电子教学技术和自服务
△ 让现场服务变得简单
维修人员在服务现场往往缺乏必要的服务经验信息支持，通常凭借经验进行判断和决策，参差不齐的人员能力导致了服务效果的不确定，同时随着产品向智能互联方向的不断转型，面对海量的产品数据，缺乏专业的维修知识，进一步加剧了现场维修的难度。需要企业采用新技术解决现场维修的不确定性问题。其中一种新兴方式是以增强现实为手段，以工业互联网平台为基础的维修手段。通过智能电话、平板电脑或智能眼镜，增强现实APP可以连接产品云，为佩戴眼镜的维修人员或用户创造出产品的覆盖显示界面。该数字界面包含产品运行状态和维护技术信息，不但能显示产品维护所需要的信息，还能提供详细的维修指南。
图10：AR/VR技术让现场服务变得简单
未来技术展望
随着AR/VR技术的普及和发展，尤其是在工业领域的应用深化，市场也对AR技术本身的发展带来了新的方向，比如：
☆利用三维技术更好地形成AR内容。在三维设计软件快速形成AR/VR需要的简化模型，就可以使您的 3D CAD模型实现增强现实的体验。系统会生成“标识码”，有了它，任何人都可以利用AR/VR 应用程序以沉浸在真实世界中的方式查看模型。
☆AR/VR技术的开发和应用更便捷、更强大，使AR/VR技术可以更容易与移动设备进行结合，用户可以更方便地创建各种AR应用。
☆AR/VR技术和企业级系统的结合。通过物联网平台和传统的PLM/SLM等系统进行整合，从而在AR/VR的APP中可以更好地利用三维模型、PLM系统中的BOM和产品信息、SLM 系统中的交互式维修手册等。
☆更好地支持硬件的发展。例如，支持各种AR眼镜、手机终端和Tango传感器等，让AR开发人员能够更加轻松自如地运用、搭载三维摄像头技术的设备，从而充分发挥这类设备的潜力。
未来AR/VR技术拥有很广阔的使用前景。现在每天都会有一个新想法和随之而来的解决方案来升级我们的现代生活。汽车制造工业已经开始支持增强现实效果，比如某汽车公司就在2014年引入了360度虚拟城市挡风玻璃技术，这项技术在你的挡风玻璃上投射出一个“精灵汽车”来指引你行进，从而替代了GPS音频指示。
前所未有的奇思妙想正在从四面八方的数字世界而来。人类的体验借助于AR/VR技术，自由地穿越虚拟赛博空间和物理世界。虚拟与物理世界的边界，将变得越来越模糊。
注：该词条即将收录入由中国电子信息产业发展研究院组编的《智能制造术语解读》一书，敬请关注。
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作者简介
纪丰伟：博士，目前任职PTC公司高级售前总监。专注于PLM和CAD领域已超过17年，作为主要负责人，领导和参与了多个咨询和实施工作。最近两年投身于物联网、大数据、增强现实等领域。
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