符 莎

（中山市技师学院， 广东 中山 528403）

0 引言

数控加工设备是制造业的重要基础， 在 《中国制造2025》规划中，高档数控加工中心被列为我国十大重点发展领域之一[1]。 近年来，由于全球疫情影响导致线下展览受到大规模冲击， 用户通过展会直接接触大型加工中心设备的机会变得越来越少，因此，为了让用户获得更好的用户体验，开发一种沉浸式、可视化的定制系统，让用户以更自然的交互方式浏览和定制加工中心类产品显得尤为重要。 在竞争的市场环境下，对加工中心类产品而言，功能等品质愈发接近， 更多的企业逐渐将设计重心放在提升产品外观质量与人机交互操作等方面。 为了提高竞争力，企业也需要为用户提供更为个性化的产品服务，这些都促使企业逐步面向用户进行定制化设计， 以满足不同用户的个性化需求， 而为用户提供身临其境的产品定制环境， 提高用户进行产品定制时的沉浸感与对产品的关注度就成为了一个重要的课题。

1 沉浸式加工中心造型定制设计

在现代设计方法学、 信息技术和先进制造等技术的支撑下，定制设计由此产生，一些企业从标准化、通用化及模块化理论出发，快速响应用户个性化需求，为用户提供个性化的产品服务并获得成功[2-4]。 数控加工中心属于特殊装备类产品，种类繁多，设计与生产周期较长，用户需求也不完全一致，采用定制生产模式较为合理。 随着互联网技术的发展，大多数产品定制设计系统仍多采用B/S架构，以网络定制方式为主，这种方式可以带来相对直观的体验交互， 但由于网络带宽的限制及只能在显示器之类的终端上进行浏览，无法让用户更深入的体验产品，因此多数加工中心类产品生产企业仍然以参加线下展览的方式让用户近距离接触实际产品， 从而使用户获得更为直接的产品使用体验，而疫情影响，参加展会已变成一种较难实现的方式。 针对上述情况，本文在前期基于Web3D技术研究产品定制技术的基础上[5]，基于定制设计理论与用户为中心理念， 利用更为先进的VR 设备， 以EMCO MC75-50 加工中心为例开发了沉浸式加工中心产品定制设计系统原型。

2 平台的选用与设计流程

目前大多数产品定制设计多以通过Web3D 技术实现的桌面型VR 定制系统为主，在这一类定制模式中，产品可进行全方位展示、实时装配、色彩定制等，但由于带宽和响应时间等问题，产品模型无法做到非常精致，影响了产品呈现效果， 并且用户多以计算机显示器作为终端进行浏览，体验效果较差。 为了增强交互体验，使用户尽可能的用更自然的方式与定制产品进行交互， 则需要开发沉浸式的VR 交互定制系统。通过对各种VR 制作平台进行分析与应用研究， 本文选择了可以多平台发布的Unreal Engine 工具作为了本次研究的主要制作平台。

Unreal Engine 是一个面向多平台的完整开发框架，其目标是赋予设计师尽可能多的控制权来开发可视化环境中的资源，各方面功能的设计思想也使内容创建和编程更方便，并提供了高度模块化、可升级与扩展的架构，便于开发测试及发行各种类型的VR 作品。 Unreal Engine提供的前向渲染技术、实时光栅化技术、光线追踪和精细光照技术等，配合可视化的材质编辑器，可以为产品增加极其逼真的实时视觉效果，可增强用户的视觉体验；另外，Unreal Engine 提供了一种可视化的蓝图（Blueprint）脚本编程环境， 可以使用基于节点的界面创建虚拟环境中的各种交互，极大的提高了开发效率。借助Unreal Engine 的强大编辑功能， 可以非常简便的实现加工中心的定制系统设计，见图1。 该系统的设计流程主要包括以下几个环节：①模型创建：在工程软件中建立加工中心主轴及需要进行定制的各个零部件模型并进行装配， 这个阶段中需要注意装配模型时各相邻模型的公共边界线需保持一致，以免后期模型切换时出现边界错误；②场景创建：在Unreal Engine 中将模型文件导入后搭建展示场景， 增加环境光源， 通过可视化材质编辑器为各个零部件赋予基于物理属性的材质着色；③交互界面制作：通过强大的图形UI 设计器UMG 制作用户交互界面；④设定VR 控制器：导入VR 控制器模块，在虚拟场景中设定控制器功能，绑定控制器按键；⑤蓝图编程：通过可视化编程工具——蓝图系统，编写各种功能代码，实现定制交互功能；⑥发布：为各种沉浸式虚拟现实设备发布可用的程序包， 并选择适当的平台发布，完成系统的最终设计。

图1 系统构建工作流程Fig.1 Workflow of system construction

3 实现定制系统的关键技术

3.1 沉浸式交互环境设计

在虚拟环境中，对普通用户而言，越接近真实物理环境中的视觉、听觉及触觉等交互方式就越自然，越容易使用户获得沉浸感。近年来，由于硬件技术的突破，陆续出现了一类面向消费级的虚拟现实终端，如HTC VIVE、Oculus Rift，以及可以独立使用的QUEST 等VR 一体机，这些设备均包含头部显示设备和手持交互设备， 这使为用户构建沉浸式的虚拟环境提供了更为广阔的硬件平台。这类设备所呈现的交互界面具有沉浸感与参与感两种核心特性[6]，沉浸感意味着用户能在虚拟环境中产生主观临场感[7]，参与感则代表用户在虚拟环境中无外界环境干扰， 具有高度的专注度[8]。 相较于传统桌面型虚拟现实类型，沉浸式交互环境从二维显示屏转向用户置身的三维空间； 操作也不再是键盘鼠标，而是更接近真实的身体手势交互；用户不再受限于固定场所，可在虚拟环境中移动行走；用户甚至可以获得触摸的力反馈或嗅觉等感知[9]。这些特性都使用户可以更加深入的、无干扰的探索虚拟对象。

Unreal Engine 支持多种虚拟现实硬件设备， 可以快速的将各种控制器导入虚拟场景中使用。 在加工中心定制设计系统中， 沉浸式交互的实现主要包含以下几个环节：①导入控制器模型，根据需求对模型进行修改，方便用户理解；②将控制器与Motion Controller 绑定；③通过UMG系统制作交互界面；④通过蓝图脚本为控制器增加交互。在控制器交互功能设定中， 左手控制器设置加工中心造型定制界面开关功能，右手控制器设置指点模型功能，从而引导用户进行交互操作。当用户关闭交互界面时，可以以自然的状态在场景中行走，从不同角度以物理世界的视觉经验观察场景中的加工中心； 可以通过触摸和推拉动作打开防护窗，观察加工中心主轴和内部机构工作；可以打开或关闭加工中心箱体内部的照明灯进行观察等。 当用户打开交互界面时，则在左手位置的空间中出现一个悬浮的造型定制功能面板，用户可以通过右手控制器点击面板上的功能按键，实时获得不同造型、不同色彩的加工中心定制方案，其交互操作环境见图2。

图2 沉浸式交互定制界面Fig.2 Immersive interactive design interface

3.2 形态与色彩定制

在产品造型中， 形态是促进用户产生消费决策的重要因素之一，在一定程度上，加工中心类产品的造型定制主要围绕形态进行。这要求在模型设计与制作阶段，将加工中心产品可以提供定制的零部件按模组全部生成三维数据文件，且按照实际装配关系将零部件进行虚拟装配。制作出的加工中心零部件模型数据按命名规则放入后台，等候用户交互调用。此时需要注意各零部件之间存在装配关系，相同零部件的不同造型方案模型要求边界一致，特别是与多个零件存在装配关系的零部件， 一定要确保所有边界均满足装配要求，如在加工中心三维模型中，箱体和底座之间、箱体与防护门之间都存在边界装配关系。

在文献[5]中阐述过造型定制的基本原理，在Unreal Engine 中，实现逻辑基本相同，但实现手段更为高效，表现效果更为突出。 在Unreal Engine 中， 通过调用加工中心零件库中的不同模型进行组合并显示于交互场景中，从而获得不同的造型方案。 用户通过沉浸式操作界面进行交互，选择不同方案进行组合，以选择出用户最为满意的造型方案。 其实现原理为通过蓝图脚本控制模型对象数据的调用与重组、显示与消隐，其逻辑，见图3。 用户在沉浸式的环境中， 可动态打开加工中心造型定制设计界面，以自然的方式进行交互操作，造型方案可以完美呈现在用户所处的虚拟环境中。

图3 形态定制原理Fig.3 The Principle of form customize

在Unreal Engine 中， 控制模型数据显示与消隐不需要编辑复杂的代码， 由系统自带的蓝图脚本工具可以非常方便的实现，具体逻辑为：当左手VR 控制器菜单激活时，虚拟场景中出现定制菜单面板，定制菜单面板可随左手控制器移动，处于自然悬浮状态；右手控制器可以直接指点面板上的按键切换加工中心的各部分造型零件，在本系统中，支持加工中心箱体、底座、防护门及门把手的形态定制； 系统后台根据蓝图代码直接删除目前场景中的目标模型，清空内存，并调用选中的模型及开启显示状态，达到造型定制的目的，其形态定制蓝图脚本见图4。

图4 形态定制蓝图Fig.4 Form customize blueprint

企业在推出新产品时， 都会提供若干种配色方案供用户选择， 因此色彩定制也是定制系统中不可或缺的重要功能之一。在沉浸式交互操作过程中，色彩定制的视觉冲击力更强。Unreal Engine 提供了强大的材质着色技术，其采用节点的材质编辑器可以快速生成具有物理属性的模型外观，获得使用户能够近距离观看的、像素级模型表面，以增强用户浏览时的沉浸感。加工中心定制系统中各个零件模型均具有基于物理属性的材质，其反光、阴影、透明及环境反射等都呈现良好的效果。 在本文采用的加工中心色彩设计中， 底座与主箱体部分色彩按机床行业惯例，已做好色彩配置，用户无需参与设计，其余部分则可由用户进行定制。进行色彩定制时，同样由左控制器激活定制面板，右控制器直接点击面板上的颜色球，即可达到色彩替换的效果。 其内部逻辑仍然是通过蓝图脚本切换零件模型的材质实现，更换色彩的蓝图脚本见图5。 另外， 为了让用户在虚拟环境中获得更深的沉浸感，所有操作面板全部整合在一起，并由左手控制器开启或关闭。当控制面板关闭时，用户可以在一个纯粹的虚拟环境中游历， 沉浸感和关注度都会显著提高。

图5 色彩定制蓝图Fig.5 Color customize blueprint

与传统的图形引擎工具相较，Unreal Engine 最显著的特点是可提供逼真的物理场景效果， 其强大的光线追踪、全局照明、动态阴影及局部强化反射等高级照明技术可以让用户置身于极度接近于真实的虚拟场景， 这些都进一步强化了用户操作时的沉浸感。图6 展示了用户使用加工中心定制系统进行定制时，通过不同模块重组后产生的不同形态与色彩方案。

图6 形态与色彩定制方案Fig.6 Results of the form and color customize

3.3 系统发布

Unreal Engine 提供了一次创作， 多种平台部署的强大支持， 可以直接发布面向Windows、Mac OS、Linux 等个人PC 设备， 也可以发布到基于Android 及Apple iOS 的移动设备，另外，Unreal Engine 原生支持Oculus VR、Steam VR、HoloLens、Magic Leap 等虚拟现实设备， 可根据各种平台或设备特性提供高品质交互设计方案。为了使用户获得更好的沉浸感，本文所开发的加工中心造型定制系统首先选择面向HTC VIVE 和QUEST 两种设备发布。 HTC VIVE 可直接运行基于Windows 系统的VR 应用程序， 在发布时直接选择64 位Windows 系统即可，本文中也采用了HTC VIVE 控制器模型作为虚拟场景中的交互模型，便于用户理解；QUEST 是基于Android 的一体式虚拟现实头盔，在发布时直接选择Android 平台即可。 用户在使用时，借助虚拟现实头盔和控制器即可获得相对真实的沉浸感。

获得高质量的沉浸感必须借助相应的VR 头盔和控制器实现，在没有相关设备的情况下，加工中心造型定制系统仍可以发布为面向显示终端的应用程序， 可直接发布至Windows 系统使用键盘鼠标操作， 但需要重新制作一套面向普通显示器的交互界面，见图7，或发布至Android 及Apple iOS 手 机上通过手势进行交互定制。 这种方式可面向更广泛的普通计算机和手机设备， 但会大幅度削弱用户使用时的沉浸感， 在没有VR 设备的情况下，可临时使用。

图7 非沉浸式的定制界面Fig.7 Non-Immersive interactive design interface

4 结束语

通过基于新型虚拟现实设备开发加工中心的造型定制系统， 用户可以在完全沉浸的状态下， 通过更自然的交互方式进行加工中心各零部件的造型与色彩等方面的自由定制， 从而获得具备个性化的产品造型方案。 该方法不仅能够使用户获得良好的交互体验，也增强了用户对企业与产品的认识。该技术结合新型的虚拟现实设备， 可拓展并适用于各类产品，具有很强的应用前景和社会效益。