Методические основы применения технологий виртуальной реальности в промышленном дизайне

Авторы: А.А. Константинова, В.И. Ивченко, В.В. Бохонко, Н.В. Соловьев, O.Н. Мойсей

В последние годы технологии виртуальной реальности (VR-технологии) находят все большее применение в машиностроении и, в частности, в автомобилестроении. Они используются на различных этапах жизненного цикла автомобиля: для оценки принятых или поиска наилучших стилистических и цветографических решений при разработке дизайн-проекта, проведения анализа эргономики и обзорности рабочего места водителя на ранних стадиях проектирования; для виртуальной презентации машины потенциальным потребителям с целью продвижения на рынке; в целях обучения персонала, осуществляющего техническое обслуживание, ремонт техники и т.п. [1-5]. В недавнем прошлом продукция автомобилестроения имела длительный жизненный цикл, характеризовалась небольшим разнообразием моделей, а стадия разработки нового автомобиля занимала до 10 лет. В настоящее время жизненный цикл продукта значительно сократился, ассортимент продукции существенно увеличился, а смена модели происходит в среднем каждые 4-6 лет. В будущем можно ожидать продолжение тенденции сокращения жизненного цикла машины, рост разнообразия предлагаемых дизайнерских решений, повышающих уровень персонализации товара. Более того, динамично меняющиеся требования рынка вынуждают искать изготовителей новые, более эффективные способы и процессы разработки и модернизации автомобилей и, в первую очередь, касающихся их стиля и внешнего вида. Ожидается, что в том числе технологии виртуальной реальности будут способствовать решению таких задач [2].

Рис. 1. Цифровая модель электромобиля в VR-среде: а – экстерьер; b – интерьер

Важным преимуществом VR-технологий также является возможность обеспечения дистанционного доступа к VR-проекту с помощью сети Интернет [7], который позволяет заказчику и исполнителю одновременно в общей VR-среде проводить изучение, оценку и обсуждение решений по разрабатываемому объекту, при этом оба могут находиться в различных точках мира. Основным условием является то, что они должны быть оборудованы доступом в Интернет и необходимыми техническими средствами виртуальной реальности. Это дает возможность помимо отказа от изготовления физического прототипа изделия или его макета, сэкономить затраты времени и средств на перемещение людей и объектов.

Программно-аппаратные средства реализации VR-технологий.

Широкому распространению VR-технологий в автомобилестроении способствовало активное развитие вычислительных, аппаратных и программных средств. В современных программах виртуальной реальности реализован обширный набор инструментов, а также готовых модулей, адаптированных или разработанных специально для постобработки и визуализации автомобильной техники.

Выбор программных средств для разработки и демонстрации VR-проекта обусловлен следующими ключевыми факторами: обеспечение требуемого уровня реалистичности графического представления, удобство использования инструментов и интерфейса программы для пользователя, наличие вариативности методов решения поставленной задачи посредством разнообразия функционала.

В качестве основного программного средства для реализуемых VR-проектов было выбрано программное обеспечение для разработки компьютерных игр (игровой движок) Unreal Engine 4 (далее – UE4), главными преимуществами которого являются: высокий уровень реалистичности визуализации, интуитивно понятный пользовательский интерфейс, большое количество встроенных функций и отдельных редакторов, наличие возможности написания скриптов, как посредством кода, так и с помощью инструментов визуального программирования [8]. В качестве альтернативы UE4 рассматривалась программа Unity, существенным минусом которого в нашем случае является необходимость использования языка программирования С#, а также более низкий уровень реалистичности визуализации.

В процессе создания VR-проекта, как вспомогательные программы могут использоваться программы для подготовки и преобразования 3d-моделей (3ds Max, Siemens NX и т.п.), программы создания растровой и векторной графики (Adobe Photoshop, Corel Draw и т.п.).

Для запуска VR-проекта используется среда SteamVR, объединяющая в себе программно-аппаратные средства виртуальной реальности. Так как характеристики VR-проекта в значительной степени определяются параметрами и возможностями применяемых аппаратных и программных средств, были установлены минимальные и рекомендуемые системные требования к операционной системе, графическому процессору, оперативной памяти и видеокарте персонального компьютера (табл. 1).

Минимальные системные требования составлены для проектов, включающих: модели объектов с простой геометрией (с преимущественно плоскими поверхностями) и низкой полигональностью, с минимальным набором задаваемых параметров материалов, текстур и источников освещения VR-среды.

Рекомендуемые системные требования составлены для проектов, включающих: модели объектов со сложной геометрией, большим количеством деталей с высокой полигональностью, со скруглениями рёбер, с широким набором задаваемых параметров материалов (зеркальность, металлизированность, прозрачность и т.п.), текстур и источников освещения (естественных и искусственных), а также наличием эффектов анимации.

Выполнение приведенных рекомендуемых требований способствует оптимизации работы аппаратных средств с максимальной реализацией возможностей применяемых программных продуктов в рамках VR-проектов различной сложности.

Таблица 1 - Системные требования к компьютерному программно-аппаратному обеспечению для создания VR-проектов

Аппаратные средства виртуальной реальности для решения профессиональных задач могут быть представлены комплектом следующего оборудования и программных средств: - шлем виртуальной реальности (HTC Vive, Oculus Rift, Lenovo Explorer, Sony PlayStation VR и т.п.); - базовые станции отслеживания положения пользователя в пространстве и стойки-штативы для них (в зависимости от комплектации); - джойстики (манипуляторы-контроллеры); - адаптеры питания; - коммуникационный модуль для подключения к компьютеру; - встроенное программное обеспечение. Характеристики наиболее распространенных в применении шлемов виртуальной реальности представлены в табл. 2.

Таблица 2 - Характеристики шлемов виртуальной реальности

Методика создания VR-проекта. Рассмотрим сформированные в отделе промышленного дизайна Объединенного института машиностроения НАН Беларуси методические основы применения технологий виртуальной реальности в промышленном дизайне на базе следующих аппаратных и программных средств: комплекса виртуальной реальности HTC Vive OPJT100 VR, программно-аппаратного комплекса в составе рабочей станции (процессор Intel Core i7-7700K, память 32 ГБ ОЗУ, графический процессор NVIDIA RTX 2080, SSD-накопитель 1 ТБ, дисплей, устройства ввода), операционной системы Windows 10 (64 Bit) и программных средств (Unreal Engine 4, Steam VR и др.).

Методика создания VR-проекта включает следующие этапы: - подготовка и преобразование модели представляемого объекта; - разработка виртуальной среды для размещения объекта; - присвоение материалов и текстур составляющим VR-проекта; - создание и настройка источников освещения; - создание и настройка параметров навигации; - разработка и реализация сценариев анимации; - оптимизация отображения теней; - финализация проекта.

Общее описание указанных методических рекомендаций приведено ниже на примере создания VR-проектов для демонстрации электромобиля с кузовом каркасно-панельной конструкции (далее - электромобиль) в городской VR-среде и в виртуальном павильоне.

Подготовка и преобразование модели представляемого объекта. Для преобразования трехмерной модели электромобиля в виртуальный цифровой прототип изделия была осуществлена ее подготовка и экспорт в программу UE4. Подготовка модели предусматривает выполнение операций по проверке и устранению ошибок, понижению размерности модели и заданию толщин оболочечным телам. Подготовка и преобразование модели осуществлялась в пакете 3ds Max за счёт снижения количества полигонов, что позволило оптимизировать VR-проект под более низкие характеристики используемых аппаратных средств без потери качества. На рис. 2 приведены примеры полигональных сеток трехмерной модели плафона освещения салона электромобиля до и после ее преобразования.

Рис. 2. Полигональные сетки трехмерной модели плафона освещения салона электромобиля: a – до понижения размерности (260400 полигонов); b – после понижения размерности (5276 полигонов)

Для выявления и устранения ошибок исходной трехмерной модели объекта в CAD-приложении проводились проверка корректности ориентации и редактирование внешних нормалей к лицевым поверхностям, а также задание толщины оболочечным телам. Для перевёрнутых нормалей производилось их реверсирование. Необходимость выполнения данной операции связана с тем, что поверхности с некорректно заданными нормалями и нулевой толщиной в программе UE4 будут отображаться прозрачными с лицевой стороны (рис. 3).

Рис. 3. Корректировка нормалей трехмерной модели обивки двери электромобиля: a – с нормалями, обращенными от пользователя; b - с нормалями, обращенными на пользователя

Экспорт модели электромобиля в UE4 осуществлялся в масштабе 1:1 в формате .stp (может выполняться в любом формате, поддерживаемом применяемыми программами).

Разработка виртуальной среды для размещения объекта.

VR-среда для размещения модели объекта может формироваться следующими способами: - установка HDR-изображения (HDR – технология объединения нескольких изображений и создания на основе них среды [9]); - размещение моделей различных объектов оформления среды (помещения, архитектурные формы и т.д.) в VR-проекте; - создание комбинированной среды из моделей объектов оформления среды и HDR-изображений.

В рассматриваемом примере (рис. 1) формирование объектов оформления VR-среды реализовано в пакете UE4 комбинированным способом. Применение данного способа предусматривало присвоение соответствующих материалов и текстур моделям объектов оформления VR-среды. Особенности данной операции приведены в описании следующего этапа методики.

Присвоение материалов и текстур составляющим VR-проекта.

После формирования VR-среды и размещения в ней 3d-модели электромобиля им были присвоены необходимые визуальные свойства материалов и текстур. Для более реалистичного отображения пластического формообразования, создания световых эффектов, а также имитации некоторых природных явлений для указанных материалов и текстур заданы настройки свойств: шероховатости, цветовых каналов, в т.ч. яркости, контрастности, насыщенности цветов; металлизированности, отражения, прозрачности и др. (рис. 4).

Рис.4. Присвоение материалов и текстур модели

Благодаря широкой вариативности настроек свойств материалов и текстур UE4 позволяет задать необходимые визуальные свойства, обеспечивающие требуемую реалистичность восприятия. Возможно использование свойств материалов и текстур, полученных из специализированных ресурсов, а также текстур собственной разработки, созданных в графических редакторах [9]. Импортированные в UE4 текстуры используются как обычный рисунок, как рельефная карта или карта шероховатости (рис. 5). Применение в качестве текстуры рисунков, рельефных карт или карт шероховатости позволяет визуально представить элементы VR-проекта как в виде гладких поверхностей, так и рельефных или шероховатых. Импортированные в проект описания материалов расширяют встроенную в UE4 базу материалов.

Рис.4. Присвоение материалов и текстур модели

Создание и настройка источников освещения.

Для более точной передачи формы модели и создания реалистичного окружения электромобиля в рассматриваемых VR-проектах были созданы и настроены естественные и искусственные источники освещения.

В UE4 имеется возможность задания следующих источников освещения: рассеянного (небесного), направленного, точечного и прожекторного, а также различных атмосферных явлений, таких как туман, облака и т.д., формирующих атмосферный свет.

Основным видом освещения в рассматриваемых VR-проектах является солнечное, которое задается небесным источником, освещающим всю сцену (рис. 6). С помощью изменения настроек солнечного освещения можно более детально передать или подчеркнуть форму модели, а также имитировать время суток в VR-сцене [10].

Искусственные источники освещения (различного вида лампы, световые эффекты, а также некоторые виды материалов) в VR-среде могут создаваться направленными, точечными и прожекторными источниками света [11]. Они позволяют моделировать отражения, блики и их расположение на объекте, создавать подсветку и выгодно подчеркивать форму изделия, а также более точно передавать физические и эстетические свойства материалов (рис. 6).

Рис.6. VR-среда с различными вариантами освещения: 1 – с источниками солнечного и атмосферного света; 2 – без источника солнечного света; 3 – без источников солнечного и атмосферного света

Создание и настройка параметров навигации.

Под созданием и настройкой параметров навигации в VR-среде подразумевается создание и описание свойств системы областей, в пределах которых в VR-проекте можно перемещаться с помощью контроллеров [12]. Кроме того у пользователя имеется возможность физического перемещения в реальном пространстве, которое дублируется в VR-среде.

К основным задаваемым параметрам навигации относятся разрешение либо запрет перемещения через назначенную зону VR-среды с помощью контроллеров. При этом такие ограничения не действуют на физическое перемещение человека в пределах виртуального пространства. Поэтому при разработке VR-проекта рекомендуется обозначать границы, которые не желательно пересекать в целях обеспечения безопасности. Заложенные в настройках навигации UE4 свойства дают возможность рассматривать объект с разных ракурсов и с разного расстояния, а также создавать ограничения в виртуальном перемещении подобно тому, как это происходит в реальном мире.

При апробации методики в VR-проекте демонстрации электромобиля в виртуальном павильоне программными средствами UE4 была задана область навигации, ограниченная наружным периметром внутри виртуального павильона, а также исключена возможность перемещения «сквозь» конструкции электромобиля с использованием аппаратных средств.

На рис. 7 представлен пример настройки области навигации VR-проекта демонстрации электромобиля в виртуальном павильоне.

Разработка и реализация сценариев анимации.

Редактор UE4 позволяет задавать различные варианты анимированных действий с объектами в соответствии с выбранными сценариями. Это позволяет смоделировать любое необходимое действие (движение, скрытие, смена цвета, фактуры и т.п.) для демонстрации эстетических и стилевых решений, а также функционала и специфических особенностей рассматриваемого объекта [13,14].

В VR-проекте демонстрации электромобиля в виртуальном павильоне реализована анимация подъема капота с целью ознакомления с наполнением подкапотного пространства (рис. 8). Для задания анимированных действий были написаны специальные скрипты, устанавливающие порядок и условия выполнения необходимых операций, активирующих анимацию открывания капота.

Рис. 7. Настройка области навигации

Рис. 8. Настройка анимации открывания капота электромобиля

Оптимизация отображения теней.

Выполнение данного этапа носит рекомендательный характер и реализуется при разработке VR-проектов с большим количеством моделей, деталей, графики и анимаций, т.к. каждая смена положения модели относительно пользователя требует нового формирования падающей тени, что увеличивает нагрузку на вычислительные ресурсы, задействованные в проекте. Преобразование динамических теней в статические позволяет улучшить производительность программно-аппаратных средств, исключить или минимизировать возможные задержки и прерывания в отрисовке виртуального проекта во время его просмотра в очках виртуальной реальности [15]. Суть этапа заключается в фиксации в пространстве положения теней, возникающих от объектов после задания источников освещения. В результате чего динамические тени преобразуются в статичные изображения.

Перед этапом финализации VR-проекта все тени были преобразованы в статические изображения путем ограничения подвижности всех источников освещения виртуальной среды в выбранном положении.

Финализация проекта.

Данный этап необходим для создания исполнимого файла проекта в целях его запуска и просмотра на компьютерах, в т.ч. на которых не установлена программа UE4. Исполнимый файл имеет расширение .exe и отличается значительно меньшей размерностью, чем файл в формате программы UE4 [16]. Например, VR-проект UE4 с приведенным выше (рис. 8) электромобилем занимает 54320 МБ, а исполнимый файл – 3305 МБ.

Заключение.

По результатам обобщения и систематизации опыта применения программных и аппаратных средств виртуальной реальности, накопленного в Объединенном институте машиностроения НАН Беларуси при выполнении дизайнерских и конструкторских работ в области автомобилестроения, были описаны основные возможности и задачи, решаемые в автомобилестроении с помощью VR-технологий, приведен обзор параметров используемого программного и аппаратного обеспечения для работы в VR-среде, разработана и апробирована методика создания VR-проектов: демонстрации электромобиля в городской VR-среде и в виртуальном павильоне.

Описанные в статье современные VR-технологии уже на начальных стадиях проектирования транспортного средства позволяют анализировать в масштабе 1:1 эстетические, стилистические и объемно-пластические решения его экстерьера и интерьера, эргономику, обзорность; оценить качество выполнения сопряжений сложных поверхностей и т.п. В совокупности приведенные возможности вносят существенный вклад в повышение эффективности процесса проектирования путем сокращения времени на анализ множества вариантов и комбинаций решений, в том числе организацией дистанционных встреч по их совместной оценке и обсуждению непосредственно в VR-среде, минимизации ошибок и неточностей, что ведет к повышению общей степени проработки изделия и его соответствия требованиям разработчика.

Полученные на стадии проектирования виртуальные модели изделия (виртуальные прототипы) в дальнейшем можно применять в целях рекламы и продвижения его на рынке. Помимо основных возможностей демонстрации различных стилистических решений и определенных функциональных возможностей применение компанией-изготовителем современных инновационных цифровых технологий создает у потенциального покупателя ассоциативную связь с высоким техническим уровнем самого изделия.

Учитывая системный характер приведенных рекомендаций, они будут полезны не только для применения на базе упоминаемого в работе программного обеспечения UE4, но и с использованием других аналогичных средств разработки. Предложенные методические основы применимы при проектировании различных технических объектов в области машино- и приборостроения.

Литература:

1. Маркин Д.А., Новиков Е.А. Возможности использования систем виртуальной реальности в машиностроении // Достижения и перспективы технических наук / Сборник статей Международной научно-практической конференции / Д.А. Маркин, Е. А. Новиков. — Уфа: Изд-во НАУЧНЫЙ ЦЕНТР «АЭТЕРНА, 2014. — с. 20–22.
2. Netto, Antonio V. Perspectives of virtual reality for the automotive industry[Electronic resource]. / Antonio V. Netto, Arnaldo М. Penachio, Anésio T. Anitelle// Virtual Reality Technology for the Automotive Engineering Area– Conference: SAE Brasil 2002 Congress and Exhibit. – Mode of access: https://www.researchgate.net/publication /296643596_Virtual_Reality_ Technology_for_the_Automotive_ Engineering_Area – Date of access: 12.03.2021.
3. Lawson, G. The future of Virtual Reality in the automotive industry [Electronic resource]. / Glyn Lawson, Davide Salanitri, Brian Waterfield //VR Processes in the Automotive Industry– 17th International Conference, HCI International 2015At: Los Angeles, CA. – Mode of access: https://www.researchgate.net/publication /282076636_VR_Processes_ in_the_Automotive_Industry/ – Date of access: 12.03.2021.
4. The Use Cases and Benefits of VR In the Automotive Industry [Electronic resource] – 2018. – Mode of access: https://www.improovr.com/blog/the-use-cases-and-benefits-of-vr-in-the-automotive-industry/– Date of access 12.03.2021.
5. Колесников, В. А. Использование технологий виртуальной реальности для подготовки специалистов в области автомобильного транспорта/ Колесников В. А., Сыроваткин С. В., Колесникова Е. Б.// Проблеми та перспективи розвитку автомобільного транспорту: матеріали ІV-ої Міжнар. наук.-техн. інтернет-конф., 14–15 квітня 2016 р. Вінниця: Вінницький національний технічний університет, 2016. — С. 18–22.
6. Виды очков виртуальной реальности [Электронный ресурс] // vr-j.ru. — Режим доступа: https://vr-j.ru/stati-i-obzory/vidy-ochkov-virtualnoj-realnosti/ — Дата доступа: 16.03.2021.
7. Unreal Engine VR Mode [Электронный ресурс] // docs.unrealengine.com. — Режим доступа: https://docs.unrealengine.com/en-US/BuildingWorlds/VRMode/index.html. — Дата доступа: 15.03.2021.
8. Макеффри М.: Unreal Engine VR для разработчиков / М. Макеффри. — Москва: Изд-во «Эксмо», 2019. — 256 с.
9. Материалы [Электронный ресурс] // uengine.ru. — Режим доступа: https://uengine.ru/site-content/docs/materials-shaders/materials. — Дата доступа: 15.03.2021.
10. Lighting the Environment [Электронный ресурс] // docs.unrealengine.com. — Режим доступа: https://docs.unrealengine.com/en-US/BuildingWorlds/LightingAndShadows/ index.html. — Дата доступа: 15.03.2021.5
11. Santello S., Alan R. Stagner: Разработка RPG в Unreal Engine v4.7 / S. Santello, R. Alan Stagner — Бирмингем: Изд-во Packt Publishing, 2016. — 358 с. 12. Туториал по Unreal Engine. Часть 6: Анимация [Электронный ресурс] // habr.com. — Режим доступа: https://habr.com/ru/post/344840/. — Дата доступа: 15.03.2021.5
13. Shannon Т.: Unreal Engine 4 for Design Visualization: Developing Stunning Interactive Visualizations, Animations, and Renderings / Т. Shannon — Рединг: Изд-во Addison-Wesley, 2018. — 362 с.
14. Sanders A.: An Introduction to Unreal Engine 4 / A. Sanders — Бока-ратон: Изд-во A K Peters/CRC Press, 2016. — 270 с.
15. Sewell B.: Blueprints Visual Scripting for Unreal Engine: Build professional 3D games with Unreal Engine 4's Visual Scripting system / B. Sewell — Бирмингем: Изд-во Packt Publishing, 2015. — 190 с.
16. Mack K., Ruud R.: Unreal Engine 4 Virtual Reality Projects: Build immersive, real-world VR applications using UE4, C++, and Unreal Blueprints / K. Mack, R. Ruud — Бирмингем: Изд-во Packt Publishing, 2019. — 634 с.