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某集团虚拟现实仿真验证平台方案
某集团虚拟现实仿真验证平台方案
协同式虚拟现实仿真验证平台方案
北京朗迪锋科技
2021年4月
1.序言
随着运算机技术、信息技术、治理技术的不断进展与广泛应用,产品的工程设计与制造领域正在发生着深刻的变革,出现协同式、并行化、集成化、网络化、虚拟化、智能化的进展趋势,而且相应的支撑技术也得到了不断的进展与成熟,其中虚拟现实技术确实是一项重要的支撑技术。
虚拟现实技术在设计、制造领域的成功应用改变了〝设计-试制-分析-改进〞的传统模式,虚拟样机〔电子样机〕将逐步取代研制过程中用于工程分析的实物模型或全尺寸样机,通过异地系统、多人协同实现一体化协同设计、评审,这种趋势差不多成为制造业中一个不可逆转的潮流。
另一方面,由于虚拟现实技术能够提供真实感强的交互式仿真环境,而且用户在该虚拟环境下能够模拟进行各种动作与操作,因此它具有在爱护性、修理性分析领域的潜在应用。
通过虚拟爱护人员在虚拟样机上进行爱护、修理操作仿真来进行爱护性分析能够有效地克服现有定性分析方法的不足。
中国航天科工集团第六研究院〔以下简称六院〕,隶属中国航天科工集团公司,是中国第一个大型固体火箭发动机研制、生产和试验基地,被誉为中国固体火箭发动机的〝摇篮〞。
六院总部位于中国北疆内蒙古自治区首府——呼和浩特市。
2020年,经中国航天科工集团公司固体动力资源整合重组后,现已形成呼和浩特、西安和湖北三地协同,可连续进展的军民融合式产业进展格局。
六院拥有先进的设计技术,完备的生产、试验条件,具备战略、战术、宇航用固体火箭发动机技术研究、设计、制造、试验能力和化工产品、机械加工、复合材料、工业自动化系统集成等多项民用产品的开发、生产能力,差不多形成多地协同治理、专业门类齐全、配套完整、综合实力雄厚的大型固体火箭发动机研制生产试验基地。
中国航天科工集团第六研究院为了提高自身设计创新能力,拟建设虚拟仿真验证分析系统以辅助设计人员解决在研发过程中遇到的设计方案展现和论证问题,同时为了提高交付产品的可修理性、克服修理困难,以虚拟仿真验证分析系统为基础研协同呼和浩特、西安、湖北三地实现异地协同式设计、评审和汇报展现。
2.用户需求分析
从与用户的沟通中我们了解到,用户期望构建一个综合性协同虚拟仿真平台,以完成产品设计修理爱护性验证分析,该系统要适应用户已有的产品设计系统,依靠数字样机,运用虚拟现实技术,进行协同式方案论证、装配路径分析,及时反馈设计修改建议,解决验证过程的直观性和分析结果的可信性。
用户对虚拟现实系统的需求由以下几个部分组成:
(1)多人远程异地协同式展现汇报功能
协同式虚拟现实仿真验证平台的要紧建设目的之一是满足展现汇报,需要具备高度沉醉感,大视场角的立体汇报展现环境。
由于传统的虚拟现实显示环境只能满足单一视点跟踪,与实际设计过程中的协同式操作有专门大差距,本平台要求既能够满足大场景的评审汇报,也能够实现多人异地协同式设计评审汇报模式。
(2)可实现多人协同式虚拟装配、碰撞检测分析、柔性体仿真
在产品设计流程的各个时期,能够实现不通过任何数据转换,直截了当将UG建模软件的三维模型实现多通道立体显示,至少实现两人或更多人以第一人称视角在同一场景下的协同,承诺两人或更多人协同装配验证,能够实现碰撞检测,柔性体仿真等功能。
(3)CAE工程数据可视化及异构融合显示
在评审、汇报过程中,通过CAE可视化软件能够清晰的展现在设计过程通过分析软件运算出的结果,进而了解产品的关键技术。
要求支持目前主流的CAE分析软件如ANSYS、ABAQUS、NASTRAN等。
支持CAE数据和CAD模型的异构融合显示。
3.协同式虚拟现实仿真验证平台总体解决方案
针对以上用户需求,结合用户产品设计流程和现有先进技术手段,我们提供如下解决方案,方案示意如图:
图1协同式虚拟现实仿真验证平台解决方案
产品的设计流程大致分为可行性论证、总体方案设计、初步设计、技术设计和设计定型五个时期,在每个时期虚拟现实系统都能够发挥相应作用,做到为整个设计流程服务,从而给用户带来可观的投资回报。
在众多需求中,协同式虚拟现实仿真验证平台第一要解决的核心问题有协同式沉醉式用户体验、交互式体验、碰撞式虚拟装配、电子手册和CAE可视化。
依照图1所示,协同式虚拟现实仿真验证平台要紧由显示系统、图形工作站集群、交互系统、矩阵切换系统、中控系统、音响系统、协同式虚拟仿真验证平台软件七大分系统组成。
辅助设备包括UPS、交互机、光纤、数据线缆、VR外设等。
3.1.协同式虚拟现实仿真验证平台解决方案
3.1.1.显示系统设计思路
综合考虑协同工作的需要、汇报展现的需要、场地选择便利性的需要,以及今后进展变化的需要,通过综合分析和评判,我们认为假设采纳过去技术进展水平条件下的某一款CAVE或其它类型系统的方式在那个地点是无法达到令人中意的成效的。
通过分析本项目差不多了解到的需求,那个地点建议超高辨论率、大垂直和水平视场角的L型正投系统,同时结合MiniCAVE的显示模式,能实现完整的协同和汇报评审任务。
由于现场场地限制无法建设规模较大的评审汇报显示系统,假如简单采纳正投平幕那么过于单调而无新意。
为了扩大视场角的同时进一步提高沉醉感,因此采纳正投折幕,增加一部分下视场角度,如下所示。
3.1.1.1.显示系统设计形式
(1)L型正投显示系统光路初步设计
图2L型正投前视图
图3L型正投侧视图
图4L型正投俯视图
图5L型正投侧视图
图6L型正投正视图
(2)紧凑式CAVE显示系统光路初步设计
图7紧凑型CAVE显示系统
图8紧凑型CAVE显示系统侧视图
图9紧凑型CAVE显示系统俯视图
图10紧凑型CAVE显示系统正视图
3.1.1.2.显示系统要紧特点和参数
(1)L型正投显示系统的要紧特点:
此系统由目前业界最先进的4K立体投影机-Mirage304K及L型正投硬幕等构成,能提供高度的沉醉感,可供多人同时观看使用。
此系统能提供数字样机时期产品1:
1比例的展现、多方参与的人机交互过程显示、培训和训练过程观摩,以及参与多方协同工作。
全屏像素物理辨论率为4096〔横向〕x2160〔纵向〕,最大光通量输出为30,000流明〔29,000ANSI流明〕,用户可依照实际需要灵活设定输出亮度,采纳光源冗余设计。
由于采纳单台投影机显示方式,不需要从前不得不采纳的多机融合,因而不存在多通道融合系统带来的系统参数差异调整问题〔亮度变化、颜色变化、拼接区错位,等等。
〕以及需要频繁爱护的苦恼。
值得一提的是,与背投方式比较,此显示方式不需要大深度安装空间,安装期间材料搬运过程对建筑通道也无专门要求,因而场地适应性相当好。
●图像参数
图像宽度6800mm,高度2894mm,两面屏幕之间夹角105度,过渡区域旋转半径400mm,图像起始高度100mm。
详见设计图。
此设计充分考虑到此系统实现多种功能的特点。
既能专门好地为汇报展现提供大场景、大视场角、高度沉醉感显示,也能为设计人员提供协同的工作环境。
●亮度输出超稳固光源
Mirage304K显现之前所有高亮度投影机都存在亮度衰减太快的问题,即几乎所有亮度30,000流明级别的氙灯光源衰减到最大值50%的时刻只有约500小时,每运行约80小时亮度输出下降超过标称最大值的10%,且通常运行250小时后会相伴着明显的灯闪耀〔见下面是某厂家手册公布的实测曲线图〕。
目前所有的20,000流明级别的氙灯光源其亮度衰减到最大值50%的运行时刻也不超过1000小时。
图11不同光源的衰减幅度
Mirage304K采纳目前最先进的超稳固高效光源技术,其光源亮度衰减到最大值70%的运行时刻不低于1,500小时。
●灵活的亮度输出设置
Mirage304K亮度输出能够设置成下面几种模式:
a.灯全开启模式:
最大光通量输出30,000中心流明〔29,000ANSI流明〕;
b.部分灯开启模式,即依照需要任意设置运行的灯数量。
例如,一只灯运行模式最大亮度输出5,000流明,2只灯模式下10,000流明,3只灯模式下15,000流明,等等,直到6只灯的30,000流明。
所有模式下均可将亮度输出设置成恒定亮度显示方式,如最大值的80%,系统能长期保持此亮度显示。
●光源冗余设计
Mirage304K内部所有灯采纳并联设计方式,任何灯假设显现故障可不能对其它灯产生阻碍。
多通道系统工作时每台投影机会将自动将当前实际光通量输出值传递给同系统中的其它投影机以实现多通道系统亮度输出统一操纵。
●超低噪音
由于采纳目前最先进的光源技术及降噪工艺,Mirage304K的运行噪音大幅降低,正常工作时噪音不超过42dB。
相当于一台PC工作站。
●低散热
由于采纳冷光源技术,Mirage304K不需要专门配置笨重的排热管道以及相关的室外抽风设备,降低安装和运用的复杂性,减少对建筑和环境的长期阻碍。
●紧凑外观设计
Mirage304K采纳全新紧凑的设计,机身外观规格为959长x597宽x305mm高,适合于所有显示方式,专门是正投吊装方式。
●低运营爱护成本
Mirage304K由于采纳长寿命低成本光源,其每小时运营成本不及同亮度氙灯投影机的1/3。
●内置高精度象素位置操纵调剂
Mirage304K继承了长期以来专业级虚拟现实类投影机的特点:
提供先进的投影机内置硬件方式实现像素位置几何实时校正及电子边缘融合,幸免了外置设备带来的信号转换缺失、增加的延迟、高故障率以及长期爱护的苦恼等。
●全屏亮度平均性和一致性操纵调剂
Mirage304K投影机内置的TwistPro〔选项〕提供了对任意显示区域甚至像素点亮度进行调剂操纵的能力。
通过启用此功能,能够实现通道内100%亮度平均性显示,以及通道间亮度一致性操纵调剂。
这关于大规格屏幕专门是背投显示情形下排除太阳效应专门关键。
●光学引擎全密封及液冷技术
Mirage304K投影机采纳光学引擎全封装技术,其优点:
a.光学引擎全密封幸免了长期使用过程中无法过滤掉的灰尘及空气中的水气等进入引擎而导致的图像质量逐步下降以及〝死点〞现象。
b.液冷技术让DLP投影机内部能在较低温度环境下工作,其结果是图像色彩和色温更加稳固,这是目前任何风冷技术都无法实现的。
c.液冷技术减少了风扇数量,降低了转速,在不降低图像质量的前提下实现投影机噪音显著降低。
液冷条件下的DLP芯片寿命显著增加。
●亮度输出一致自动操纵技术〔LiteLOC™〕
所有类型的投影机亮度输出均会显现随着光源使用时刻增加带来亮度输出下降,亮度输出下降曲线表现为非规那么的特点,因此专业类显示系统需要具有亮度输出一致性自动调剂能力。
LiteLOC技术既包括多通道系统应用条件下时通道间亮度输出自动一致性操纵,也包括单通道条件下随时刻变化亮度输出一致性表现操纵。
通过利用投影机内部光路上的亮度传感器和光通量输出操纵装置动态测量并操纵亮度输出,实现亮度输出的恒定。
要紧特点:
a.整体亮度一致性不受多种因素〔光学部件非平均损耗、电压变化等〕阻碍;
b.新旧光源能够混合使用,系统中的灯不必同时更换。
通过对多通道间投影机亮度输出参数进行统一的闭环探测和操纵,动态实现系统中多个投影机亮度输出实时自动一致的方法,系统能自动调剂所有灯的亮度以适应所有灯中最低的值。
通道间自动白平稳处理技术,目的是确保不管显示暗场景依旧亮场景图像通道间能自动保持亮度一致性,专门在新旧灯混合使用的情形下。
保证图象平均度和对比度一致性光门技术-能确保不同亮度场合下所有通道输出的白电和黑电平指标一致;专门在新旧灯混合使用的情形下,系统各通道间后仍能保持统一的黑白电平指标。
●色彩空间一致自动操纵〔CCA™技术〕
所有投影机天然的颜色空间表现均有一定程度的差异,因此专业类显示系统需要具有颜色输出一致性自动调剂能力。
通常采纳的方法包括:
●目前业界唯独的专业级120Hz立体信号输入和处理能力
基于目前业界最先进的TruLife像素处理技术,Mirage304K内部像素处理带宽能达到1.2Gpx/s,因而能接收、处理和输出120Hz主动立体图像,完全改变了4K投影机只能接收60Hz图像的历史。
120Hz主动立体输入和处理能有效幸免因低刷新率带来的快速移动应用显示跳跃以及丢帧等问题。
关于低刷新率立体〔48-60Hz〕,投影机内部会自动倍频输出显示。
Mirage304K既能适应目前高端专业应用,也考虑到了以后几年更高性能运算机显卡处理能力,因为运算机显卡的升级换代周期远比显示系统短。
Mirage304K还能够同意左右两路被动立体信号输入,内部合成输出主动立体的方式。
●极好的现场适应性
限于过去技术进展水平限制,早期的4K主动立体投影机均为电影放映机改装而成。
由于过去高亮度显示只能采纳氙灯光源,导致庞大的噪音、外观笨重以及必须采取机身几乎水平摆放的安装方式,给实际应用带来专门多限制〔例如不适合于正投吊装应用〕和苦恼。
Mirage304K的显现完全解决了这些问题。
●倾斜安装时图像显示调整能力–Scheimpflug功能
Mirage304K镜头配置有Scheimpflug〔Boresight〕调剂能力,机身倾斜一定范畴角度内通过采纳此条件能正确显示图像信息。
实际工程中会给投影机安装位置带来更大的灵活性。
与采纳像素位置几何校正方法不同,Scheimpflug调剂可不能带来像素及亮度的缺失。
●专业级系统调试工具Twist
过去多通道显示系统安装调试及爱护需要采纳基于遥控器逐通道工作的方式。
这既费时又费劲,效率低下。
目前Christie系统调试只需在个人电脑上运行Twist软件即能方便快捷地操作。
下面是Twist不同版本的特性。
特性
Twist〔标配〕
TwistPremium
TwistPro
支持的投影机数量
6
18
无限制
操纵点
最多81个网格操纵点
最多87个网格操纵点,含6个任意调剂操纵点。
最多1500个网格操纵点〔任意调剂操纵点或网格点〕
亮度平均性调剂
无
有
有
Autoblending(Wallpaper)
无
有
有
Autoblending(FieldofView)
无
无
有
任意调剂操纵点
无
最多6个
无限制
●屏幕及机械结构
屏幕及机械结构是系统的重要组成部分,与系统可靠性和质量紧密相关。
我们那个地点提供的是定制的系统整体解决方案,包括光路设计、机械设计、定制加工、现场安装服务和长期爱护。
系统设计时会综合考虑现场条件、观众数量、工作方式,提供最正确的视场区域、系统亮度和色彩平均性。
我们会提供专业的光路设计提供机械设计,得到用户确认后才能定制生产。
(2)紧凑型CAVE显示系统的要紧特点:
4面紧凑型CAVE系统。
要紧包括4台低噪音、长寿命的激光投影机、背投硬屏幕和机械结构。
了解虚拟现实工作原理的人都清晰,不管CAVE系统规格多大,实际上同一套显示系统中只能有一个显示正确的观看眼点。
这决定了多人在一套CAVE中全然无法实现协同工作,即全然无法实现多人〔多眼点〕显示和操作。
通过配置多套紧凑型CAVE系统,通过与合适应用软件的配合,系统便能容易地实现虚拟漫游、展现、人机交互,因此也能实现多人协同工作。
此紧凑CAVE系统每通道〔面〕物理辨论率为1600x1200,最大光通量输出为1700流明,能依照实际需要设置成明亮〔1700流明〕、常规〔1350流明〕和经济〔900流明〕模式。
光源寿命达60,000小时。
与传统的CAVE比较,那个地点提供的紧凑型CAVE能让人员舒服地坐下来长时刻工作,符合正常的工作适应;与过去占地空间庞大的CAVE不同,紧凑型CAVE不需要专门的房间,正常办公室环境就能满足空间要求;系统能依照需要方便地进行位置移动;安装期间材料搬运过程对建筑通道也无专门要求。
因此场地适应性极好。
●图像参数
请参考设计图。
●更强的使用真实感
所有的4面CAVE类系统地幕图像均需采纳正投方式,即投影机光线从顶部方向投射过来,这不可幸免地会产生阴影,在一定程度上会阻碍真实感。
紧凑型CAVE系统全部为背投方式,人在工作时既体会不到阴影,也听不到机器噪音。
●亮度输出超平稳的光源
基于低功率二极管的激光技术,那个地点的激光投影机亮度和色彩输出相当平稳,实际亮度输出是基于LED光源投影机光源亮度的2倍以上,且更省电。
●可调剂的亮度输出
有三种亮度输出模式:
明亮模式:
1700流明,功率250W;
常规模式:
1350流明,功率200W;
经济模式:
900流明,功率155W。
●提供系统冗余和更高的可靠性
那个地点的ALPD激光灯源模块为16点激光颗粒组成,激光颗粒二极管专门稳固可靠。
即便有个别颗粒点损坏设备仍可正常使用,可不能阻碍系统正常运行。
ALPD投影机提供2个或以上电源。
●亮度和色彩一致性操纵
通过调剂操纵基准电流保证机器出厂时通道间亮度偏差小于50流明,确保系统初始状态通道间亮度和颜色平均;
RGBY电流分段可调保证白场坐标一致。
●
低噪音
采纳业界风评最正确SanyoDenki静音风扇,系统机器运作噪音低于25dB。
适用于专门安静的工作环境。
●低功耗
最大功耗为200W,远小与其它光源光机功耗。
●亮度可扩充
由于激光具有单向性好低扩散角的特性,因此投影机内部能够提供双灯源架构,关于亮度的倍增扩充保留了弹性
●开机无需等待
基于ALPD的投影机开机即可应用,无需预热。
●屏幕及机械结构
屏幕及机械结构是系统的重要组成部分,与系统可靠性和质量紧密相关。
我们那个地点提供的是定制的系统整体解决方案,包括光路设计、机械设计、定制加工、现场安装服务和长期爱护。
系统设计时会综合考虑现场条件、观众数量、工作方式,提供最正确的视场区域、系统亮度和色彩平均性。
我们会提供专业的光路设计提供机械设计,得到用户确认后才能定制生产。
●投影机要紧技术指标如下:
辨论率:
1600x1200
光源寿命:
60,000小时。
投影机亮度:
明亮模式1700流明;典型模式1350流明;节能模式900流明。
功率:
明亮模式250W;典型模式200W;节能模式155W。
引擎技术:
引擎密封,防尘设计。
显示技术:
背投DLP
亮度平均性:
>85%ANSI9;
重量:
投影模块重量18kg;
输入:
DVI
电源要求:
100-240VAC,50-60Hz
运行条件:
运行湿度:
最大90%,无冷凝。
运行温度:
0°C-35°C
工作相对湿度:
20%-80%〔无冷凝〕
噪音:
<32dB(A)
3.2.图形工作站集群
图形工作站要紧负责图形图像的输出,通过信号传输系统到显示系统。
图形工作站的运算能力决定了实时渲染的速率,也确实是显示成效的流畅程度,因此我方建议图形工作站采纳较为高端的图卡。
建议配置如下:
Ø型号:
HPZ840
ØCPU:
2颗E5-2667v3;
Ø内存:
64GBDDR4-2133;
Ø显卡:
每节点配备1块NVIDIAQuadroK6000;
Ø硬盘:
1块1000GBSATA7200和512GBSATASSD硬盘;
Ø光驱:
9.5mmSlimSuperMultiDVDRW2stODD;
Ø网卡:
千兆以太网卡;
Ø同步卡:
NvidiaQuadroSyncCard;
Ø显示器:
24寸液晶显示器;
Ø操作系统:
Windows7Professional64bitOS〔中文版〕;
3.3.交互系统
基于用户对虚拟装配、装配路径优化分析的需求应用考虑,为实现协同设计评审中的交互功能,我们需要在紧凑型CAVE系统中加入位置跟踪系统。
交互功能能够说是一个虚拟现实系统的灵魂和亮点,交互区设计的好坏将会关系到整个虚拟现实系统的应用成效。
针对该项目的应用模式,我们采纳在CAVE系统中采纳捕捉范畴较小的交互设备,同时另外建设交互区用于人机功效分析。
当用户应用模式为大规模汇报展现时,能够采纳第一人称视角在CAVE内操作,第三人称视角在巨幕观看,当用于做人机功效验证时,能够在交互区通过穿戴显示器实现多人协同的人机功效分析。
图12ART交互系统在虚拟现实环境中的应用模式
一套位置跟踪系统要紧组成部分包括:
●跟踪摄像头
●手持交互式手柄flystick
●多个跟踪目标
〔1〕SmartTrack跟踪摄像头
SmartTrack是一个完整整合的独立光学追踪系统。
它涉及用于小范畴〔大约2m3〕的空间。
一个封闭的盒子里集成了两台摄像头和一个操纵器,一经校准即可使用。
〝追踪〞是指确定空间中运动物体或物件位置的测量过程。
这些被追踪的物体或物件需要装备单独的标记点或预制刚体标记点〔=刚体物体或目标〕。
〔2〕Flystick2
●虚拟现实专用的交互设备无线发射器
●6个按钮类似游戏操纵杆
●使用爱护过的被动反光式球体
(3)
头部视点跟踪套件Headtracking
●可跟踪头部眼点位置
●无线简便,可方便置于立体眼镜或者头盔
●适用于各类虚拟现实系统
●6自由度输出
●支持多套虚拟现实软件
3.4.矩阵切换系统
本系统中我们配置的是一台ExtronSMX200多重矩阵,里面插有1块SMX88V输入输出板卡,能实现8路视频信号输入输出切换;1块SMX88A输入输出板卡,能实现8路音频信号输入输出切换;1块SMX88SYNC输入输出板卡,能实现8路立体同步信号输入输出切换。
多重矩阵的要紧作用是保证同步型号的输入输出。
3.5.中控系统
中央操纵系统要紧是完成对投影机及矩阵切换器工作模式的切换操纵,同时能够操纵虚拟仿真系统投影机、灯光、音响系统等其它周边设备的开关。
鉴于稳固性及服务质量,那个地点我们举荐使用快捷CR-PGMII中控系统。
图13中控系统的操纵连接示意图
中控系统要紧包含以下设备:
高性能网络化可编程操纵主机CR-PGMⅢ
手持无线可编程触摸屏CR-Wireless
电源操纵器CR-POWER8III
音量操纵器CR-VOLII
可编程8路多串口器CR-UART8III
RF无线接收器CRRFA-Ⅱ
3.6.音响系统
音响系统要紧用于为三维数字样机装配仿真系统提供演示所用音效,同时也可能会兼顾到视频的演示、一般会议或者演讲报告等使用,也可为集多功能于一身,因此要求系统要稳固、使用便利、音响成效优良。
针对本项目的特点,我方提供一下配置:
FedYcoBN6000功率放大器;
全频主扩声扬声器全频音箱RM-8;
NE8800数字音频矩阵;
4支PG58有线麦克风、2套PGX/24/PG58无线麦克风。
3.7.协同式虚拟仿真验证平台软件:
MakeReal3DVSP
3.7.1.协同式虚拟仿真验证平台软件应用模式
依照用户提出的协同式虚拟仿真验证平台需求描述的6点重要要求,该软件结合上述各个硬件子系统为用户提供以下6种不同的应用场景描述,解决用户关于本平台的应用的需求。
第一:
协同式展现汇报模式:
MakeReal3DVSP协同式虚拟仿真验证平台软件是一款理想的快速立体可视化解决方案,适用于任何显示设备,包括基于投影机的显示系统、穿戴式显示器、LED屏等等。
该产品不受辨论率、尺寸、形状或性能的阻碍,可在任何情形下正常显示3D模型。
MakeReal3DVSP协同式虚拟仿真验证平台软件能够式L型正投显示系统和紧凑型CAVE显示系统实现协同显示模式,
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