基于VR/AR的智能制造技术

VR/AR是计算机科学领域，主要是多通道感知领域，以及计算机图形、认知等领域的研究热点，而智能制造则落脚在大制造、自动化等领域。考虑到这些学科的交叉，在本书中作者从智能制造的设计制造信息集成角度，配合VR/AR的基本实现技术，重点给读者展示了基于VR/AR的应用技术。本书共分10章，以智能制造为核心，以数字主线下的制造上下文信息的流动研究为脉络，主要介绍了VR/AR的可视化技术、人机交互界面技术，同时介绍了主流的工具集，并给出了其案例实现，以便有兴趣的科研人员参考。作者从事优选制造、VR/AR的研究已逾20年。本书在内容上尽可能涵盖当前VR/AR的主要应用技术。但作为新兴的技术，智能制造VR/AR正处在快速发展阶段，基于VR/AR的智能制造构架体系、实现手段、表达方式等的变化日新月异。很多重要、前沿的实现方式本书都没有涉及，尤其是新一代的图形学技术本身，本书仍然采用了较为经典的实现方式。本书采用了一些主流研究机构的原型/源码，供读者参考。本书内容基于国*级科研项目，本书为智能制造与机器人理论及技术研究丛书之一，可作为智能制造领域从事VR/AR技术、智能设计技术的参考书。

虚拟现实（VR）和增强现实（AR）作为新一代的可视化和人机交互手段，是智能制造技术重要的组成部分，它位于智能制造体系的表示层。本书作为该领域的专业书籍，在内容上涵盖智能制造与VR/AR的概念、反映智能制造核心技术的前沿制造技术、贯穿制造过程生命周期的VR/AR应用技术等。
本书分10章，可以分为三大部分：第一部分（第1~2章）介绍VR/AR的概念，智能制造的概念、关键技术、新的发展热点。第二部分（第3~7章）介绍基于VR/AR的智能制造技术，包括制造系统建模、全生命周期数据集成、人机交互技术、数字孪生技术、工业大数据等，以及这些技术与VR/AR的融合、互操作的研究。第三部分（第8~10章）主要通过设计、制造等方面的典型案例来介绍基于VR/AR的实现方式，介绍主流的工具集，并给出了案例实现，以便有兴趣的科研人员对照实现；给出了在AI技术、5G技术等新技术的快速发展态势下，基于VR/AR的智能制造技术的发展趋势。
本书可作为高等院校机械制造、自动化及相关专业的本科生或研究生教材，也可以供对智能制造感兴趣的研究人员和工程技术人员阅读和参考。

第1章虚拟现实/增强现实技术基础/1
1.1概念与发展历程/1
1.1.1VR/AR的特点/4
1.1.2VR/AR内涵与发展/5
1.2VR/AR的基本原理/7
1.2.1VR/AR的计算机图形基础/7
1.2.2沉浸显示基本原理/14
1.2.3自然交互基本原理/17
1.2.4虚实场景融合基本原理/19
1.3基于VR/AR的典型制造业应用场景/21
1.3.1虚拟装配/21
1.3.2工厂虚拟布局与规划/22
1.3.3自动化仿真/22
1.3.4生产作业虚拟培训/23
第2章智能制造体系与关键技术/26
2.1智能制造体系/26
2.1.1定义与参考模型/26
2.1.2以CPS为核心的智能制造关键技术/36
2.2VR/AR技术驱动的智能制造系统/50
2.2.1系统框架/51
2.2.2关键技术/57
2.3VR/AR技术的制造业应用挑战/65
第3章基于VR/AR的制造系统建模与仿真技术/68
3.1面向VR/AR的大规模三维建模关键技术/68
3.1.1大规模场景建模技术/68
3.1.2大规模场景的实时处理/89
3.1.3大规模场景中的交互操作/96
3.1.4大规模场景真实感场景渲染技术/102
3.2虚拟工厂三维建模方法/111
3.2.1制造场景建模/112
3.2.2虚拟工厂的三维布局建模/114
3.2.3虚拟工厂建模案例/126
3.3VR环境中的生产系统布局仿真/132
3.3.1三维虚拟工厂模型的静态空间评价/132
3.3.2生产过程的运动仿真与评价/138
3.3.3某飞机虚拟工厂布局优化实例/157
第4章智能制造系统虚实信息集成与可视化/162
4.1基于数字主线的制造系统虚实信息集成/162
4.1.1数字主线相关概念/162
4.1.2基于数字主线的信息集成框架/168
4.1.3数字主线的数据采集技术/172
4.1.4基于VR/AR的数字主线体系/182
4.2基于MBD的产品模型集成及可视化/185
4.2.1基于MBD的产品模型集成/185
4.2.2制造上下文中的产品多尺度信息集成/198
4.2.3VR/AR环境下的MBD可视化/204
4.3产品多学科分析科学计算可视化/211
4.3.1工程数据可视化表达/211
4.3.2融合多学科数据的可视化/214
4.4制造过程信息集成与可视化/219
4.4.1基于知识图谱的制造上下文数据集成/219
4.4.2制造信息知识图谱信息存储模式/226
第5章智能制造中的VR/AR人机交互技术/232
5.1VR/AR中的人机交互技术/232
5.1.1人机交互概念/232
5.1.2VR/AR中人机交互技术/234
5.2手绘草图交互识别技术/241
5.2.1基于人工智能的三维草图识别/241
5.2.2基于手绘的三维物体交互设计与分析/243
5.3虚拟装配维护中的人机交互/246
5.3.1装配交互方式/246
5.3.2实时智能化引导技术/248
5.3.3装配/维护系统的交互式作业流程/252
5.4增强现实系统的编辑交互技术/255
5.4.1编辑工具交互设计/255
5.4.2静态场景编辑方法/257
第6章基于VR/AR的数字孪生技术/261
6.1数字孪生与VR/AR/261
6.1.1数字孪生概述/261
6.1.2智能制造系统的数字孪生模型/273
6.1.3基于VR/AR的数字孪生系统与关键技术/277
6.2基于 VR/AR 的产品数字孪生/298
6.2.1产品数字孪生驱动下的外观评估/298
6.2.2产品数字孪生驱动下的装配作业指导与评估/300
6.2.3产品数字孪生驱动下的制造偏差评估/302
6.2.4典型应用案例/307
6.3基于VR/AR的制造数字孪生技术/310
6.3.1制造数字孪生驱动下的加工过程监控/311
6.3.2制造数字孪生驱动下的制造物流调度/314
6.3.3制造数字孪生驱动下的制造计划执行监控/319
6.4VR/AR环境下的产品在役运行数字孪生/323
6.4.1性能数字孪生驱动下的设备健康状况维护/323
6.4.2性能数字孪生驱动下的制造系统性能分析/328
6.4.3小结/345
第7章基于VR/AR的制造大数据可视化/346
7.1制造大数据概述/346
7.1.1制造大数据特征/346
7.1.2制造大数据来源及类型/349
7.1.3制造大数据体系与关键技术/352
7.2基于VR/AR的制造大数据可视化技术/361
7.2.1大数据可视化技术/362
7.2.2基于VR/AR的大数据可视化表达/365
7.2.3基于VR/AR的制造大数据挖掘与交互/386
7.3制造大数据可视化工具/391
7.3.1WebXR技术/391
7.3.2基于WebVR的可视化开发工具Dash/392
第8章基于VR/AR的典型智能制造应用案例/395
8.1航空发动机智能辅助装配/395
8.1.1案例介绍/395
8.1.2软硬件系统/398
8.1.3基于AR的辅助装配/403
8.2基于AR的线缆装配/409
8.2.1基于AR的线缆装配平台/410
8.2.2线缆虚拟装配流程/412
8.3复杂装备诱导维修/416
8.3.1案例介绍/416
8.3.2软硬件系统/418
8.3.3基于AR的诱导性维修/421
8.4基于VR的航天薄壁件制造过程仿真/424
8.4.1案例介绍/424
8.4.3软硬件系统/425
8.4.4基于VR的多尺度信息可视化系统/427
8.5火箭箭体制造车间实时管控/430
8.5.1案例介绍/430
8.5.2软硬件系统/431
8.5.3火箭箭体制造车间运行实时监控/438
第9章VR/AR支撑工具集/446
9.1VR/AR系统/446
9.1.1VR系统/446
9.1.2AR系统/449
9.1.3大型沉浸式VR系统搭建/453
9.2典型商业开发工具/467
9.2.1Unity3D/467
9.2.2达索3DExcite/473
9.3典型开发工具包/474
9.3.1OpenSceneGraph/474
9.3.2PTC Vuforia/477
9.3.3Apple ARKit/482
9.3.4Google ARCore/488
9.4自主智能制造软件平台/493
9.4.1系统框架/493
9.4.2主要功能介绍/495
第10章VR/AR技术发展趋势与展望/501
10.15G与VR/AR融合/501
10.1.1制造过程海量数据的低延时传输/503
10.1.2制造物联网的高密度互联互通/504
10.1.3制造过程的“第一视角”人在回路协同/505
10.1.4面向制造的云AR/VR平台/507
10.2AI与VR/AR深度融合/508
10.2.1AI辅助下的VR/AR/509
10.2.2VR/AR构建AI智能助手/513
10.3VR/AR的工业应用标准/515
10.3.1基于AR的维修维护标准/515
10.3.2AR/VR的物联网接口标准/516
参考文献/517