【導讀】AR（Augmented Reality）即增強現實，也就是在現實環境中加入虛擬內容顯示。VR（Virtual Reality）即虛擬現實，指的是完全模擬一個虛構的環境。而將AR的擴充實境和VR的虛擬實境相混合的場景，則可稱為MR（Mixed Reality）。
AR/VR的應用
當AR/VR技術出現的時候，人們自然地將其和游戲掛了鉤。通過對于虛擬世界的打造和與現實物理世界的融合，AR/VR技術能夠帶來更為沉浸的游戲體驗。
然而，在游戲設備上的市場開拓存在諸多的難點，對于設備的功耗、體積以及內容生態的要求都極為苛刻。但在工業、教育、醫療等多個領域，對于設備形態、功耗的要求并沒有那么高，對于垂直應用的生態打造也更為簡單。尤其是在工業制造業領域，AR/VR設備正在打開局面，真正實現生產力的提升。
AR/VR和工業應用緊密結合，實現生產效率提升
AR（Augmented Reality）即增強現實，也就是在現實環境中加入虛擬內容顯示。VR（Virtual Reality）即虛擬現實，指的是完全模擬一個虛構的環境。而將AR的擴充實境和VR的虛擬實境相混合的場景，則可稱為MR（Mixed Reality）。
在工業場景中，AR/VR這項技術已經在各類應用中開始發揮潛能。
首先在設計和原型制作方面，VR可以直接展示產品的外觀，而無需創建真實的物理原型。這大幅減少了產品設計和審核所花費的時間，同時還可以方便多名設計者同時在同一個項目中進行互動，能夠為制造商和客戶提供更逼真的產品設計效果。
第二是在設備可視化方面，AR/VR技術可以幫助工程師更直觀地了解設備的工作原理和各個部件的位置。例如，VR可用于模擬制造過程，使工程師能夠識別設備放置或工作流程的潛在問題。AR可用于設備實時信息的虛擬顯示，使技術人員能夠快速識別問題并進行維修，這有助于減少停機時間并提高設備性能。
第三在產線維護和裝配線優化方面，通過VR技術模擬生產環境，制造公司可以提前找出潛在威脅并予以消除。通過與數字孿生技術結合，制造商可以提前測試各種不同的裝配線方案，在做出任何物理更改之前評估出優秀方案。而通過模擬裝配線上產品和工人的移動，制造商還可以識別潛在的碰撞或干涉，優化物料和工人的流線。此外，通過模擬生產線布局變化的影響，制造商可以提前確定優秀布局以使生產效率達到預期。
除了上述提到的應用方向外，在物流和倉儲管理、生產事故預防、安全培訓和資產追蹤等應用上，AR/VR技術也可以帶來效率和安全性的提高。
圖1：HoloLens 2在制造業中的應用
（圖源：微軟）
以上列舉的各種AR/VR技術在工業場景中的應用，絕非只是處于概念階段，而是已經有實際的案例。
美國空客公司在裝配任務中利用Microsoft HoloLens 2 AR眼鏡來指導工人輕松訪問視覺數據點，從而通過分步說明簡化復雜的裝配流程；邁凱倫的設計師利用AR/VR技術在逼真的沉浸式環境中進行新車型的設計。
反觀國內，AR/VR技術在工業領域的市場前景也是一路看漲，實際應用案例層出不窮，遍布工業應用各個方向。
國內企業應用
擁抱AR/VR技術革新
據億歐智庫預測，2025年中國AR/VR企業級應用市場規模將不低于931億元，其中工業制造領域市場規模將達到292億元，僅次于教育市場。而且從技術成熟度來看，遠高于其他應用市場方向，具備較高的商業變現可行性。
圖2：國內企業級AR/VR應用場景
（圖源：億歐）
在鋼鐵行業，寶武鋼鐵的AR智能運維系統，打造了全新的冶金業設備運維工作方式；在能源行業，正泰集團引入AR配電運維系統，實現新手員工的可視化指導；在紡織行業，國機集團武漢紡友引入VR系統，基于真實數據構建的虛擬現實系統可以逼真還原現實生產環節；在石化行業，東北石油局集成AR技術，有效釋放了專家資源；在家電行業，海爾引入AR首件質檢系統，實現更準確高效的全數字化質檢場景。
那么AR/VR技術是如何在這么多具體工業應用中發揮作用的呢？我們展開海爾的例子來看一下。
在家電制造業，首件產品檢測對生產質量把控意義重大。如果首件產品質量問題不能及時發現，可能會導致企業后續整體產線整個批次的產品問題，帶來重大損失。當前大多數工廠仍采用人工檢查和紙質單據填報的方式，整個過程參與人員眾多，數據上傳滯后、效率極低。
圖3：海爾首件質檢系統
（圖源：海爾）
海爾滾筒互聯工廠于2021年開始引入AR首件質檢系統，質檢人員在質檢過程中佩戴AR眼鏡，為其實時定位部件位置，提供檢驗內容、操作指導等數字信息；并且可以通過語音進行整個質檢系統的輸入、配置等交互操作。完成檢測之后，數據直接通過AR眼鏡上傳至AR首件質檢系統的數據庫中，提高了質檢可追溯能力，助力海爾在首件質檢中效率提升。
IDC預測，2026年全球AR/VR總投資規模將增至747.3億美元，其中中國的投資規模將增至130.8億美元，為全球第二大單一國家市場。而隨著AR/VR技術在工業應用中的普及，近兩年來工業元宇宙的概念也被頻頻提起。據TrendForce預測，工業元宇宙將推動全球智能制造業在2025年達到5,400億美元的市場規模。
圖4：中國AR/VR市場支出預測
（圖源：IDC）
AR/VR交互的基礎
深度圖像的實時感知和捕捉
人眼晶狀體通過肌肉的伸縮和舒展，能夠自動實現焦距調節，將遠近不同物體準確成像至視網膜上。雙眼在對同一個物體聚焦時，兩眼之間的物像差異就是雙眼視差。將此雙眼視差信息在大腦視覺皮層進行處理，就可以讓我們判斷出到物體的實際距離。
我們是靠人眼來感知物理世界的深度信息，而AR/VR交互的基礎，則是通過深度相機來實現對于實境的圖像信息的捕捉。普通的相機拍攝的是二維的平面坐標信息，而深度相機能夠定位圖像中每一個點的深度數據，實現XYZ三維坐標信息的采集。
目前市面上常見的深度相機方案有三種，分別是結構光、雙目視覺和ToF。
結構光是通過光學手段獲取被拍攝物體的三維結構。首先近紅外激光器將具有一定結構特征的光線投射到被拍攝物體上，再由專門的紅外攝像頭對這些光線產生的不同圖像相位信息進行采集，之后運算單元將這些返回的編碼圖案的畸變進行算法計算，從而獲得物體的位置和深度信息。
ToF是通過測量光脈沖的飛行往返時間來計算距離。激光器發射的連續激光脈沖，碰到物體之后會反射回來，然后被接收器接收，通過計算往返的時間差來獲得物體具體位置信息。
雙目視覺也稱雙目立體視覺，基本原理與人眼類似。利用兩個傳感器獲取同一個被測物體的兩幅圖像，然后計算圖像對應點間的位置偏差，來獲取物體的三維信息。
圖5：雙目立體深度相機的工作原理
（圖源：www.revopoint3d.com)
這三種深度相機都可以獲得物體的三維信息，但各有優劣。結構光深度相機精度較高，但需要較長的曝光時間，因此不適用于高速運動場景；但因其采用主動光源形式，因此夜晚也可以正常工作；ToF深度相機能夠實時測量深度，并且探測距離更長，但在明亮的光線條件下可能會受到干擾；雙目深度相機受到兩個傳感器之間的視差影響，對于較遠的物體位置檢測不夠準確，同時圖像信息處理的計算量較大。
在AR/VR應用中，深度相機既可以實時跟蹤用戶的面部表情、頭部和手部動作，以提高沉浸感和交互性，改善虛擬體驗；又可以獲取周圍環境的實時深度信息，精確定位物體位置，使虛擬世界和現實世界的融合更加自然。
圖6：各種結構光和ToF深度相機的工作原理
（圖源：ResearchGate)
體積更小、更快開發
更易集成的深度相機
要在整個系統中添加深度相機，既要考慮算法開發和應用匹配，又要考慮功耗、體積和算力需求。如果能夠直接選擇一款完整成熟的深度相機方案，無縫地集成到現有的系統中，就可以加快開發進度，實現事半功倍的效果。
Intel RealSense立體視覺（雙目）深度相機系列，就是這樣一套成熟方案。據悉，該系列是市場上非常廣泛的深度攝像頭產品線，擁有一系列激光雷達、立體傳感器和跟蹤攝像頭，可在不同條件下的多種環境中運行。同時整個產品線中采用了統一的軟件開發套件(SDK)，這使得開發人員能夠快速適應，在單一解決方案中輕松使用多個攝像頭，實現更快的產品上市時間。
Intel RealSense提供了多種不同的產品型號，但采用了統一的D4系列處理器。該處理器使用先進的算法處理來自深度相機的原始圖像流，無需專用GPU或主機處理器即可計算高分辨率3D深度圖。將此視覺處理器添加到客戶的AR/VR、機器視覺系統中可以實現快速定制設計，從而為系統的主機處理器釋放更多帶寬。
圖7：Intel RealSense D4處理器
（圖源：Intel）
D405是整個Intel RealSense系列中，新推出的外型尺寸極小的一款深度相機，比一個高爾夫球還要小。該型號適用于短距離應用（7cm至50cm），能夠在7cm處檢測到500微米的小物體。該產品集成了可提供匹配RGB和深度數據的高分辨率、彩色、全局快門深度傳感器，并通過圖像信號處理器(ISP)對來自深度傳感器的RGB數據進行增強。
圖8：Intel RealSense D405拆解圖
（圖源：Intel）
在貿澤電子搜索料號“82635DSD405”，就可以獲取關于Intel RealSense D405的更多詳細信息。
而除了深度相機外，通常在AR/VR設備中，也會集成IMU或三軸加速度計這一關鍵器件。IMU即慣性測量單元（Inertial Measurement Unit），在頭戴設備中用于追蹤用戶頭部的旋轉角度和傾斜運動；在手柄和控制器上用于跟蹤手部動作，實現自然的手勢控制；在VR應用上，IMU還可以用于實時模擬重力、物體運動和物理互動。
圖9：Intel RealSense 系列對比
（圖源：Intel）
在Intel RealSense的多款型號中，更是直接在相機內部集成了IMU單元。如果想要在系統中添加更多的動作識別和肢體跟蹤的功能，還可以再多集成一個三軸加速度計。在此我們推薦來自NXP Semiconductors的一款低功耗12位數字加速度計，具體型號為“FXLS8967AFR3”，可以直接在貿澤電子搜索了解更多詳情。
結語
隨著AR/VR技術在工業應用上的普及，以及與工業互聯網、智能制造和數字孿生等技術的深度融合，工業制造將會迎來新一輪的生產效率提升。在不遠的未來，工業元宇宙或將成為現實。
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