开发XR行业应用的最佳实践

执行概要

在过去的几十年里，开发者们已将工业带入数字领域。他们已经编写了在线平台，人们可以在这些平台上买卖任何东西。他们创建了开放的图书馆，教授从3D CAD到原矿冶炼的所有内容。他们已经制作了网络工具，以协作进行设计优化和3D几何，以及更多。因此，行业专家只需点击几下即可分享和学习任何内容。但是要做到这一点，他们仍然必须连接到那个数字领域。

这导致了工业数字化转型的下一个阶段。开发人员打算将工业的物理领域与数字领域融合，而不是连接它们。本质上，数字领域现在通过虚拟现实（VR）、增强现实（AR）和混合现实（MR）直接进入生产车间——统称为扩展现实（XR）。当前这些技术的行业应用包括：

• VR培训在数字生产线上，以减少对人员、产品和财产的风险。
• 增强现实辅助维护，使生产线上的人们能够看到设计师打算如何解决问题。
• MR 启用的商店，顾客可以在购买前虚拟参观或试穿产品。
• XR 技术的行业应用仍处于起步阶段。因此，行业开发人员可能会质疑有哪些可用的应用程序。

然而，最近将XR添加到行业中，使开发人员提出了另一个问题：最佳实践是什么，以产生这些体验？这将在这里讨论。

这本电子书是由engineering.com委托的。

XR是什么，它将如何改变行业？

尽管大多数开发人员本能地知道XR技术之间的区别，但最好在这里定义它们以建立一个基线：

• 虚拟现实（VR）是一种完全数字化的体验；与现实世界的唯一连接是用户的输入和显示设备。
• 增强现实（AR）是物理世界和虚拟领域之间的软融合；数字资产、信息和数据叠加在现实世界的资产之上。
• 混合现实（MR）完全融合了数字领域和物理世界；数字资产与现实世界资产相互作用，反之亦然。
• 扩展现实（XR）包含以上所有内容。

“我会广泛地将 [XR] 定义为创造模糊物理和数字现实之间界限的沉浸式体验，” Unity 行业团队的高级技术产品经理 Seth Glaze 同意道。“这特别包括VR，或虚拟现实，AR，增强现实，然后是混合现实。”

VR 的一个工业示例可能涉及数字会议或研讨会。在这里，来自世界各地的员工同时与数字景观和真实资产的Digital Twins进行互动。实际上，每位员工都戴着VR头戴式显示器，并使用输入设备与虚拟环境和Digital Twins进行交互。但在数字领域，员工可以将双胞胎缩放到任何大小（以检查或测试最细微的细节）或在任何环境中模拟产品的性能。

VR的另一个良好应用是“沉浸式培训，因为它通常是大规模培训的唯一途径，”Unity行业团队的高级解决方案架构师Jerome Maurey-Delaunay说。“你不能随便带[学员]进入制造工厂。[VR]可以让[这些]员工访问[设施]……让人们习惯于[危险和最佳实践]。”

然而，上述维护示例是AR的一个很好的描述。想象一下，一位维修工程师戴着一顶带有类似谷歌镜头附件的安全帽。显示器可以通知他们生产线上的机器需要维护，指引他们到机器所在的位置，显示机器上损坏的部件，然后叠加一个视频解释如何修理该部件。

混合现实将增强现实的混合现实概念更进一步，并在此过程中经常将其与VR元素结合。想象一下上面的AR维护示例。只有现在，维护工程师正在家中使用VR输入设备和头戴式显示器工作。从工程师的角度来看，他们正在穿越由生产线的数字孪生体组成的数字景观。与此同时，在物理生产线上，由那位工程师控制的机器人正在实际修理一台机器。

制作工业XR体验的挑战

随着XR术语的完全定义及其在工业应用中的潜力变得清晰，开发人员自然会开始思考在创建这些沉浸式体验时将面临的挑战。Unity行业团队的软件开发经理Jonathan de Belle解释说，他的团队经常被要求帮助客户调整他们的数据和设计以适应XR应用程序。因此，他知道开发人员面临的常见XR挑战。

他解释说，第一个挑战往往是客户的3D模型太大，无法轻松集成到数字体验中。德贝尔说，他的团队经常处理“非常大、非常详细的模型……零件数量庞大，而且每个零件都非常详细，因为[我们正在处理]制造数据。这不是传统的视频游戏数据。

一个相关但不同的挑战来自与3D模型和其他数字资产相关的大量元数据。此类非几何数据的示例可能包括资产的材料属性。在XR体验中，这些值可能会被提取并添加到数字显示中。虽然一个资产的yield强度不是很多数据，但它可能是从涵盖整个设施的材料属性数据中提取的——这可能是大量数据。

“你也有非视觉数据，”德·贝尔同意道。您希望在许多情况下，应用程序内可以访问这些数据。获取这些相关信息也是一个挑战，因为信息量很大。

这卷数据带来了另一个挑战：XR 硬件兼容性。无法预测用户在野外访问XR体验时可能拥有的设备。因此，这些大量的数据必须是可转移的，并且与众多软件和硬件设备兼容，包括旧版CPU、GPU和耳机。

这也意味着开发人员面临着使其XR应用程序面向未来的挑战。由于许多移动设备（如手机）在型号之间往往每年更新，因此确保XR体验在未来设备和旧设备上都能正常工作同样重要。

设计师在为工业应用构建XR模型时面临的另一个挑战是，他们通常需要访问Digital Twins、专有数据和锁定在各个公司数据孤岛中的信息。这个问题在处理实时数据时会加剧。由于数字领域反映物理领域至关重要，因此3D资产和各种其他数据源的Version Control至关重要。

制作XR体验的最佳实践

尽管XR体验会有所不同，但Unity已经表明，开发者面临的许多挑战仍然相同。因此，公司制定了最佳实践来应对这些挑战中的许多问题。

问问自己，“这个XR体验解决了什么问题？”

Glaze 指出，在创建 XR 应用程序时，第一个且通常是最重要的最佳实践是在开发开始时理解和定义用例和好处。将XR添加到工业工作流程中不应该是为了追赶最新的技术潮流。例如，当视频通话就足够时，将每个会议带入XR环境没有任何好处。没有必要强迫用户接受沉浸式体验，除非它能解决实际问题。

通过首先定义XR应用程序的用例和好处，开发人员可以利用这些信息来控制其范围、预算和开发时间。这也有助于他们限制许多上述挑战。一旦初始XR体验完成，开发人员就可以考虑扩大其范围或构建另一个。

最好的XR体验是针对所解决的问题量身定制的

一旦开发人员了解了他们的XR体验所解决的问题，他们就能更好地根据需求进行定制。例如，如果应用程序应该：

• 帮助客户试用产品，最终的展示厅就是客户的“后院”。
• 培训维护工人，最好的培训场所就是你自己的设备。
• 测试产品设计，然后最终的测试场所是您产品的自然环境。

例如，Glaze 参考了一家专注于工业应用沉浸式 VR 培训体验的澳大利亚开发商。其中一项经历涉及培训工人修理海上石油钻井平台。设备全天候运行，停机成本高达数百万美元。同时，在这些资产上模拟紧急情况可能是危险的。因此，在现实世界中很难对工人进行设备培训。

为了解决这个问题，开发人员创建了定制的Digital Twins，并将其添加到XR应用程序中。在培训期间，员工现在使用此工具来练习解决可能在现实中出现的问题。

开发人员发现，这些XR模拟不仅仅是对任何石油钻井平台进行建模；它需要对员工正在工作的石油钻井平台进行建模。否则，他们可能会在关键时刻绊倒，因为他们试图将训练知识转化为当前设备设置。

使用你拥有的模型

行业充斥着可以在XR应用中使用的数据、模型和3D几何图形。Glaze 使用了一家为主题公园开发游乐设施和景点的公司的例子。3D CAD模型的那些游乐设施和景点已经存在。因此，它们可以用于加速XR应用程序的开发。

主题公园是备受追捧的地点，但并不是每个人都有能力或条件去参观。这可以被视为公园的收入损失和潜在游客的机会损失。相反，公园可以使用其3D模型构建沉浸式体验，以吸引这些粉丝。现在更多的人可以从远处访问这些景点，无论他们的地理位置或身体状况如何。同时，公园创造了新的收入来源，提高了这些景点的投资回报率。

“您可以多次利用这些资产，”格雷兹说。他们在那时从安全角度被削弱。你不会把整个CAD模型都扔进去。但是，您可以重复使用这些[简化模型]来为您的销售团队提供动力。……这些[体验]可能是诸如……虚拟试穿，或者您正在使用这些[模型]进行设施的漫游演示。”

清理和简化您的数据以在实时3D中工作

许多内部3D数据行业开发人员可以访问的数据以CAD文件的形式出现。这很有道理，因为CAD工具是为产品设计、开发和制造等工业工作流程而设计的。这些工作流程需要比XR环境所需或兼容的信息更多的信息。但正如之前的最佳实践所述，这些CAD数据应该被利用。德贝尔和莫雷-德洛内解释说，这种矛盾促成了另一个XR开发最佳实践：精简和简化数据。

“将您的应用程序与数据分离，将数据外部化，”Maurey-Delaunay 说。这真的很重要，因为即将推出的下一代硬件，您可能需要重新处理数据以符合该平台的硬件要求。如果您的数据嵌入到您的应用程序中，它将创建大量工作以重新打开项目以摄取数据。

实现这一目标的第一种方法是创建分层细节级别（或LODing）加载系统，其中3D对象的特征是可变的。本质上，当用户从远处看到一个物体时，它只是一个3D模型的简单轮廓——即使该物体由数千个部件组成。随着用户靠近，更多细节被绘制，更多模型被添加到体验中。最终，足够的数据被带入数字现实，用户可以放大到各个部分。De Belle称其为3D几何的多边形流方法。

他还解释说，可以使用工具从CAD模型中提取数据，以便在更“游戏化”的环境中使用。这还有一个额外的好处，就是保护知识产权（IP）。这些工具可以根据XR用例的不同，改变3D模型的抽象程度。

“这可以追溯到第一个[最佳实践]，”德·贝尔说。问问自己，“你想用这些数据做什么，然后我可以去掉哪些数据部分。这将消除安全问题，减少数据泄漏，但从另一方面来说，这将减少数据的总重量，并使其更容易处理以真正实现实时体验。"

为新的XR设备、数据源和集成做好未来准备

为了优化XR体验的投资回报率，开发人员需要确保他们具有未来适应性。这不仅意味着这些应用程序中的数字孪生必须实时反映现实世界的资产，还意味着XR应用程序本身与当前的XR硬件兼容。要做到这一点，开发人员应确保他们的数据符合开放标准。这可能很困难，因为标准总是在不断发展，并且对于XR应用程序没有明确的定义。

为了解决这个问题，Maurey-Delaunay 建议自动化系统是至关重要的。“将智能融入我们的工具中会产生巨大的影响，”他说。“这不仅仅是3D模型的转换，而是根据您的使用案例进行动态转换……复杂的装配每天可以看到60次更新，对吗？”因为有30个人在不同的部分工作。因此，拥有这些自动化是至关重要的。"

从小开始，然后逐步扩展

XR体验不必从发布之时就涵盖整个组织。它可以，而且通常应该从小处着手，以简化开发、减少挑战并改善工作流程集成。制作一个XR应用程序，向维护工程师展示如何修理一个零件，比因为功能蔓延而从未发布要好得多。一旦经验证明其价值，就可以扩展到其他情况。

Maurey-Delaunay 指出，这再次涉及到询问 XR 体验将解决什么问题，因为这有助于定义其初始范围。他说：“就是要找到那些小问题，解决它们，然后在证明该解决方案的投资回报后再进行构建。您在此基础上解决组织内越来越多的问题。

Unity如何帮助制作XR体验

借助Unity，开发人员可以构建工业XR体验，同时遵循最佳实践并限制常见挑战。

例如，Unity Pixyz 可以成为希望将其组织的 3D 数据引入 XR 应用程序的开发人员的宝贵资产。该工具能够导入和转换CAD、BIM、网格、点云和许多3D数据格式，优化它们并管理内部元数据，使其适合用于XR体验。Unity 还提供资产管理工具，使开发人员更容易找到和使用这些数据，从而构建沉浸式体验。

作为证明，Glaze 指出一个来自日本建筑公司的 Unity 客户案例。公司将其所有资产和设计数字化。它使用或构建的任何机器都可以用于公司希望创建的任何XR体验。由于公司使用Unity生态系统，这些应用程序可以部署在网络浏览器和本机应用程序上。Unity生态系统还提供了一个端到端平台，简化了建筑公司3D资产的摄取、处理、准备和管理。

“Unity的强大之处在于，我们可以帮助您创建可以在平板电脑或最新头戴设备上运行的XR体验，”Glaze说，“但我们也帮助您支持旧设备，延长预算并减少培训员工使用新设备的需求。”

至于Unity可以帮助开发者制作XR体验的其他方式，Glaze说：“我认为这归结为，你是想自己做，还是想让Unity的整个团队帮助确保你与即将推出的最新设备兼容。"在某些情况下，我们甚至可以提前获得硬件，这有助于我们的用户成为第一个部署在下一个大事件上的人……我们也在跟进最新的开放标准。无论是Meta的最新开源项目，还是像通用场景描述（USD）这样的文件格式。我们有资源能够遵循这些，并确保我们的用户尽可能保持最新。

Unity 还提供教育资源，帮助开发者制作工业 XR 应用程序。这些资源包括培训、咨询和社区讨论板。