揭开3D可视化的神秘面纱

本期大神：Weiyan

博世互联工业事业部（BCI-CN）

参与NIAS/BMLP标准产品以及本地定制化项目的开发，同时负责BCI-CN开源代码合规性和UX相关话题

数字孪生

——为物理世界“复制”一个虚拟数字分身

数字孪生，就是针对物理世界的实体，即通过数字化手段构建一个数字世界中的“完整分身”，能够和物理实体保持实时的交互联接。

借助历史数据、实时数据以及算法模型等，通过模拟、验证、预测、控制物理实体全生命周期过程，实现对物理实体的了解、分析和优化。

01

数字孪生工厂

数字孪生技术能够迅速成为工业生产的宠儿，自然是因为它有助于生产。

中国工程院院士谭建荣曾在2020年指出，数字孪生应用于工业领域，能够实现资源调配、智能化生产，显著提高生产效率。

把工厂搬到虚拟空间里，有什么用？

数字孪生虚拟出来的工厂，与真实的生产环境一一对应。人在办公室，就能看到生产现场一举一动；在数字孪生的应用中，管理人员能够看到每一个车间的工作情况，通过搜索定位、“拖拉拽”等简单交互，就能定位到生产线的每一个细节。

基于生产制造过程的数字孪生应用（样例）

此外，数字孪生也降低了工人看懂数据的门槛。不需要你有什么CAD的经验、也不需要有太多专业知识，就算拧螺丝的工人也看得懂。

除了实时性，“回放”也是数字孪生的重要功能。

生产监管因此变得一目了然：借助数字孪生，工程师们可以快速追溯生产数据，甚至细化到当时螺丝的力矩，更容易分析故障的原因；

但想让这一切科幻感的事情在工厂里发生，并不容易。

感知、传输、计算、建模、仿真等一系列技术集成融合是数字孪生的基础。

02

数字孪生工厂关键技术——可视化

数字孪生的基本技术包括物联网和3D可视化两大细分方向，其典型场景包括智能制造、智慧交通、智慧建筑、智慧城市、智慧能源、智慧健康等。数字化大屏是数字孪生最为直观的产品级应用。

如何实现3D可视化大屏？

一般来说，3D可视化是指拥有3D效果的数据可视化，对于所要展示的数据可视化内容还原出真实场景，并实时接入数据，在面对复杂操作时灵活应对，使得整个场景在大屏上的展示更具立体、更具科技感、更具易用性。

在实际操作中，3D可视化开发流程需要用到很多专业的3D工具，比如3DMAX、Unity 3D、Unreal Engine 4等等。

接下来，让我们一起揭开3D数据可视化的神秘面纱。

第一阶段：3D建模材质渲染

3D建模技术现如今已成为人们在创建工厂可视化设计中常用到的数字表现。

根据对3D对象的不同处理建模过程和制作方式，一般建模主要分为以下4种类型：直接建模，参数化建模，BIM建模，点云建模。

在创建复杂的3D对象时，如果需要操作单独的简单形状拼接，那么直接建模的方式最适合。同时，当你需要用CG对象渲染逼真图像时，这种建模方式也很有用，它可以不拘泥于任何特定的参数，更灵活的更改3D对象。

对于直接建模，使用最广泛的软件有：3ds Max、Blender、和Maya等。

螺丝模型：白模（样例）

生产线模型：白模（样例）

在实际项目中对模型面数要求是比较严谨的，面数越少越好，这样导出的3D文件就会越小，负载也就越小。

第二阶段：3D场景搭建

目前市面上可视化落地基本上都是基于：Unity3D，虚幻引擎（UE4）、Ventuz、threejs 等工具实现的。

它们的底层是由BS（Browser-Server）架构和CS（Client-Server）架构两大架构组成的。

这里使用Unity，在Unity里主要核心内容为：还原效果，特效制作，及脚本编写等。

在Unity里把模型导入后，需要用Unity里自带材质重新贴好并灯光渲染。（Unity的材质和其它3维软件里的材质兼容性不高，不能通用，只能兼容标准材质。例如：3dsmax里的standard）。

模型导入（样例）

贴材质并调整灯光（样例）

第三阶段：交互脚本及展示

脚本这里已经脱离了视觉设计部分，Unity脚本使用C#语言编写，这里在可视化项目中主要实现通过用户操作让画面动起来和前后台数据交互或者操作触发事件等。

比如：AGV小车按轨迹运动，鼠标点击可查看一些关键KPI数据等。

交互脚本展示（样例）

至此，一个简单的生产线可视化就基本完成了。

03

数字可视化大屏

对可视化大屏来说就是对数据的可视化展示。是为了降低数据的阅读成本，通过大屏，通过数据来解决问题。所以需要我们对数据的类型以及不同数据的展示方式要有深刻的理解。

在场景化设计中融入数据表达，不仅仅是浮于表面的数据整合。提到关键词“场景化设计中融入数据表达”，最终达到的效果就是：参观者看到大屏数据可视化的界面，有耳目一新的感觉，且能直观获取大屏的行业、用途等等。

可视化大屏的出现，从根本上为用户提供了更加智能和快捷的数据分析，使得数据信息更加准确的同时，也能够更加及时有效。各位博世的同仁如果对3D可视化技术或数字孪生有相关感言或是想法，欢迎在评论区留言探讨！