目前，計算機技術(shù)加上適當?shù)能浖驯挥欣貞?yīng)用于實踐的各個領(lǐng)域。如果沒有適當?shù)挠嬎銠C輔助(CA)系統(tǒng)，很難想象現(xiàn)代企業(yè)中新產(chǎn)品的開發(fā)和生產(chǎn)。目前大多數(shù)CA系統(tǒng)主要是在新產(chǎn)品的計算機設(shè)計領(lǐng)域確定和使用，但只有將這些現(xiàn)代計算機技術(shù)完全應(yīng)用到產(chǎn)品設(shè)計和制造的各個階段，才能為企業(yè)帶來最大的利潤。計算機輔助制造(CAM)系統(tǒng)在與計算機支持相關(guān)的生產(chǎn)領(lǐng)域中使用多年。這些系統(tǒng)的開發(fā)的流行領(lǐng)域是計算機輔助程序創(chuàng)建的數(shù)控(數(shù)字控制)生產(chǎn)設(shè)備，從完成的生產(chǎn)過程的觀點來看，只代表了其中的一部分。產(chǎn)品制造過程中還有其他的過程，例如:在制品的自動運輸和產(chǎn)品儲存，產(chǎn)品的自動處理，在自動化檢驗臺上進行測量，等等。所有這些部件都是由計算機輔助制造工程系統(tǒng)(CAME)定義的。為了更好地展示制造過程和更好地實現(xiàn)這些領(lǐng)域的教育，使用增強現(xiàn)實是一個非常好的想法。從這個角度來看，增強現(xiàn)實輔助制造的定義和實際應(yīng)用也是非常好的想法

計算機輔助制造、虛擬制造和增強現(xiàn)實輔助制造

計算機輔助制造(CAM)系統(tǒng)是用于準備數(shù)據(jù)和程序的系統(tǒng)，用于數(shù)字控制機器的自動化生產(chǎn)的機械零件，整個組件，電子電路等。這些系統(tǒng)主要利用計算機輔助設(shè)計(CAD)系統(tǒng)對零件進行計算機設(shè)計時獲得的幾何數(shù)據(jù)和其它數(shù)據(jù)分別進行產(chǎn)品設(shè)計。

計算機輔助系統(tǒng)的歷史主要是計算機輔助設(shè)計和建造的歷史，因此它是與計算機圖形學的歷史相結(jié)合的。在引入計算機圖形學之前，用計算機創(chuàng)建和操作實體是不可能的。CAD和構(gòu)造被簡化為計算。

CAM是從50年前開始設(shè)計NC機器的概念。這是電子技術(shù)和后來的計算機技術(shù)進入生產(chǎn)支持領(lǐng)域的第一個推動力。然而，更廣泛的發(fā)展CAM是通過創(chuàng)造概念的計算機數(shù)控(CNC)生產(chǎn)機器，這可以追溯到1970年。由于CAM系統(tǒng)允許CAD系統(tǒng)創(chuàng)建的產(chǎn)品幾何形狀的數(shù)據(jù)，可以直接用于為數(shù)控和數(shù)控生產(chǎn)機器創(chuàng)建數(shù)控程序。80年代出現(xiàn)了計算機輔助設(shè)計和計算機輔助制造領(lǐng)域的大系統(tǒng);這些系統(tǒng)就是所謂的CAD/CAM。長期以來，個人計算機領(lǐng)域?qū)AM系統(tǒng)的吸引力不大。這主要是由于這樣的事實,為電腦CAD系統(tǒng)的設(shè)計只對2 d圖紙關(guān)于他們的小計算性能和這些沒有處理函數(shù)用于創(chuàng)建固體模型,從形狀是可能獲得項目數(shù)控生產(chǎn)機器,也不允許創(chuàng)建有效的數(shù)控程序,因為他們的小的計算性能。在90年代初，大型CAD/CAM系統(tǒng)在工作站工作，只適用于CAM領(lǐng)域。在Unix下工作的計算機的計算和圖形性能相對于PC有了很大的提高，這主要歸功于1990 - 1994年間Silicon Graphics公司的產(chǎn)品。在90年代的后半段，PC組件的開發(fā)領(lǐng)域有了長足的發(fā)展，處理器奔騰、奔騰Pro、奔騰II在性能上對工作站來說是有競爭力的，但價格只是部分的，這使得CAM系統(tǒng)的開發(fā)人員也能適應(yīng)PC領(lǐng)域，從而使CAM的優(yōu)勢惠及更多的用戶。

虛擬制造被定義為一種集成的綜合制造環(huán)境，旨在增強決策和控制的所有級別。它可以分為以設(shè)計為中心，以生產(chǎn)為中心和以控制為中心。以設(shè)計為中心的虛擬制造是用于設(shè)計和評估產(chǎn)品可制造性的仿真環(huán)境。以生產(chǎn)為中心的虛擬制造是用于生成流程計劃和生產(chǎn)計劃的模擬環(huán)境。以控制為中心的虛擬制造是用于車間生產(chǎn)活動的模擬環(huán)境。虛擬制造包括快速改進制造過程，而無需利用機器的運行時間資金。據(jù)說虛擬制造是將桌面虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)用于制造組件和過程的計算機輔助設(shè)計。毫無疑問，虛擬制造可以輔助實際的制造過程和系統(tǒng)，并且隨著信息技術(shù)，制造系統(tǒng)和業(yè)務(wù)需求的發(fā)展而完善。在這種情況下，虛擬制造應(yīng)被視為真實制造系統(tǒng)的高級信息結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)集成了可用的信息工具和虛擬環(huán)境的沉浸性，以實現(xiàn)業(yè)務(wù)制造目標。

增強現(xiàn)實（AR）是虛擬現(xiàn)實研究的一個新興領(lǐng)域。我們周圍的世界環(huán)境提供了大量難以在計算機中復(fù)制的信息。虛擬環(huán)境中使用的世界證明了這一點。 AR系統(tǒng)為用戶生成一個復(fù)合視圖。它是用戶觀看的真實場景與計算機生成的虛擬場景的組合，該虛擬場景用附加信息增強了場景[5、6]。應(yīng)用領(lǐng)域表明，擴充可以采用多種不同形式。在所有這些應(yīng)用程序中，呈現(xiàn)給用戶的增強現(xiàn)實增強了該人在世界上的表現(xiàn)和對世界的感知。最終目標是創(chuàng)建一個系統(tǒng)，使用戶無法分辨真實世界與虛擬現(xiàn)實之間的區(qū)別。對于該最終系統(tǒng)的用戶而言，似乎他正在看一個真實的場景?，F(xiàn)實世界和完全虛擬的環(huán)境位于此連續(xù)體的兩端，中間區(qū)域稱為混合現(xiàn)實。增強現(xiàn)實位于該行的現(xiàn)實世界的盡頭，主要的感知是通過計算機生成的數(shù)據(jù)增強的現(xiàn)實世界。增強虛擬性是Milgram創(chuàng)建的一個術(shù)語，用于標識大多數(shù)是合成的系統(tǒng)，并添加了一些真實世界的圖像，例如將視頻映射到虛擬對象上。隨著技術(shù)的進步，這種區(qū)分將逐漸消失，并且場景中的虛擬元素與真實元素之間的區(qū)別也越來越小。米爾格拉姆還將增強現(xiàn)實系統(tǒng)放在存在隱喻范圍的低端。該軸測量用戶在顯示場景中的沉浸程度。此分類與系統(tǒng)使用的顯示技術(shù)密切相關(guān)。這些都給人不同的沉浸感。在增強現(xiàn)實系統(tǒng)中，這可能會產(chǎn)生誤導(dǎo)，因為在某些顯示技術(shù)中，“顯示”的一部分是用戶對現(xiàn)實世界的直接查看。米爾格拉姆用于對混合現(xiàn)實顯示進行分類的第三個也是最后一個維度是世界知識范圍。增強現(xiàn)實并不僅僅意味著在現(xiàn)實世界場景上疊加圖形對象。從技術(shù)上來說，這是一件容易的事。如此處定義的，增強現(xiàn)實的一個困難是需要維持虛擬對象與真實世界圖像的精確配準。這通常需要詳細了解現(xiàn)實世界的參考系，查看它的相機和用戶之間的關(guān)系。

增強現(xiàn)實輔助制造（ARAM）代表了增強現(xiàn)實技術(shù)在制造過程表示領(lǐng)域中的應(yīng)用新思想。 ARAM是計算機集成制造系統(tǒng)的特殊子系統(tǒng)，包括與產(chǎn)品制造的實現(xiàn)相關(guān)的所有活動的增強現(xiàn)實輔助系統(tǒng)（操作編程，機床，運輸和存儲設(shè)備，零件和組裝產(chǎn)品的測量，測試和診斷） 。復(fù)雜CIM中的增強現(xiàn)實輔助系統(tǒng)的這一階段有效地建立了增強現(xiàn)實輔助系統(tǒng)在生產(chǎn)的技術(shù)（構(gòu)造和工藝）準備中的應(yīng)用，這對于確保并行工程條件是不可避免的。增強現(xiàn)實輔助制造的主要思想如下圖所示。

增強現(xiàn)實輔助機器人控制

增強現(xiàn)實利用硬件和軟件工具來創(chuàng)建混合環(huán)境，該混合環(huán)境將通常以視頻序列形式出現(xiàn)的真實場景與包含附加對象虛擬模型的增強場景相結(jié)合。在增強現(xiàn)實中常用的幾種技術(shù)中，有幾種試圖實施到機器人編程系統(tǒng)中。在斯洛伐克普雷索夫的計算機輔助制造技術(shù)部門實現(xiàn)的新創(chuàng)建環(huán)境的中心對象是瑞典生產(chǎn)商ABB的機器人設(shè)備-緊湊型機器人IRB 140。

在創(chuàng)建適合實現(xiàn)實時任務(wù)（例如，機器人設(shè)備的編程）的增強現(xiàn)實環(huán)境時，我們必須考慮連續(xù)空間校準的問題，以保持真實和虛擬場景在空間上的對齊。一個一致的工作場所的最終形式。為此，我們將眾所周知的3D數(shù)字化設(shè)備Kinect與稱為Skanect的專用軟件工具結(jié)合使用。

Kinect首先允許我們獲得真實環(huán)境的3D掃描，并在創(chuàng)建虛擬環(huán)境時使用該真實數(shù)據(jù)。掃描中的實體可作為在計算機模型和諸如機器，桌子，機器人基座之類的真實物體之間生成空間鏈接的參考。其次，利用深度傳感器實時感測工作場所的能力為我們提供了環(huán)境和所有隨附設(shè)備的直接校準。

在Blender應(yīng)用程序的軟件環(huán)境中實現(xiàn)了混合空間的生成以及兩個部分的共同校準。這個功能強大且復(fù)雜的圖形化解決方案提供了許多有用的工具，庫和子例程，這些對象，對象和子例程具有出色的圖形概述水平，所有內(nèi)容均基于開源哲學的原理。

為了實時檢測重要物體的位置，我們使用了顏色標記技術(shù)。機器人和其他設(shè)備（臺式，銑床）的表面上會粘有不同顏色的細紙條。它們既可以很容易地被攝像機定位，也可以從機器人運動描述的角度考慮。

彩色條紋是成對監(jiān)視的，而每對則由兩條在垂直方向上彼此相鄰的條紋組成。這樣，相同顏色的條紋會創(chuàng)建一個圖形標記，可用于監(jiān)視每個機器人軸的精確位置。接下來，在Blender環(huán)境中調(diào)用的相關(guān)命令行激活顏色跟蹤過程，以檢查實際機器人的位置并重新計算軟件環(huán)境中各個運動軸的坐標。然后可以在真實模型的基礎(chǔ)上調(diào)整或建議（編程）機器人模型的位置和方向。這意味著程序員還可以在從舊的位置或?qū)嶋H的機器人位置開始的同時創(chuàng)建新程序的序列（可以在在線/離線混合模式下創(chuàng)建程序）。

顯示增強現(xiàn)實環(huán)境的新視角可能性是使用特殊的可視化單元，該單元利用了玻璃鏡介質(zhì)的組合原理。玻璃表面要么是半鍍銀的，要么是半滲漏的鋁箔棒，可產(chǎn)生反射，同時可無障礙地觀看工作環(huán)境或降低畫質(zhì)。

這種常見的鏡子通常用于游戲，醫(yī)學或商務(wù)演示中。通過兩個看似不同的視圖的光學連接，它為創(chuàng)建逼真的空間效果創(chuàng)造了理想的平臺。顯示是視圖向反射面的反向發(fā)射。它可以由放置在工作區(qū)域上的計算機顯示器或經(jīng)典投影儀提供。

隨著投影儀及其顯示技術(shù)的發(fā)展，可以利用LED投影的優(yōu)勢。與傳統(tǒng)的投光器相比，LED技術(shù)不會產(chǎn)生會以光斑形式反射在顯示屏玻璃上的發(fā)光錐。整個場景的設(shè)置變得更加容易，因為您可以將設(shè)備安裝在必要的顯示角度，而無需防止直接的光反射。在圖2上顯示了與實際機器人工作單元活動相比，使用半鍍銀鏡表示工業(yè)機器人活動的虛擬模型的情況。

在下文中可以找到使用增強現(xiàn)實進行教學的一個示例。該系統(tǒng)的主要目的是向汽車工程專業(yè)的學生教授自動變速器的拆卸/組裝程序。系統(tǒng)包括車輛變速箱，一套工具和機械設(shè)備，兩臺攝像機，帶有開發(fā)軟件的計算機，HMD眼鏡和兩個LCD屏幕。開發(fā)的軟件借助視頻流上的AR對象，給出了組裝和拆卸過程的指導(dǎo)。

技術(shù)工作區(qū)上的3D指令疊加可以用作交互式教育材料。來自攝像機的視頻流增加了應(yīng)拆卸的機械零件。

應(yīng)用動畫和其他視覺效果可以更好地指示當前指令。在培訓期間，學生可以看到零件及其順序。還將顯示所需的工具和技術(shù)操作。結(jié)果，該系統(tǒng)逐步指導(dǎo)學生完成組裝/拆卸順序。先進的增強現(xiàn)實系統(tǒng)使教育過程更加有趣和直觀。

在開源虛擬環(huán)境中，使用稱為可視腳本的過程來開發(fā)具有邏輯行為循環(huán)的工作的程序和編程順序。通過使用這些工具，該應(yīng)用程序允許工程師管理應(yīng)用程序不同邏輯核心之間的整個數(shù)據(jù)流（圖3）。

下一部分將提供有關(guān)單個邏輯區(qū)域的更詳細視圖，在該區(qū)域中，將收集必要的數(shù)據(jù)并將其與虛擬數(shù)組中的值進行比較，然后將它們發(fā)送到增強現(xiàn)實的顯示部分。在接下來的階段中，將在理論層面上描述新應(yīng)用程序的一般過程和邏輯步驟。該應(yīng)用程序包含4個主要邏輯級別，其中數(shù)據(jù)包不僅來自內(nèi)部計算機元素，而且還來自外部設(shè)備（例如傳感器和測量設(shè)備）。

這些循環(huán)中的第一個循環(huán)觀察按鈕部分，該部分提供有關(guān)確認過程的信息。通過這些按鈕，稱為顯示部分的邏輯循環(huán)會觸發(fā)查看過程（初始位置和最終位置）。

下一個循環(huán)包含兩個基本區(qū)域（用于測試和比較的區(qū)域，用于位置設(shè)置的區(qū)域）。來自這些提及區(qū)域的數(shù)據(jù)包包括有關(guān)所有虛擬物品名稱及其初始矢量的相關(guān)值的信息以及有關(guān)位置最終參數(shù)的信息。然后，從外部傳感器收集的數(shù)據(jù)將被發(fā)送到該區(qū)域進行測試和相互比較，還發(fā)送到該區(qū)域以設(shè)置位置（初始，最后一個）。

在這些過程的基礎(chǔ)上，所有新的位置和方向信息都再次發(fā)送到應(yīng)用程序的邏輯核心，在應(yīng)用程序的邏輯核心之間對新接收到的參數(shù)進行測試，比較和評估。之后，顯示部分能夠根據(jù)虛擬物品的軌跡看到其運動過程。 AR組裝的整個過程如圖4所示，其中3D零件在虛擬軌跡上移動，并為每個零件（同一環(huán)境中的真實零件和虛擬零件）的最終位置提供準確的值。為了更好地理解，圖4給出了應(yīng)用程序改進元素的視圖，其中每個零件具有不同的顏色，并且可以更清楚地創(chuàng)建裝配而不會出錯。

增強現(xiàn)實元素的現(xiàn)有應(yīng)用方法是基于對真實環(huán)境的視覺拍攝（使用標準相機），并且其覆蓋由軟件的邏輯核心管理

應(yīng)用。盡管效率高，但存在以下缺點：必須監(jiān)視位于實際組件空間之外的視場，這會導(dǎo)致負面的同步問題。為了防止出現(xiàn)此問題，基于獨立工作環(huán)境的理念創(chuàng)建了新的可視化單元，從而增加了應(yīng)用程序的交互性以及用戶的舒適感。該單元利用直接位于工人視野內(nèi)的半鍍銀表面。原則上，這是一種特殊的玻璃，其表面為半鍍銀的或半透明（反射）的箔，可提供必要的反射，但同時又可以將玻璃直接看到工作區(qū)域。得益于此特性，鏡子可以反射圖像的一半，同時可以透視。這是生成深層空間場景的理想平臺。整個成像過程可以解釋為由位于用戶視場之外的，位于鏡子上方的LCD顯示器實現(xiàn)的圖像反向發(fā)射。在實現(xiàn)了這些成像過程之后，發(fā)現(xiàn)了主要缺點，因為圖像的顯示和質(zhì)量合適但受單一條件的限制-用戶已牢固地設(shè)置了視點，并且在任務(wù)實現(xiàn)期間不動。

圖4是在普雷索夫（斯洛伐克）的計算機輔助制造技術(shù)部開發(fā)的增強現(xiàn)實輔助裝配系統(tǒng)的示例。

由于在Blender系統(tǒng)中創(chuàng)建的應(yīng)用程序中，我們實現(xiàn)了這種不需要的狀態(tài)，因此我們實現(xiàn)了人臉跟蹤腳本，該腳本使用了稱為OpenCV的免費可訪問數(shù)據(jù)庫的庫和程序元素。 AR應(yīng)用程序中使用的面部跟蹤提供了設(shè)置關(guān)系和編程順序的可能性，這些順序和編程順序可根據(jù)用戶面部的位置和方向?qū)崟r處理所創(chuàng)建的虛擬環(huán)境的調(diào)整。這意味著用戶可以自由移動頭部或身體，而不會丟失AR圖像或?qū)⑵渑c真實視頻序列的圖像分離。

本文的這一部分提到了特定功能的三個主要應(yīng)用領(lǐng)域，這些特定功能在應(yīng)用中用于利用AR元素實現(xiàn)組裝過程。這些有效改進的目的在于提高用戶的舒適度，并提高整體質(zhì)量和實現(xiàn)的組裝活動的復(fù)雜性。

1.裝配過程的音頻支持：該應(yīng)用程序最期望的利用之一是在訓練模式下實現(xiàn)裝配，最終是在沒有首次嘗試的情況下正確構(gòu)建整個裝配的努力。

對于更好的用戶前景和用戶的信息意識并從而確保防止錯誤的合適的解決方案是利用迄今未使用的感覺可以接受的形式的信息來增強應(yīng)用程序。程序包括簡短信息輸入和蜂鳴聲或錄制的口頭指示形式的音頻信號。

2.更好的文本信息：通過從文本文件獲得更好的信息輸入質(zhì)量，最終獲得更好的工作環(huán)境，最終在虛擬工作環(huán)境中更好地集成文本數(shù)據(jù)。文本信息以更廣泛的交互式文本菜單的形式顯示，在單擊特定條目后，將顯示其他信息。

3.評估單元支持的工作環(huán)境的交互性：監(jiān)視和評估單元形式的用戶舒適度的想法是基于程序的邏輯周期，該邏輯周期基于實時使用的顏色跟蹤技術(shù)，同時比較裝配周期的序數(shù)并根據(jù)在預(yù)定義的初始條件下，它會評估工作周期中每個時刻的實際零件是否合適（圖13）。

這些工具的組合允許觀察工作環(huán)境及其周圍環(huán)境，以及在3D虛擬應(yīng)用程序中實現(xiàn)的組裝過程。實現(xiàn)此功能的條件在于在開源軟件環(huán)境中管理和統(tǒng)一編程和設(shè)置部分。這里的主要編程任務(wù)是確保實時實時監(jiān)視和比較真實視頻序列和虛擬對象之間的過程。

該應(yīng)用程序的利用結(jié)合了常規(guī)文本和圖形匯編指令的所有優(yōu)點，而所有提供的信息均以易于使用和接受AR工具的方式呈現(xiàn)。 3D指令甚至可以豐富音軌，其他文本視覺信息和動畫

效果。用于組裝過程的增強現(xiàn)實應(yīng)用程序涉及有關(guān)可用于創(chuàng)建增強工作環(huán)境的開源工具的軟件問題。它還處理硬件問題，尤其是用于組裝實現(xiàn)目的的定位設(shè)備。在Blender編程接口的環(huán)境中，創(chuàng)建了一個新應(yīng)用程序，該應(yīng)用程序在實際工作表和計算機中生成的AR元素之間提供了實用的橋梁。fqj