VR-ympäristön kehitys digitaaliselle kaksoselle

DUKE on Lapin ammattikorkeakoulun ja REDU:n ammattikoulun yhteistyöhanke. DUKE:n yhtenä tavoitteena on tutkia, miten VR-ratkaisuja voidaan soveltaa opetustarkoituksiin ja hyödyntää uusiutuvaa energiaa. Pääpilottimme on Rovaniemellä sijaitsevan oppilaitoksen digitaalinen kaksonen ja toissijainen pilotti on asiakaslaatuisen lämpöpumpun digitaalinen kaksonen. Digitaaliset kaksoset mahdollistavat immersiivisen ympäristön visualisoinnin, minkä ansiosta voimme toteuttaa tarkkoja toimintoja eri laitteille ja järjestelmille. Immersio auttaa käyttäjiä alitajuisesti yhdistämään virtuaaliobjektin tosielämän esineeseen, jolloin ”virtuaalivipu” olisi mahdollisimman lähellä todellista vipua; tämän vuoksi virtuaalivivun tulisikin olla interaktiivinen.

DUKE:ssa tuotettu lämpöpumppu on tehty yhteistyössä projektikumppanin kanssa. Kumppanimme halusi sisällyttää VR-ratkaisut käyttöoppaansa rinnalle. Näin käyttäjä voi visualisoida tarkemmin lämpöpumpun perustoimenpiteet ja huoltotyöt. Projektityöskentelyssä DUKE-insinöörit tekivät tiivistä yhteistyötä lämpöpumppuasiantuntijoiden kanssa. Asiantuntijat opettivat meille lämpöpumpun huollon ja me puolestaan käänsimme tämän tiedon VR-simulaatioon. Kehitysprosessi perustui pohjimmiltaan iteratiiviseen työnkulkuun, jossa meillä oli useita arviointi- ja tarkastuskokouksia. Näin varmistimme, että 3D-toteutus oli tarkka ja hyvälaatuinen.

DUKE:n virallinen logo.

Digitaalisen kaksosen VR-ympäristön toteutus ja kehitys

Digitaalinen kaksonen on virtuaalinen 3D-mallinnus esineestä tai todellisesta ympäristöstä. Määritelmä ”digitaalinen kaksonen” voidaan nähdä ohjeena siitä, kuinka tarkasti tai realistisesti virtuaalinen versio edustaa mallinnuksen kohdetta. Pyrimme Frostbitillä luomaan digitaalisia kaksosia hyvälaatuiseksi ja tarkaksi, jotta se on verrannollinen sen oikean maailman vastineeseen.

Vierekkäinen kuvavertaus renderöidystä 3D-skenaariosta ja käsittelemättömästä 3D-skenaariosta.

Työnkulku ja mahdolliset haasteet riippuvat suurelta osin käyttötapauksesta. VR-simulaatio sisältää sekä fysiikan simulointijärjestelmän että tarkan 3D-visualisoinnin ympäristöstä. Tästä syystä päätimme käyttää Unity pelimoottoria sen kevyen ja mukautuvan luonteen vuoksi reaaliaikaisen VR-simulaation toteuttamisessa. Unityn avulla voimme helposti manipuloida ja optimoida VR-simulaatiota toimimaan kuluttajatason- ja huipputietokoneiden kanssa entistä todenmukaisemman kokemuksen mahdollistamiseksi.

Kehittäjänäkymä Unity pelimoottorin sisällä. Kuvakaappaus on otettu keskeneräisestä kaukolämpölaitoksesta.

Aloitimme visuaalisen toteutusprosessin ottamalla vertailukuvia paikan päällä. Kuvat on otettu useista kulmista, jotta voidaan havainnollistaa kohteen muoto ja ääriviivat. Lisäksi, referenssikuvat ovat erittäin hyödyllisiä selvitettäessä esineen materiaaliominaisuuksia, kuten kuinka kiiltävä se on, minkälaista metallia se on ja millaisia heijastuksia se tuottaa.

Referenssikuva kaukolämpölaitoksesta.

3D-mallinnusprosessi käyttää blueprinttejä yhdessä referenssikuvien kanssa saadakseen tarkat mittaukset yksityiskohtaiseen tuotokseen. Teräväsilmäinen voi silti löytää joitain eroja vertaamalla kuvakaappausta vertailukuvaan. Tämä johtuu osittain uudelleenjärjestelyistä: joitain kaukolämpölaitoksen osia pidettiin epäolennaisina VR-simulaatiossa, joten niitä oli jätettävä pois tai muutettava.

Teksturointiprosessi käyttää erilaisista perspektiiveistä otettuja kuvia selvittääkseen, millainen materiaali olisi tarkin verrattaessa oikean maailman versioon. HDRi-kuvia käytetään luodaksemme realistisen valaistuksen 3D-maailmaan. HDRi-kuvat ovat lähinnä 360° panoraamakuvia, jotka sisältävät paljon valaistukseen hyödynnettävää dataa. Lopputuloksena pystymme luomaan oikean maailman ympäristöjä myötäilemällä todellisia valaistusolosuhteita ja hyödyntämällä fysiikkaan pohjautuvaa renderöintitekniikkaa.

Kuvakaappaus lämpövoimalaitoksen digitaalisesta kaksosesta.

VR-toteutus pelimoottorissa

Kehittäjien yksi ensimmäisistä askelista toteutuksessa on ekosysteemin valinta; toisin sanoen, mitä devaus-pipelineä käytetään. Yhteen pipelineen keskittyminen on välttämätöntä, jotta voidaan varmistaa ominaisuuksien tehokas toteutus. Tässä yhteydessä ekosysteemi koostuu siitä, kenen valmistajien VR-laitteistoja käytetään sekä mitä pelimoottoria ja kehitystyökaluja käytetään. Hankkeen DUKE-insinöörit käyttivät Unity-pelimoottoria kevyen ja mukautuvan luonteen vuoksi.

Testipelaaja kokeilee DUKE:n VR-simulaation pelattavaa demoa.

DUKE-insinöörimme päättivät käyttää SteamVR-ohjelmistokehityspakettia sen laajan VR-laitteistojen tukimahdollisuuden vuoksi. Tämä paketti tarjoaa helppokäyttöisiä blueprint skriptejä, jotka voimme räätälöidä omaan käyttöön. Kyseinen kehityspaketti tarjoaa perustoiminnot esimerkiksi pelaajan ja esineiden vuorovaikutukselle sekä pelaajan liikkumiselle. Tällä tavalla voidaan varata enemmän aikaa kehittyneempien ominaisuuksien hiomiseen, kuten eri objektien dynaamiseen vuorovaikutukseen, samalla kun matemaattinen simulaatio on käynnissä taustalla.

Matemaattinen simulaatio on rakennettu modulaarisuuttaMatemaattinen simulaatio on rakennettu modulaarisuutta ajatellen. Simulaation jokainen osa on jaettu yksittäisiin osiin; tämä antaa meille mahdollisuuden asettaa simulaatioskriptejä 3D-objekteille, jotka loogisesti käsittelevät samaa fysiikkaa kuin todellisessa maailmassa. Esimerkiksi painehävikkiä käsittelevät skriptit määritetään 3D-objekteille, jotka näyttävät venttiileiltä tai putkilta. Huomasimme VR-ratkaisua työstäessämme haastavaksi implementoida oikean elämän standardisoituja mittoja VR-ympäristöön. EU-standardin kokoiset ovet näyttivät liian kapeilta, standardisoidut nupit, pultit ja venttiilit näyttivät liian pieniltä. Lopulta pelitestaajat totesivat, että heidän oli vaikea toimia VR-ympäristössä. Hankkeessa oli tärkeää kehittää sopiva tasapaino, jossa täyttyi digitaalisen kaksosen määritelmä ja ympäristö olisi tarpeeksi helppokäyttöinen käyttäjille.

Nykyinen DUKE -lämpöpumpun versio sisältää neljä skenaariota: ”Tutoriaali”, ”vedensuodatin”, ”paineen säätö” ja ”vesivuoto”. Kukin skenaario sisältää tietoja lämpöpumpun käytöstä ja perushuollosta.

Tutoriaali -skenaario

Tutoriaaliskenaario selittää perusteellisesti kaikki projektissa käytettävissä olevat toiminnot. Tämä skenaario sisältää myös informaatiota, joka kattaa lämmitysjärjestelmän pääosat. Tämä on yleensä ensimmäinen skenaario, jonka pelaajan pitäisi käynnistää, koska se opettaa samalla pelaajalle VR-laitteiston peruskäyttöä.

Vedensuodatin -skenaario

Käyttäjä voi opetella skenaariossa vedensuodattimen puhdistusta.

Paineen säätö -skenaario

Käyttäjä voi oppia säätämään lämpöpumpun oikeaan paineeseen järjestelmässä ja käyttämään turvaventtiiliä paineen poistamiseksi järjestelmästä.

Vesivuoto -skenaario

Vesivuotokenaario tarjoaa kattavan ohjeistuksen lämpöpumppujärjestelmän säilyttämisestä. Näytämme yleisimmät ongelmat, joita tällaisessa tilassa voi kohdata.

Hankkeen kokonaisbudjetti on 761 732 euroa, josta Lapin liitto on myöntänyt Euroopan aluekehitysrahaston (EAKR) ja valtion rahoitusta 609 385 euroa. Projektin toteutusaikataulu on 1.1.2020-31.12.2022.

Artikkelin ovat arvioineet FrostBitin julkaisutoimikunta, johon kuuluu Heikki Konttaniemi, Toni Westerlund, Jarkko Piippo, Tuomas Valtanen, Pertti Rauhala ja Tuuli Nivala. Artikkelijulkaisut löytyvät FrostBitin julkaisublogista.


20/10/2021

Kirjoittajat
Onni Li, tieto- ja viestintätekniikan insinööri (AMK), projekti-insinööri, FrostBit, Lapin ammattikorkeakoulu
Severi Kangas, tieto- ja viestintätekniikan insinööri (AMK), projekti-insinööri, FrostBit, Lapin ammattikorkeakoulu