Kopioi artikkelin PDF-versio
Kopioi artikkelin PDF-versio
Elektroniikkatuotteen virtuaaliprototyyppi tietoverkossa on uusi tapa nopeuttaa tuotekehitysprosessia. Digitaalisena esitettävä tuotemalli on saatavilla missä tahansa, mutta sen lisäksi siihen voidaan rakentaa myös tuotteen toiminnallisuutta ja yhteiskäyttöä tukevia piirteitä.
Elektroniikkatuotteen konseptisuunnittelu vaatii nopeasti rakennettavia digitaalisia malleja tuotteen visualisointiin. Virtuaaliprototyyppi on tuotteen digitaalinen malli, jolla voidaan todentaa tuotteen ominaisuudet jo ennen kuin tuotteesta on fyysisiä malleja. VRP työkalut simulaatiomallin rakentamiseen, WebShaman yhteiskäytön palvelut sekä Cybelius Softwaren tuotteet sähköisen markkinoinnin alueella ovat esimerkkejä siitä, miten elektroniikkatuote voidaan tehdä www:n kautta saatavaksi virtuaaliprototyypiksi.
Tuotekehitys ja virtuaaliprototyypit
Oulun yliopistossa ja VTT Elektroniikassa on tutkittu miten pienten elektroniikkalaitteiden virtuaaliprototypointi voi tukea alihankintaverkostona toimivia tuotesuunnittelijoita tuotteen konseptisuunnitteluvaiheessa. Tuotteen alihankkijan kannalta on tärkeää pystyä selkeästi kommunikoimaan asiakkaan kanssa uuden tuotekonseptin oleelliset piirteet, olivat ne sitten mekaanisia, toiminnallisia tai muotoiluun liittyviä seikkoja. Virtuaaliprototyyppi on mahdollisimman todenmukainen malli tuotteesta.
Virtuaaliprototyyppi voidaan luoda CAD-mallista ja asettaa asiakkaan saataville www:n kautta. Ne ovat kolmiulotteisia, niitä voi katsella eri näkökulmista, ja ne ovat toiminnallisia, eli asiakas voi käyttää prototyyppiä aivan kuin oikeaa laitetta.
Toinen tärkeä ominaisuus on virtuaaliprototyypin jakaminen, sillä usein tuotekonsepteja on monta ja suunnittelija haluaa näyttää mitkä ideat ovat kunkin ratkaisun takana. Tällöin suunnittelija voi ottaa asiakkaan virtuaaliprototyypin ohjaukseensa omalta työasemaltaan ja näyttää asiakkaalle miten jokin toiminto on toteutettu. Esimerkiksi millaisen vastineen jokin näppäinsarja saa laitteen näytössä. Virtuaaliprototyyppejä voi jakaa samalla tavoin myös usean käyttäjän kesken, jolloin joku käyttäjistä johtaa suunnittelukokousta.
Tietoverkon kautta toimiva virtuaaliprototyyppi voidaan ottaa käyttöön käytännöllisesti katsoen missä tahansa. Tulevaisuudessa täysdigitaalinen tuotekonsepti voidaan viedä nopeasti käyttöliittymän ja sulautetun ohjelmiston testaukseen, tuotantoon ja markkinoille.
Virtuaaliprototyyppien mahdollisia sovellusalueita on laajalti. Esimerkkejä näistä ovat tuotemarkkinointi, tuotteen simulointi ja tuotekehityksen kommunikointi, tuotetiedon hallinnan käyttöliittymä, tuotesuunnittelusuhteen luominen ja ylläpito sekä tuotteen loppukäyttäjän liittäminen tuotekehitysprosessiin. Virtuaaliprototypointiin liitettävät laitetekniikat mahdollistavat myös tuntoaistimukset haptisella eli tunto- ja voimavasteen toteuttavalla käyttöliittymällä, jolla voidaan todeta esimerkiksi pinnan kovuus, kappaleen dimensiot, tekstuuri, kitka ja tärinä.
VIRVE-hankkeessa Oulussa kehitetään sekä ohjelmistotyökaluja, ohjelmistoprototyyppejä että tuotteita tällä alueella. Hanke on jatkoa aiemmalle vahvalle panostukselle tähän tutkimukseen. Esimerkkeinä mainittakoon haptisen käyttöliittymän rakentaminen kolmiulotteiseen toiminnalliseen tuotemalliin VTT Elektroniikassa, sekä www:n kautta toimivan älykkäitä virtuaaliprototyyppejä hyödyntävän hajautetun virtuaaliprototypointijärjestelmän kehittäminen Oulun yliopiston ja VTT Elektroniikan yhteistyönä. Tutkimuksen rinnalla Cybelius Software on tuotteistanut teknologiaa luomalla uusia työkaluja tuotteiden verkkomarkkinointiin.
Älykkäät virtuaali- prototyypit
Älykkäät virtuaaliprototyypit (smart virtual prototypes) kehitettiin Java-pohjaisena, jotta tuotemalleja voitaisiin käyttää verkossa ympäristöstä riippumatta. Toinen keskeinen tavoite oli luoda avoin sovellusalusta, johon voidaan rakentaa virtuaaliprototypointia tukevia kehittyneitä työkaluja, sovelluksia ja palveluja.
Teknologia mahdollistaa toiminnalliset ja todenmukaiset tuotemallit, jotka voidaan tarvittaessa jakaa kahteen osaan. Tuotteen interaktiivinen 3D-malli voidaan ladata VRML-mallin ja erityisen Java-appletin muodossa käyttäjän web-selaimeen. Virtuaalimalliin liittyvät erilaiset simulointimallit ja sovellusagentit sen sijaan voidaan sijoittaa suoritettaviksi web-palvelimessa -- esimerkiksi tietoturvallisuuden takaamiseksi.
Älykkäiden virtuaaliprototyyppien keskeisenä ajatuksena on mallintaa todellinen tuote, joka koostuu joukosta fyysisiä komponentteja (mekaanisia, elektronisia ja ohjelmallisia), virtuaalimallina, joka koostuu puolestaan vastaavista digitaalisista tuotekomponenteista. Digitaaliset tuotekomponentit simuloivat ja jäljittelevät todellisia esikuviaan mahdollisimman tarkasti tarkoituksenmukaisuus huomioon ottaen.
Digitaaliset tuotekomponentit voivat itse asiassa olla jopa enemmän kuin todelliset esikuvansa: niihin voidaan liittää erilaisia älykkäitä toimintoja, ohjelmistoagentteja tai hypertekstipohjaista informaatiota. Ohjelmistoagentteja voidaan käyttää esimerkiksi toteutettaessa käytettävyystyökaluja, jolloin kerätään automaattisesti informaatiota käyttäjän ja tuotteen välisistä vuorovaikutussuhteista.
Digitaalinen tuotekomponentti itsessään koostuu 1--3 osakomponentista: VRML-pohjaisella komponentilla (VRML prototype component) kuvataan tuotekomponentin ulkoasu, jos kysymyksessä on mekaaninen komponentti, esimerkiksi näppäin. Tuotekomponentin käyttäytyminen ja toiminnallisuus puolestaan kuvataan virtuaalikomponentin (virtual component) avulla, jonka käyttäytyminen voidaan kuvata graafisesti tilakoneena ja tekstuaalisesti Java-koodina. Virtuaalikomponentti toteutetaan Java-oliona ja se voi hyväksikäyttää mielivaltaisia Java-olioita. VRML-komponentti ja virtuaalikomponentti yhdistetään tarvittaessa vuorovaikutuskomponentilla (interactor component).
Kuvassa 1 esitetään älykkäiden virtuaaliprototyyppien arkkitehtuuri pääkomponentteineen. Tuotteen VRML-malli koostuu komponentteina käytettävistä VRML prototyypeistä. VRML-malli on liitetty kuvan 1 mukaisesti erityiseen Java-sovellukseen (VRML Prototype Activator). Kyseinen sovellus sisältää muun muassa vuorovaikutuskomponentit. Virtuaalikomponentit puolestaan sijaitsevat palvelimessa suoritettavassa tuotteen loogisessa simulointimallissa. Käyttäjän selaimessa suoritettava osa on kytketty loogisen simulointimalliin kommunikointijärjestelmällä, joka mahdollistaa simulointitapahtumien välittämisen verkon ylitse.
Saumattomasti mallista tuotteeksi
Simulointiarkkitehtuuri toimii seuraavasti. Käyttäjä voi esimerkiksi painaa tuotteen VRML-pohjaiseen käyttöliittymään mallinnettua näppäintä, mistä kertova simulointitapahtuma välitetään vuorovaikutuskomponentin kautta loogiseen simulointimalliin. Sen vastaanottama heräte käynnistää simuloidun tuotetoiminnon. Tuotetoiminnon simulointi puolestaan voi aiheuttaa VRML-mallissa esitetyn tuotteen näytön päivittämisen, mikä hoidetaan näyttöä simuloivan digitaalisen tuotekomponentin avulla.
Kehittämässämme WebShaman-ympäristössä palvelimessa sijaitsevan simulointimallin vastaanottamat tai tuottamat loogiset simulointitapahtumat monistetaan ja välitetään kaikille jaetun tuotemallin sessioon osallistuville, jolloin suoritetun simulaation tulokset ilmenevät samalla tavoin kaikkien ruudulla.
Eräs merkittävä älykkäiden virtuaaliprototyyppien vahvuus on niiden tuki heterogeenisille prototyypeille. Ne ovat suoritettavissa olevia prototyyppejä, jotka koostuvat eritasoisista simulointimalleista, lähtien puhtaasti loogisen tason malleista päätyen toteutustason malleihin asti, jotka itse asiassa ovat tuotteeseen tulevia, toimivia laite- tai ohjelmistokomponentteja.
Älykkäiden virtuaaliprototyyppien Java-pohjaiset komponentit tarjoavat mekanismin ulkopuolisten simulaatioiden, ohjelmistojen ja jopa laitteiden kytkemisen tuotemalleihin. Heterogeeniset prototyypit tulevat tulevaisuudessa mahdollistamaan saumattoman siirtymisen konseptisuunnitteluvaiheen loogisista simulointimalleista valmiiseen tuotteeseen, jolloin tuotteen virtuaalimallin ja lopullisen tuotteen rajaviivat hämärtyvät.
Älykkäiden virtuaaliprototyyppien kehittämistä ja käyttöä varten on kehitetty kaksi integroitua työkaluympäristöä: suunnitteluaikainen VRP Builder ja suoritusaikainen VRP Engine. Molemmat ympäristöt ovat täysin Javalla toteutettuja -- ainoastaan virtuaalisten tuotemallien katseluun ja käyttöön tarkoitettu VRP Viewer käyttää web-selainten VRML-plugia.
Kuvassa 2 on esitetty VRP Builder -työkalun käyttöliittymä, jossa valittuna työkaluna näkyy virtuaalikomponenttien käyttäytymisen määrittelyssä käytettävä Behaviour Editor. Lähitulevaisuudessa molemmat työkaluympäristöt tulevat olemaan täysin Java-pohjaisia, sillä myös tuotemallien katselutyökalun toteutus tulee perustumaan Java3D-teknologiaan. Vaativimmissa tuotemalleissa käytetään hyväksi myös muita kehittyneitä Java-sovellusrajapintoja, kuten Java Media Framework (JMF) -sovellusrajapintaa, jonka avulla voidaan simuloida esimerkiksi tuotteeseen sisältyviä multimediaominaisuuksia.
Hajautetut virtuaaliprototyypit
WebShaman on ohjelmisto, joka tukeutuu älykkäiden virtuaaliprototyyppien tekniikkaan. Tavoitteena on ollut saada toiminnallinen tuotemalli nopeasti tuotesuunnittelijoiden yhtäaikaiseen käyttöön verkkoselaimen kautta. Näin ohjelmisto poikkeaa tyypillisestä verkkoselaimen käyttötilanteesta, jossa käyttäjä avaa verkkosivun omaan käyttöönsä.
WebShaman on client/server -mallia toteuttava ohjelmisto, jossa VRP client (kuva 3) on ohjelmiston käyttäjälle näkyvä osa. Kuvan esimerkissä näkyy Netscape 4.5 selain, jossa on Java 2 virtuaalikone sekä Cosmo Player 2.1 plugin VRML virtuaalimallien esittämistä varten.
Netscape-sivun vasemmalla puolella on näkyvissä VRML-virtuaaliprototyyppi, joka on ladattu Cosmo Player-selaimeen. Mallin alapuolella oleva punainen nuoli on kolmiulotteinen osoitin, jolla voidaan osoittaa kutakin keskustelun kohteena olevaa tuotteen komponenttia.
WebShamanin näkyvä osa on rakennettu ohjelmistokomponentiksi VRP clientin sisään. VRP client on kuvan oikealla puolella. Kyseessä on Javan Swing-tekniikalla toteutettu applet, jonka kautta voidaan valita virtuaaliprototyypin komponentteja. Komponenttien ominaisuuksia kuten, väriä ja kokoa, voidaan muuttaa paneelissa olevilla työkaluilla.
Erikoista WebShaman-tekniikassa on se, että virtuaaliprototyyppiä voidaan käsitellä joko omalla työasemalla tai muutokset voidaan esittää toisille tuotesuunnittelijoille. Tätä varten client lähettää kaikki yleiset viestit, kuten yhteisen kursorin siirron ja virtuaaliprototyyppiä koskevat tapahtumat serverille. Serveri tunnistaa mistä virtuaaliprototyypistä on kysymys, ja välittää sitä koskevat tiedot edelleen niille, jotka käyttävät samaa virtuaaliprototyyppiä.
Tutkimuksesta tuotteistukseen
Tutkimusprojektien rinnalla niin VIRVE-projektissa kuin sitä edeltävissä hankkeissa on tehty myös tuotteistusta. Merkittävässä asemassa tuotteistuksen kannalta on projekteissa ollut Cybelius Software. Yritys kehittää, myy ja markkinoi Internet-pohjaisen tuotemarkkinoinnin ja -kehityksen sovelluksiin tarvittavia ohjelmistotyökaluja ja -konsepteja
Cybelius TouchMore! on JAVA-pohjainen työkalu, jolla lisätään interaktiivisuutta ja toiminnallisuutta 3D VRML -tuotemalleihin Internet- sovelluksissa. Ohjelmistotyökalun ainutlaatuisuus liittyy sillä luotujen toiminnallisten tuotemallien interaktiivisuuteen ja fotorealistisuuteen sekä niiden pieneen tiedostokokoon.
Käytännössä ohjelman avulla VRML (2.0/97) malleihin lisätään toiminnallisuutta älykkäiden komponenttien avulla, joita käyttäjä voi joko poimia valmiina komponenttikirjastosta (esim. valo, nappula, rotaatio) tai tehdä itse ja lisätä komponenttikirjastoon. Komponentteja voidaan tiputtaa VRML-puuhun (Tree Window), joka havainnollistaa VRML mallin rakenteen. Komponentti ohjelmoidaan toiminnalliseksi viemällä se tämän jälkeen FlowEditor-ikkunaan, jossa voidaan graafisesti yhdistää eri komponenttien input- ja output-kentät. VRML malli on myös kokoajan näkyvillä omassa 3D ikkunassaan.
VRML-tiedostojen lisäksi ohjelmaan voidaan tuoda sisälle myös GZIP-tiedostoja ja tiedostoja voidaan myös siirtää kummassakin muodossa. VRML-tiedostoja on myös mahdollista optimoida ohjelman sisälle integroidulla Optimizer-työkalulla, joko ennen tai jälkeen toiminnallisuuden lisäämistä, tai sekä ennen että jälkeen. Optimointi pienentää tiedostokokoa jopa puoleen. Ohjelmistotyökalua voidaan käyttää tuotteen elinkaaren kaikissa vaiheissa: suunnittelusta ja design-vaiheesta tuotantoon ja markkinointiin sekä tuotekoulutukseen, tukeen ja huoltoon. Cybelius TouchMore! 2.0 valittiin Spring Internet World '99 -messujen parhaaksi tuotteeksi ("Best of Show Award") omassa sarjassaan (Web Development Application Software).
Cybelius ShowMore! on erityisesti webmastereille ja sisällöntuottajille suunnattu työkalu interaktiivisten Internet-pohjaisten tuote-esittelyiden tekoon 3D VRML -tuotemalleja hyödyntäen. Lopputuloksena saatu esitys koostuu 3D-näytöstä tuotemalleineen ja tähän liittyvästä kontrollialueesta. 3D-näytössä voidaan esitellä erilaisia tuotemalleja, kuten elektronisia laitteita, huonekaluja tai vaikkapa huoneistoja. Ohjelmisto on MS FrontPage'98 yhteensopiva.
Virtuaaliprototypoinnin tulevaisuus
Kolmiulotteiset toiminnalliset tuotemallit tulevat olemaan yksi merkittävimmistä uusista sovellusalueista tietoverkkojen tulevaisuudessa. Uusien prosessoritekniikoiden ja näytönohjainten kehittyminen tukee tätä näkemystä. Ratkaisevaa on kuitenkin tutkimuksen ja tuotteistuksen kannalta löytää oikeat valinnat sekä sovellusalueen että tekniikoiden kannalta.
Aiheesta enemmän
VIRVE-projektin kotisivu:: www.hci.oulu.fi/virve/
ShowMore!- ja TouchMore-ohjelmien kehittäjä:www.cybelius.com
Virtuaaliprototyyppejä:: www.ele.vtt.fi/projects/virpi/
Työkaluja virtuaaliseen suunnitteluun:: www.ele.vtt.fi/projects/vrp/vrp.html
Bugsy-puhelin:: www.hci.oulu.fi/bugsy/
New Product Development based on Virtual Reality Prototyping, MET-julkaisu, 13/99
Kirjoittajat: Tuomo Tuikka on vs. professori Oulun yliopiston Tietojenkäsittelytieteiden laitoksella. Mikko Kerttula on tutkija VTT Elektroniikassa. Marko Salmela on tutkija VTT Elektroniikassa. Hannu Paasovaara toimii suunnittelujohtajana CCC Software Professional Oy:ssä.
Yhteystieto: Tuomo.Tuikka@oulu.fi
Tutkimushanke: VIRVE -- Tuotteen VIRtuaaliprototypointi VErkottuneiden elektroniikka- ja tietoliikenneyritysten hajautetussa suunnittelussa.
Yhteistyössä: Oulun yliopiston tietojenkäsittelytieteiden laitos, VTT Elektroniikka, Nokia Matkapuhelimet, Cybelius Software/CCC Software Professionals Oy, Polar Electro Oy ja Metsävainio Design Oy.
Teknologiaohjelma: TLX