Digitaalisen kaksosen mallintaminen olemassa olevasta ympäristöstä

Digitaalinen kaksonen tarkoittaa virtuaalista kopioita olemassa olevasta ympäristöstä. Termin käytölle ei ole tarkkaa yksiselitteistä määritelmää, kuinka tarkka virtuaalisen kopion tulee olla oikean ympäristön kanssa ja minkälaisia puutteita se sallii. Usein tähän vaikuttaa käyttötarkoitus. 

VIVA – virtuaalinen varasto osaamisen kasvattamisessa -hankkeessa (ESR+) yhtenä toimenpiteenä rakennetaan varastoissa toimimiseen perehdytyssovellus virtuaalilaseille. Tämän rakentamiseksi oli tarve luoda virtuaalinen varastoympäristö. Hankkeen yhtenä tavoitteena on kasvattaa yritysten osaamista näiden teknologioiden suhteen, joten virtuaalisen varastoympäristön luomisessa päädyttiin mallintamaan esimerkinomaisesti oikea ympäristö. 

Perehdytystä voidaan jakaa eri tasoihin erilaisilla tavoilla. Hankkeen aikana esiin nousi kuusi tasoa, jotka todettiin riittäviksi selkeyttämään asiaa: työtehtävä, rooli, toimipiste, organisaatio, yritys sekä suomalainen työkulttuuri. Näistä tasoista digitaalista kaksosta tarvitaan lähtökohtaisesti työtehtäväkohtaiseen ja toimipistekohtaiseen perehdyttämiseen, mikäli perehdytys tehdään virtuaalisesti. Muiden tasojen eli roolin, organisaation, yrityksen tai suomalaisen työkulttuurin perehdytykseen ei digitaalista kaksosta tarvita, vaikka perehdytys tehtäisiin virtuaalisesti esimerkiksi VR-laseja käyttämällä.  

Ympäristön mallintaminen 

VIVA-hanketta toteutetaan yhteistyössä Limowa ry kanssa, jonka yhtenä jäsenenä Koulutuskuntayhtymä Tavastia on. Tämän yhteistyön ja Koulutuskuntayhtymä Tavastian sisälogistiikan lehtoreiden avulla mahdollistui käyttää heidän sisälogistiikan opetus- ja harjoitteluympäristöään mallintamiseen. Kuvassa 1 on Tavastian sisälogistiikan opetus- ja harjoitteluympäristö.

Lähtökohtaisesti tehokkain tapa muodostaa digitaalinen kaksonen on käyttää olemassa olevia piirustuksia, kuvia, tai 2D- tai 3D-malleja hyödyksi. Päätimme kuitenkin lähteä tilanteesta, jossa emme tiedä ympäristöstä mitään muuta kuin että se on olemassa, eli emme käytä mitään lähdeaineistoja hyödyksi.  

Tällainen tilanne on usealle yritykselle tuttu ja vielä tutumpi asiakasyritysten kanssa toimiessa. Halusimme kokeilla, miten prosessi toimii, kun ympäristö on vieras eikä saatavilla ole lähdemateriaalia. Esimerkiksi myyjillä ei ole useinkaan taskussa kymmeniä tuhansia kustantavia lidar-laitteistoja ympäristön mallintamiseen, mutta heiltä löytyy taskusta puhelin. Puhelimien vaihtaminen parempiin malleihin ja erillisen mallinnussovelluksen ostaminen nähtiin realistiseksi muutokseksi yrityksissä verrattuna siihen, että mallinnusta varten hankittaisiin erillisiä laitteita. Täten puhelimen hyödyntäminen pakotettiin osaksi mallintamista, mutta merkille tai mallille ei tehty rajoituksia.  

Sovelluksen valinnasta ensimmäiseen vaiheeseen 

Vuonna 2023 AweXR-messuilla esiteltiin prosessi, jossa myyjä käytti Polycam-nimistä sovellusta. Hän otti sovelluksen kautta valokuvia asiakkaan ympäristöstä sen mallintamiseksi. Kuvat lähtivät puhelimesta suoraan pilvipalvelimelle, jossa PolyCam-sovellus ryhtyi rakentamaan valokuvista heti 3D-mallia ja 2D-mittakuvaa. Kun prosessointi oli valmis, tekninen asiantuntija lisäsi heidän omien, asiakkaalle tarjottujen tuotteiden 3D-mallit tuotettuun ympäristöön, jonka myyjä näytti asiakkaalle vielä samalla käynnillä. Prosessi todisti asiakkaalle, että tarjottu tuote mahtuu nykyiseen tilaan ja miltä tuote näyttäisi. Tästä syystä ensisijaiseksi vaihtoehdoksi nousi Polycam-sovellus. 

Pienen selvittelyn kautta ilmeni, että Polycam-sovellusta ei ole lähtökohtaisesti tarkoitettu suurten tilojen mallintamiseen, vaan se toimii parhaiten tietyn kohdan, kulman tai pienen tilan (esimerkiksi yksi huone) mallintamisessa parhaiten. Tässä kohtaa oli myös huomioitava, että tuotettu malli pitää saada vietyä vielä Unreal Engine -pelimoottorille, jolla perehdytyssovelluksen toiminnallisuudet rakennetaan. Lisäksi tuli huomioida hankkeen sovelluksen käyttölaite eli Meta Quest 3 -VR-lasit. PolyCam-sovellus tuki tätä prosessia hyvin.

Polycam-sovelluksen käyttäminen varaston mallintamiseen 

Seuraavana vaiheena oli kokeilla mallintamista konkreettisesti PolyCam-sovellusta hyödyntäen. Mallintaminen tehtiin ilman harjoittelua tai opettelua siitä, miten kuvia kannattaa ottaa. Näin saatiin realistinen kuva käytettävyydestä ja lopullisesta laadusta ilman aikaisempaa kokemusta sovelluksen käytöstä. Sovellus itsessään opastaa käyttäjää jonkin verran, mutta se ei auta millään korvaamaan kokeilun ja erehdyksen tuomaa kokemusta. Ympäristöä yritettiin kuvata yhteensä kuusi kertaa, joista viisi päättyi sovelluksen kaatumiseen ilman suurempia varoituksia. Yhteen onnistuneeseen kertaan aikaa kului arviolta 15 minuuttia. Käyttäjää auttaisi huomattavasti, jos hän voisi kuvata aina yhden osion kerralla, tallentaa ja jatkaa eteenpäin heti tai myöhemmin. Tässä luultavasti mallinnettavan alueen laajuus vaikutti asiaan. On mahdollista, että sovelluksessa olisi kokeiluhetkellä voinut tehdä mallintamisen osio kerrallaan.   Onnistuneen mallintamisen jälkeen pilvipalvelin prosessoi kuvia arviolta 3 tuntia, minkä jälkeen malli oli katsottavissa ja ladattavissa jatkokäyttöä varten. Lopputulos oli odotetun kaltainen eli asiat olivat melko hyvin siellä, missä ne oikeastikin ovat. Mallista saatiin myös suoraan mittoja tai sitä voitiin käyttää alustana, mutta suoraan sitä ei voinut käyttää perehdytyssovelluksessa ympäristönä, kuten kuvan 2 PolyCam -sovelluksella tuotetusta 3D-mallista karkeudessaan osoittaa. Kokonaisuudessaan ensimmäiseen vaiheeseen kului arviolta 4 tuntia.

Mallintamisen toinen vaihe: Unreal Engine -pelimoottori 

Mallintamisen ensimmäisessä vaiheessa tuotettu 3D-malli ladattiin PolyCam-sovelluksesta FBX-tiedostomuodossa ja vietiin Unreal Engine -pelimoottorille. Lisäksi 3D-mallin pintamateriaalit jouduttiin luomaan itse hyödyntäen mallin tuottamisen yhteydessä syntynyttä JPG-tiedostoa. Prosessi vei harjaantuneelta käyttäjältä noin 10 sekuntia aikaa.  

Mallintamista jatkettiin siten, että ensimmäisen vaiheen malli tuotiin Unreal Enginen muokkaustilaan. Tähän mallin perusteella samaan tilaan asetettiin aiemmin hankittuja 3D-malleja eri tavaroista ja välineistä. Pelimoottoreille sopivia 3D-malleja pystyy ostamaan erilaisilta kauppapaikoilta, ja niiden ostaminen suoraan on pääsääntöisesti aina kustannustehokkaampi tapa kuin esimerkiksi niiden tekeminen itse. 3D-malleja hankkiessa on syytä ymmärtää lopputarkoitus, eli mihin mallia ollaan käyttämässä ja millä laitteella. Nämä määrittävät, kuinka tarkkoja hankittujen 3D-mallien tulee olla, sekä kuinka raskaita 3D-mallit voivat olla, jotta käyttölaitteen laskentateho on riittävä mallin pyörittämiseen. 3D-mallissa on hyvä yrittää yhtenäistää eri tavaroiden ja välineiden ulkonäköä, jotta ne näyttävät kuuluvan samaan ympäristöön. 3D-mallien lisäksi Unreal Enginen muokkaustilaan tulee erikseen rakentaa haluttu valaistus.

Kuvassa 3 näkyy Unreal Enginellä tehty mallinnus, josta näkee miltä hankkeessa tehty digitaalinen kaksonen näyttää.  Oikeaa ympäristöä verrattaessa sovelluksen lopulliseen ympäristöön voi havaita eroavaisuuksia. Hankkeen käyttötarkoituksiin eli varastotyöntekijöiden perehdytykseen geneerisiin tehtäviin peilaten nämä eroavaisuudet eivät vaikuta, koska digitaalinen kaksonen palvelee lopullista käyttötarkoitusta. Prosessia suunniteltaessa ja tehtäessä on hyvä miettiä, mitkä asiat ovat eri käyttötarkoituksissa tärkeitä. Lopullinen käyttötarkoitus määrittääkin, mitkä malleissa ovat tärkeätä informaatiota ja niistä ei tule laadullisesti tinkiä. Mallinna aina käyttötarkoitusta varten!    Arviolta toiseen vaiheeseen meni kahdesta kolmeen viikkoon, johon kuului myös paljon mallien etsimistä. Mikäli lähes kaiken kattava mallikirjasto olisi saatavilla, se lisäisi tehokkuutta merkittävästi.

Huomioita mallintamisesta 

Yllä kuvattu mallintamisen prosessi on vain yksi esimerkki siitä, miten mallintamisen voi tehdä. Tässä esimerkissä on koko ajan otettu huomioon ja tiedostettu sovelluksen lopullinen käyttölaite, joksi valikoitui hankkeen aikana Meta Quest 3 -VR-lasit, sekä käyttötarkoitus ja sen tuomat vaatimukset. Hankkeessa rakennettu perehdytyssovellus ei asettanut vaatimuksia digitaalisen kaksosen mittatarkkuudelle, koska perehdytystehtävät eivät vaatineet mallin vastaavan yksi yhteen aitoa ympäristöä. Lopullisen mallin täytyy olla optimoitu lopulliselle käyttölaitteelle, jotta se toimii sujuvasti ja itsenäisesti.  

On hyvä huomioida, että vaikka mallintamisen ensimmäinen vaihe olisi tehty millä tahansa menetelmällä, niin minkään vaihtoehdon laatu tai taso ei olisi riittänyt rakentamaan sellaista lopputulosta, jota tämän esimerkin loppusovellus vaati. Yksinkertaistetusti voisi todeta, että puhelimalla pystyy tekemään ensimmäisen vaiheen, kun tila on suhteellisen pieni (alle 150 m2) eikä vaadi tarkkoja mittoja. Mallintamiseen kannattaa kokeilla myös muita sovelluksia kuin mitä tässä testissä käytettiin. Suuremmat tilakokonaisuudet ja parempi mittatarkkuus saadaan luotua järeämmillä skannaus- ja mallintamislaitteilla, jos puhelin ei riitä. Varjo Teleport sekä Meta Hyperspace ovat tutustumisen arvoisia sovelluksia (kumpikaan näistä ei esimerkkimallintamisen aikaan ollut saatavilla).  

Digitaalinen kaksonen toimii usean käyttötarkoituksen pohjana ja avaa yrityksille uuden mahdollisuuden moneen asiaan. Muita mahdollisuuksia ovat esimerkiksi tuotannon suunnittelu, materiaalien läpikulku, myynti ja markkinointi, turvallisuus, datan integrointi ja visualisointi. Kokonaisvaltaisessa digitaalisten kaksosten hyödyntämisessä suurin osa yrityksistä on vain raapaissut pintaa tai ei vielä sitäkään.

Kirjoittajat