虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在汽車行業(yè)的應(yīng)用

馮　銳

（北京卓眾出版有限公司，北京 100083 ）

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在汽車行業(yè)的應(yīng)用

馮銳

（北京卓眾出版有限公司，北京 100083 ）

本文介紹了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的基本情況，列舉了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在汽車行業(yè)取得的成果及應(yīng)用，并對(duì)如何充分利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)提出了觀點(diǎn)。文章最后對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展情況、應(yīng)用前景和研究熱點(diǎn)做了展望。

虛擬現(xiàn)實(shí)；汽車；應(yīng)用

1　什么是虛擬現(xiàn)實(shí)

近年來(lái)，“虛擬現(xiàn)實(shí)”概念成為人們關(guān)注的熱點(diǎn)。雖然虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是最近幾年才開(kāi)始被普通消費(fèi)者所熟悉，但是其實(shí)這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)有幾十年了。在20世紀(jì)50年代，就已經(jīng)有第一個(gè)將座位震動(dòng)、嗅覺(jué)和3D技術(shù)結(jié)合到一起的電影了。這種可以讓自己逃離到另外一個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)世界的身臨其境體驗(yàn)，讓許多人都感到非常興奮，虛擬現(xiàn)實(shí)可以讓你進(jìn)入到一個(gè)純虛擬的空間，在虛擬的空間里面去進(jìn)行體驗(yàn)。

圖1　虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備Oculus Rift

虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，縮寫為VR），也稱虛擬環(huán)境，是利用電腦模擬產(chǎn)生一個(gè)三維空間的虛擬世界，提供用戶關(guān)于視覺(jué)等感官的模擬，讓用戶感覺(jué)仿佛身歷其境，可以及時(shí)、沒(méi)有限制地觀察三維空間內(nèi)的事物。用戶進(jìn)行位置移動(dòng)時(shí)，電腦可以立即進(jìn)行復(fù)雜的運(yùn)算，將精確的三維世界視頻傳回產(chǎn)生臨場(chǎng)感。該技術(shù)集成了計(jì)算機(jī)圖形、計(jì)算機(jī)仿真、人工智能、感應(yīng)、顯示及網(wǎng)絡(luò)并行處理等技術(shù)的最新發(fā)展成果，是一種由計(jì)算機(jī)技術(shù)輔助生成的高技術(shù)模擬系統(tǒng)。

2　虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)現(xiàn)狀

2016年被稱作虛擬現(xiàn)實(shí)的元年，VR時(shí)代即將到來(lái)，Oculus Rift、HTC Vive、PS VR等新一波主流虛擬現(xiàn)實(shí)產(chǎn)品也陸續(xù)上市。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)不再僅僅是科研實(shí)驗(yàn)室中的產(chǎn)品，越來(lái)越多的民眾將接觸到虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)。值得一提的是為了更好的宣傳虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，HTC以各大網(wǎng)吧為切入，在全國(guó)20家網(wǎng)吧中設(shè)置了虛擬現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)館，使得普通民眾能更加容易接觸到虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)。

根據(jù)美國(guó)IT研究與顧問(wèn)咨詢公司Gartner預(yù)計(jì)，2018年底VR設(shè)備銷量將達(dá)2 500萬(wàn)臺(tái)。市場(chǎng)普遍認(rèn)為，伴隨面向消費(fèi)市場(chǎng)的硬件和內(nèi)容的批量上市，2016年VR行業(yè)有望迎來(lái)爆發(fā)。多家巨頭在CES和MWC中屢出新品就是一個(gè)特別的信號(hào)。預(yù)計(jì)到2020年，全球頭戴VR設(shè)備年銷量將達(dá)4 000萬(wàn)臺(tái)左右，市場(chǎng)規(guī)模約400億元，加上內(nèi)容服務(wù)和企業(yè)級(jí)應(yīng)用，市場(chǎng)容量超過(guò)千億元。

3　汽車行業(yè)中的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

3.1模擬零部件裝配

虛擬裝配是在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過(guò)程中，運(yùn)用3D技術(shù)對(duì)零部件及其裝配體進(jìn)行建模仿真分析，發(fā)現(xiàn)零部件之間裝配關(guān)系是否存在問(wèn)題。在虛擬裝配時(shí)，我們應(yīng)該對(duì)裝配體進(jìn)行裝配規(guī)劃，對(duì)裝配順序、裝配方案、所用工具、夾具及裝配線等相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行分析和決策。然而，現(xiàn)在采用的3D軟件由于技術(shù)的限制，對(duì)產(chǎn)品的裝配設(shè)計(jì)和工藝設(shè)計(jì)不能完整地描述，產(chǎn)品裝配的最終質(zhì)量需要利用相同大小的幾何模型去檢測(cè)和評(píng)價(jià)，導(dǎo)致產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期過(guò)長(zhǎng)、產(chǎn)品開(kāi)發(fā)成本頗高。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在機(jī)械制造方面的應(yīng)用為上述有關(guān)問(wèn)題提供了一種全新的、低成本的研究前景?；谔摂M現(xiàn)實(shí)技術(shù)，操作者如同身臨其境地“沉浸”于模擬環(huán)境中，對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)世界中的物體進(jìn)行操作。虛擬裝配是以產(chǎn)品裝配設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)仿真平臺(tái)，結(jié)合虛擬外設(shè)的應(yīng)用，設(shè)計(jì)者可以在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中人機(jī)交互地對(duì)機(jī)械產(chǎn)品進(jìn)行一系列的操作，最終設(shè)計(jì)出符合工程實(shí)際應(yīng)用的裝配方案。［1］

3.2車輛運(yùn)動(dòng)仿真

把虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)用于車輛運(yùn)動(dòng)仿真中，以立體圖像的形式輸出車輛運(yùn)動(dòng)的仿真結(jié)果，參與者能交互控制仿真過(guò)程，改進(jìn)了人們利用計(jì)算機(jī)對(duì)車輛運(yùn)動(dòng)仿真數(shù)據(jù)的處理方式，使人們對(duì)車輛運(yùn)動(dòng)仿真的分析、理解變得更為容易。［2］

汽車運(yùn)動(dòng)仿真通常運(yùn)用在交通事故的模擬再現(xiàn)上，交通事故處理部門根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和在交通事故現(xiàn)場(chǎng)測(cè)得原始數(shù)據(jù)得出事故車輛在整個(gè)事故過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)情況后，為便于分析判斷，使用交通事故動(dòng)畫模擬系統(tǒng)以三維動(dòng)畫的形式再現(xiàn)交通事故的發(fā)生過(guò)程。由于現(xiàn)實(shí)世界中事故形態(tài)多種多樣，車輛形狀各不相同，要求演示程序能夠演示典型事故形態(tài)及典型車輛類型的事故。對(duì)于不同類型的車輛，需要制作相應(yīng)的三維車身演示模型，為了增加演示的真實(shí)感，需要根據(jù)實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)的情況，調(diào)節(jié)演示的背景元素。同時(shí)為了觀察方便，需要調(diào)節(jié)視點(diǎn)及視角。

圖2　福特工廠模擬裝配

圖3　福特工廠模擬裝配

交通事故動(dòng)畫模擬系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在交通事故分析與處理中的具體運(yùn)用。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的核心就是建模與仿真，動(dòng)畫模擬系統(tǒng)的核心功能是對(duì)交通事故中車輛、行人、道路、天氣等元素進(jìn)行三維建模，然后通過(guò)對(duì)模型的控制來(lái)對(duì)交通事故的場(chǎng)景進(jìn)行仿真。

當(dāng)車輛在虛擬環(huán)境中運(yùn)動(dòng)時(shí)，要產(chǎn)生真實(shí)的兩車碰撞場(chǎng)景，必須對(duì)參與碰撞的車輛進(jìn)行實(shí)時(shí)的碰撞檢測(cè)和響應(yīng)。兩車發(fā)生碰撞時(shí)，車輛應(yīng)對(duì)碰撞發(fā)生響應(yīng)。車輛碰撞模擬中的實(shí)時(shí)碰撞檢測(cè)，主要用于對(duì)車輛之間的碰撞進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，并做出響應(yīng)。根據(jù)上述模擬方法，將虛擬方法應(yīng)用于兩車碰撞事故上，交通事故三維動(dòng)畫模擬系統(tǒng)中的運(yùn)動(dòng)控制模塊必須能實(shí)時(shí)檢測(cè)出汽車三維模型的碰撞，并根據(jù)汽車的質(zhì)量、碰撞后的速度等參數(shù)模擬出交通事故的發(fā)生過(guò)程，如果過(guò)程與真實(shí)現(xiàn)場(chǎng)不符，則需要檢驗(yàn)輸入?yún)?shù)、速度模型的計(jì)算、碰撞檢測(cè)的結(jié)果以便重新進(jìn)行仿真模擬。［3］

3.3車輛安全模擬

車輛操縱穩(wěn)定性一般采用實(shí)車試驗(yàn)方法以及理論分析與數(shù)值仿真方法進(jìn)行研究。實(shí)車試驗(yàn)方法受約束條件很多，如測(cè)量?jī)x器、道路、駕駛員、天氣等，而且周期長(zhǎng)，需要花費(fèi)大量的人力、物力和財(cái)力；理論分析與數(shù)值仿真的方法可以克服上述問(wèn)題，因此得到快速發(fā)展，但此類方法在數(shù)據(jù)處理時(shí)一般采用曲線的方式表示，無(wú)法對(duì)人車環(huán)境閉環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行主觀評(píng)價(jià)。

虛擬樣機(jī)以及虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的出現(xiàn)，使車輛性能的研究方法有了很大飛躍。將車輛的參數(shù)化模型與復(fù)雜的虛擬試驗(yàn)環(huán)境相結(jié)合，用真實(shí)駕駛員進(jìn)行仿真駕駛，以視、聽(tīng)、觸覺(jué)等作用于用戶，使之產(chǎn)生身臨其境的感覺(jué)，體驗(yàn)汽車的振動(dòng)、傾斜、噪聲等效果，在設(shè)計(jì)早期可及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化，具有節(jié)省資金、可重復(fù)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。［4］

3.4模擬駕駛

汽車駕駛模擬器是一種基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，能正確模擬汽車駕駛動(dòng)作，獲得實(shí)車駕駛感覺(jué)的仿真設(shè)備，而其視覺(jué)系統(tǒng)又是駕駛模擬器的關(guān)鍵系統(tǒng)之一，因?yàn)樗鞘共僮髡吣芊癞a(chǎn)生沉浸感交互感和身臨其境的關(guān)鍵。

在國(guó)外，汽車駕駛模擬器的研究開(kāi)發(fā)較早汽車駕駛模擬器作為培訓(xùn)工具在發(fā)達(dá)國(guó)家早已普遍運(yùn)用，日本政府在1970年就以正式法律規(guī)定，汽車駕駛學(xué)校必須裝備汽車駕駛模擬器。美國(guó)在20世紀(jì)70年代中期就有500多所汽車駕駛學(xué)校裝備了汽車駕駛模擬訓(xùn)練器。大多數(shù)歐洲國(guó)家也相繼制定了使用汽車駕駛訓(xùn)練模擬器的法規(guī)。德國(guó)、瑞典、日本、美國(guó)的各大汽車廠都分別建立了開(kāi)發(fā)型汽車駕駛模擬器。［5］

3.5城市交通仿真

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)具有沉浸感強(qiáng)、人機(jī)互動(dòng)良好等特點(diǎn)，這些特點(diǎn)決定了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)尤其適合于城市交通模擬研究和應(yīng)用。將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用在城市交通仿真中，以現(xiàn)實(shí)的城市道路為基本，三維虛擬城市的每個(gè)街區(qū)，用戶將真實(shí)感受周圍的各種建筑，路邊的花草、樹(shù)木，交通流運(yùn)行情況。還可以通過(guò)相應(yīng)的感官設(shè)備置身于虛擬城市交通之中，駕駛虛擬車輛穿行于城市交通干道，親自體驗(yàn)虛擬城市交通的通行能力及各個(gè)交通路口的管理和控制情況。

圖4　模擬駕駛系統(tǒng)

圖5　交通仿真技術(shù)

除了提供用戶感官體驗(yàn)外，城市規(guī)劃者可以直接在三維虛擬城市中進(jìn)行道路規(guī)劃與設(shè)計(jì)。通過(guò)直觀了解道路周邊環(huán)境，可以更全面的考慮道路與周邊環(huán)境的協(xié)調(diào)性關(guān)系以及對(duì)交通安全的影響，從而更好的優(yōu)化道路設(shè)計(jì)。［6］

4　虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用展望

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是一項(xiàng)發(fā)展中的、具有深遠(yuǎn)的潛在應(yīng)用方向的新技術(shù)，它正朝著滿足人類不同需要的方向發(fā)展。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)又是一門富有挑戰(zhàn)性的交叉技術(shù)、前沿學(xué)科和研究領(lǐng)域，從某種意義上講它將改變?nèi)藗兊乃季S方式，甚至?xí)淖內(nèi)藗儗?duì)世界、自己、空間和時(shí)間的看法。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)還有著廣闊的應(yīng)用前景，并且隨著傳感器技術(shù)、仿真技術(shù)、多媒體技術(shù)、信息處理技術(shù)等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)將不斷取得進(jìn)步，它必將為我們開(kāi)辟一個(gè)嶄新的天地。

虛擬環(huán)境下產(chǎn)品的研究與開(kāi)發(fā)能提高企業(yè)的創(chuàng)新能力，提高設(shè)計(jì)制造速度，減少開(kāi)發(fā)人員、開(kāi)發(fā)費(fèi)用、硬件資源。使企業(yè)降低成本降低。虛擬環(huán)境下的產(chǎn)品研究與開(kāi)發(fā)未來(lái)要解決的關(guān)鍵問(wèn)題是開(kāi)發(fā)過(guò)程中的知識(shí)熔合（Knowledge Fusion），將不同領(lǐng)域的知識(shí)嵌入產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中，使企業(yè)獲最大利益。［7］

［1］ 白姍姍.基于虛擬現(xiàn)實(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)裝配關(guān)鍵技術(shù)研究.長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué).2015

［2］ 尹念東 余群.基于桌面虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)車輛運(yùn)動(dòng)仿真的立體視覺(jué)實(shí)現(xiàn).農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào).第33卷第1期.2002

［3］ 高鳳玲 熊靜. 基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的汽車安全控制及三維仿真研究.北京汽車.2007

［4］ 王樹(shù)鳳 余群 柴山 剛憲約.基于虛擬技術(shù)的車輛操縱穩(wěn)定性評(píng)價(jià)系統(tǒng).農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào).第38卷第7期.2007

［5］ 陳定方 李勛祥 李文鋒 尹念東.基于分布式虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的汽車駕駛模擬器的研究.系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào).Vol.17 No.2 2005

［6］ 劉薇 費(fèi)娜 黨增明.基于Vega Prime的虛擬現(xiàn)實(shí)城市交通仿真系統(tǒng)研究.城市建設(shè)理論研究.2014

［7］ 鄒湘軍 孫健 何漢武 鄭德濤 陳新.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的演變發(fā)展與展望.系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào).2004