頭戴式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)在汽車(chē)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究

邵景峰++劉優(yōu)中++喻志強(qiáng)++唐明星

摘 要：介紹了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、頭戴式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的組成、分類(lèi)和特征，闡述了頭戴式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)在汽車(chē)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，并通過(guò)和汽車(chē)設(shè)計(jì)領(lǐng)域傳統(tǒng)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)相比較，分析頭戴式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)以及不足，并針對(duì)相應(yīng)問(wèn)題，提出相應(yīng)解決方案。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí)；頭戴式虛擬系統(tǒng)；汽車(chē)設(shè)計(jì)；應(yīng)用

中圖分類(lèi)號(hào)：TP391.44 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2017）06-0022-02

Abstract：This paper introduces the composition， classification and characteristics of virtual reality technology and head mounted virtual reality system， described the application of head mounted virtual reality system in automobile design， compared with the traditional virtual reality techniques in the area of automotive design， the head-mounted virtual reality system has both advantages and disadvantages. According to the corresponding problems， the corresponding solutions are put forward.

Key words：Virtual Reality； head-mounted virtual reality system； automotive design； adhibition

隨著汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，各個(gè)汽車(chē)制造公司的競(jìng)爭(zhēng)也日趨激烈，這就要求在汽車(chē)研發(fā)及生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)都能夠保持高效快速應(yīng)變，以適應(yīng)市場(chǎng)環(huán)境的快速變化。汽車(chē)造型設(shè)計(jì)作為汽車(chē)研發(fā)的重要一環(huán)，面對(duì)外部市場(chǎng)環(huán)境快速變化的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，對(duì)新科學(xué)技術(shù)的應(yīng)用就更為迫切。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)作為近年來(lái)發(fā)展最為迅猛的技術(shù)手段，將可能成為改變?nèi)祟?lèi)生活方式的一種新技術(shù)，而作為虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)最重要的其中一種形式存在的頭戴式虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)自然是重中之重。

1 概述

虛擬現(xiàn)實(shí)的實(shí)質(zhì)是“造個(gè)世界任我行”，它是以現(xiàn)代科學(xué)計(jì)算機(jī)技術(shù)為發(fā)展核心，融合相關(guān)學(xué)科技術(shù)，生成在視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)等方面逼近人類(lèi)在真實(shí)世界中的感官感觸的數(shù)字化虛擬世界，使用者借助相應(yīng)設(shè)備，可以走進(jìn)生成的數(shù)字化虛擬世界，并且可以與虛擬世界中的對(duì)象進(jìn)行交互作用，產(chǎn)生身臨其境的真實(shí)體驗(yàn)和感受。

（1）桌面式虛擬現(xiàn)實(shí)，這類(lèi)型的虛擬技術(shù)要求相對(duì)較低，他只需要利用工作站作為運(yùn)行設(shè)備，將計(jì)算機(jī)顯示器作為用戶(hù)觀看虛擬數(shù)字世界的一個(gè)窗口，再通過(guò)鼠標(biāo)等輸入設(shè)備實(shí)現(xiàn)與虛擬數(shù)字世界的交互，用戶(hù)可以通過(guò)輸入設(shè)備對(duì)虛擬世界進(jìn)行指令操作，通過(guò)顯示設(shè)備進(jìn)行對(duì)虛擬世界的觀察。

（2）沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)，這一類(lèi)型虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)硬件設(shè)備的要求較高，他是利用一種中間設(shè)備，例如頭戴顯示器，觸覺(jué)手套等，將用戶(hù)的視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)等感官感覺(jué)封鎖起來(lái)，并通過(guò)中間傳輸設(shè)備，給用戶(hù)提供一種全新的虛擬感覺(jué)，讓用戶(hù)沉浸其中。

（3）增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)型虛擬現(xiàn)實(shí)，這一類(lèi)型的虛擬現(xiàn)實(shí)能給用戶(hù)提供平時(shí)或者是正常情況下難以觀察到難以感受到的狀態(tài)給呈現(xiàn)出來(lái)，是真實(shí)世界和虛擬世界的疊加，即“實(shí)中有虛”。

（4）分布式虛擬現(xiàn)實(shí)，他需要通過(guò)多個(gè)計(jì)算機(jī)設(shè)備連接在一起，共同建立一個(gè)虛擬世界，這時(shí)候的虛擬現(xiàn)實(shí)世界是一個(gè)真正意義上的多元世界，多個(gè)使用者可以對(duì)同一個(gè)虛擬世界進(jìn)行操作。

1.1 什么是頭戴式虛擬現(xiàn)實(shí)

頭戴式虛擬現(xiàn)實(shí)是將數(shù)字化虛擬世界呈現(xiàn)給用戶(hù)的一個(gè)窗口，用戶(hù)可以通過(guò)頭戴式虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備將其對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)隔離起來(lái)，這時(shí)候就完全置身于虛擬世界了。頭戴式虛擬現(xiàn)實(shí)顯示根據(jù)人眼視覺(jué)原理左右眼成像不同，分別顯示相應(yīng)的左右眼圖像，能讓人感覺(jué)到虛擬世界的物體時(shí)有立體有深度信息的，從而傳遞給大腦一個(gè)真實(shí)的信息，在視覺(jué)層面上達(dá)到以假亂真的目的。

1.2 構(gòu)成

一套完整的頭戴式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)通常由以下幾方面組成[1～2]：

（1）計(jì)算機(jī)硬件設(shè)備，它必須能承載龐大的數(shù)據(jù)量運(yùn)轉(zhuǎn)，快速生成圖形圖像并且能支持實(shí)時(shí)高速處理，高性能計(jì)算機(jī)設(shè)備是頭戴式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)構(gòu)成的基礎(chǔ)也是關(guān)鍵。

（2）頭戴式虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備，它是人機(jī)交互的接口，使用者通過(guò)它可以對(duì)虛擬世界進(jìn)行操作，虛擬世界也可以根據(jù)使用者的各項(xiàng)指令進(jìn)行反饋，借助頭戴式虛擬顯示器，使用者可以看得見(jiàn)虛擬世界，并且頭戴虛擬顯示器中安裝有定位器，當(dāng)使用者行走的位置或者方向進(jìn)行改變的時(shí)候，虛擬世界會(huì)相應(yīng)變化。

（3）虛擬現(xiàn)實(shí)生成軟件，它是虛擬世界得以實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)，你可以利用它構(gòu)建真實(shí)世界場(chǎng)景的再現(xiàn)或是你所構(gòu)想的虛擬世界，現(xiàn)階段相關(guān)的虛擬現(xiàn)實(shí)生成軟件游戲領(lǐng)域運(yùn)用的比較多的是Virtools、Quest 3D等，在汽車(chē)設(shè)計(jì)領(lǐng)域用的比較多的有Alias、RTT等。

（4）虛擬現(xiàn)實(shí)三維數(shù)字模型。它是虛擬現(xiàn)實(shí)的內(nèi)容也是載體，他可以是現(xiàn)實(shí)世界的再造，也可以是人們虛構(gòu)的世界，它的狀態(tài)決定是使用者所看到的內(nèi)容。

1.3 成像原理

人們?cè)谟^察周邊世界的時(shí)候，能感受到物體的立體、遠(yuǎn)近、景深等效果主要是依靠于人眼強(qiáng)大的成像原理，人們由于兩只眼睛的不同位置而產(chǎn)生眼距，在看同一件物體的時(shí)候得到兩幅略微不同的圖像，這兩幅圖像經(jīng)過(guò)人的大腦的融合，形成一幅帶有空間立體、距離遠(yuǎn)近等信息的景象，而頭戴式虛擬現(xiàn)實(shí)顯示器正是模仿人眼雙目立體成像原理進(jìn)行設(shè)計(jì)，頭戴顯示器有兩個(gè)顯示鏡分別用來(lái)模擬人的左右眼，工作站根據(jù)后臺(tái)數(shù)據(jù)輸入指令，分別將左右眼畫(huà)面輸送給左右眼顯示器，用戶(hù)佩戴上頭戴式虛擬顯示器，就可以體驗(yàn)到虛擬的真實(shí)。

2 頭戴式虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在汽車(chē)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的影響

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)作為能夠準(zhǔn)確體現(xiàn)汽車(chē)造型設(shè)計(jì)、加快汽車(chē)研發(fā)進(jìn)程的一種有效手段，自誕生以來(lái)就受到了各大主流汽車(chē)公司的廣泛關(guān)注與應(yīng)用，并且其帶來(lái)的巨大效益也得到了行業(yè)內(nèi)的廣泛認(rèn)可[3]。放眼國(guó)外主流的汽車(chē)廠商像奔馳、保時(shí)捷等，都建立有自己的虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室。在近兩年頭戴式虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)風(fēng)潮瘋狂席卷全球態(tài)勢(shì)下，很多汽車(chē)公司都紛紛加入了頭戴式虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的研究，在美國(guó)通用公司的虛擬現(xiàn)實(shí)中心的虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室里，當(dāng)用戶(hù)進(jìn)入該實(shí)驗(yàn)室，佩戴上頭戴式虛擬現(xiàn)實(shí)顯示器，預(yù)先設(shè)置好的虛擬現(xiàn)實(shí)世界就會(huì)呈現(xiàn)在用戶(hù)身邊，用戶(hù)可以看到和真實(shí)汽車(chē)一樣的包括尺寸大小、顏色、紋理一樣的虛擬汽車(chē)，用戶(hù)可以像實(shí)際觀察汽車(chē)一樣前后來(lái)回觀察，可以查看車(chē)體的造型輪廓及線條流暢性，也可以坐到汽車(chē)座椅上觀察儀表、方向盤(pán)、娛樂(lè)面板等細(xì)節(jié)的效果，以及模擬駕駛員視野的觀察。

3 頭戴式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)在汽車(chē)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用探索

頭戴式虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的出現(xiàn)，對(duì)汽車(chē)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的原有設(shè)計(jì)流程及驗(yàn)證方法有了很大改進(jìn)，在汽車(chē)研發(fā)過(guò)程中，汽車(chē)造型設(shè)計(jì)是很重要一環(huán)，汽車(chē)設(shè)計(jì)師的造型構(gòu)想如何快速的讓用戶(hù)看得見(jiàn)并且喜愛(ài)是決定造型設(shè)計(jì)成敗的關(guān)鍵。一個(gè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)流程往往需要經(jīng)過(guò)幾輪甚至十幾輪反復(fù)推敲，時(shí)間成本比較高，難以跟上快速變化的市場(chǎng)環(huán)境，因此在設(shè)計(jì)過(guò)程中如何簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)流程并且客觀真實(shí)的反應(yīng)汽車(chē)造型狀態(tài)尤為重要，而頭戴式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)能夠在造型效果圖之后就迅速加入設(shè)計(jì)流程，并且用虛擬的環(huán)境客觀真實(shí)的還原實(shí)際狀態(tài)，讓用戶(hù)所看即所得，而完成一套虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)不僅需要硬件系統(tǒng)的支持，也需要軟件的配合，而所觀察到的內(nèi)容則需要設(shè)計(jì)師前期虛擬現(xiàn)實(shí)數(shù)據(jù)的制作。

4 面臨的問(wèn)題與發(fā)展方向

頭戴式虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在汽車(chē)設(shè)計(jì)領(lǐng)域中的運(yùn)用，讓使用者能夠以比較真實(shí)自然的方式與虛擬世界進(jìn)行交互，提高了人機(jī)交互的真實(shí)性，但受限于當(dāng)下科技水平、計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)、人機(jī)交互技術(shù)等各方面的影響，仍存在一定程度上的虛擬世界不真實(shí)、人機(jī)交互程度不夠以及用戶(hù)共享性不足等問(wèn)題[4]。目前來(lái)看，一套頭戴式虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備同時(shí)只能支持一位用戶(hù)觀察使用，因此在用戶(hù)共享體驗(yàn)上不夠。

在將來(lái)科學(xué)技術(shù)水平、計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)等各方面技術(shù)發(fā)展越來(lái)越成熟的時(shí)候，頭戴式虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以朝分布式虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)發(fā)展，通過(guò)多個(gè)計(jì)算機(jī)設(shè)備共同建立一個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)世界，多個(gè)使用者可以對(duì)同一個(gè)虛擬世界進(jìn)行操作，這時(shí)候的虛擬現(xiàn)實(shí)世界是一個(gè)真正意義上的多元世界。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著科技水平的發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展也隨之日漸成熟，并且由于其為人類(lèi)生活生產(chǎn)方面帶來(lái)的巨大效益越來(lái)越被接受，頭戴式虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在汽車(chē)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的運(yùn)用作為即Powerwall桌面式虛擬現(xiàn)實(shí)之后的另一先進(jìn)技術(shù)，能極大的優(yōu)化汽車(chē)設(shè)計(jì)流程、縮短研發(fā)時(shí)間、有效提高汽車(chē)設(shè)計(jì)水平 ，給使用者提供真實(shí)的用戶(hù)反饋，也越來(lái)越被汽車(chē)設(shè)計(jì)公司所青睞，雖然受限于當(dāng)下科技發(fā)展水平等各方面因素的影響，頭戴式虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在使用體驗(yàn)上仍有些不足，但隨著科技的進(jìn)步以及巨大市場(chǎng)資金的投入必定能推動(dòng)這一技術(shù)的長(zhǎng)足發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

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