虛擬現(xiàn)實技術在汽車設計中的應用

張昊

北京現(xiàn)代汽車有限公司技術中心 北京市 101300

1 引言

在我國科技水平不斷提高的背景下，市場在不斷地發(fā)生著變化，給汽車行業(yè)帶來巨大機遇的同時也帶來了極大的挑戰(zhàn)。為了在激烈的市場競爭中能夠取得一席之地，汽車制造企業(yè)必須從設計開發(fā)上進行創(chuàng)新，生產(chǎn)出性能好、質(zhì)量高、成本低的汽車。在汽車設計中利用虛擬現(xiàn)實技術可以改進傳統(tǒng)設計方法中的不足，有效增強企業(yè)的研發(fā)水平，減少新車型的研發(fā)成本，并且減少研發(fā)周期，大大提高工作效率和質(zhì)量。

2 虛擬現(xiàn)實技術的主要特征

虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality，簡稱VR）是在20世紀80年代由美國VPL公司的創(chuàng)始人拉尼爾提出。虛擬現(xiàn)實與主張?zhí)摂M和現(xiàn)實連接的增強現(xiàn)實不一樣，屬于可創(chuàng)建與體驗虛擬世界的計算機仿真系統(tǒng)。利用計算機生成的三維立體圖像可以創(chuàng)建虛擬環(huán)境，用戶采用適當?shù)膫鞲性O備進行交互，會產(chǎn)生身臨其境的感覺。虛擬現(xiàn)實技術主要包括以下幾個特征：

2.1 沉浸感

讓客戶可以沉浸于虛擬的環(huán)境里，并有在真實環(huán)境里相同的體驗。最佳的模擬環(huán)境能夠讓客戶分不出真假，在計算機創(chuàng)建的三維虛擬環(huán)境里可以從視覺、聽覺以及觸覺等方面感受到里面所有的東西。

2.2 交互性

客戶在虛擬環(huán)境里可以主動感受，能夠利用個人的動作獲得不同的感受內(nèi)容。比如客戶用手抓住模擬環(huán)境里的虛擬物體，能感受到手拿東西的感覺，并感受到物體的重量，而且被抓的物體可以跟隨手的動作做出相應的反應。

2.3 構想性

客戶可以構想出虛擬環(huán)境，不但能把真實存在的環(huán)境再現(xiàn)出來，還能任意構想不可能發(fā)生或者客觀不存在的環(huán)境。

2.4 實時性

客戶發(fā)出指令之后虛擬環(huán)境會馬上進行反應，具有很強的實時性。實時性不但在顯示層面，還涉及設計層面，工作人員修改一些設計指標，能夠馬上看到相應的變化。同時，輸入各種參數(shù)可以得出很多類方案，方便工作人員進行對比、分析與改進，最終可以設計出最優(yōu)方案。

隨著虛擬現(xiàn)實技術和虛擬樣機技術的興起，使傳統(tǒng)汽車的設計方法和試驗方法都發(fā)生了很大的變化。將虛擬樣機技術設計的數(shù)字化汽車和虛擬試驗環(huán)境有效結(jié)合在一起，通過讓真實駕駛員實行仿真操作，可以將視覺、聽覺以及觸覺等作用于客戶，讓他們有身臨其境之感，通過讓客戶、環(huán)境和車融為一體，能直接體會到汽車的振動、噪聲和傾斜等效果，還可以安全地進行翻傾和碰撞等極限試驗，這種方法解決了傳統(tǒng)方法不能用數(shù)學模型表達駕駛員反應和感受等問題，工作人員能夠在設計初期及時發(fā)現(xiàn)存在的問題，進行改進和完善，從而提高準確性，安全性，也可以為企業(yè)節(jié)約大量的成本。

3 虛擬現(xiàn)實技術的分類

虛擬現(xiàn)實技術根據(jù)硬件形態(tài)的不同可以分為三類，即PC端VR、一體機VR、移動端頭顯即手機VR。人們可以結(jié)合實際需求來選擇，三類設備的具體特征為：

PC端VR，屬于和電腦連接使用的專業(yè)設備，最常見的有HTCVIVE、Oculuc.，這種設備的游戲感很強，適應于游樂場等地。但對于可活動的互動體驗，會受到數(shù)據(jù)線影響。

一體機VR有獨立的CPU、輸出顯示和輸入顯示功能，而且不受數(shù)據(jù)線的影響，但是性價比較低。

移動端頭顯即手機VR可以放到手機里面直接觀看，在虛擬現(xiàn)實設備中屬于入門級的。若手機的分辨率大于1080P，就會有一體機VR的觀感。

4 汽車虛擬試驗系統(tǒng)

汽車虛擬試驗系統(tǒng)包括輸進模塊、虛擬試驗模塊與性能評價模塊等。在虛擬環(huán)境里加入汽車模型，能夠按照客戶的輸進控制命令，分析汽車模型的動力學和運動學，通過分析數(shù)據(jù)在虛擬場景里“虛擬再現(xiàn)汽車試驗過程”，讓客戶利用傳感器感受并且體驗到汽車的性能，并進行評價，結(jié)合評價結(jié)果可多次改進模型的各個參數(shù)，通過修改參數(shù)讓汽車的性能達到最佳狀態(tài)。

4.1 輸進模塊

輸進模塊通常用來輸進車輛以及地面參數(shù)化模型等數(shù)據(jù)資料，在這個模塊里，還能輸進實車試驗的各項數(shù)據(jù)，可以和虛擬試驗做對比。

4.2 虛擬試驗模塊

虛擬試驗模塊通常包括動力學分析模塊、虛擬試驗運行模塊與接口模塊，動力學分析模塊是結(jié)合汽車的參數(shù)化模型以及駕駛?cè)藛T的行為對汽車的性能參數(shù)進行實時計算，給虛擬試驗模塊提供一些仿真數(shù)據(jù)。虛擬試驗運行模塊可以讓客戶感受到更真實的虛擬試驗環(huán)境，在試驗時能夠?qū)崿F(xiàn)虛擬車輛的各種狀態(tài)變化，并把這些信息及時反饋給客戶。接口模塊可以把汽車的實時仿真運算部分、傳感器以及虛擬運行環(huán)境部分和客戶連接在一起。

4.3 性能評價模塊

性能評價模塊中，客戶可以從虛擬試驗中的體會到各類感覺，從而評價汽車的性能，結(jié)合評價結(jié)果對各參數(shù)進行優(yōu)化修改。同時，還可以對虛擬試驗和實車試驗相比較，結(jié)合兩者之間的差異及時修正汽車模型。

5 VR應用服務工具系統(tǒng)

針對汽車產(chǎn)品的需求，設計出的虛擬現(xiàn)實服務平臺的各項應用工具層都是通過四個VR應用系統(tǒng)構成的。

5.1 汽車配置DIY體驗系統(tǒng)

汽車配置DIY體驗系統(tǒng)主要是利用VR技術實現(xiàn)的，相關設計人員能夠結(jié)合客戶的實際需求與偏愛對汽車進行個性化配置設計，主要從汽車的輪胎、座椅、輪轂、內(nèi)飾、剎車片、儀表盤、外觀等方面進行改進，通過沉浸式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)可以對設計方案進行展示評估，并驗證設計的最終效果。同時，還可以身臨其境地體驗汽車改型之后的效果和整體性能，并對汽車配置設計DIY的效果進行驗證。另外，汽車制造廠的設計人員與配套單位相關負責人之間可以利用這個系統(tǒng)直觀地討論分析汽車配置的各類更改問題。

5.2 汽車虛擬駕駛支持系統(tǒng)

汽車虛擬駕駛支持系統(tǒng)主要是利用VR技術實現(xiàn)的，可以通過半實物仿真對汽車進行模擬駕駛，而且適用于很多類型的汽車產(chǎn)品駕駛模擬對象與指定地方的景觀環(huán)境與特殊路況。設計人員和駕駛?cè)藛T能夠在虛擬公路上駕駛虛擬的汽車，并以高度沉浸感的形式來對汽車駕駛的行為特征進行體驗與評價，從而可以從操控性、視野、舒適性等方面來感受汽車的性能與各項功能，這樣設計人員及可以通過數(shù)字樣車的形式對汽車的可駕駛性進行準確的評估與驗證，給設計汽車產(chǎn)品提供更多有價值的參考。

5.3 360°虛擬現(xiàn)實車展系統(tǒng)

360°虛擬現(xiàn)實車展系統(tǒng)主要是利用互聯(lián)網(wǎng)技術與VR技術實現(xiàn)的。利用這種系統(tǒng)可以使汽車產(chǎn)品和各個配件以滾動的方式展現(xiàn)給客戶，即把生動形象的車展放到網(wǎng)絡中去，人們可以使用鼠標從360°全方位無死角的觀看車展，展示對象主要有產(chǎn)品圖片以及產(chǎn)品VR模型。這種方式能夠作為正式銷售汽車之前的有效輔助措施，可以大大減少汽車和配件等的銷售成本，并擴大宣傳面。

5.4 數(shù)字汽車產(chǎn)業(yè)園系統(tǒng)

數(shù)字汽車產(chǎn)業(yè)園系統(tǒng)主要是利用地理信息系統(tǒng)與VR技術實現(xiàn)的。利用這種系統(tǒng)可以對一些地方的二、三維地圖、汽車制造廠以及相關配套單位的三維實體模型和景觀模型等，建立數(shù)字化汽車產(chǎn)業(yè)園。將數(shù)字汽車產(chǎn)業(yè)園系統(tǒng)和汽車虛擬駕駛支持系統(tǒng)有效結(jié)合在一起，只要涉及出了一款新型的虛擬汽車，就可以讓汽車產(chǎn)業(yè)園的相關工作人員和政府部門的相關人員駕駛這臺虛擬汽車，在數(shù)字化園區(qū)里虛擬游覽，然后利用地理信息系統(tǒng)分析數(shù)據(jù)并統(tǒng)計資料，同時能夠可視化展現(xiàn)出來，從而感受園區(qū)現(xiàn)有人文景觀和工業(yè)的實際情況，進而分析園區(qū)規(guī)劃布局是否合理。

6 結(jié)語

隨著我國社會經(jīng)濟的快速增長，人們的生活水平逐漸提高，對生活質(zhì)量也有了更多的追求。很多人都愿意把自由時間放到出行活動上，而且在日常生活和工作中汽車也成了重要的交通工具。這些改變給了汽車行業(yè)更大的發(fā)展機遇，同時也面臨更加激烈的市場競爭。為了給用戶更好的駕駛體驗，也為了進一步提高競爭力，汽車企業(yè)引進了虛擬現(xiàn)實技術，從思維習慣、開發(fā)形式、汽車推廣等多方面進行了改革，讓客戶可以從虛擬環(huán)境中享受到真實的駕駛感受，促進了汽車行業(yè)更好的發(fā)展。