虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與物理模型制作在汽車造型設(shè)計(jì)中的關(guān)系淺析

張偉劍

摘 要：文章首先論述了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)發(fā)展及特點(diǎn)，物理模型制作的重要性，以及它們?cè)谄囋煨驮O(shè)計(jì)中的重要性，主要闡述了它們各自的優(yōu)缺點(diǎn)，提出了二者在汽車造型設(shè)計(jì)中的相互關(guān)系，以提高產(chǎn)品開發(fā)的制作水平及高效性。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)；物理模型制作

中圖分類號(hào)：U462.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7988（2018）17-234-03

Abstract： This paper first discusses the development and characteristics of virtual reality technology. The importance ot the production of physical models， and their importance in car modeling， The paper mainly espounds their respective advantages and disadvantages， and puts forward the relationship between the two in automobile modeling， so as to improve the production level and efficiency of product development.

Keywords： Virtual Reality Technology； Physical model making

CLC NO.： U462.1 Document Code： A Article ID： 1671-7988（2018）17-234-03

引言

隨著科技的飛速發(fā)展，市場(chǎng)的變化不斷加快，汽車制作業(yè)間的競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈，汽車開發(fā)種類也如雨后春筍越來(lái)越多，隨之也出現(xiàn)了一些新的特點(diǎn)，如何及時(shí)高效地開發(fā)出適應(yīng)市場(chǎng)需求的高品質(zhì)，高性能及低成本汽車產(chǎn)品已然成為企業(yè)占領(lǐng)市場(chǎng)并保持競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵因素。、這時(shí)不斷發(fā)展和應(yīng)用先進(jìn)的汽車造型設(shè)計(jì)技術(shù)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)更能適應(yīng)這一變化。那么，傳統(tǒng)的汽車設(shè)計(jì)方法物理模型制作與新型技術(shù)二者又有一個(gè)什么樣的關(guān)系呢？怎樣來(lái)理解分析他們之間的融合與發(fā)展方向是值得我們每一個(gè)汽車人來(lái)研究分析的。

首先，我們要知道什么是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（Virtual Reality Technology，VRT）是以計(jì)算機(jī)技術(shù)為主，綜合利用計(jì)算機(jī)三維圖形技術(shù)，模擬技術(shù)，傳感技術(shù)，人機(jī)界面技術(shù)，顯示技術(shù)，多媒體技術(shù)及人工智能技術(shù)等經(jīng)過(guò)交叉與綜合而發(fā)展起來(lái)的新興仿真技術(shù)。美國(guó)，英國(guó)，德國(guó)，日本等國(guó)的政府機(jī)構(gòu)和許多大公司特別重視虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)。應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，可降低新車型的研發(fā)成本，縮短研發(fā)周期，提高企業(yè)研發(fā)水平，效率和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，避免實(shí)際產(chǎn)品研發(fā)所帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)，在社會(huì)實(shí)踐的許多方面有著非常美好的發(fā)展前景。

20世紀(jì)90年代，我國(guó)在原吉林工業(yè)大學(xué)建設(shè)了一個(gè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室――汽車動(dòng)態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)室，當(dāng)時(shí)該實(shí)驗(yàn)室在技術(shù)上是十分先進(jìn)的，基本與世界同步，但是這一技術(shù)沒(méi)有被廣泛使用，時(shí)到今日，國(guó)內(nèi)汽車生產(chǎn)企業(yè)逐漸進(jìn)入計(jì)算機(jī)仿真階段，采用三維設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)及改進(jìn)工作。從趨勢(shì)來(lái)看，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)將成為汽車研發(fā)技術(shù)的主流，應(yīng)該充分消化和吸收此技術(shù)，結(jié)合傳統(tǒng)物理模型制作工藝，從而開發(fā)出完全具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的汽車產(chǎn)品。

1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的特征

虛擬現(xiàn)實(shí)是一種人工創(chuàng)建和體驗(yàn)虛擬世界的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，該技術(shù)具有以下四個(gè)特點(diǎn)：

1.1 沉浸感

是指人沉浸在虛擬環(huán)境中，具有在真實(shí)環(huán)境中一樣的感覺(jué)。理想的模擬環(huán)境應(yīng)該使用戶難以分清真假，使用戶全身心地投入到計(jì)算機(jī)創(chuàng)建的三維虛擬環(huán)境中，該環(huán)境中的一切如同在現(xiàn)實(shí)世界中的感覺(jué)一樣。

1.2 交互性

是指在虛擬環(huán)境中體驗(yàn)者不是被動(dòng)地感受，而是可以通過(guò)自己的動(dòng)作改變感受的內(nèi)容。如用戶可以用手去直接抓取模擬環(huán)境中虛擬的物體，這時(shí)手有握著東西的感覺(jué)，并可以感覺(jué)物體的重量，視野中被抓的物體也能立刻隨著手的移動(dòng)而移動(dòng)

1.3 構(gòu)想性

是指虛擬的環(huán)境是人構(gòu)想出來(lái)的，不僅可再現(xiàn)真實(shí)存在的環(huán)境，也可以隨意構(gòu)想客觀不存在的甚至是不可能發(fā)生的環(huán)境。

1.4 實(shí)時(shí)性

是指當(dāng)體驗(yàn)者發(fā)出一定的指令，虛擬環(huán)境會(huì)立即有所反應(yīng)。這咱實(shí)時(shí)性不僅僅在顯示方面，而且包括設(shè)計(jì)方面及設(shè)計(jì)人員可以通過(guò)對(duì)某些設(shè)計(jì)指標(biāo)的修改立即觀察到這些改變帶來(lái)的后果。輸入不周的參數(shù)而得到不同的方案，可進(jìn)行對(duì)比分析，尋求最佳方案。

2 虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)在汽車造型設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的沉浸式特點(diǎn)在汽車造型設(shè)計(jì)中應(yīng)用較為廣泛，大體分為靜態(tài)與動(dòng)態(tài)兩種表現(xiàn)方法。靜態(tài)表現(xiàn)方法是通過(guò)對(duì)三維數(shù)據(jù)的渲染，將虛擬樣車1：1模擬真實(shí)環(huán)境對(duì)內(nèi)、外飾進(jìn)行造型評(píng)審，包括不同場(chǎng)景、不同方案、不同材質(zhì)、不同紋理方案的實(shí)時(shí)模型評(píng)審，同時(shí)可以記錄不同版本的數(shù)據(jù)。將標(biāo)桿、競(jìng)品車型定位明確，多視圖與虛擬樣車進(jìn)行對(duì)比、評(píng)審，對(duì)問(wèn)題點(diǎn)進(jìn)行梳理、記錄；將陰影效果、立體感不強(qiáng)的三維數(shù)據(jù)與真實(shí)光影、逼真材質(zhì)的虛擬樣車進(jìn)行對(duì)比、評(píng)審，對(duì)問(wèn)題點(diǎn)進(jìn)行梳理、記錄；將顏色、材質(zhì)單一的物理模型與真實(shí)光影、逼真材質(zhì)的虛擬樣車進(jìn)行對(duì)比、評(píng)審，對(duì)問(wèn)題點(diǎn)進(jìn)行梳理、記錄；根據(jù)項(xiàng)目靜態(tài)評(píng)審的需要，制作廣場(chǎng)、樓頂、評(píng)審室、紀(jì)念館、大橋、湖邊夕陽(yáng)HDR場(chǎng)景；根據(jù)三維數(shù)據(jù)靜態(tài)渲染的需求和專業(yè)的掃描設(shè)備及軟件的制作，制作紋理、材質(zhì)、顏色等屬性的材質(zhì)貼圖。

動(dòng)態(tài)表現(xiàn)方法主要是：

（1）攝像機(jī)動(dòng)畫：將所有需要展示的鏡頭進(jìn)行攝像機(jī)位置編輯，記錄攝像機(jī)位置，通過(guò)動(dòng)畫編輯器對(duì)所有鏡頭進(jìn)行編輯，最終得到攝像機(jī)動(dòng)畫。

（2）Flash動(dòng)畫：將虛擬現(xiàn)實(shí)渲染的數(shù)據(jù)依照展示要求進(jìn)行角度設(shè)置，輸出Flash格式的全景圖。

（3）實(shí)景動(dòng)畫：將攝像機(jī)的機(jī)位設(shè)計(jì)好，借助高端攝像設(shè)備對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行拍攝，拍攝完成后將所要展示的渲染數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)景合成，得到實(shí)景動(dòng)畫。

（4）虛擬場(chǎng)景動(dòng)畫：選擇需要搭建的場(chǎng)景，借助高端攝像設(shè)備對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行拍攝和實(shí)地的測(cè)量，運(yùn)用三維軟件進(jìn)行實(shí)體建模和景觀建模，將渲染數(shù)據(jù)結(jié)合搭建的場(chǎng)景進(jìn)行渲染輸出，得到虛擬場(chǎng)景動(dòng)畫。

虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)在汽車造型設(shè)計(jì)中的應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)在于通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)動(dòng)態(tài)演示，可看到造型車在行駛中的光影變化，在樣車還沒(méi)有出來(lái)之前可以進(jìn)行光影面調(diào)節(jié)，對(duì)車的姿態(tài)，比例，特征線走勢(shì)等細(xì)節(jié)進(jìn)行調(diào)整，大大節(jié)約了前期的設(shè)計(jì)開發(fā)時(shí)間。

3 物理模型制作在汽車造型設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

說(shuō)了這么多關(guān)于虛擬現(xiàn)實(shí)的好處與優(yōu)勢(shì)，那么它的缺點(diǎn)也是顯而易見(jiàn)的，比如說(shuō)它沒(méi)有辦法給人真實(shí)的存在感，光影在自然光的反饋下是不全面也是不真實(shí)的，設(shè)計(jì)師要修改點(diǎn)線面的關(guān)系也沒(méi)有一個(gè)真實(shí)的實(shí)體來(lái)進(jìn)行修改，客戶在評(píng)審時(shí)提出的意見(jiàn)也沒(méi)有辦法直觀的再現(xiàn)出來(lái)。這時(shí)候，制作物理模型就顯得尤為重要，設(shè)計(jì)師在二維設(shè)計(jì)時(shí)更加注重透視及角度，往往在三維數(shù)據(jù)制作時(shí)對(duì)關(guān)鍵性的一些轉(zhuǎn)折點(diǎn)，線，面處理的不是很好，這時(shí)候就要通過(guò)三維立體實(shí)物模型來(lái)進(jìn)行推敲，物理模型是設(shè)計(jì)草圖轉(zhuǎn)換實(shí)體的重要階段和手段。一些好的物理模型師更能讓設(shè)計(jì)師的設(shè)計(jì)錦上添花，推動(dòng)設(shè)計(jì)的理性發(fā)展。油泥模型制作是十分重要也是必須經(jīng)歷的一個(gè)環(huán)節(jié)。它將平面圖形立體化，呈現(xiàn)出了一個(gè)十分逼真的立體汽車形態(tài)。這些模型帶給我們的感受和虛擬現(xiàn)實(shí)展現(xiàn)的效果是截然不同的，物理模型更加真實(shí)觰手可及，能讓我們體會(huì)到汽車每一個(gè)細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)，或結(jié)實(shí)飽滿，或端莊優(yōu)雅，或動(dòng)感十足。

物理模型制作是上世紀(jì)末二十一初從歐美國(guó)家傳來(lái)的一個(gè)新興職業(yè)，是伴隨著中國(guó)的汽車工業(yè)和自主研發(fā)設(shè)計(jì)發(fā)展而發(fā)展起來(lái)的，當(dāng)然這是所指的模型主要是指汽車模型，制作模型的主要材料是油泥，加熱到五六十度會(huì)軟化，可塑性強(qiáng)，可反復(fù)切削，質(zhì)量穩(wěn)定可靠。由于汽車模型是個(gè)直觀立體的實(shí)體，是每次客戶評(píng)審的焦點(diǎn)，最有效最具視覺(jué)沖擊力的展示，是一個(gè)創(chuàng)意最終能不能實(shí)現(xiàn)，到底能不能得到客戶滿意認(rèn)可的關(guān)鍵一環(huán)，所以模型制作在整個(gè)設(shè)計(jì)流程環(huán)節(jié)中所起的作用是至關(guān)重要的。客戶不會(huì)盯著效果圖提過(guò)多的意見(jiàn)，更不會(huì)盯著電腦里的數(shù)字模型看，虛擬現(xiàn)實(shí)表現(xiàn)出來(lái)的再接近真實(shí)，還是與實(shí)物存在一定的差異的。

到了更直觀的模型這里，不管是專業(yè)不專業(yè)都能充分的發(fā)表自己的意見(jiàn)，美丑比例風(fēng)格一目了然，以實(shí)體模型為基礎(chǔ)的評(píng)審是最穩(wěn)定可靠的，最能反映問(wèn)題和體現(xiàn)出二維設(shè)計(jì)師設(shè)計(jì)思維的。同樣能體現(xiàn)出制作物理模型的價(jià)值所在。

4 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與物理模型制作在汽車造型設(shè)計(jì)中的關(guān)系

綜上所述，我總結(jié)出虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)與物理模型制作在汽車造型設(shè)計(jì)中的幾點(diǎn)關(guān)系：

（1）虛擬現(xiàn)實(shí)在汽車造型設(shè)計(jì)中的前期應(yīng)用開展，有效的將虛擬現(xiàn)實(shí)評(píng)審運(yùn)用到新產(chǎn)品的研發(fā)中，快速的將不同設(shè)計(jì)方案進(jìn)行渲染評(píng)審，選出相對(duì)優(yōu)秀的造型方案，減少了制作多個(gè)物理模型的制作時(shí)間與費(fèi)用。

（2）由于虛擬現(xiàn)實(shí)在汽車造型設(shè)計(jì)中缺少真實(shí)感，HDR場(chǎng)景、動(dòng)畫素材拍攝需要大量的重復(fù)工作，前期效果評(píng)定后選擇有價(jià)值的一到兩種方案制作物理模型進(jìn)行造型推敲，輔助造型設(shè)計(jì)推進(jìn)工作。

（3）在物理模型制作過(guò)程中，虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)可以模擬出汽車外形數(shù)據(jù)場(chǎng)景，進(jìn)行一些功能性實(shí)驗(yàn)分析（如：風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)，工程數(shù)據(jù)分析等），通過(guò)分析報(bào)告，我們?cè)O(shè)計(jì)師可以根據(jù)報(bào)告內(nèi)容有效地規(guī)避設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)，提高工作效率。

（4）在物理模型制作完成對(duì)造型設(shè)計(jì)推敲工作后，虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)可以根據(jù)新的模型數(shù)據(jù)制作出新的評(píng)審場(chǎng)景，可以對(duì)車身顏色，車處環(huán)境等相關(guān)因素設(shè)定，進(jìn)行動(dòng)態(tài)與靜態(tài)演示，更好地展現(xiàn)出設(shè)計(jì)產(chǎn)品色彩的多面性。

5 結(jié)論

總的來(lái)說(shuō)，我個(gè)人認(rèn)為，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與物理模型制作在汽車造型設(shè)計(jì)中的關(guān)系是非常密切的，二者之間相輔相成，相互促進(jìn)。在汽車造型設(shè)計(jì)中二者都是不可缺少的，無(wú)論離開了哪一方，汽車造型設(shè)計(jì)都會(huì)受到一定的影響，二者互滲互補(bǔ)，在汽車造型設(shè)計(jì)中我們要把虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與物理模型制作有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，從而迅速高效地完成汽車造型設(shè)計(jì)工作。