虛擬現(xiàn)實在整車光順評審中的應用

董贇瑜，吳海波，曲志鵬

?

虛擬現(xiàn)實在整車光順評審中的應用

董贇瑜，吳海波，曲志鵬

（上汽大眾汽車有限公司，上海 201804）

光順是整車開發(fā)的重要環(huán)節(jié)，對汽車車身質(zhì)量和開發(fā)周期有著重要的影響，引出了利用虛擬現(xiàn)實進行整車光順評審的重要性，以及利用虛擬現(xiàn)實進行整車光順評審的具體流程及實際應用。

虛擬現(xiàn)實；光順；整車光順評審

前言

在汽車整個研發(fā)過程中，光順是整車開發(fā)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，對車身質(zhì)量和研發(fā)周期都有非常重要的影響，光順是汽車所有可見表面的幾何生成，也是連接造型與技術(shù)的橋梁，評審通過的光順數(shù)據(jù)才可以用于模具開模。虛擬現(xiàn)實可以非常真實地模擬零件的材質(zhì)，皮紋，陰影以及三維環(huán)境，光照信息，眼點信息等，所以虛擬現(xiàn)實被廣泛地應用于國內(nèi)外各大車企的整車光順驗收評審中，它將大大地提升工作效率，縮短研發(fā)周期，降低研發(fā)成本。

1 虛擬現(xiàn)實技術(shù)

虛擬現(xiàn)實技術(shù)是一種可以創(chuàng)建和體驗虛擬世界的計算機仿真系統(tǒng)，它利用計算機生成一種模擬環(huán)境，是一種多源信息融合的、交互式的三維動態(tài)視景和實體行為的系統(tǒng)仿真，使用戶沉浸到該環(huán)境中。虛擬現(xiàn)實最大的優(yōu)點就是高度逼真化，在合理正確地應用好虛擬現(xiàn)實軟件中的場景，三維數(shù)據(jù)的陰影，光照等信息后，會讓人感覺有一臺真實的汽車擺在面前，從感官上直觀地評價整車的內(nèi)外飾光順質(zhì)量，造型方案，材質(zhì)，零件匹配性，反光等。目前，國內(nèi)外各大車企普遍應用Vred和RTT軟件進行整車光順評審。

2 利用虛擬現(xiàn)實進行整車光順評審的流程

三維場景信息及三維模型信息是利用虛擬現(xiàn)實進行整車評審的前提和必要條件。首先要制作接近于真實的三維場景，一般運用全景圖拍攝或者三維場景建模的形式表現(xiàn)，目前全景圖拍攝效率高，成本低而被廣泛運用于虛擬現(xiàn)實展示中。360°全景圖的拍攝需要使用超廣角鏡頭以及云臺來配合拍攝。以節(jié)點為中心，對周圍環(huán)境進行360度全方位的內(nèi)容拍攝，最終合并成一張高精度的帶有光照信息的HDR圖片，并在后期的虛擬現(xiàn)實軟件中對場景圖片進行飽和度，對比度等調(diào)整，然后將此場景作用于三維的車型數(shù)據(jù)。而三維場景建模通常使用Maya，3dmax或Alias等軟件，在虛擬現(xiàn)實軟件中對建立好的場景模型進行相應的材質(zhì)調(diào)整，最后模擬真實的場景光源并融入場景；整車光順評審時需要將整車放在不同的虛擬場景下進行對比評審。

圖1 360°全景圖拍攝原理

圖2 3dmax中三維場景建模

虛擬現(xiàn)實中的三維數(shù)據(jù)原始輸入是wire或者catia格式的光順數(shù)據(jù)。當光順數(shù)據(jù)導入軟件后，需要對零件的網(wǎng)格進行細分，法線調(diào)整，材質(zhì)色彩等進行設(shè)定，最后要進行零件的烘焙，來計算零件自身在環(huán)境下的陰影以及零件與零件間的陰影，在計算機硬件條件允許的情況下可以使用RT（光線追蹤渲染），陰影效果會好很多，更加融入環(huán)境。

圖3 在360HDR的環(huán)境中進行虛擬整車評審

圖4 在三維建模場景中進行虛擬整車評審

三維場景及三維數(shù)據(jù)建立好后，在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中設(shè)置好客戶評價視角，配置切換，材質(zhì)切換，場景切換等，然后將這套虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)逼真地展現(xiàn)在評審者面前，為了檢驗光順數(shù)據(jù)的質(zhì)量及技術(shù)可行性，會在長6m的大屏幕上做1：1的虛擬現(xiàn)實展示，考慮到虛擬現(xiàn)實軟件會模擬人眼透視的效果，目前在外形評審時普遍采用FOV為25左右，內(nèi)飾評審時FOV為45左右，具體根據(jù)整車尺寸及屏幕大小做適當?shù)卣{(diào)整。全尺寸的車身及內(nèi)外飾的三維立體影像能逼真地呈現(xiàn)在設(shè)計者眼前，評審人員能從不同位置實時查看整車的不同角度，可以直觀地對整車光順數(shù)據(jù)，造型方案，零件匹配性等進行全方位地評價。

3 利用虛擬現(xiàn)實進行整車反光檢測

在整車光順評審中，借助虛擬現(xiàn)實進行反光檢測也是光順評審的一個重要環(huán)節(jié)。

光線追蹤是一種用來根據(jù)一定的場景描述生成計算機合成圖像的技術(shù)，他模擬自然界光的傳輸過程，但與之相反的是，它通過以攝像機為起點，朝著屏幕每個像素點的方向發(fā)射光線，這些光線在場景中與表面進行交互與傳播，最終擊中一個光源或發(fā)光體。盡管光線在場景中會按照光學規(guī)律經(jīng)過多次反彈才會與光源或發(fā)光體相遇，然而早期限于計算機硬件性能以及光照算法的發(fā)展，我們并不能模擬完整的光照傳輸。最早的光線追蹤技術(shù)稱為光線投射，它首先從攝像機發(fā)出一條可視光線以找到場景中每個像素的可視點，然后從這個可視點向光源發(fā)射一條陰影光線以求出該可視點的顏色，光線投射技術(shù)是對渲染方程的以下近似：

光線追蹤都在光線投射的基礎(chǔ)上，讓光線沿反射或折射方向繼續(xù)遞歸地傳播，直到遇到光源為止。在該算法中，當一個光線擊中一個表面時，它隨機產(chǎn)生3條光線，即反射光，折射光和陰影光線。

圖6 光線追蹤原理

所以在模擬更加真實的虛擬現(xiàn)實內(nèi)容時，光線跟蹤經(jīng)常被用到，比如傳統(tǒng)的汽車反光問題通常在汽車設(shè)計階段不會被發(fā)現(xiàn)，要在制作出實體模型后結(jié)合實際的光照環(huán)境才會發(fā)現(xiàn)問題，利用虛擬現(xiàn)實中光線追蹤功能可以模擬真實的光照環(huán)境，從而在汽車前期開發(fā)階段就盡早地發(fā)現(xiàn)問題。在整車評審中，利用光線追蹤進行整車反光檢測也是必不可少的環(huán)節(jié)。

比如利用光線追蹤來檢查縫道的均勻性，如下兩圖所示分別是在未利用光線追蹤和利用光線追蹤技術(shù)后模擬前蓋在上格柵高亮鍍鉻邊框上的反光效果，黑色陰影的寬度均勻性同時也反應了縫道的均勻程度。

圖7 上格柵與前蓋的縫道在未利用光線追蹤下的表現(xiàn)

圖8 利用光線追蹤技術(shù)評價前蓋與上格柵縫道的均勻性

同樣，儀表板上的反光件也會不同程度地在前門玻璃上產(chǎn)生投影，在駕駛員看后視鏡的時候會不同程度的影響視野，造成潛在危險。通過虛擬現(xiàn)實光線追蹤技術(shù)可以在汽車前期設(shè)計階段直觀地展現(xiàn)儀表板反光件對駕駛員的影響程度。評審人員甚至可以通過虛擬現(xiàn)實軟件結(jié)合3D頭盔的形式身臨其境地感受到反光效果以及對駕駛的影響程度。

圖9 外后視鏡反光在虛擬現(xiàn)實中未利用光線追蹤下的表現(xiàn)

圖10 外后視鏡反光在虛擬現(xiàn)實中利用光線追蹤下的表現(xiàn)

圖11 外后視鏡反光在真實場景下的表現(xiàn)

利用光線追蹤進行虛擬現(xiàn)實數(shù)據(jù)渲染及實時展示對于計算機硬件的要求非常高，在單機情況下會花費很多時間等待實時光線追蹤結(jié)果，特別是在完整的全局照明情況下需要多節(jié)點的集群同時參與渲染。渲染速度主要和虛擬現(xiàn)實數(shù)據(jù)多邊形數(shù)量以及材質(zhì)，光照等有關(guān)，數(shù)量越多越耗時。同一數(shù)據(jù)模型，在不同的場景情況下，渲染速度也是不同的。室內(nèi)的場景會消耗更多的CPU資源，因為在室外光子僅僅被計算一到兩次，但是在室內(nèi)，光子會不停地反射和折射，會被計算很多次。在光順評審中，目前少數(shù)整車企業(yè)已開始采用多節(jié)點方式對虛擬現(xiàn)實數(shù)據(jù)進行實時展示。

4 3D頭盔結(jié)合虛擬現(xiàn)實進行整車沉浸式評價

除了利用虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)在大屏幕上進行1：1的整車光順評審外，目前越來越多的車企開始利用3D頭盔與虛擬現(xiàn)實軟件項結(jié)合，給評審者提供“身臨其境”的三維體驗，眼睛看到的數(shù)據(jù)模型和實物模型有非常高的吻合度。戴上頭戴顯示器后不僅可以圍繞著虛擬整車進行外飾評價，還可以結(jié)合虛擬座艙進行內(nèi)飾和人機評價。通過這種評審方式，工作效率不僅得到了有效提升，還可以在有限的時間內(nèi)對多種設(shè)計方案進行快速高效評審，在一定程度上也減少了實體模型的制作。如HTC公司的HTC VIVE，整款產(chǎn)品包含一個頭戴顯示器、兩個手持控制器和定位系統(tǒng)，通過嘗試將上述硬件與VR軟件在Steam VR平臺上整合為沉浸式虛擬現(xiàn)實評審系統(tǒng)，為整車研發(fā)提供虛擬的評審、交互平臺，軟硬件具有較好的兼容性，評審者可以通過手柄操作來改變交互的內(nèi)容，如截面剪切，開關(guān)門等。但目前體驗下來，該套頭盔分辨率還是不夠高，在體驗過程中顆粒感明顯，還不能夠完全滿足光順數(shù)字模型的評審，所以部分車企目前開始嘗試工業(yè)化頭盔以達到更高的分辨率，相信隨著產(chǎn)品的不斷更新?lián)Q代，以上硬件方面的問題也會很快會得到解決。

5 基于虛擬現(xiàn)實的360°整車離線評價系統(tǒng)

圖13 基于虛擬現(xiàn)實和數(shù)字化研發(fā)的360°整車離線評價系統(tǒng)

基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)和數(shù)字化研發(fā)手段而開發(fā)的360°整車離線評價系統(tǒng)，可以隨時隨地離線地在電腦端，移動端隨意瀏覽整車內(nèi)外飾光順數(shù)據(jù)，并在整車光順實物模型評價，以及整車試車過程中，可以隨意進行模型實物狀態(tài)與光順理論狀態(tài)的對比。大大降低了人工成本和研發(fā)效率。同時這套虛擬現(xiàn)實展示系統(tǒng)還可以作為汽車銷售的輔助手段，并可望在很大程度上降低汽車及其配件的銷售成本，從而為汽車及其配件的可銷售性提供支持。

6 結(jié)論

整車光順評審的質(zhì)量和周期直接決定了整車的開發(fā)周期以及量產(chǎn)車客戶可見表面的質(zhì)量，利用虛擬現(xiàn)實進行整車光順評審和整車虛擬開發(fā)已是眾多車企的發(fā)展趨勢，虛擬現(xiàn)實所具備的高度逼真性，高度沉浸感，交互性等特點為整車研發(fā)帶來了非?？捎^的經(jīng)濟性與時效性，相信隨著未來軟硬件的不斷升級，虛擬現(xiàn)實必將會給評審者帶來更好的體驗，也必將會取代更多的實物模型。

[1] 邱敏,蔡謙.在ICEM-SURF中生成汽車車身A級曲面[J].上海汽車, 2016,(10) 18-20.

[2] 邵景峰,劉優(yōu)中,喻志強.基于汽車造型評審的虛擬現(xiàn)實環(huán)境設(shè)計 [J].上海汽車,2017,(04) 3-9.

[3] 包海濤.虛擬現(xiàn)實技術(shù)在汽車造型設(shè)計中的應用研究[J].北京汽車2009,(6) 27-30.

[4] 秦春林.全局光照技術(shù).電子科技大學出版社,2018.

Application of virtual reality in vehicle surfacing evaluation

Dong Yunyu, Wu Haibo, Qu Zhipeng

( Shanghai Volkswagen Co. Ltd, Shanghai 201804 )

Surfacing is an important part of vehicle development. It has an important influence on the quality and develop -ment cycle of the vehicle. This paper introduces the importance of using virtual reality to evaluate vehicle surfacing, as well as the process and practical application of using virtual reality to evaluate vehicle surfacing.

virtual reality; surfacing; surfacing evaluation of vehicle

U463.8

B

1671-7988(2019)08-261-04

U463.8

B

1671-7988(2019)08-261-04

董贇瑜，碩士研究生，就職于上汽大眾汽車有限公司，研究方向為整車虛擬開發(fā)，數(shù)字化系統(tǒng)開發(fā)，光順設(shè)計等。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.08.087