MR混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)在汽車設(shè)計中的應(yīng)用研究

黃楚峰

摘 要：隨著汽車工業(yè)的進(jìn)步，國內(nèi)汽車設(shè)計與美德日韓等汽車設(shè)計的差距逐漸縮小，而汽車設(shè)計更新迭代速度之快離不開計算機(jī)輔助設(shè)計的發(fā)展。汽車造型設(shè)計作為汽車研發(fā)中重要的一環(huán)，其作用不容忽視。本文旨在探討汽車產(chǎn)品迭代過程中如何應(yīng)用MR混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)提高汽車設(shè)計的效率，優(yōu)化傳統(tǒng)的汽車設(shè)計流程，縮短造型設(shè)計的周期，為汽車設(shè)計提供更多的可能性。

關(guān)鍵詞：MR混合現(xiàn)實(shí);汽車造型;實(shí)時交互;汽車設(shè)計

1 傳統(tǒng)的汽車設(shè)計流程

汽車整車的研發(fā)是一項(xiàng)復(fù)雜的工程，往往需要根據(jù)市場需求確定設(shè)計內(nèi)容、產(chǎn)品定位、初期總布置、造型設(shè)計規(guī)劃書，還要作經(jīng)濟(jì)性分析、成本分析等。其中的造型設(shè)計階段，則是根據(jù)前期的規(guī)劃書確定產(chǎn)品的初期外部尺寸、整體技術(shù)參數(shù)、造型風(fēng)格和整車的配置方式等，然后分析研究市場車型，找到對標(biāo)車型的優(yōu)勢和不足，結(jié)合市場方向確定整車的造型設(shè)計定位。首先要解讀汽車造型設(shè)計任務(wù)書，分析過程以草圖形式展現(xiàn)設(shè)計理念與造型的初期方案，通過反復(fù)評審修改確定效果圖方案，同時進(jìn)入整車細(xì)節(jié)設(shè)計階段。造型設(shè)計對隊(duì)伍的要求是極高的，涉及了材料學(xué)、流體學(xué)、人機(jī)工程、環(huán)境保護(hù)眾多方面。在根據(jù)評審修改調(diào)整設(shè)計的過程中，三維造型與油泥模型這兩個環(huán)節(jié)起到了相當(dāng)重要的作用。通過三維造型我們能更真實(shí)地看到二維圖紙的立體化的效果，可以將更多的工程設(shè)計問題通過電腦進(jìn)行模擬評估，同時市場部根據(jù)此階段對產(chǎn)品作出判斷與分析。為了更加真實(shí)地展現(xiàn)設(shè)計，可以通過油泥制作1∶1車體模型，然后進(jìn)行二次評審。油泥確定后，利用三維掃描技術(shù)將油泥模型進(jìn)行逆向a面制作，完成車身數(shù)據(jù)后與工程對接，最終完成整車造型設(shè)計與制造。

2 傳統(tǒng)設(shè)計流程的利弊

早期汽車設(shè)計是根據(jù)手工繪制二維圖紙，傳統(tǒng)工匠通過手工制作車體外殼完成設(shè)計工作，效率低下且質(zhì)量不高。受制于當(dāng)時的工藝技術(shù)，設(shè)計師的想法不能得到準(zhǔn)確的表達(dá)?，F(xiàn)在汽車設(shè)計分工明確，汽車造型的2D與3D制作成為設(shè)計師的必備技能，并且隨著數(shù)字化科技產(chǎn)品的豐富，設(shè)計師的發(fā)揮空間越來越大。

傳統(tǒng)的造型設(shè)計包括草圖設(shè)計、CAS模型的構(gòu)建、油泥推敲、逆向建模，都需要較長時間，并且前期工作凍結(jié)之后返回再次修改過程煩瑣，設(shè)計師能力的強(qiáng)弱對設(shè)計工作的推進(jìn)與本身設(shè)計的合理性有很大的影響。雖然目前各類汽車設(shè)計輔助類軟件使用越來越方便，比如前期CAS造型階段可以通過subdive細(xì)分的方式構(gòu)建模型，然后通過銑油泥的方式將大型模型制作出來，能極大地縮短設(shè)計周期，但是整個環(huán)節(jié)還是以傳統(tǒng)的方式進(jìn)行，設(shè)計師需要和油泥師充分地溝通才能將設(shè)計表達(dá)到位。因此，如何使2D轉(zhuǎn)化成3D的過程不受油泥師的造型思路影響，將不確定的二維圖紙具象化，是一項(xiàng)亟待解決的問題。

3 MR混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)在汽車設(shè)計流程中的優(yōu)勢體現(xiàn)

3.1 VR、AR、MR三種技術(shù)的設(shè)計應(yīng)用

目前VR設(shè)備已經(jīng)在各大主流汽車廠商中被應(yīng)用于汽車設(shè)計，通過接入VRED渲染場景，帶上頭戴式顯示器與感應(yīng)手套，人們可以通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)感受汽車設(shè)計方案在真實(shí)環(huán)境下的體量。相比傳統(tǒng)的油泥評審，在數(shù)字化場景中使用VR技術(shù)具有方案修改與比較的即時性的優(yōu)勢，同時在設(shè)計感官上的體驗(yàn)更加豐富。比如可以更換虛擬場景，模擬車型在不同的環(huán)境下車體表面的真實(shí)反射，造型形態(tài)與環(huán)境的融合。VR設(shè)備的引入，節(jié)省了全尺寸模型制作的時間，而VR、AR、MR三種不同的技術(shù)方式在汽車設(shè)計中的應(yīng)用也各有優(yōu)勢，因此可以根據(jù)其技術(shù)不同的屬性，給相應(yīng)的設(shè)計環(huán)節(jié)提供幫助。

AR增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)是將虛擬信息與真實(shí)世界結(jié)合在一起的3D新技術(shù)，是把虛擬的信息直接疊加在真實(shí)環(huán)境中，對于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)有三個特性：實(shí)時交互性，無縫結(jié)合真實(shí)信息與虛擬信息，能在真實(shí)空間中添加虛擬信息。而VR虛擬現(xiàn)實(shí)則完全是由計算機(jī)模擬真實(shí)世界產(chǎn)生的一個虛擬的場景，所有的交互是人與虛擬物體的交互，是計算機(jī)圖形學(xué)、多媒體技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)學(xué)科的集合，用戶可通過虛擬環(huán)境模擬真實(shí)環(huán)境的感受產(chǎn)生交互。VR虛擬現(xiàn)實(shí)用戶沉浸度高，同時還能模擬視覺感官以外的其他感官。而MR技術(shù)則是將兩者的優(yōu)勢結(jié)合起來，使用MR眼鏡，通過MR混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)將虛擬圖像與現(xiàn)實(shí)世界融合形成實(shí)時交互，使人既能夠拋開VR繁重的頭盔設(shè)備，又能體驗(yàn)到比AR更加真實(shí)的立體交互場景。

3.2 MR技術(shù)在汽車人機(jī)交互中的應(yīng)用

汽車設(shè)計效果圖確定之后，由數(shù)模師根據(jù)效果圖完成三維模型創(chuàng)建，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以將設(shè)計模型置入虛擬場景，設(shè)計師能夠觀察車體在真實(shí)環(huán)境中的感受，有利于設(shè)計師對整體造型的把握。VR沉浸式技術(shù)只能讓使用者觀察到虛擬環(huán)境，其他設(shè)計人員不能與VR用戶直接交流，而MR混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)則避免了這種情況的發(fā)生。首先MR混合現(xiàn)實(shí)通過手勢識別，模擬自然的操作方式，展現(xiàn)高清的全息影像，通過MR透明顯示器，使用者可以無障礙觀察外部世界，同時與多名顯示器眼鏡佩戴者針對虛擬的設(shè)計展開直接交流。

不同于VR的頭戴沉浸式體驗(yàn)，MR的交互方式體驗(yàn)更加直接。在物聯(lián)網(wǎng)時期，人車交互不再是電氣化機(jī)械操作，更多的是通過圖形、語音指令來控制，并且隨著物聯(lián)網(wǎng)人工智能、語音手勢控制等技術(shù)的加入，人們對人車的交互要求越來越高，又希望使用者的學(xué)習(xí)成本降低。汽車造型設(shè)計中的人機(jī)交互是虛擬信息交互的基礎(chǔ)，在設(shè)計階段，可以通過MR混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)真實(shí)模擬人車交互方式，設(shè)計者可以最大程度模擬用戶的真實(shí)感受并與其他體驗(yàn)者實(shí)時交流探討交互方式與內(nèi)容，極大提高設(shè)計更新迭代的效率與真實(shí)性。混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)不僅可以模擬傳統(tǒng)的機(jī)械按鍵或者觸屏式操作方式，也可以通過全息投影技術(shù)將信息展現(xiàn)在真實(shí)環(huán)境中。相比傳統(tǒng)的圖片展示或者動畫演示，這種模擬更加真實(shí)高效，且方便修改調(diào)整，評審者能快速比較不同的設(shè)計方案，確定最終方案。

3.3 MR技術(shù)在車身造型設(shè)計中的應(yīng)用

車身造型設(shè)計的推敲在后期上離不開油泥師的雕琢，這是由油泥的特性決定的。在造型設(shè)計環(huán)節(jié)中，油泥可以展現(xiàn)汽車在真實(shí)環(huán)境中的體量，同時由于油泥的材料特性，它可以反復(fù)多次修改。因此好的設(shè)計能否精準(zhǔn)地展現(xiàn)出來，油泥師起到了很大的作用。對設(shè)計的解讀就需要依靠設(shè)計師與油泥師之間的磨合，同時也需要設(shè)計師將形體表達(dá)得精準(zhǔn)到位，才能保證實(shí)際造型不會偏離設(shè)計意圖。由于當(dāng)下汽車造型語言越來越豐富，油泥已經(jīng)很難真實(shí)模擬參數(shù)化表皮造型等復(fù)雜形態(tài)，而MR混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)能夠給予計算機(jī)模型三維渲染，將設(shè)計模型直接呈現(xiàn)在設(shè)計師與評審者眼前，不僅表達(dá)真實(shí)，而且省去了油泥制作的時間。設(shè)計師在模型上作出調(diào)整，馬上就能觀測到車體在環(huán)境中的真實(shí)變化，同時可以快速切換多種效果和狀態(tài)，僅需要在計算機(jī)中切換不同的參數(shù)。這樣可以避免設(shè)計圖紙到油泥展現(xiàn)過程中細(xì)節(jié)的缺失，使設(shè)計表達(dá)更加準(zhǔn)確直接。

3.4 MR技術(shù)在汽車曲面工程驗(yàn)證中的應(yīng)用

汽車曲面作為設(shè)計的重要環(huán)節(jié)，不僅要體現(xiàn)設(shè)計，更需要配合汽車工程，因此曲面質(zhì)量與連續(xù)性是相當(dāng)重要的。在計算機(jī)中能模擬汽車的外殼表面，但局限于顯示器大小與二維展示，無法使人更好地觀測曲面的曲率反射的真實(shí)感。MR混合現(xiàn)實(shí)相比傳統(tǒng)的計算機(jī)檢測汽車造型曲面，它的表現(xiàn)更加直接。比如汽車曲面表面連續(xù)性檢測，通過曲率梳工具檢查曲面銜接流暢度，雖然能在計算機(jī)上直觀地看到檢測結(jié)果，但是對曲率現(xiàn)需的流暢度所檢測的曲率梳則更多的是通過肉眼判斷。而MR混合現(xiàn)實(shí)的虛擬現(xiàn)實(shí)展現(xiàn)，人們不僅可以看到表面各個角度的投射形成的表面曲面效果，而且對整車造型的細(xì)節(jié)觀測更加清晰，比如各部件之間的間隙，面與面的落差，翻邊倒角等。同時還可以通過計算機(jī)模擬檢測開閉件、運(yùn)動件與外殼表面是否有干涉，通過混合現(xiàn)實(shí)將結(jié)果實(shí)時展現(xiàn)，現(xiàn)場模擬各類設(shè)計與工程對接遇到的問題，充分判斷曲面設(shè)計的合理性，減少因工程問題反復(fù)協(xié)調(diào)曲面造型的時間，為設(shè)計與工程對接提供有力的支持。

4 結(jié)語

未來汽車的發(fā)展方向?qū)⒊斯ぶ悄堋⒌吞辑h(huán)保邁進(jìn)，汽車設(shè)計也隨著科技的進(jìn)步不斷更新。MR混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)在當(dāng)下流行的AR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步通過技術(shù)優(yōu)化了現(xiàn)有的汽車設(shè)計流程，通過技術(shù)進(jìn)步不斷刺激新的設(shè)計語言的迸發(fā)。作者希望通過MR技術(shù)的應(yīng)用，為汽車設(shè)計的發(fā)展提供一些思路。