四通道可視化系統(tǒng)在汽車工程中的開發(fā)及應(yīng)用

毛婷婷 王向陽 孫海青 袁博

（泛亞汽車技術(shù)中心有限公司）

在汽車前期開發(fā)過程中，大部分的數(shù)字設(shè)計(jì)往往都沒有較好的驗(yàn)證和評(píng)估工具，傳統(tǒng)的做法仍然只是基于3D 建模軟件中各組測(cè)量數(shù)據(jù)的對(duì)比，各項(xiàng)分值計(jì)算，以及通過對(duì)已上市車型的參考比對(duì)，從而綜合得出一個(gè)較優(yōu)方案，雖然在各個(gè)大節(jié)點(diǎn)時(shí)也會(huì)加工實(shí)物模型來驗(yàn)證，但驗(yàn)證的內(nèi)容非常有限，再加上驗(yàn)證模型制造誤差等，使得在實(shí)物評(píng)估時(shí)常常比較被動(dòng)，同時(shí)實(shí)物模型的加工時(shí)間較長(zhǎng)，加工費(fèi)用也較高，車型及零件更新方案迭代效果和效率都有限，使得很多設(shè)計(jì)及工程問題很難在早期被發(fā)現(xiàn)，而且有些更改需耗費(fèi)巨大的人力物力。因此，在早期的方案驗(yàn)證上，亟需尋求能快速并直觀展現(xiàn)設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)方案的工具和方法，驗(yàn)證多種可能的車型方案，為所有測(cè)量及對(duì)比數(shù)據(jù)提供直觀可靠的數(shù)字化模型和場(chǎng)景進(jìn)行驗(yàn)證，以便及早地發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)和開發(fā)過程中的問題。文章就四通道虛擬現(xiàn)實(shí)可視化評(píng)估系統(tǒng)（CAVE 系統(tǒng)）進(jìn)行了深入研究和設(shè)計(jì)，最終實(shí)現(xiàn)了整車1∶1 虛擬評(píng)估場(chǎng)景和環(huán)境的搭建，為汽車前期開發(fā)提供快速高效的可視化評(píng)估工具[1]。

1 四通道高清虛擬可視化系統(tǒng)原理及技術(shù)方案

1.1 四通道CAVE系統(tǒng)定義

CAVE 系統(tǒng)是一種基于多通道視景同步技術(shù)和立體顯示技術(shù)的房間式投影可視協(xié)同環(huán)境，該系統(tǒng)可提供1 個(gè)房間大小的最少3 面或最多70 面的立方體投影顯示空間，供多人參與，所有參與者均完全沉浸在一個(gè)被立體投影畫面包圍的高級(jí)虛擬仿真環(huán)境中。文章的四通道CAVE 系統(tǒng)則是基于4 面直角的立方體投影顯示空間[2]，如圖1 所示。從圖1 可以看出，通過左、中、右、地4 塊大屏幕包圍成密閉的步入式可視化投影空間。

圖1 四通道CAVE 系統(tǒng)空間效果圖

再借助相應(yīng)虛擬現(xiàn)實(shí)交互設(shè)備（位置跟蹤器、交互手柄等），從而獲得一種身臨其境的高分辨率三維立體視覺影像和6 個(gè)自由度的交互感受。由于投影面積能夠覆蓋用戶的所有視野, 所以CAVE 系統(tǒng)能提供給使用者一種完全真實(shí)的視角，從而帶來前所未有的身臨其境的沉浸感受。

1.2 四通道CAVE系統(tǒng)拓?fù)湓?/h3>

文章中的四通道CAVE 系統(tǒng)，主要設(shè)計(jì)并搭建了一整套軟硬件系統(tǒng)，系統(tǒng)包含的軟硬件系統(tǒng)模塊，如圖2 所示。其中硬件部分包括：一拖四集群工作站圖像生成系統(tǒng)、4K 高清雙畫面立體投影系統(tǒng)、精確光學(xué)位置追蹤系統(tǒng)、圖像顯示系統(tǒng)、數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)與通信系統(tǒng)、多模式多工況中央控制系統(tǒng)等。軟件部分包括：基于虛幻（UNREAL）引擎定制開發(fā)的軟件及部署，利用C++底層技術(shù)開發(fā)實(shí)現(xiàn)四屏立體同步、眼點(diǎn)定位跟蹤功能，以及評(píng)估應(yīng)用功能開發(fā)和操作界面（UI）設(shè)計(jì)等。

圖2 四通道CAVE 系統(tǒng)主要模塊關(guān)系圖

CAVE 系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)包括9 個(gè)方面：

1）圖像生成系統(tǒng)：設(shè)計(jì)利用5 臺(tái)Z840 工作站，通過其中1 臺(tái)主控機(jī)實(shí)現(xiàn)一拖四集群圖像生成，配備高性能計(jì)算顯卡，實(shí)現(xiàn)單通道4K 高清圖像生成。

2）投影系統(tǒng)：設(shè)計(jì)利用4 臺(tái)4K 高清投影機(jī)，單機(jī)2 組燈泡，1 組配備3 個(gè)高亮度燈泡，單通道亮度達(dá)到30 000 lm，其中左中右3 臺(tái)背投，地面正投方式，利用反射鏡縮短投影距離，提高投影機(jī)房空間利用率，通過雙屏3D 圖像設(shè)置，實(shí)現(xiàn)雙畫面立體顯示。

3）位置追蹤系統(tǒng)：設(shè)計(jì)利用6 個(gè)光學(xué)追蹤探頭，立體眼鏡上固定追蹤定位球，實(shí)時(shí)抓取定位球位置信息，將抓取到的位置信息傳送至圖像生成場(chǎng)景和投影系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)位置更新，確保抓取位置點(diǎn)的展示內(nèi)容準(zhǔn)確無變形。

4）圖像顯示系統(tǒng)：除了CAVE 主屏投影顯示以外，控制臺(tái)處的圖像利用KVM 控制器進(jìn)行顯示和控制切換，簡(jiǎn)化控制臺(tái)處的顯示設(shè)備，設(shè)立3 臺(tái)顯示器，分別針對(duì)CAVE 的多臺(tái)工作站進(jìn)行顯示切換。

5）多窗口監(jiān)視系統(tǒng)：通過截取應(yīng)用軟件視頻流的方式進(jìn)行視頻傳送，從而監(jiān)控整個(gè)CAVE 房間內(nèi)的各種應(yīng)用。

6）基于UNREAL 的定制化開發(fā)軟件部署，重新編譯UNREAL 官方應(yīng)用軟件后部署在主控節(jié)點(diǎn)及4 臺(tái)渲染節(jié)點(diǎn)上，并設(shè)計(jì)UI 界面實(shí)現(xiàn)人員操作簡(jiǎn)易化，開發(fā)相應(yīng)評(píng)估操作工具，如天氣變化、時(shí)間變化下的光照變化，測(cè)量、剖切、移動(dòng)旋轉(zhuǎn)、車輛切換、座位切換等。

7）立體同步：本系統(tǒng)使用主動(dòng)立體系統(tǒng)獲得立體畫面。主動(dòng)立體系統(tǒng)中，投影機(jī)高速切換投影左右眼的圖像，并通過無線/紅外信號(hào)控制立體眼鏡左右鏡片的開關(guān)動(dòng)作。本系統(tǒng)中投影機(jī)無需從渲染服務(wù)器處獲得左右眼的同步信號(hào)，左右眼的同步由投影機(jī)按照視頻信號(hào)直接發(fā)生，由于各個(gè)渲染節(jié)點(diǎn)是通過像素同步的方式實(shí)現(xiàn)，保證了視頻信號(hào)的頻率與相位同步。

8）多畫面數(shù)據(jù)同步：在CAVE 環(huán)境中，需要讓用戶將多個(gè)屏幕的畫面認(rèn)知為一個(gè)整體，需要時(shí)刻準(zhǔn)確地獲得用戶雙眼的位置。本系統(tǒng)使用光學(xué)追蹤系統(tǒng)追蹤用戶視點(diǎn)，位置追蹤光學(xué)探頭通過紅外三角定位的方式測(cè)量安裝在立體眼鏡上的反光球，并推算出雙眼位置。使得對(duì)應(yīng)屏幕上的圖像與人眼在虛擬場(chǎng)景中相同位置上看到的畫面等效，從而獲得沉浸式的體驗(yàn)。

9）應(yīng)用功能開發(fā)結(jié)合UI 界面：除了以上應(yīng)用系統(tǒng)的搭建外，在使用過程中的人機(jī)UI 界面開發(fā)和工具菜單開發(fā)，實(shí)現(xiàn)人員在虛擬環(huán)境中進(jìn)行相關(guān)的評(píng)估操作，如切換車輛、切換場(chǎng)景、更換天氣、座椅定位、移動(dòng)旋轉(zhuǎn)部件和車輛、剖切斷面、測(cè)量、視域顯示、照明等功能，以及各場(chǎng)景事件如人員走動(dòng)、車輛流動(dòng)等，從而還原更真實(shí)的路面情景，進(jìn)行車輛視野、人機(jī)、設(shè)計(jì)質(zhì)量檢查、干涉檢查、裝配檢查等。

1.3 四通道CAVE系統(tǒng)技術(shù)要點(diǎn)

四通道CAVE 高清可視化系統(tǒng)整體框架，如圖3所示。通過主控機(jī)拖4 臺(tái)渲染節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)集群圖像渲染和計(jì)算，并通過輸出為二分畫面與投影儀相連接，每個(gè)畫面由2 個(gè)數(shù)據(jù)通道組成，系統(tǒng)中將4 個(gè)通道組成橫向分辨率為7 680×2 160 像素（Pixel）的Mosaic 模式，輸出左右雙畫面高清圖像，將投影畫面設(shè)計(jì)成雙通道左右眼立體模式，實(shí)現(xiàn)左右眼切換下的立體顯示，配置立體同步文件[3]，實(shí)現(xiàn)四通道畫面同步無延遲，同時(shí)為保證視點(diǎn)的準(zhǔn)確性，利用6 個(gè)位置追蹤攝像頭實(shí)現(xiàn)光學(xué)捕捉，主要捕捉人在虛擬環(huán)境進(jìn)行無線交互的Flystick 手柄位置，以及立體眼鏡位置和座椅相對(duì)位置等，從而實(shí)現(xiàn)人與虛擬環(huán)境中位置的高度匹配，保證視點(diǎn)和手柄的位置準(zhǔn)確不失真。

圖3 四通道CAVE 系統(tǒng)整體框架圖

文章的四通道高清可視化系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)傳輸采用交換機(jī)網(wǎng)絡(luò)傳輸方式，建立整個(gè)系統(tǒng)的局域網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)CAVE 主控機(jī)與4 臺(tái)渲染節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)交換與連接，實(shí)現(xiàn)各軟硬件之間的協(xié)同與同步，以及實(shí)時(shí)的通信協(xié)議。

四通道高清可視化硬件系統(tǒng)需匹配相關(guān)軟件并進(jìn)行部署，軟件部署主要有以下內(nèi)容：主控機(jī)上部署同步服務(wù)（SyncServer）配置，CAVE 一鍵啟動(dòng)控件、位置定位管理控件、系統(tǒng)配置相關(guān)軟件及控件，渲染節(jié)點(diǎn)上部署有基于UNREAL 定制開發(fā)的主程序以及監(jiān)控程序。

CAVE 多畫面立體同步控制，如圖4 所示。通過位置追蹤主控程序控制并管理4 臺(tái)渲染節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)位置和立體同步，利用主控機(jī)分發(fā)對(duì)應(yīng)的場(chǎng)景和車輛數(shù)據(jù)文件到各臺(tái)渲染節(jié)點(diǎn)，利用主控機(jī)上的啟動(dòng)器控件，實(shí)現(xiàn)對(duì)4 臺(tái)渲染節(jié)點(diǎn)的一鍵啟動(dòng)，并在保證畫面立體同步的同時(shí)，也保證ART 捕捉到的視點(diǎn)位置準(zhǔn)確。

圖4 CAVE 多畫面立體同步控制圖

以上功能主要實(shí)現(xiàn)了軟件數(shù)據(jù)與硬件的連接和展示，而在評(píng)審數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備過程中，在數(shù)據(jù)處理上，基于UNREAL 引擎定制開發(fā)的編輯打包軟件（UE）及UI 界面開發(fā)也是很重要的，在定制UE 中，對(duì)相應(yīng)車輛數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，包括材質(zhì)渲染、燈光、反射、零件替換，座椅定位前期數(shù)據(jù)處理工作完成后，最終打包成UE 工程文件，并按照用戶配置發(fā)布到服務(wù)器中，通過CAVE 主控端的CAVE 啟動(dòng)器控件，開啟四通道高清可視化系統(tǒng)的車輛文件。圖5 示出CAVE 評(píng)審數(shù)據(jù)打包顯示界面。

圖5 CAVE 評(píng)審數(shù)據(jù)打包顯示界面

部署完以上車輛數(shù)據(jù)后，就可以在CAVE 系統(tǒng)中進(jìn)行評(píng)估，利用定制開發(fā)的UI 工具進(jìn)行車型數(shù)據(jù)的評(píng)估，并可選擇預(yù)置在場(chǎng)景中的各項(xiàng)輔助評(píng)估內(nèi)容，包括選擇不同的場(chǎng)景、天氣和時(shí)間，以及跳轉(zhuǎn)不同的定位座椅、車外視角等，從而在各種工況條件下進(jìn)行評(píng)估，并利用UI 工具，對(duì)評(píng)審車輛進(jìn)行剖切、測(cè)量、旋轉(zhuǎn)移動(dòng)、視域檢查、手電筒照亮目標(biāo)區(qū)域、儲(chǔ)物等，滿足多工況下的多重應(yīng)用評(píng)估。圖6 示出CAVE 系統(tǒng)UI 功能顯示界面。

圖6 CAVE 系統(tǒng)UI 功能顯示界面

2 CAVE系統(tǒng)在汽車工程開發(fā)中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

2.1 主視角四屏全高清汽車工程模型展示

在以往的多屏可視化系統(tǒng)中，雖然能實(shí)現(xiàn)立體同步及立體展示，但由于平面投影給出的立體圖像針對(duì)立體眼鏡來說，只有某一些固定位置的立體圖像才是準(zhǔn)確不變形的，一旦移動(dòng)位置，即便帶上立體眼鏡，所觀測(cè)到的圖像信息仍然會(huì)變形，從而無法達(dá)到準(zhǔn)確評(píng)估的目的。圖7 示出CAVE 系統(tǒng)立體圖像與主視角定位。

圖7 CAVE 系統(tǒng)立體圖像與主視角定位展示界面

文章的CAVE 系統(tǒng)通過光學(xué)追蹤的位置定位，實(shí)現(xiàn)了主視角圖像準(zhǔn)確無變形，屏幕上方的6 個(gè)光學(xué)追蹤定位器，實(shí)時(shí)追蹤加在立體眼鏡上的定位球位置，并將此位置實(shí)時(shí)傳送至虛擬場(chǎng)景中，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)際場(chǎng)景與虛擬場(chǎng)景的高度匹配，帶上主視角立體眼鏡后，隨時(shí)走動(dòng)位置，人眼所觀測(cè)到的立體圖像會(huì)根據(jù)人體位置實(shí)時(shí)變化，因此，在光學(xué)追蹤下的立體評(píng)估準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)了對(duì)汽車數(shù)據(jù)模型評(píng)估的功能。圖8 示出CAVE 系統(tǒng)主視角追蹤。當(dāng)人鉆入車底時(shí)，即可實(shí)時(shí)看到底盤相關(guān)零件并評(píng)估其布置狀態(tài)。

圖8 CAVE 系統(tǒng)主視角追蹤圖

2.2 虛擬空間內(nèi)三維空間手柄功能應(yīng)用

在CAVE 中使用Flystick 手柄進(jìn)行操作，設(shè)計(jì)Flystick 手柄產(chǎn)生1 根虛擬射線，當(dāng)射線被使用時(shí)，功能與鼠標(biāo)類似，可實(shí)現(xiàn)在三維虛擬空間中的人機(jī)交互工作，同時(shí)藏在Flystick 手柄透明玻璃下的定位器同樣可被光學(xué)追蹤探頭識(shí)別，并實(shí)時(shí)將手柄的射線位置與虛擬場(chǎng)景進(jìn)行匹配，從而使得手柄可在各屏幕的場(chǎng)景中自由操作，實(shí)現(xiàn)三維虛擬空間中的人機(jī)交互及界面UI 選擇等，從而脫離了鍵盤鼠標(biāo)操作的不及時(shí)性。圖9 示出CAVE 系統(tǒng)三維空間交互手柄。

圖9 CAVE 系統(tǒng)三維空間交互手柄示意圖

通過主視角眼鏡佩戴，以及手柄在三維空間中的操作，將車輛模型處理好以后，就可以進(jìn)行車輛狀態(tài)評(píng)估，在汽車前期研發(fā)階段，為汽車總布置和零件設(shè)計(jì)提供了一種快速真實(shí)地反映設(shè)計(jì)效果和意圖的虛擬模型，為評(píng)估者提供直觀可靠的展示方案，可幫助工程師們快速?zèng)Q策出更優(yōu)方案。圖10 示出CAVE 系統(tǒng)評(píng)審模式及功能選擇設(shè)計(jì)。

圖10 CAVE 系統(tǒng)評(píng)審模式及功能選擇設(shè)計(jì)顯示界面

2.3 同場(chǎng)景下的多人協(xié)同評(píng)審

在評(píng)審過程中，主視角的方式可以給評(píng)估人員帶來快速全新的身臨其境的評(píng)估體驗(yàn)，但往往1 個(gè)主視角眼鏡及位置對(duì)車輛評(píng)估來說是不夠的，因此在同一場(chǎng)景中，經(jīng)常需要至少2 人參與評(píng)估，文章設(shè)計(jì)了CAVE 與虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）頭盔結(jié)合的方式進(jìn)行多人協(xié)同互動(dòng)，如圖11 所示。通過設(shè)計(jì)CAVE 與VR 計(jì)算機(jī)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)置，以及統(tǒng)一的UNREAL 引擎平臺(tái)二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)同場(chǎng)景2 人互動(dòng)，同時(shí)可以將CAVE 視角和VR 視角通過視頻流的方式投影在第三方屏幕上，其他人可在第三方屏幕上了解2 人的互動(dòng)內(nèi)容。

圖11 VR 與CAVE 中的2 人協(xié)同評(píng)審場(chǎng)景示意圖

3 結(jié)論

文章通過對(duì)虛擬可視化系統(tǒng)的特點(diǎn)、實(shí)現(xiàn)原理及技術(shù)方案進(jìn)行深入分析和研究后，針對(duì)汽車前期開發(fā)業(yè)務(wù)特點(diǎn)，搭建了定制化四通道高清虛擬可視化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)整車的1∶1 可視化評(píng)估。評(píng)估人員可以坐在三維虛擬場(chǎng)景和車?yán)?，?duì)前期的零件布置方案進(jìn)行對(duì)比分析、視野校核、人機(jī)工程分析，通過對(duì)外觀質(zhì)量等一系列評(píng)估項(xiàng)進(jìn)行真實(shí)有效的評(píng)估，可提早發(fā)現(xiàn)前期的很多設(shè)計(jì)和零件布置問題，降低前期開發(fā)驗(yàn)證中對(duì)實(shí)物模型的依賴，避免了因?yàn)榍捌谠O(shè)計(jì)問題給后期帶來的較多返工和客戶抱怨等。