虛擬樣車在汽車靜態(tài)評(píng)審中的開發(fā)及優(yōu)化＊

衣恩斯，唐燁，劉建文，李喆元

（廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院，廣東 廣州 511434）

前言

數(shù)字化樣機(jī)（DMU，Digital Mock-Up），又名虛擬樣車，其基于整車三維數(shù)模，按照世界坐標(biāo)組成結(jié)構(gòu)性樣車模型，雖然不是物理實(shí)車，但其通過VR（Virtual Reality，虛擬現(xiàn)實(shí)）技術(shù)，便能獲得極其真實(shí)的虛擬體驗(yàn)。VR技術(shù)是一種計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，具有高真實(shí)感的環(huán)境表達(dá)特征和高效的用戶和環(huán)境信息交換特征[1]，能夠創(chuàng)建交互式的三維動(dòng)態(tài)視景，增強(qiáng)用戶對(duì)虛擬環(huán)境的感知，讓用戶沉浸其中體驗(yàn)虛擬世界。

計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（Computer Aided Design，CAD）軟件是設(shè)計(jì)和制造行業(yè)的基本工具，隨著市場(chǎng)需求的增加，用戶的個(gè)性化趨勢(shì)顯現(xiàn)，傳統(tǒng)的CAD軟件難以快速滿足市場(chǎng)多樣化和節(jié)省成本的要求[2]。而VR技術(shù)的快速發(fā)展給汽車企業(yè)帶來了巨大啟發(fā)，目前車企的VR技術(shù)已廣泛應(yīng)用于汽車概念設(shè)計(jì)、工程設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、銷售、服務(wù)全生命周期。其中，概念設(shè)計(jì)與工程設(shè)計(jì)之間通常存在前期難以檢查出的品質(zhì)問題，如工程件外露、可見結(jié)構(gòu)遮擋等，直到較后期的整車狀態(tài)才被發(fā)現(xiàn)。汽車研發(fā)的實(shí)踐證明，通過實(shí)施有效的設(shè)計(jì)評(píng)審活動(dòng)，及時(shí)識(shí)別和彌補(bǔ)設(shè)計(jì)開發(fā)缺陷，在降低開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)，確保產(chǎn)品質(zhì)量以及經(jīng)濟(jì)性等方面發(fā)揮著重要作用[3]。如果能運(yùn)用VR技術(shù)“多感知”和“虛擬環(huán)境”的特點(diǎn)，讓評(píng)審人員在產(chǎn)品工程設(shè)計(jì)階段進(jìn)行虛擬樣車評(píng)審，體驗(yàn)在虛擬環(huán)境下的“真實(shí)”的車輛，在數(shù)據(jù)階段提前發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量問題，將大大提升產(chǎn)品開發(fā)效率。

1 明確VR虛擬樣車質(zhì)量評(píng)審內(nèi)容

傳統(tǒng)的汽車產(chǎn)品設(shè)計(jì)和質(zhì)量評(píng)審僅考慮各項(xiàng)指數(shù)是否達(dá)標(biāo)，現(xiàn)如今除了驗(yàn)證指標(biāo)達(dá)標(biāo)外，還要站在用戶的立場(chǎng)上，從用戶的需求和期望考慮，以“挑剔”的方式進(jìn)行產(chǎn)品驗(yàn)證和質(zhì)量評(píng)價(jià)，從而不斷優(yōu)化完善產(chǎn)品質(zhì)量，進(jìn)而增強(qiáng)產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

在汽車設(shè)計(jì)的質(zhì)量評(píng)審前期工作中，業(yè)內(nèi)普遍已形成用戶體驗(yàn)主觀評(píng)價(jià)管理辦法，其內(nèi)容通常分為基于實(shí)車的靜態(tài)主觀評(píng)價(jià)和動(dòng)態(tài)主觀評(píng)價(jià)，如圖1所示。其中靜態(tài)主觀評(píng)價(jià)是基于評(píng)價(jià)者對(duì)汽車的“五感”評(píng)價(jià)，動(dòng)態(tài)主觀評(píng)價(jià)是基于汽車駕駛性能的評(píng)價(jià)。

圖1 用戶體驗(yàn)主觀評(píng)價(jià)內(nèi)容分類圖

在汽車設(shè)計(jì)階段前期，典型的質(zhì)量問題主要集中在靜態(tài)主觀評(píng)價(jià)，如工程件外露、老鼠洞、特征不齊、縫隙看穿等，這些問題均可通過主觀視覺快速發(fā)現(xiàn)。VR技術(shù)若與前期模型數(shù)據(jù)緊密結(jié)合，基于主觀視覺的質(zhì)量驗(yàn)證將有效快速發(fā)現(xiàn)上述問題。因此，本文所提到的VR虛擬樣車，可重點(diǎn)聚焦于虛擬車輛的靜態(tài)主觀評(píng)價(jià)，涉及的評(píng)價(jià)包括但不限于汽車的品質(zhì)感、協(xié)調(diào)性、視覺印象、色差、間隙、面差、缺陷、外露、零部件干涉。同時(shí)，為給用戶更好的用車體驗(yàn)，還要保證其他不易觀察部件的視覺效果，如機(jī)艙布置緊湊度，管線走向等，所以需要進(jìn)行全整車級(jí)的模型數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)。

2 實(shí)現(xiàn)方法研究及對(duì)比

通過調(diào)研行業(yè)主流VR內(nèi)容制作方法，通用制作流程分為輕量化、渲染及交互設(shè)計(jì)、軟硬件聯(lián)動(dòng)三個(gè)步驟，本文從這三個(gè)角度進(jìn)行詳細(xì)說明及優(yōu)劣分析。

2.1 輕量化

虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行是否流暢，與場(chǎng)景中的模型個(gè)數(shù)、模型面數(shù)、模型貼圖這三個(gè)方面的數(shù)據(jù)量相關(guān)[4]。通常，各行業(yè)應(yīng)用模型精度由高到低的排序?yàn)椋汗I(yè)模型、影視模型、VR/AR模型、游戲模型。將工業(yè)模型轉(zhuǎn)化為VR模型，既要保證模型表達(dá)效果、結(jié)構(gòu)樹可循，又要保證處理效率高和數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，同時(shí)達(dá)到輕量化的目的是本文需解決的重要問題之一。

汽車工程設(shè)計(jì)的建模軟件所建出的汽車模型數(shù)據(jù)是一種精確的邊界表示（Representation Boundary，BREP）模型數(shù)據(jù)，這種三維數(shù)模含有大量的工業(yè)信息，屬于高精度模型。將含有大量工業(yè)信息的高精度數(shù)模，轉(zhuǎn)換成含少量工業(yè)信息的低精度數(shù)模的過程叫做三維數(shù)模的輕量化，其是指在保留三維模型基本信息、保證必要精度的前提下，將原始CAD文件壓縮至只有原格式的1/30大小甚至更小的輕量化格式文件[5]。VR行業(yè)中，實(shí)現(xiàn)模型輕量化主要有以下三種方法：

（1）利用3ds Max/Maya等三維動(dòng)畫制作軟件或其插件進(jìn)行自動(dòng)優(yōu)化或拓?fù)洌?/p>

（2）利用TopoGun/Zbrush等專業(yè)的拓?fù)浠虻窨誊浖M(jìn)行重構(gòu)優(yōu)化；

（3）利用CATIA輕量化格式轉(zhuǎn)化減少冗余工業(yè)參數(shù)化信息[6]。

針對(duì)整車級(jí)模型數(shù)據(jù)而言，三種輕量化方法對(duì)比情況如表1。從對(duì)比結(jié)果看，選用CATIA輕量化格式方法更優(yōu)。

表1 三種輕量化方法對(duì)比表

2.2 渲染及交互設(shè)計(jì)

渲染可以為模型賦予材質(zhì)、紋理、貼圖、燈光布置等，利用渲染軟件將這些與模型貼合、融合在一起，最終可視化出實(shí)物般的立體效果。通過調(diào)研行業(yè)主流可視化軟件情況，常用的有Autodesk VRED、RTT DeltaGen、集成化的虛擬仿真驗(yàn)證平臺(tái)等。其中集成化的虛擬仿真驗(yàn)證平臺(tái)應(yīng)用領(lǐng)域全面，但價(jià)格高，實(shí)施周期長(zhǎng)，學(xué)習(xí)成本高，不適用于快速應(yīng)用；Autodesk VRED 與RTT DeltaGen視覺效果優(yōu)越，同時(shí)可擴(kuò)展交互設(shè)計(jì)內(nèi)容，但RTT DeltaGen對(duì)硬件要求高[7]，不適用普通用戶終端應(yīng)用，綜合考慮已有造型階段數(shù)據(jù)資源情況，以及技術(shù)研究情況，本文將選用VRED進(jìn)行渲染及交互設(shè)計(jì)部分內(nèi)容開發(fā)。

2.3 軟硬件聯(lián)動(dòng)

VR因?yàn)槌两襟w驗(yàn)的特性，需佩戴專門的頭盔顯示器（Head-Mounted Display，HMD）用于隔離外界干擾從而增加沉浸感，HMD均安裝有頭部運(yùn)動(dòng)跟蹤裝置，用戶運(yùn)動(dòng)頭部時(shí)，即可計(jì)算出對(duì)應(yīng)于用戶當(dāng)前姿態(tài)的虛擬對(duì)象的位姿并將其顯示在HMD的屏幕上[8]。虛擬中的模型世界和現(xiàn)實(shí)世界中用戶的行為同步，主要依靠VR空間定位技術(shù)。其關(guān)鍵指標(biāo)是精度和時(shí)延，精度影響用戶位置獲取偏差大小，時(shí)延影響用戶動(dòng)作同步流暢性，精度差將導(dǎo)致感知錯(cuò)位和內(nèi)容不同步，時(shí)延長(zhǎng)將導(dǎo)致用戶眩暈。當(dāng)前VR空間定位技術(shù)，主要有以下三種：

（1）激光定位；

（2）紅外光學(xué)定位；

（3）可見光定位。

三種定位技術(shù)對(duì)比情況如表2，綜合考慮車型尺寸及項(xiàng)目周期，將選用激光定位技術(shù)設(shè)備作為用戶體驗(yàn)評(píng)審端硬件，通過該類設(shè)備與VRED軟件結(jié)合開發(fā)，從而實(shí)現(xiàn)軟硬件聯(lián)動(dòng)。

表2 三種VR空間定位技術(shù)對(duì)比表

3 技術(shù)開發(fā)及優(yōu)化

3.1 整車數(shù)模的輕量化開發(fā)及優(yōu)化

整車數(shù)模的輕量化程度是實(shí)現(xiàn)整車數(shù)據(jù)渲染及評(píng)審的重要基礎(chǔ)。因此，在制作虛擬樣車數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備階段時(shí)，就需要進(jìn)行數(shù)據(jù)輕量化，以達(dá)到對(duì)仿真模型的快速渲染需求，保障虛擬評(píng)審效果穩(wěn)定。從本文目的出發(fā)，對(duì)整車數(shù)模輕量化有以下幾點(diǎn)思考：

（1）對(duì)靜態(tài)主觀視覺評(píng)價(jià)來說，在含有大量工業(yè)信息的數(shù)模中，僅需較少的有效信息；

（2）十幾個(gè)G的整車數(shù)據(jù)在普通計(jì)算機(jī)軟硬件條件下難以整合，即使整合成功，在進(jìn)行渲染或虛擬樣車評(píng)審時(shí)也可能造成卡頓、死機(jī)等；

（3）整車數(shù)據(jù)的BOM表有幾百個(gè)零部件，手動(dòng)處理存在工作量大、重復(fù)操作多、數(shù)據(jù)管理困難等問題。

通過觀察數(shù)據(jù)保存形式，先后測(cè)試了stp、stl、igs、wrl、cgr這5種通用格式轉(zhuǎn)化，結(jié)果證明cgr格式可以轉(zhuǎn)換成功并組裝為整車，這種格式僅含有零件的外形、世界坐標(biāo)等信息，以此達(dá)到降低原數(shù)模工業(yè)信息量的目的。

此方法雖可行，但存在問題。例如，單一車型一種配置有200余個(gè)零部件，估算文件查找、讀取、手動(dòng)轉(zhuǎn)換、歸類分組等步驟所耗時(shí)間，人工轉(zhuǎn)換需耗費(fèi)單人8小時(shí)完成，人工操作重復(fù)性大、效率低，且極易出錯(cuò)。為優(yōu)化此步驟，開發(fā)了自動(dòng)轉(zhuǎn)換程序[9]，運(yùn)用批處理程序和CATIA開發(fā)轉(zhuǎn)存程序相結(jié)合的方式，實(shí)現(xiàn)文件批量化處理及模型文件整理，從而解決上述問題。具體步驟如下：

（1）將查詢代碼存為批處理文件格式（.bat），查詢指定文件目錄下的所有P總成CATIA文件路徑；

（2）運(yùn)用CATIA宏腳本（.catvbs）依次遍歷目錄文件位置，每個(gè)目錄執(zhí)行一次打開-另存cgr-關(guān)閉操作，以此完成cgr格式批量化轉(zhuǎn)存；

（3）將查詢代碼存為批處理文件格式（.bat），查詢所有目錄及子文件夾下的cgr格式文件，并復(fù)制到指定文件夾進(jìn)行收集。

至此，僅需三步即可完成所有輕量化模型收集，單人耗時(shí)不足2小時(shí)。模型收集完成后開始渲染準(zhǔn)備工作，渲染前可將同一零部件、同一材質(zhì)的模型進(jìn)行打包處理，將不參與交互的固定零部件進(jìn)行打包處理等，以便進(jìn)一步提升后期渲染效率。

3.2 整車數(shù)模的渲染和交互設(shè)計(jì)開發(fā)及優(yōu)化

渲染過程將進(jìn)一步提升虛擬樣車的真實(shí)性，增加評(píng)審人員的沉浸感。通過對(duì)整車數(shù)模的渲染，使數(shù)模具有真實(shí)車輛的材質(zhì)；通過建設(shè)評(píng)審用的三維環(huán)境模型，使評(píng)審人員處于更真實(shí)的評(píng)審環(huán)境；通過設(shè)計(jì)產(chǎn)品交互方式，使虛擬車輛具備開閉件模擬，以及評(píng)審工具定義等多種虛擬交互操作；最后通過VR頭盔進(jìn)行渲染模型和虛擬場(chǎng)景的可視化輸出，從而實(shí)現(xiàn)評(píng)審人員在虛擬環(huán)境中的虛擬樣車評(píng)審。工作流程如圖2所示。

圖2 渲染及交互工作流程圖

模型導(dǎo)入后，通過檢查法線面渲染情況，運(yùn)用幾何體編輯器統(tǒng)一法線為綠色。同時(shí)，通過優(yōu)化幾何體加快電腦響應(yīng)速度。針對(duì)不同材質(zhì)、凹凸、以及切換效果構(gòu)建不同材質(zhì)球賦予相應(yīng)模型，渲染前后效果如圖3。利用高動(dòng)態(tài)范圍圖像（High-Dynamic Range，簡(jiǎn)稱HDR）文件或者三維模型構(gòu)建評(píng)審場(chǎng)景，其中，三維模型構(gòu)建的場(chǎng)景逼真、清晰度高；HDR環(huán)境球耗費(fèi)資源少、選擇性多、替換方便[10]。

圖3 輕量化組裝后的cgr模型和渲染后整車模型

對(duì)于VR評(píng)審用戶來說，頭戴顯示器的穿脫、易用性、多人協(xié)作等都會(huì)干擾評(píng)價(jià)流程，這就意味著在虛擬環(huán)境中不僅需要有視覺體驗(yàn)，還要有易上手的交互體驗(yàn)。在本文中，選用了HTC VIVE PRO設(shè)備套裝，含頭戴顯示器、定位器、交互手柄、無線模塊等，并提前對(duì)頭顯套裝進(jìn)行校準(zhǔn)及空間區(qū)域設(shè)定。在VRED軟件中，定位軸點(diǎn)，并利用剪輯生成器創(chuàng)建動(dòng)畫序列，通過變量集綁定動(dòng)畫序列并設(shè)定觸發(fā)變量，對(duì)把手模型設(shè)定點(diǎn)擊傳感器綁定觸發(fā)變量，此時(shí)即可模擬虛擬手拉開把手。由于工業(yè)模型的精準(zhǔn)性，VR環(huán)境下呈現(xiàn)的模型大小與真實(shí)車輛是1：1的，評(píng)審人員在虛擬環(huán)境中可以進(jìn)入到虛擬車內(nèi)，配合實(shí)體座椅，以坐姿進(jìn)行主觀體驗(yàn)評(píng)價(jià)。

經(jīng)驗(yàn)證評(píng)審后發(fā)現(xiàn)以下四點(diǎn)需進(jìn)行優(yōu)化：

（1）交互操作方式交互次數(shù)過多，對(duì)新手有難度，當(dāng)前有兩部分交互，一是用戶與實(shí)體操作手柄按鍵交互，二是虛擬手與虛擬把手模型交互；

（2）未連接虛擬與現(xiàn)實(shí)空間，評(píng)審過程中隨著評(píng)審人員位置跳轉(zhuǎn)及位姿的不斷變化，其與真實(shí)座椅位置不斷改變，需配專人看護(hù)體驗(yàn)者；

（3）評(píng)審人員通過HTC VIVE手柄控制位置瞬移時(shí)，難以快速定位到四個(gè)座椅位置，需反復(fù)調(diào)節(jié)自身位置；

（4）評(píng)審過程中缺乏常用評(píng)審工具，無法及時(shí)與其他現(xiàn)場(chǎng)人員快速溝通和記錄。

針對(duì)以上四點(diǎn)進(jìn)行改良優(yōu)化。

第一，在交互方式上，通過VRED腳本編輯器，運(yùn)用python語句直接定義HTC VIVE PRO手柄來同時(shí)觸發(fā)多個(gè)變量。優(yōu)化后僅需1個(gè)按鍵即可讓用戶完成多門開閉，大大降低操作門檻，效果圖如圖4。

圖4 開閉件的基本設(shè)置及打開狀態(tài)

第二，在項(xiàng)目中建立透明高亮座椅模型，加入HTC Tracker2018追蹤器模塊，將追蹤器固定在實(shí)體座椅上，成功追蹤實(shí)體座椅在虛擬環(huán)境中的位置，有效增加評(píng)審人員對(duì)真實(shí)世界物體的感知。

第三，提前規(guī)范四個(gè)座椅位置坐標(biāo)，將其作為跳轉(zhuǎn)視點(diǎn)，與手柄按鍵綁定，成功通過按鍵控制四個(gè)位置循環(huán)跳轉(zhuǎn)。

第四，定義操控手柄按鍵功能，成功構(gòu)建評(píng)審工具，如剖切、快照、標(biāo)注、等工具，幫助評(píng)審人員在VR情境下更便捷、更流暢地進(jìn)行審查流程，效果圖如圖5。

圖5 功能互動(dòng)效果圖（左剖切，右標(biāo)注）

4 應(yīng)用及成果

以某車型車身和底盤數(shù)據(jù)為例，通過格式轉(zhuǎn)換，車身數(shù)據(jù)從9.3G降為0.52G，輕量化比例為94.4%；底盤數(shù)據(jù)從0.53G降為0.04G，輕量化比例為92.5%。在降低各部件數(shù)據(jù)量降低的同時(shí)，某研發(fā)階段整車數(shù)據(jù)從11.06G降為0.87G，輕量化比例為92.1%，大大降低了渲染及評(píng)審過程對(duì)電腦硬件的需求，有效保障評(píng)審流暢度及穩(wěn)定性。同時(shí)，從單人8小時(shí)手動(dòng)轉(zhuǎn)換縮短至單人2小時(shí)完成，轉(zhuǎn)換效率提升75%。

通過渲染及交互設(shè)計(jì)后所構(gòu)建的虛擬樣車能滿足可視化虛擬評(píng)審需求。車身設(shè)計(jì)領(lǐng)域、質(zhì)量管理領(lǐng)域均已應(yīng)用，評(píng)審人員運(yùn)用VR頭盔“真實(shí)”體驗(yàn)虛擬樣車進(jìn)行靜態(tài)主觀視覺評(píng)價(jià)，操作簡(jiǎn)單，使用流暢。評(píng)審流程如圖6。

圖6 VR虛擬樣車評(píng)審流程

經(jīng)多款車型測(cè)試證明，該方法能夠更方便、更有效、更直觀地發(fā)現(xiàn)工程件外露、可見結(jié)構(gòu)遮擋、機(jī)艙布置不緊湊、B面或線束不美觀、車身內(nèi)外間隙過大、零部件干涉等多種問題，更便捷地觀察出實(shí)車驗(yàn)證中不易觀察部位的具體情況，更精準(zhǔn)地找出坐標(biāo)和狀態(tài)錯(cuò)誤的工程數(shù)據(jù)。同時(shí)，虛擬驗(yàn)證作為傳統(tǒng)模型驗(yàn)證的輔助手段，結(jié)合CATIA共同尋找、發(fā)現(xiàn)、驗(yàn)證問題。某項(xiàng)目發(fā)現(xiàn)的問題舉例如圖7。

圖7 某項(xiàng)目虛擬驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)問題舉例

5 結(jié)束語

本文從汽車工程設(shè)計(jì)階段的整車數(shù)據(jù)入手，在車身設(shè)計(jì)和質(zhì)量評(píng)審中成功運(yùn)用VR技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了整車數(shù)據(jù)的高度輕量化，并通過對(duì)輕量化數(shù)據(jù)的渲染和可視化輸出，配合虛擬交互設(shè)計(jì)，讓評(píng)審人員在汽車數(shù)據(jù)階段時(shí)發(fā)現(xiàn)具體問題并及時(shí)進(jìn)行整改，減少不可關(guān)閉的問題數(shù)量，大大降低后期實(shí)體零部件的更改幾率以及財(cái)、人、時(shí)的損失。

由于產(chǎn)品設(shè)計(jì)和質(zhì)量評(píng)審的主觀性特點(diǎn)，評(píng)審人員、模型數(shù)據(jù)所在階段、評(píng)審環(huán)境等多種因素都將影響評(píng)價(jià)效果，并且評(píng)審驗(yàn)證具有高頻度、快節(jié)奏特點(diǎn)，快速響應(yīng)、即時(shí)可調(diào)、成本低廉也是項(xiàng)目研發(fā)過程的數(shù)據(jù)評(píng)審需求[11]。因此，在后續(xù)項(xiàng)目的不斷優(yōu)化中，不僅需要高度保證虛擬評(píng)審的真實(shí)感和沉浸感，還需要保證其快速替換性、多元場(chǎng)景、優(yōu)化交互體驗(yàn)以及擴(kuò)展更廣泛的汽車研發(fā)驗(yàn)證場(chǎng)景。

在探索虛擬評(píng)審過程中，基于傳統(tǒng)實(shí)車的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，逐步建立虛擬評(píng)審機(jī)制，形成虛擬評(píng)審標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范虛擬評(píng)審過程，最終形成統(tǒng)一的虛擬樣車制作、評(píng)審流程。為車型研發(fā)項(xiàng)目快速構(gòu)建虛擬樣車、快速發(fā)現(xiàn)問題、快速整改提供有力保障。