一種全新的汽車A柱視野輔助評估方法研究

孫海青　梁清林

摘 要：針對目前行業(yè)內(nèi)對汽車A柱視野遮擋的問題，僅根據(jù)法規(guī)計算評估方法已不能滿足客戶對前方視野的實(shí)際需求。本文研究并設(shè)計開發(fā)了一種虛擬現(xiàn)實(shí)可視化評估方法，直接對設(shè)計開發(fā)數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化渲染后，通過座椅及視點(diǎn)定位，虛實(shí)結(jié)合的方式，更加全面并直觀評估A柱的視野遮擋，將A柱主觀評估與客觀評估結(jié)合起來，快速迭代。在設(shè)計開發(fā)的早期就能通過可視化評估方法，并且不依賴于實(shí)物模型的驗(yàn)證，從而深度優(yōu)化A柱方案，滿足市場需求。

關(guān)鍵詞：可視化渲染 座椅定位 視野遮擋 虛實(shí)結(jié)合

Research on a New Method of Auxiliary Vehicle A-pillar Visual Field Evaluation

Sun Haiqing，Liang Qinglin

Abstract：For A pillar obscuration in auto industry， the traditional calculation based on regulation cannot totally meet the actual requirements from customer. This paper develops a virtual assessment way with visualized rendering 3D math data， combined with high accuracy seat H point orientation and main viewpoint tracking system， to achieve a comprehensive physical and virtual mixed reality review for A pillar vision intrusion both in objective and subjective. So it can help engineers for depth optimizing A pillar obscuration without physical mockup at the early stage of program.

Key words：visualized rendering， seat orientation， vision intrusion， physical and virtual mixed reality

1 引言

汽車A柱是前風(fēng)擋玻璃兩邊的重要支柱，出于車身整體剛度的考慮，A柱的寬窄和角度對整車正碰能量傳遞有顯著的影響，但 A 柱會直接遮擋駕駛員前方視野，尤其是當(dāng)汽車出道路口轉(zhuǎn)彎時對車輛側(cè)前方物體判斷的影響最為明顯，也就是A柱障礙角，對駕駛安全有較大影響，駕駛員在行車過程中有80%的交通信息通過視覺獲得，良好的駕駛員視野是保證主動安全性的必要條件。因此針對汽車A柱視野的優(yōu)化和評估是汽車總布置開發(fā)工作中最重要的組成部分.

針對汽車A柱視野優(yōu)化，各大汽車廠商也提出了很多優(yōu)化研究方案，針對各種優(yōu)化方案的評估也提出了不同的概念，除了本身造型及工程布置優(yōu)化后，對最終的A柱障礙角的評估以外，還提出了很多有關(guān)視野遮擋的評估方案，如虛實(shí)疊加的A柱視野評估，虛擬模型評估等，本文也重點(diǎn)推出了一種新的A柱障礙角評估方法，也即主觀與客觀相結(jié)合的虛擬模型A柱視野優(yōu)劣評估方法。

2 傳統(tǒng)A柱視野評估方法

針對各車型的A柱視野現(xiàn)狀，國標(biāo)委也提出了相關(guān)的測量方法以及標(biāo)準(zhǔn)，目前國內(nèi)主要采用GB 11562-2014《汽車駕駛員前方視野要求及測量方法》，《GB 11562—2014汽車駕駛員前方視野要求及測量方法》對A柱障礙角的測量方法定義如下（見圖2）。主要有兩個A柱障礙角的測量，即A柱雙目障礙角和GCIE A柱障礙角。

2.1 A柱雙目障礙角

（1）從Pm點(diǎn)向前作與水平面向上呈2。的平面，過此平面與A柱相交的最前點(diǎn)作水平S1。（2）從Pm點(diǎn)向前作與水平面向下呈5。的平面，過此平面與A柱相交的最前點(diǎn)作水平截面S2。（3）將S1，S2兩截面投影在P點(diǎn)所在的水平面內(nèi)。（4）將E1和E2的連接線繞P1旋轉(zhuǎn)，使E1點(diǎn)至左A柱的S2截面外側(cè)的切線與E1，E2連線成直角，從E1向S2截面外側(cè)作切線，從E2向S1，截面內(nèi)測作切線，從E1點(diǎn)作前一切線平行線，與后切線所成的平面視野角度即為駕駛員側(cè)的GB A 柱障礙角（A柱雙目障礙角）。國標(biāo)定義了每根A柱雙目障礙角不得超過6°的技術(shù)要求。如圖1所示。

2.2 GCIE A柱障礙角

GCIE A柱障礙角僅僅定義了測量方法，并沒有規(guī)定限值。GCIE A柱障礙角的測量方法如下（見圖2）。

（1）駕駛員設(shè)計H點(diǎn)往上635mm高度作GCIE眼點(diǎn)，通過GCIE眼點(diǎn)作一垂直于Z軸平面S。（2）通過S平面作出A柱截面，內(nèi)側(cè)通過 GCIE眼點(diǎn)作直線與A柱內(nèi)側(cè)前風(fēng)擋玻璃黑邊相連，外側(cè)通過GCIE眼點(diǎn)作直線與A柱外側(cè)（包含A柱，門密封條等）相切。（3）內(nèi)側(cè)直線與外側(cè)直線之間的夾角（銳角）即為GCIE障礙角。

因此，各大汽車廠商基本都是基于以上兩種雙目障礙角的測量基礎(chǔ)上，對A柱進(jìn)行優(yōu)化，傳統(tǒng)的評估方法也是基于這兩個A柱障礙角的度數(shù)進(jìn)行對比后得出 A柱視野的優(yōu)劣，在一些相對成熟的評估體系下，可能會形成整車視野的綜合評估積分表，如通用體系下的整車視野綜合評估方案，也是在測量不同區(qū)域的尺寸，如A柱障礙角，A柱根部與外后視鏡之間的寬度，前下視野，門板水切高度等數(shù)據(jù)，通過一個相對復(fù)雜的權(quán)值記分后形成了一個綜合打分表，在這樣的綜合評分表中，A柱障礙角的占比最大。

傳統(tǒng)的評估方法多數(shù)情況下只能進(jìn)行數(shù)值的比較，最多在實(shí)物驗(yàn)證模型基礎(chǔ)上進(jìn)行視野的主觀評價，而一輛車的開發(fā)周期中，尤其在早期的設(shè)計開發(fā)上，制作的實(shí)物模型數(shù)量非常有限，而實(shí)物模型的制作周期又相對較長，常常是能實(shí)際評估到的A柱方案以及視野都是5個月以前的設(shè)計開發(fā)方案，等到實(shí)際物理模型評估時，A柱開發(fā)方案可能相比制作出的實(shí)物模型，又做了很大的調(diào)整或者更新，因此設(shè)計狀態(tài)滯后，我們只能依靠測量數(shù)據(jù)，而對測量數(shù)據(jù)的實(shí)際視野表現(xiàn)并沒有太大的把握，往往造成的一個結(jié)果就是，同樣的A柱障礙角，到客戶使用時，發(fā)現(xiàn)對視野的抱怨會有很大差異，甚至有些A柱障礙角小的反而抱怨更大。

因此，我們需找到一種可以及時反應(yīng)A柱視野，更加全面的綜合評價方法，因此本人提出了一種基于投影算法的A柱視野虛擬評估方法。

3 A柱視野虛擬評估

3.1 傳統(tǒng)A柱障礙視野評估

針對A柱視野的評估，目前行業(yè)內(nèi)主要有兩種評估方法，一種是客觀評估，一種是主觀評估，客觀評估主要按照GB 和GCIE 的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測量，確保測量出的A柱障礙角滿足GB 要求，同時針對GCIE的測量方法盡量讓A柱障礙角變小，同時各汽車公司也會有一些內(nèi)部的BP或者LL 等要求，來保證自己的視野要求。這種評估方式的主要目的有兩個，一是確保滿足國標(biāo)要求，一是可以基于測量的角度對比下，評估各車型造型特征下的A柱好壞，設(shè)置綜合評分目標(biāo)，如下圖3所示。但這只是在數(shù)據(jù)層面，這種評估方式的缺陷就是不直觀，工程師只有一個數(shù)字大小的概念，并沒有對A柱視野的一個直觀感受。主觀評估就是基于設(shè)計數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，加工出1：1的實(shí)物驗(yàn)證模型，項(xiàng)目開發(fā)人員直接在實(shí)物模型上對A柱視野進(jìn)行主觀評估和打分，從而對A柱的整體方案，A柱對視野的影響進(jìn)行一個更為全面，直觀的評估。

以上是傳統(tǒng)的汽車A柱視野評估方式，不管是主觀評估還是客觀評估，都存在一定的缺陷，基于測量數(shù)據(jù)的客觀評估方法不直觀，較難把握。而通過主觀評估的實(shí)物模型加工周期較長成本也相對較高。因此本文提出了采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的方法，將主觀評估與客觀評估結(jié)合起來，讓開發(fā)人員快速掌握A柱的設(shè)計狀態(tài)。

3.2 虛擬模型A柱視野評估

隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，以及計算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于工程領(lǐng)域的廣度和深度也不斷加強(qiáng)，汽車行業(yè)內(nèi)用于虛擬評估的多屏幕虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，以及頭戴式VR設(shè)備，很好的為早期汽車設(shè)計開發(fā)提供了穩(wěn)定可靠的虛擬評估平臺。本文提出的虛擬A柱視野評估方法，具體過程如下：

3.2.1 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

汽車開發(fā)早期階段，基于3D設(shè)計和工程開發(fā)數(shù)據(jù)，利用渲染軟件VRED/UE進(jìn)行可視化渲染，將設(shè)計及工程的三維數(shù)據(jù)渲染得跟真實(shí)車型一樣，基于真實(shí)材質(zhì)的評估，更能為評估者提供真實(shí)有效的主觀評價，從而做出更準(zhǔn)確的評估結(jié)論。同時渲染軟件也支持VR及CAVE外設(shè)。

首先將3D數(shù)據(jù)按照定義的材質(zhì)進(jìn)行可視化渲染，如車漆，玻璃，皮紋，金屬，塑料，反射等材質(zhì)定義，配套相關(guān)的動畫制作，如車門，引擎蓋，尾門打開，不同方案部件切換，不同方案標(biāo)簽等。

其次添加評估應(yīng)用場景，選擇需要評估的A柱障礙角場景，可以選取十字路口，或者轉(zhuǎn)彎路口等，針對A柱視野評估比較關(guān)鍵的場景位置。將場景與車輛模型匹配，車輛模型配套地面線與場景地面匹配。

3.2.2 虛實(shí)疊加定位

針對A柱視野評估，評估者一般是在坐姿狀態(tài)下評估，因此，我們需配套相關(guān)的簡易臺架進(jìn)行視野評估，確保評估者能在正常坐姿狀態(tài)下進(jìn)行評估，因此配套了簡易的座椅，方向盤以及踏板，為評估者提供實(shí)物支撐，進(jìn)一步增強(qiáng)評估的可靠性和有效性。

因此本文利用攝像機(jī)定位的方式，將實(shí)物座椅的位置與虛擬車輛中的座椅位置進(jìn)行匹配，確保評估者能在準(zhǔn)確的位置上進(jìn)行視野評估。本文的定位方式有兩種，（1）視點(diǎn)定位，將外設(shè)VR 設(shè)備與工作站連接后，設(shè)置攝像機(jī)視點(diǎn)位置，根據(jù)可視化軟件中的視點(diǎn)坐標(biāo)信息，在攝像機(jī)位置處進(jìn)行初始位置定位后，評估人員戴上頭盔，便可以基于初始位置的頭盔，按照每個人的視點(diǎn)位置進(jìn)行自由評估。如下圖6如所示。

（2）H點(diǎn)定位，增加實(shí)際座椅中的H點(diǎn)追蹤器，本文采用HTC的Tracker追蹤器。設(shè)置車輛H點(diǎn)位置，可將3D工程軟件中的一二三排車輛標(biāo)準(zhǔn)假人H點(diǎn)位置導(dǎo)入車輛模型中，可將渲染軟件中的坐標(biāo)信息與3D工程軟件中設(shè)置一致后，直接在渲染軟件中查找H點(diǎn)的坐標(biāo)信息。

并將H點(diǎn)的位置信息與tracker 的定位信息匹配，便可以將實(shí)際座椅及評估人員一鍵準(zhǔn)確定位到虛擬場景中的H點(diǎn)位置，從而保證評估人員的位置準(zhǔn)確。如圖7所示。

3.2.3 A柱虛擬評估

以上數(shù)據(jù)準(zhǔn)備及虛實(shí)疊加定位完成后，評估人員便可坐在實(shí)物臺架上，戴上頭盔，在虛擬環(huán)境中進(jìn)行評估，由于A柱視野評估的主觀性非常強(qiáng)，也非常容易評估出不同方案的好壞，以往我們在數(shù)據(jù)測量中的角度信息都可以在虛擬車輛模型上進(jìn)行展示，不同的讀障礙角角度，對不同身高的評估人員來說，就有了一個非常直觀的視覺感受，因此，很快就能評出不同A柱方案對視野的影響，已經(jīng)客戶的可接受度，如下圖所示，開發(fā)人員設(shè)計了3個不同的A柱方案，有不同A柱障礙角的，也有相同障礙角，但A柱造型特征線位置不一樣的情況下，評估出最優(yōu)的一組方案。

4 A柱視野評估主觀與客觀標(biāo)準(zhǔn)結(jié)合

A柱視野客觀評估，目前已有相對成熟的方法以及國標(biāo)的測量方法，通過數(shù)值比對和打分可以進(jìn)行初步的判斷，并且通過國標(biāo)的測量方法，確保設(shè)計方案能滿足國標(biāo)的要求。在滿足國標(biāo)前提下，與其他競爭車型對比，提升車型產(chǎn)品競爭力，就需要從的設(shè)計和差別去考慮優(yōu)化產(chǎn)品，并且不斷深入優(yōu)化測評工具，尤其虛擬評估在這一塊的優(yōu)勢。

因此，在本項(xiàng)目中，提出了A柱視野上2下5度的國標(biāo)測量方法以后，也提出了更為貼合實(shí)際的虛擬視野評估方法，也即在眼點(diǎn)位置往A柱進(jìn)行上2下5度的位置裁切后，形成上2 下5度的空間投影面積，從而更準(zhǔn)確體現(xiàn)A柱障礙角遮擋視野的大小，本文采用投影算法，將從駕駛員眼點(diǎn)位置處，往A柱上2下5度的裁切后，形成A柱裁切后的邊框投影線，將投影線投影在車輛前方的球體上，用均勻打點(diǎn)的方式明確A柱投影遮擋面積，如下圖9所示，從而更精確了A柱視野遮擋大小，從而在主觀評估過程中，增加了客觀數(shù)據(jù)支持，為評估人員及客戶提供了更為精確的客觀依據(jù)。

5 結(jié)論：A柱視野評估多元化的重要意義

在整車開發(fā)過程中，A柱涉及到很多重要方面，如造型特征，視野，安全等，因此在整車總布置的工作中占的比重非常大，尤其在提升客戶滿意度，主動安全等方面，因此，對A柱的測量及評估顯得尤為重要。簡單的數(shù)據(jù)測量及對比，滿足國標(biāo)要求已經(jīng)不是現(xiàn)代汽車開發(fā)的主要目標(biāo)，尋求更為貼合實(shí)際的評估方法和評估手段，對整車總布置開發(fā)來說，是一項(xiàng)非常重要的任務(wù)，本文正是創(chuàng)新性地嘗試了A柱視野虛擬評估方法，將主觀評估與客觀評估數(shù)據(jù)結(jié)合起來，為設(shè)計開發(fā)人員提供了一套有效的評估工具，并且這樣的評估方式可進(jìn)行多次迭代，快速方案評估和對比，也減少了絕大部分實(shí)物模型的加工，節(jié)省成本的同時也極大地提升了效率和精準(zhǔn)度。

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