虛擬驗證在整車商品性評價中的探索和應用

衣恩斯，譚東華，李曉勇，李喆元，劉建文

（廣州汽車集團股份有限公司 汽車工程研究院，廣東 廣州 511434）

虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality, VR）技術(shù)的快速發(fā)展給各行業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型帶來新的方式。2021年“十四五”規(guī)劃提出將虛擬現(xiàn)實作為在推進產(chǎn)業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型中的數(shù)字經(jīng)濟重點產(chǎn)業(yè)[1]。工業(yè)和信息化部在《關(guān)于加快推進虛擬現(xiàn)實產(chǎn)業(yè)發(fā)展的指導意見》中將“VR+制造”作為重點行業(yè)應用方向，從而提升制造企業(yè)輔助設(shè)計能力[2]。因此，利用VR技術(shù)輔助傳統(tǒng)研發(fā)模式是汽車產(chǎn)品開發(fā)的重要發(fā)展趨勢。

在汽車產(chǎn)品開發(fā)過程中，如果在設(shè)計前期未能充分驗證，等到物理樣車或批量裝車階段后才暴露設(shè)計問題，為了修正這類問題需要變更設(shè)計或進行二次開發(fā)，通常只能在原有設(shè)計上稍加改善，之后再次在實際樣車上確認方案的有效性，過程所產(chǎn)生的重復修模量、修模費、等待期等大大增加了項目耗時和項目成本[3]。

利用VR技術(shù)開展商品性虛擬評價，可以在汽車開發(fā)早期的概念設(shè)計階段，讓評價人員沉浸式體驗與真實產(chǎn)品近乎一致的虛擬產(chǎn)品，并對虛擬產(chǎn)品進行內(nèi)外飾感知品質(zhì)、人機空間及使用性、維護便利性等多輪分析驗證，在物理樣車之前充分暴露設(shè)計問題，從而減少實車階段發(fā)現(xiàn)問題所導致的耗時長、成本高、改善度低的設(shè)計變更。

1 虛擬驗證平臺設(shè)計思路

虛擬驗證平臺是集計算機、控制、機械、電子、光學、軟件、網(wǎng)絡(luò)、安全等多學科先進技術(shù)于一體的創(chuàng)新型汽車研發(fā)驗證平臺。具有精度高、效果真、可交互、適配車型廣、內(nèi)容兼容性強等優(yōu)點。

1.1 工作原理

虛擬驗證平臺整體采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計，可分為硬件和軟件兩部分。其中硬件主要包括光學跟蹤系統(tǒng)、頭戴顯示器、半實物臺架、交互動作捕捉設(shè)備、發(fā)光二極管（Light Emitting Diode,LED）顯示系統(tǒng)和高性能計算機；軟件方面基于造型設(shè)計軟件和工業(yè)設(shè)計軟件，增設(shè)虛擬現(xiàn)實軟件，配套臺架控制軟件和光學跟蹤系統(tǒng)軟件。其工作原理描述為臺架控制軟件驅(qū)動半實物臺架與由車型數(shù)據(jù)模型組成的數(shù)字樣車進行匹配，操作者佩戴頭戴顯示器，并穿戴動作捕捉設(shè)備后，跟蹤系統(tǒng)可以對其進行追蹤，通過將真實人體與虛擬人體、半實物臺架與數(shù)字樣車進行校準和綁定，實時采集空間中操作者的動作信息和半實物臺架的調(diào)節(jié)位置坐標，最終驅(qū)動和映射出虛擬環(huán)境中的虛擬人體和數(shù)字樣車。同時，在設(shè)計軟件時需提前構(gòu)建數(shù)字樣車和虛擬環(huán)境，通過采集操作者姿態(tài)坐標實時計算渲染畫面，圖像采集軟件采集計算機顯卡上的設(shè)計軟件數(shù)據(jù)并將其投送至頭戴顯示器和LED顯示系統(tǒng)，其他參評者可以通過頭戴顯示器進行沉浸式協(xié)同，也可以通過LED顯示系統(tǒng)對虛擬驗證三維全景進行整體評估。虛擬驗證方式與真人實車的驗證方式基本一致，對操作者來說，其真實姿態(tài)和評審樣車在虛擬環(huán)境中一一映射并可見，半實物臺架提供給操作者的真實物理反饋與數(shù)據(jù)模型相符，如圖1所示。

圖1 虛擬驗證平臺系統(tǒng)架構(gòu)圖

1.2 虛實映射

高度一致的虛實映射是保證評價準確性和評價人員安全的必要條件。虛實映射主要包括真實空間與虛擬空間映射、真實人體與虛擬人體映射。

真實與虛擬的空間映射首先要保證軟件空間坐標系一致，軟件軸向的不一致性將導致模型位置偏移和方向模糊，虛擬平臺各軟件模塊共用一套光學跟蹤系統(tǒng)，為了避免反復調(diào)試和切換坐標系，將跟蹤系統(tǒng)設(shè)為基準坐標系，并且保證設(shè)計軟件坐標系、圖像采集軟件坐標系與其一致。

理論上，虛擬人應盡可能還原真實人的所有動作，并保證動作的實時性和數(shù)據(jù)的一致性。實際操作中，各操作者人體結(jié)構(gòu)、尺寸存在較大差異，因此，關(guān)節(jié)數(shù)量、骨骼長度以及關(guān)節(jié)的坐標位置獲取非常重要。本平臺單個人體骨骼由17個軀干關(guān)鍵節(jié)點構(gòu)成，如表1所示，針對更靈活的手部采集16個關(guān)節(jié)信息，如圖2所示。在正式采集人體動作數(shù)據(jù)前對不同人體進行T型姿態(tài)校準與手部姿勢校準，根據(jù)校準后的節(jié)點坐標數(shù)據(jù)，構(gòu)建出不同操作者的虛擬人體結(jié)構(gòu)，從而實現(xiàn)虛擬人仿真驅(qū)動。

表1 單個人體骨骼節(jié)點情況

圖2 單個手動作采集節(jié)點情況

2 整車商品性虛擬評價應用

整車商品性評價一般由靜態(tài)評價和動態(tài)評價兩部分組成，在數(shù)模階段，利用VR技術(shù)可以實現(xiàn)數(shù)字樣車的靜態(tài)主觀評價，評價內(nèi)容包括但不限于內(nèi)外飾感知品質(zhì)、人機空間及使用性、維護便利性等。

2.1 沉浸式內(nèi)外飾感知品質(zhì)評價

由于用戶經(jīng)常長時間并近距離接觸觀察、感受汽車內(nèi)外飾，能夠直觀地感受其產(chǎn)品的質(zhì)量水平，因此，在設(shè)計開發(fā)前期要盡可能多地發(fā)現(xiàn)內(nèi)外飾精致性問題，并及時整改和有效性確認。

傳統(tǒng)數(shù)據(jù)設(shè)計階段通常采用桌面端的評審方式，空間、色彩以及光線等感知不足等主要表現(xiàn)為某些區(qū)域無法模擬真實用戶視角進行準確判斷、部分問題需要有較好的材質(zhì)和光線模擬才能發(fā)現(xiàn)、評審過程需反復操作調(diào)整模型位置等。虛擬驗證在內(nèi)外飾感知評價中，有效改善了上述問題，通過模型渲染，多名評價工程師同時在虛擬空間中，模擬真實用戶視角開展“真車”評審，如圖3所示，切換不同模型進行方案對比，并快速準確地判斷問題。在某車型項目內(nèi)外飾感知品質(zhì)評價中，通過虛擬驗證快速發(fā)現(xiàn)了配合間隙過大、內(nèi)藏物外露、相鄰件面差大等一系列感知品質(zhì)不佳問題，如圖4所示。

圖3 多人協(xié)同評審

圖4 典型問題舉例

2.2 虛實融合的人機空間及使用性校核

商品性評價團隊在汽車設(shè)計過程中充分考慮目標用戶特點和需求，以用戶為中心開展人機空間及使用性校核，校核伴隨造型設(shè)計迭代開展，為下一步造型設(shè)計數(shù)據(jù)改進提供重要參考依據(jù)。

人機空間和使用性校核一般采用物理人機空間模型或者實物樣車開展評價，雖然實物模型直觀、可靠，但其制作周期長且具有滯后性、成本高、無法頻繁驗證、難以配合造型設(shè)計數(shù)據(jù)快速迭代需求等缺點。通常實物模型需經(jīng)過數(shù)據(jù)解密發(fā)放、詳細數(shù)據(jù)設(shè)計、模型制作、加工及運輸、調(diào)試、驗收等環(huán)節(jié)，依據(jù)經(jīng)驗評估當前所驗證的實物模型至少滯后于造型數(shù)據(jù)3周。一方面，由于實物滯后于設(shè)計，開展實物評價時，產(chǎn)品設(shè)計數(shù)據(jù)已然變化，驗證結(jié)果難以指導設(shè)計，且后期方案的修改和再評價難以在原實物模型上實現(xiàn)[4]；另一方面，由于在實物模型之后才開展評價，可能導致大量問題堆積，如遇問題設(shè)計數(shù)據(jù)改動較大，設(shè)計周期延長。虛擬驗證在商品性評價的人機空間及使用性校核中，有效解決了面對造型設(shè)計數(shù)據(jù)時實物模型驗證不充分的問題，當設(shè)計數(shù)據(jù)迭代后，評價工程師簡單組裝數(shù)模，穿戴動作捕捉設(shè)備，可實現(xiàn)即時驗證，快速匹配設(shè)計數(shù)據(jù)開發(fā)時間。商品性評價工程師在車型項目中開展了人機空間及使用性校核，如圖5所示，快速發(fā)現(xiàn)了內(nèi)后視鏡遮擋上視野、方向盤遮擋前端儀表、杯托尺寸過小等一系列可視性及操作便利性不佳問題。

圖5 人機空間及使用性校核典型場景

2.3 所見即所得的維護便利性驗證

商品性評價團隊在汽車設(shè)計過程中充分考慮后期用戶進行汽車維護時的便利性情況，通過提前評估用戶在汽車維護時的姿態(tài)、操作標識的可視性和易讀性、工具取放和配件安裝等，減少用戶不良姿態(tài)的維護時間，降低人員疲勞程度，提升安裝可靠性。

商品性評價中的維護便利性驗證，一般通過分析運動路徑的仿真結(jié)果、測量數(shù)模位置及尺寸、確認物理樣車狀態(tài)三種方式進行評估，第一種需要專業(yè)工程師通過仿真軟件預定義路徑、邊界條件以及作業(yè)人員動作姿態(tài)，預定義的人員動作設(shè)定依靠工程師經(jīng)驗，仿真過程中查找路徑通常要幾個小時，操作繁瑣且效率不高，影響仿真結(jié)果準確度和時效性；第二種需要工程師經(jīng)驗豐富，熟知各百分位人體和車型尺寸特征；第三種需要等實車出來后才能確認，問題修復成本高。通過虛擬驗證，設(shè)定好裝配體及其周邊環(huán)境，使其具備剛度、柔性等物理屬性，計算機僅需幾分鐘即可完成仿真精度計算，之后評價工程師穿戴動作捕捉設(shè)備在虛擬環(huán)境下，模擬用戶進行維護操作，動態(tài)分析效率明顯提高。在某車型項目維護便利性驗證中，評價工程師通過虛擬驗證快速發(fā)現(xiàn)了隨車工具不易取出、機艙照明位置低等一系列使用體驗不佳問題。

3 應用深化方向

虛擬驗證在整車商品性評價中優(yōu)勢明顯，配合利用桌面端和VR端開展互補驗證，在數(shù)據(jù)設(shè)計階段及時發(fā)現(xiàn)問題，并快速整改。由于VR行業(yè)技術(shù)瓶頸，仍存在真實度不足、視角邊緣變形、設(shè)備復雜等問題，未來，虛擬驗證在整車商品性評價中有以下深化方向。

3.1 提升真實性

在現(xiàn)有沉浸式驗證的基礎(chǔ)上，進一步豐富視、聽、觸、嗅的感官體驗。例如，利用擴展現(xiàn)實（Extended Reality, XR）技術(shù)精準捕捉并識別人體數(shù)據(jù)和環(huán)境數(shù)據(jù)，鏈接虛擬數(shù)字對象和物理世界物件，實現(xiàn)五感互動實時反饋，提供高情境化的真實感官體驗[5]。

在視覺方面，可以采用清晰度更高、視場角更寬、舒適度更優(yōu)、便捷性更好的顯示設(shè)備，提升穿戴體驗感；通過模擬真實動態(tài)場景，如不同時區(qū)的太陽高度和晝夜變化，不同天氣（雨、霧、沙塵）狀況，活動的行人、騎手、車輛等，增加視覺感受的真實性；通過優(yōu)化場景、分配計算資源等降低運行負載，減少體驗延遲，降低用戶眩暈感。聽覺方面，可以通過多感應器協(xié)同、陣列揚聲器、語音信號處理技術(shù)等，實現(xiàn)音源方位感、深度感的逼真還原，如模擬汽車試驗和駕駛過程中常聽見的聲音，像聲浪、試驗道路路噪、街道嘈雜聲、故障異響等，從而增加評價人員的立體聽覺。觸覺方面，在可調(diào)節(jié)臺架座椅支撐臀部、背部，地板支撐腳部，方向盤支撐手部的基礎(chǔ)上，利用力反饋設(shè)備高精度運動跟隨的特點，采集人體位置和著力信息并模擬出反作用力，達到與虛擬數(shù)據(jù)實時動態(tài)力反饋交互的效果，如模擬手部抓握、觸碰虛擬按鍵和顯示屏等。嗅覺方面，通過增加小型VR外設(shè)，結(jié)合虛擬驗證內(nèi)容實現(xiàn)定制化氣味釋放，增強嗅覺感知，模擬虛擬車內(nèi)綠色環(huán)境。

3.2 提升便攜性

近幾年，各大運營商為5G網(wǎng)絡(luò)提供了大帶寬、低時延、高可靠的無線通信保障，云計算、云渲染的理念和技術(shù)實現(xiàn)了VR內(nèi)容上云，渲染上云。

虛擬驗證平臺的搭建方式從“本地服務(wù)器+客戶端”或?qū)⑥D(zhuǎn)變?yōu)椤霸品?wù)器+客戶端”。“本地服務(wù)器+客戶端”的方式一般采用昂貴的高端處理器和顯卡等硬件設(shè)備進行圖形計算，對于大型虛擬場景渲染，仍存在計算力不足導致運行卡頓、計算時間長等問題。在保證信息安全的前提下，如采用“云服務(wù)器+客戶端”的方式，在云服務(wù)器上按需購買計算能力，再利用云端圖形處理器（Graphic Process Unit, GPU）完成大型虛擬場景渲染計算，通過高速穩(wěn)定的5G無線網(wǎng)絡(luò)將計算后的壓縮畫面?zhèn)鬏斀o本地終端，以此精簡終端設(shè)計，減少本地高端硬件設(shè)備費用。例如在實現(xiàn)渲染場景數(shù)據(jù)云管理之后，單個工程師驗證簡單的數(shù)據(jù)場景，無需再到達指定試驗室進行，在工位上佩戴簡化的終端設(shè)備即可快速開展驗證。

4 結(jié)束語

在整車商品性評價中，通過構(gòu)建虛擬驗證平臺，實現(xiàn)了真實空間與虛擬空間、真實人體與虛擬人體之間的映射。通過在研產(chǎn)品試點驗證，虛擬驗證在內(nèi)外飾感知品質(zhì)方面，用沉浸式的方式補充了評價人員對空間、色彩以及光線等的感知；在人機空間及使用性校核方面，結(jié)合可調(diào)節(jié)臺架和動作捕捉設(shè)備，彌補了實物制作周期長、成本高且無法頻繁驗證的不足；在維護便利性驗證方面，改善了仿真時間長的問題。因此，虛擬驗證在商品性評價中，使產(chǎn)品開發(fā)前期驗證更高效、更充分、更低成本。隨著感知交互、內(nèi)容采集制作、開發(fā)工具等技術(shù)及軟硬件的發(fā)展，虛擬驗證所覆蓋的評價項目將更加廣泛，持續(xù)發(fā)現(xiàn)更多關(guān)鍵應用場景，并有效嵌入商品性評價，逐步形成標準和規(guī)范，是商品性評價數(shù)字化轉(zhuǎn)型中值得長期深入研究和探索的課題。