XR技術(shù)解析與汽車行業(yè)運用前景分析

摘要：XR 指的是虛擬現(xiàn)實（VR）、增強現(xiàn)實（AR）和混合現(xiàn)實（MR）3 種技術(shù)路線統(tǒng)稱。隨著技術(shù)進步，這3 種仿真技術(shù)逐漸運用到了社會各行業(yè)，它們有各自擅長的領(lǐng)域，也有相應(yīng)的技術(shù)難度限制。針對不同運用場景需求來選擇正確的技術(shù)路線，才能提升客戶體驗，減少研發(fā)時間和成本。本文深入解析了這3 種技術(shù)路線的特點和未來的發(fā)展趨勢，并分析XR 技術(shù)如何幫助汽車企業(yè)提高產(chǎn)品設(shè)計效率，提升產(chǎn)品競爭力。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實；增強現(xiàn)實；混合現(xiàn)實；汽車造型設(shè)計

中圖分類號： TP391.9 文獻標識碼：A

0 引言

隨著芯片技術(shù)的發(fā)展，高算力的支持使得AR 和MR 技術(shù)在近幾年進步迅速，出現(xiàn)了多種計算機仿真技術(shù)混合使用的場景，擴展現(xiàn)實的手段不再僅限于傳統(tǒng)意義的VR 虛擬現(xiàn)實，于是行業(yè)內(nèi)將VR、AR 和MR 這3 種技術(shù)統(tǒng)稱為XR。本文首先對3 種技術(shù)路線上的特點和優(yōu)劣進行解析，就不同的應(yīng)用場景提出技術(shù)路線的選擇建議，然后分析XR 技術(shù)在汽車研發(fā)設(shè)計、輔助駕駛和廣告營銷等方面的運用前景。

1 VR、AR 和MR 技術(shù)路線的區(qū)別

硬件設(shè)備只是一種載體，某一臺設(shè)備在不同的運用場景下，可是VR，也可能是AR 或者MR，這些技術(shù)的集合可以統(tǒng)稱為“XR”（圖1），因此這里主要針對技術(shù)的差異，而不是設(shè)備的差異。

1.1 VR 虛擬現(xiàn)實

VR 虛擬現(xiàn)實技術(shù)即VirtualReality，是指完全由計算機建模的三維虛擬世界，通過封閉的頭戴顯示器，以及其他動作追蹤設(shè)備，盡可能的將使用者的感官帶入到虛擬的世界中，追求完全沉浸和融入[1]。

VR 的特點有，全封閉的視覺設(shè)備、完全虛擬的世界，以及盡可能的脫離現(xiàn)實。

1.1.1 VR 虛擬現(xiàn)實的技術(shù)手段

根據(jù)仿真模擬的程度，可以分為以下3 個級別。

（1）初級VR 虛擬現(xiàn)實。初級的VR 即基于視覺的體驗，人類最容易獲得沉浸感的感官就是視覺，只需要一部手機或其他顯示設(shè)備，通過屏幕播放左右眼視差的視頻，隔離左右眼視野，即可實現(xiàn)3D 視頻的播放，在此基礎(chǔ)上如果利用陀螺儀，在轉(zhuǎn)動頭部的同時，畫面也同步轉(zhuǎn)動，也可實現(xiàn)全景視頻的播放。這種初級的VR 效果，多用于視頻信息的觀看，僅支持頭部沿X、Y、Z 軸3 個自由度的旋轉(zhuǎn)運動（3DOF），人體無法在這些視頻場景中進行平移。

（2）中級VR 虛擬現(xiàn)實。中級的VR，是基于視覺、位移和雙手互動性的體驗，所看到的內(nèi)容也并非錄制好的視頻，而是可以在其中移動的三維空間，通過手柄、動作追蹤器等設(shè)備，操作者可以在虛擬的世界中產(chǎn)生位移，觸摸和操作虛擬物品，這也是目前最成熟，運用范圍最廣的一種VR，支持沿X、Y、Z 軸6 個自由度的旋轉(zhuǎn)、平移運動（6DOF）。

（3）高級VR 虛擬現(xiàn)實。高級VR 需要人體全感官帶入。雖然中級的VR 已經(jīng)實現(xiàn)了6DOF，但在使用手柄在虛擬世界中移動時，人的身體在現(xiàn)實中是靜止的，會給人帶來眩暈感，為了解決腳部的運動同步，市面上出現(xiàn)了一種萬向跑步機來控制VR 中的移動，使人體現(xiàn)實與虛擬世界的運動同步，最大程度把所有感官帶入虛擬世界。

1.1.2 VR 的發(fā)展方向和技術(shù)難點

VR 技術(shù)難點在于，追求媲美現(xiàn)實的仿真程度。首先，計算機要有極高的算力來實時渲染照片級的高分辨率畫面。其次，需要能捕捉人體所有動作的設(shè)備，以及觸覺反饋設(shè)備。但由于人的身體并不能完全脫離現(xiàn)實，即使芯片演算能力提高能接解決畫面擬真度的問題，肢體的運動依然會受到真實世界的束縛，這是VR 的技術(shù)瓶頸。因此可以說VR 技術(shù)的門檻很低，但上限卻非常高。

1.1.3 VR 技術(shù)的運用場景

VR 作為目前技術(shù)成熟度最高的仿真手段，軟件開發(fā)簡單、成本低，在各領(lǐng)域已經(jīng)有廣泛運用。隨著芯片算力的提高和體積的縮小，高集成度的設(shè)備陸續(xù)出現(xiàn)，價格也從上萬元下探到3 千元級別，VR 設(shè)備正在逐漸走進人們的生活和工作，其用途也從游戲擴展到了工業(yè)、教育軍事等方面。其適用領(lǐng)域包括：①需要創(chuàng)建完全虛擬場景，有多人互動要求；②需要1 ∶ 1 立體展示現(xiàn)實中不存在的場景；③需要完全沉浸，脫離現(xiàn)實的場景。

1.2 AR 增強現(xiàn)實

AR 增強現(xiàn)實即Augmented Reality，指在視覺上對現(xiàn)實世界進行畫面疊加及擴展，使人眼看到的現(xiàn)實世界帶有豐富的圖像信息[2]。這種技術(shù)不一定是穿戴設(shè)備，只要能將信息疊加到現(xiàn)實并能被人獲取到，都可以被定義為AR。AR 的特點有：開放性的視覺設(shè)備和基于現(xiàn)實的世界疊加信息，但難以實現(xiàn)三維遮擋和空間互動。

1.2.1 AR 增強現(xiàn)實的技術(shù)手段

根據(jù)不同的觀測介質(zhì)，可以分為3 種類別。

（1）基于觀測結(jié)果的增強現(xiàn)實。這類AR 技術(shù)需要借助攝像頭和顯示設(shè)備來實現(xiàn)，如智能手機、平板電腦或獨立的攝像機和顯示器。其特點是將疊加完成的視頻結(jié)果進行展示，可以實現(xiàn)多人觀看。主要類型如下。

圖形識別類：指通過手機、平板電腦的攝像頭，拍攝提前定義好的圖案或者二維碼進行識別，識別后會自動觸發(fā)預(yù)設(shè)好的虛擬的物體在屏幕上呈現(xiàn)，并使其坐標與圖案綁定。

定位服務(wù)類：是指使用智能設(shè)備中的GPS 來提供位置數(shù)據(jù)，基于定位提供對應(yīng)的AR 信息，多用于地圖導(dǎo)航類應(yīng)用。例如，打開手機應(yīng)用開啟攝像頭對著街道拍照，屏幕上可以顯示附近的商家名稱、評價等信息，以及實景導(dǎo)航等。

場景類：通過相機拍攝場景并將虛擬物品合成到場景，再由顯示器展示。該類型可用于購物軟件，比如網(wǎng)購平臺APP 的AR擺放功能，通過手機將商品虛擬的擺放到家里看看效果；或者用于各類表演、晚會和展覽的直播合成，展示實時特效。

（2）基于被觀測物體的增強現(xiàn)實。這類AR 技術(shù)通常是通過投影設(shè)備將信息直接投影到物體的表面來呈現(xiàn)信息。因此普通投影儀其實就可以理解為簡單的AR 設(shè)備，由于是在被觀測物體上覆蓋信息，可以多人同時觀看。通過一定程度的編程，投影機也可以實現(xiàn)很多非常真實的現(xiàn)實疊加視覺效果，比如在特定物體表面、建筑、地面、水幕和煙霧，甚至人體表面進行投影。

（3）基于觀測路徑的增強現(xiàn)實。這類設(shè)備是通過在某些透明介質(zhì)上顯示信息，來將信息疊加到現(xiàn)實中，比如玻璃、眼鏡等，利用光線折射原理在透明介質(zhì)上成像。由于疊加物是觀測路徑，其特點是只能單人使用。這類AR 產(chǎn)品是獨立AR 硬件產(chǎn)品最常用的技術(shù)，例如AR 眼鏡和汽車上的HUD 等。

1.2.2 AR 的發(fā)展方向和技術(shù)難點

AR 的技術(shù)難點在于如何與現(xiàn)實融合，并將疊加的信息或虛擬物品與現(xiàn)實發(fā)生交互關(guān)系，這同時也是AR 的發(fā)展方向，實現(xiàn)這種關(guān)系需要有強大的空間算法。將投影設(shè)備、顯示設(shè)備和動作捕捉設(shè)備，才能使疊加的信息出現(xiàn)層次和交互性，同時要解決AR 顯示內(nèi)容疊加多數(shù)為半透明效果的問題。

1.2.3 AR 技術(shù)的運用場景

AR 技術(shù)其實已經(jīng)很早就在我們的生活中有運用，只是當(dāng)時還沒有出現(xiàn)AR 這樣的理解。前文說到投影儀其實就是增強現(xiàn)實，如果在一塊透明底片上的投影，就形成了AR 技術(shù)的雛形。直到近幾年出現(xiàn)了基于攝像頭疊加算法的AR 技術(shù)，才逐漸認為是AR技術(shù)的發(fā)展方向。 其適用領(lǐng)域包括：①需要在現(xiàn)實世界疊加信息；②需要在現(xiàn)實場景展示虛擬的物品；③不需要完全沉浸，脫離現(xiàn)實的場景；④便攜性，使用過程中不影響正常生活；⑤不需要觸摸虛擬物品、多人互動的場景。

1.3 混合現(xiàn)實

MR 混合現(xiàn)實即Mixed Reality，是一個相對比較新的概念，顧名思義就是將虛擬與現(xiàn)實進行混合。如果說AR 是把虛擬的東西疊加到真實世界是通過圖層遮蓋的原理，顯示的內(nèi)容圖層關(guān)系相對固定，MR 則是把現(xiàn)實與虛擬物品融合在一起，虛擬物品與現(xiàn)實產(chǎn)生物理碰撞及遮擋關(guān)系。MR 與VR、AR 的效果差異如圖2所示。其特點有：①封閉式的視覺設(shè)備；②基于現(xiàn)實的世界的三維疊加和互動；③看到的是經(jīng)過攝像頭算法處理后的視頻信息。

1.3.1 MR 混合現(xiàn)實的技術(shù)手段

MR 目前只有一種技術(shù)路線，首先使用攝像頭或者激光雷達來掃描現(xiàn)實世界，獲得現(xiàn)實世界的3D 信息，然后在捕獲的3D 數(shù)據(jù)中建立虛擬物品，使虛擬物品與現(xiàn)實的遮擋關(guān)系、物理關(guān)系一致，再與攝像頭拍攝的畫面進行混合，通過顯示器將畫面播放給人眼[3]。也就是說MR 與AR 的不同，在于MR 看到的是視頻畫面，而AR 看到的是現(xiàn)實。

1.3.2 MR 的技術(shù)難點

目前市面上的產(chǎn)品需要提前將場景掃描建模后才能使用。如果使用過程中，房間的物品發(fā)生移動，那么三維空間的遮擋關(guān)系就無法準確實現(xiàn)。因此MR 要做到現(xiàn)實與虛擬的實時無縫對接，這需要高分辨率、低延遲的視頻畫面，高仿真度的三維建模，以及深度信息實時采集演算。這些技術(shù)都需要芯片算力的提高來實現(xiàn)，同時設(shè)備還要做到可隨身穿戴的便攜性。但相比AR 和VR 的難度，MR 技術(shù)集成度高，芯片算力本身進步速度很快，所以MR會在更短的時間內(nèi)取得突破進展，運用前景也更加廣闊。

1.3.3 MR 技術(shù)的發(fā)展方向及運用前景

MR 技術(shù)是基于VR 和AR 技術(shù)的不斷成熟后，才在近幾年出現(xiàn)的一種新的發(fā)展方向。綜合了前面兩者的技術(shù)優(yōu)勢，實現(xiàn)了在現(xiàn)實世界中與虛擬物品進行交互，也就是說VR 和AR 的功能，MR 都可以實現(xiàn)。而且由于現(xiàn)實世界可以被錄制為虛擬現(xiàn)實，因此可以實現(xiàn)多人實時共享和交互，大大拓寬了運用領(lǐng)域。其適用領(lǐng)域包括：①需要同時兼顧現(xiàn)實世界和虛擬世界，可以在不摘下設(shè)備的情況下無縫切換；②需要虛擬的物品能夠完全融合現(xiàn)實，實現(xiàn)遮擋關(guān)系、觸摸互動；③便攜性，穿戴過程中可以自由移動不影響正常生活。

2 汽車行業(yè)中的運用場景

2.1 VR 技術(shù)在汽車設(shè)計中的運用

汽車外觀造型設(shè)計過程中，在CAS 曲面或者A 級曲面設(shè)計階段，需要1 ：1 驗證3D 數(shù)模狀態(tài)。傳統(tǒng)的做法是制作多個等比例的油泥模型或者實物驗證模型，但制作實物模型費用高，而且時間周期長，所以汽車行業(yè)現(xiàn)在普遍使用虛擬樣車來做設(shè)計階段驗證以減少開發(fā)時間（圖3）。

設(shè)計就是從虛擬到現(xiàn)實，從無到有的過程，如何在這個“無”的階段找到現(xiàn)實的感覺，就是提高設(shè)計效率的關(guān)鍵。VR 技術(shù)成熟，目前已成為汽車企業(yè)的一個常用評審輔助手段。其主要用途有：①在沒有實車的階段，使用VR 虛擬樣車評審可以幫助設(shè)計師和決策層快速的看到樣車1 ：1 的真實效果，感知整車的空間、CMF、人機設(shè)計品質(zhì)等，便于發(fā)現(xiàn)和整改問題[4] ；②通過VR 虛擬裝配，可以判斷生產(chǎn)制造過程中的操作便利性，和干涉情況。隨著市場競爭越來越激烈，唯有縮短開發(fā)周期，才能快速搶占市場。很多汽車企業(yè)正嘗試將造型開發(fā)的周期從常規(guī)10 個月縮短至8 個月甚至6 個月，這就需要虛擬仿真技術(shù)能夠真實到取代實物模型的效果，將數(shù)字樣車的短周期優(yōu)勢發(fā)揮到最大化。

2.2 MR 技術(shù)在汽車設(shè)計中的運用

近年來MR 技術(shù)目前已成為VR 技術(shù)的升級換代方向，在各大汽車廠中開始嘗試運用推廣，可以實現(xiàn)VR 無法實現(xiàn)的功能。

（1）將虛擬的車輛合成在現(xiàn)實場景中，也可以將虛擬的模型合成到現(xiàn)實的車輛上，可以做到多人實時圍繞模型進行評審和觀察（圖4）。比如用于車型的改款設(shè)計，或模型的局部改型，只需將更改的部分合成到實車上就可以看到效果。

（2）可以與現(xiàn)實世界

發(fā)生交互，可以實現(xiàn)某些場景下的教學(xué)和演示。比如教會新員工如何維修部件，展示模型評審時，將方案講解結(jié)合到實車模型上。

2.3 AR 技術(shù)在汽車行業(yè)的運用場景

AR 技術(shù)作為一種側(cè)重信息顯示的技術(shù)，主要用于汽車HUD信息顯示，以及汽車銷售和宣傳方面。

2.3.1 汽車輔助駕駛運用

（1）基于透明介質(zhì)折射技術(shù)，最常見的就是用于前擋風(fēng)玻璃的AR-HUD（Head-up Display），可以直接將汽車行駛的速度、導(dǎo)航等信息直接投影到前擋風(fēng)玻璃以外5 m 左右的位置（圖5）。該應(yīng)用不需要駕駛員低頭去看儀表或手機，提高駕駛安全性。未來AR-HUD 的發(fā)展方向是將顯示內(nèi)容準確的貼合到現(xiàn)實世界，例如將導(dǎo)航路線映射到路面，實時顯示目的地坐標和方向等，讓駕駛信息更加直觀[5]。

另一種概念性的方案，是取消汽車內(nèi)的儀表，將所有駕駛信息通過一個便攜的AR 眼鏡來實現(xiàn)，可以獲得更加豐富的顯示內(nèi)容，而且不受實體屏幕的限制。

（2）基于投影的AR 輔助駕駛，是通過帶有投影功能的汽車前大燈，將信息投影到地面，實現(xiàn)路面導(dǎo)航、駕駛安全信息顯示。由于燈光可以被其他交通參與者觀測，也可以實現(xiàn)和他人的信息交互，例如提醒其他車輛、行人避讓或禮讓。這項技術(shù)目前處于起步階段，未來隨芯片技術(shù)和燈光投影技術(shù)發(fā)展，可以實現(xiàn)更高精度的彩色投影。

2.3.2 汽車營銷手段運用

營銷方面運用較多的是基于顯示設(shè)備的AR。比如用于汽車評測APP，通過AR 技術(shù)可以將3D 的車輛模型合成到手機攝像頭拍攝的畫面中，用戶可以通過移動手機來觀察虛擬的車輛。車展展臺可以通過合成視頻畫面，將虛擬的車輛或者特效合成在現(xiàn)實場景中，展示在大屏幕，提升營銷效果。

3 結(jié)束語

XR 技術(shù)在不斷的追求虛擬世界的仿真程度，以及虛擬與現(xiàn)實結(jié)合的準確度，對于汽車行業(yè)目前激烈的競爭環(huán)境，一旦有企業(yè)在XR 技術(shù)能力上取得重大突破，整車研發(fā)周期可以大幅縮短以迅速搶占市場，汽車設(shè)計流程將受到革命性的影響，另外在輔助駕駛、汽車營銷及選購產(chǎn)品方面，也會給客戶帶來全新的體驗，所以汽車企業(yè)應(yīng)當(dāng)做好XR 技術(shù)預(yù)研和儲備，以應(yīng)對XR 技術(shù)帶來的變革。

【參考文獻】

[1] 張占龍， 羅辭勇， 何為. 虛擬現(xiàn)實技術(shù)概述[J]. 計算機仿真，2005（03）：1-3+7.

[2] 朱淼良， 姚遠， 蔣云良. 增強現(xiàn)實綜述[J]. 中國圖象圖形學(xué)報，2004（07）：3-10.

[3] 黃進， 韓冬奇， 陳毅能，， 等. 混合現(xiàn)實中的人機交互綜述[J]. 計算機輔助設(shè)計與圖形學(xué)學(xué)報，2016，28（06）：869-880.

[4] 楊鴻旭. 一種基于VR 技術(shù)的汽車CMF 模型評價系統(tǒng)及評價方法： 中國，11623002.2[P].2022-04-26.

[5] 葛昌明. 淺談汽車座艙電子AR-HUD 抬頭顯示系統(tǒng)技術(shù)[J]. 汽車博覽，2020（01）：46-46.

作者簡介：

肖晟，本科，工程師，研究方向為汽車數(shù)字模型設(shè)計、汽車造型設(shè)計和設(shè)計質(zhì)量等。