基于VR/AR技術(shù)的汽車虛擬設(shè)計(jì)與評(píng)估研究

Research on Virtual Design and Evaluation of Automobiles Based on VR/AR Technology*

Hu Weiwei，Zuo Yongmei

(Henan Kaifeng College of Science Technologyand Communication，Kaifeng 475ooo，China）

【Abstract】 This article mainly discusss the application and development of VR/AR technology in automotive design，analyzes itscore principlesand software and hardwarearchitectures，andreveals thatthis technology transforms automotivedesign fromdrawingstothree-dimensionalmodelsbyconstructingvirtual environments，shortening the iterationcycle，reducing costs，andsupporting cross-departmentalcollboration.Thispaperexpoundsthepractical applicationsof technologiessuchasvirtual prototypeconstruction，high-precision interactiondesignand multi-physics fieldsimulation，and explores the development trendssuch asreal-timerendering upgrade，distributedcomputing innovation，model fusionandprotocol standardization.Research shows that VR/ARbreaksthrough the limitationsof traditionalengineeringverification.Inthefuture，itisnecessarytooptimizedatacompatibility，enhancevirtual-real interaction，improvethe technical system，and promote the developmentof the intelligent automotive industry.

【Keywords】AR technology；VR technology；virtual designof automobiles；multiphysics field simulation; distributed computing；cross-domain collaboration

0 引言

汽車設(shè)計(jì)是一項(xiàng)兼顧創(chuàng)新性與實(shí)用性的復(fù)雜工程。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)流程依賴圖紙和實(shí)體模型，不僅迭代速度緩慢，而且成本高昂。隨著數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展，VR/AR技術(shù)為汽車設(shè)計(jì)領(lǐng)域帶來了變革性突破。該技術(shù)通過構(gòu)建高仿真虛擬環(huán)境，使設(shè)計(jì)師能夠沉浸式觀察車輛結(jié)構(gòu)，測試人機(jī)交互體驗(yàn)，還可模擬不同場景下的車輛性能。例如，工程師能在虛擬空間中直接調(diào)整車門開合角度、中控界面布局，并即時(shí)獲取反饋?；诖?，本文將深入研究VR/AR技術(shù)的核心優(yōu)化路徑，旨在推動(dòng)其與汽車設(shè)計(jì)深度融合，為行業(yè)提供更高效、可靠的技術(shù)支持。

1VR/AR技術(shù)在汽車虛擬設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

1.1核心原理與發(fā)展

虛擬現(xiàn)實(shí)VR與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)AR是通過技術(shù)手段改變?nèi)祟惛兄臄?shù)字化工具。VR致力于構(gòu)建一個(gè)完全隔絕現(xiàn)實(shí)世界的三維虛擬環(huán)境，用戶借助頭戴設(shè)備與交互工具沉浸其中，其視覺、聽覺甚至觸覺信號(hào)均由計(jì)算機(jī)生成。AR則注重虛實(shí)結(jié)合，通過攝像頭、傳感器等設(shè)備將虛擬元素疊加在真實(shí)場景中，用戶在感知現(xiàn)實(shí)環(huán)境的同時(shí)與虛擬信息進(jìn)行互動(dòng)。兩者的底層邏輯均圍繞感知替代與交互增強(qiáng)展開，VR以全面的感官輸入實(shí)現(xiàn)沉浸體驗(yàn)，AR則依靠精準(zhǔn)定位與場景映射強(qiáng)化現(xiàn)實(shí)感知。

VR/AR技術(shù)起源于軍工訓(xùn)練和科研仿真領(lǐng)域，隨著硬件成本降低和計(jì)算能力提升，逐步向消費(fèi)市場拓展。例如，移動(dòng)端AR利用智能手機(jī)的攝像頭與處理器，實(shí)現(xiàn)了大眾化應(yīng)用。伴隨人工智能算法的進(jìn)步，環(huán)境理解與動(dòng)態(tài)建模能力不斷增強(qiáng)，虛實(shí)交互的自然性和適應(yīng)性顯著提升，技術(shù)發(fā)展呈現(xiàn)出從單一感官刺激向多模態(tài)融合過渡的趨勢[]。

1.2硬件設(shè)備與傳感技術(shù)

VR/AR體驗(yàn)的實(shí)現(xiàn)，依賴于顯示模塊、追蹤系統(tǒng)與交互裝置三大核心硬件。具體技術(shù)特性如表1所示。

目前，VR/AR硬件正朝著小型化、無線化方向發(fā)展。部分設(shè)備已實(shí)現(xiàn)無外置傳感器的全自主追蹤，大幅降低了使用門檻，加速了技術(shù)從試驗(yàn)室場景向工業(yè)應(yīng)用場景的拓展。

1.3平臺(tái)與軟件工具的技術(shù)架構(gòu)

VR/AR軟件生態(tài)主要由開發(fā)引擎、內(nèi)容生產(chǎn)工具與運(yùn)行平臺(tái)三部分構(gòu)成。開發(fā)引擎，如Unity、UnrealEngine，提供基礎(chǔ)渲染、物理模擬與交互邏輯搭建功能，助力開發(fā)者高效創(chuàng)建三維場景；內(nèi)容生產(chǎn)工具，如Blender，專注于模型精細(xì)化處理、動(dòng)作捕捉與特效合成，保障虛擬元素的真實(shí)性與表現(xiàn)力。

運(yùn)行平臺(tái)的技術(shù)架構(gòu)需攻克兩大關(guān)鍵難題：一是提升實(shí)時(shí)渲染與數(shù)據(jù)傳輸效率，可通過分布式計(jì)算優(yōu)化復(fù)雜場景加載速度；二是實(shí)現(xiàn)多端協(xié)同與數(shù)據(jù)互通，確保工業(yè)設(shè)計(jì)中各部門模型版本的動(dòng)態(tài)同步。以車企虛擬評(píng)審系統(tǒng)為例，基于云端架構(gòu)，全球團(tuán)隊(duì)能夠在同一虛擬空間實(shí)時(shí)標(biāo)注設(shè)計(jì)缺陷并同步修改意見。如今，軟件工具正從功能分散的獨(dú)立模塊，向全鏈路集成化平臺(tái)轉(zhuǎn)變，通過標(biāo)準(zhǔn)化接口與模塊化設(shè)計(jì)，降低技術(shù)應(yīng)用難度，滿足非專業(yè)用戶的定制化需求[2]。

2汽車虛擬設(shè)計(jì)與評(píng)估的技術(shù)方法

2.1 虛擬原型的構(gòu)建與評(píng)估方法

虛擬原型技術(shù)借助數(shù)字化建模，將汽車設(shè)計(jì)從二維圖紙轉(zhuǎn)化為可交互的三維動(dòng)態(tài)模型，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)方案的早期驗(yàn)證。該技術(shù)涵蓋車身結(jié)構(gòu)、動(dòng)力系統(tǒng)、電子架構(gòu)等模塊的精準(zhǔn)映射。例如，在碰撞安全設(shè)計(jì)中，虛擬原型可模擬不同材質(zhì)車身框架在沖擊載荷下的形變特性，快速定位結(jié)構(gòu)薄弱點(diǎn)并優(yōu)化材料分布。

評(píng)估方法圍繞動(dòng)態(tài)邏輯驗(yàn)證展開，支持分層測試與場景全覆蓋。在子系統(tǒng)層面，通過模塊化仿真檢驗(yàn)單一功能的可靠性；在整車層面，引入路譜數(shù)據(jù)與駕駛環(huán)境變量（如極端天氣、交通流狀態(tài)）測試綜合性能。為避免靜態(tài)理想化缺陷，虛擬評(píng)估嵌入動(dòng)態(tài)修正機(jī)制，依據(jù)仿真結(jié)果反向調(diào)整原型參數(shù)（如懸架剛度、電池散熱路徑），形成構(gòu)建一測試一迭代的閉環(huán)優(yōu)化鏈，如圖1所示。這一技術(shù)有效縮短了方案驗(yàn)證周期，支持跨部門協(xié)同優(yōu)化（設(shè)計(jì)、工程、生產(chǎn)團(tuán)隊(duì)共享統(tǒng)一數(shù)據(jù)源），顯著提升汽車開發(fā)效率[]。

2.2高精度交互式設(shè)計(jì)與實(shí)時(shí)反饋機(jī)制

高精度交互式設(shè)計(jì)旨在虛擬環(huán)境中實(shí)現(xiàn)人機(jī)高效協(xié)同，通過實(shí)時(shí)仿真與可視化反饋，降低復(fù)雜工程問題的理解難度。其技術(shù)核心在于建立設(shè)計(jì)動(dòng)作一模型響應(yīng)一感知反饋的毫秒級(jí)響應(yīng)鏈路。當(dāng)設(shè)計(jì)師調(diào)整車身曲面弧度、電池艙布局等參數(shù)時(shí)，系統(tǒng)借助分布式計(jì)算引擎即時(shí)更新模型狀態(tài)，并在AR/VR界面同步呈現(xiàn)三維空間效果。這種“所見即所得”模式，使工程師無需依賴離線仿真報(bào)告，即可直觀判斷設(shè)計(jì)變更對(duì)氣動(dòng)性能、裝配可行性等隱式參數(shù)的影響。

實(shí)時(shí)反饋機(jī)制側(cè)重于動(dòng)態(tài)決策修正。以車門開合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為例，調(diào)整虛擬模型中鉸鏈位置時(shí)，系統(tǒng)不僅顯示開合角度與力學(xué)分布，還通過觸覺設(shè)備模擬手柄操作阻力，并結(jié)合聲效反饋（金屬碰撞聲、摩擦聲）判斷異響風(fēng)險(xiǎn)。該機(jī)制將傳統(tǒng)設(shè)計(jì)一測試一反饋的分散環(huán)節(jié)整合為連續(xù)操作流程，有效減少數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換誤差[4]。

2.3 多物理場仿真與虛擬評(píng)估技術(shù)

多物理場仿真通過耦合力學(xué)、熱學(xué)、電場、流體等多學(xué)科模型，在虛擬環(huán)境中復(fù)現(xiàn)汽車運(yùn)行的真實(shí)物理行為，為設(shè)計(jì)方案提供全面驗(yàn)證依據(jù)，如圖2所示。以電動(dòng)汽車電池系統(tǒng)為例，需同時(shí)解決熱管理（充放電生熱）、結(jié)構(gòu)振動(dòng)（路面激勵(lì)傳遞）與電磁兼容性（高壓線纜干擾）問題。多物理場技術(shù)借助能量傳遞與邊界條件交互模型，直觀展示各系統(tǒng)間的相互影響（如電池高溫引發(fā)密封材料形變，進(jìn)而導(dǎo)致電磁屏蔽失效）。

虛擬評(píng)估技術(shù)的突破在于對(duì)非顯性失效的預(yù)測能力。以制動(dòng)系統(tǒng)為例，傳統(tǒng)臺(tái)架試驗(yàn)僅關(guān)注制動(dòng)距離與磨損量，而虛擬評(píng)估可整合摩擦生熱、材料相變、液壓壓力波動(dòng)等變量，預(yù)測制動(dòng)片在長周期高溫高壓下的微裂紋擴(kuò)展路徑。通過構(gòu)建概率性失效模型（如蒙特卡洛隨機(jī)模擬），量化不同工況下的系統(tǒng)可靠性，為設(shè)計(jì)冗余提供數(shù)據(jù)支持。

3 VR/AR技術(shù)在汽車虛擬設(shè)計(jì)與評(píng)估中的發(fā)展趨勢

3.1新興技術(shù)對(duì)VR/AR的推動(dòng)作用

VR/AR技術(shù)在汽車工程領(lǐng)域的跨越式發(fā)展，主要得益于實(shí)時(shí)渲染引擎與分布式計(jì)算架構(gòu)的協(xié)同創(chuàng)新。在實(shí)時(shí)渲染方面，光線追蹤的GPU硬件加速技術(shù)打破了傳統(tǒng)光柵化渲染的物理模擬局限。通過并行化分解光線傳播方程，可實(shí)現(xiàn)車輛表面亞毫米級(jí)精度的動(dòng)態(tài)環(huán)境光遮蔽計(jì)算，使虛擬環(huán)境下車身漆面氧化漸變、聚合物材質(zhì)應(yīng)力裂紋擴(kuò)展等細(xì)節(jié)得以逼真呈現(xiàn)。這一技術(shù)將傳統(tǒng)CAD模型的靜態(tài)幾何驗(yàn)證，升級(jí)為材料疲勞壽命的可視化預(yù)判。

分布式計(jì)算架構(gòu)的革新重塑了VR/AR技術(shù)生態(tài)。邊緣-云端混合計(jì)算框架采用動(dòng)態(tài)資源切片技術(shù)，將碰撞仿真中的有限元分析任務(wù)分解為百萬級(jí)微線程，在本地設(shè)備與云端超算集群并行處理。例如，AR頭盔在本地完成實(shí)時(shí)手勢交互的骨骼跟蹤運(yùn)算，而整車流體力學(xué)模擬任務(wù)則分發(fā)至云端量子計(jì)算節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)全工況風(fēng)阻系數(shù)的瞬時(shí)迭代反饋。這種算力分配模式使工程設(shè)計(jì)人員在移動(dòng)端即可獲得超算級(jí)分析能力，徹底擺脫工作站的物理限制5]。

3.2跨領(lǐng)域協(xié)同與創(chuàng)新應(yīng)用

汽車VR/AR技術(shù)正朝著數(shù)理模型融合與跨域協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)化方向發(fā)展。在模型融合層面，跨尺度多體動(dòng)力學(xué)引擎成為關(guān)鍵突破點(diǎn)。該引擎運(yùn)用統(tǒng)一的時(shí)空離散化算法，將宏觀整車運(yùn)動(dòng)學(xué)模型與微觀分子級(jí)材料晶格結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)整合于同一仿真線程。當(dāng)設(shè)計(jì)師在虛擬環(huán)境中調(diào)整懸架剛度時(shí)，系統(tǒng)可同步計(jì)算對(duì)應(yīng)金屬合金的晶相變化趨勢，并預(yù)測多次循環(huán)載荷后的塑性形變量，打破了傳統(tǒng)CAE工具中各學(xué)科模型的孤立狀態(tài)。

協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程由開放式虛擬交互接口（OVII）主導(dǎo)。該協(xié)議統(tǒng)一了從物理實(shí)體傳感器到數(shù)字孿生模型的數(shù)據(jù)封裝格式，使供應(yīng)商的制動(dòng)系統(tǒng)模型可直接嵌入主機(jī)廠虛擬測試臺(tái)架。例如，線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的冗余控制器代碼通過OVII接口，可在VR環(huán)境中直接驅(qū)動(dòng)虛擬轉(zhuǎn)向柱的扭矩響應(yīng)曲線生成，避免傳統(tǒng)模型格式轉(zhuǎn)換帶來的精度損耗，有效降低跨企業(yè)技術(shù)協(xié)同的異構(gòu)系統(tǒng)適配成本。

4結(jié)論

本文系統(tǒng)探討了VR/AR技術(shù)在汽車工程中的應(yīng)用與發(fā)展，明確了實(shí)時(shí)渲染引擎精度提升、邊緣-云端混合計(jì)算架構(gòu)重構(gòu)以及跨域協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)化等關(guān)鍵技術(shù)突破方向。當(dāng)前，這些技術(shù)已有效解決傳統(tǒng)工程驗(yàn)證中的時(shí)空限制與仿真失真問題。未來，汽車行業(yè)應(yīng)加快構(gòu)建開放型技術(shù)生態(tài)，針對(duì)虛擬驗(yàn)證中存在的跨學(xué)科數(shù)據(jù)壁壘，深入優(yōu)化物理場并行求解器的兼容性，強(qiáng)化數(shù)字孿生體與物理實(shí)體的雙向交互精度，持續(xù)完善虛實(shí)聯(lián)動(dòng)技術(shù)閉環(huán)與自進(jìn)化驗(yàn)證體系，為智能汽車產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展與可持續(xù)發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

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(編輯林子衿)