張昊

北京現(xiàn)代汽車有限公司技術(shù)中心 北京市 101300

1 引言

在我國科技水平不斷提高的背景下，市場(chǎng)在不斷地發(fā)生著變化，給汽車行業(yè)帶來巨大機(jī)遇的同時(shí)也帶來了極大的挑戰(zhàn)。為了在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中能夠取得一席之地，汽車制造企業(yè)必須從設(shè)計(jì)開發(fā)上進(jìn)行創(chuàng)新，生產(chǎn)出性能好、質(zhì)量高、成本低的汽車。在汽車設(shè)計(jì)中利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以改進(jìn)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法中的不足，有效增強(qiáng)企業(yè)的研發(fā)水平，減少新車型的研發(fā)成本，并且減少研發(fā)周期，大大提高工作效率和質(zhì)量。

2 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的主要特征

虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，簡(jiǎn)稱VR）是在20世紀(jì)80年代由美國VPL公司的創(chuàng)始人拉尼爾提出。虛擬現(xiàn)實(shí)與主張?zhí)摂M和現(xiàn)實(shí)連接的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)不一樣，屬于可創(chuàng)建與體驗(yàn)虛擬世界的計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)。利用計(jì)算機(jī)生成的三維立體圖像可以創(chuàng)建虛擬環(huán)境，用戶采用適當(dāng)?shù)膫鞲性O(shè)備進(jìn)行交互，會(huì)產(chǎn)生身臨其境的感覺。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)主要包括以下幾個(gè)特征：

2.1 沉浸感

讓客戶可以沉浸于虛擬的環(huán)境里，并有在真實(shí)環(huán)境里相同的體驗(yàn)。最佳的模擬環(huán)境能夠讓客戶分不出真假，在計(jì)算機(jī)創(chuàng)建的三維虛擬環(huán)境里可以從視覺、聽覺以及觸覺等方面感受到里面所有的東西。

2.2 交互性

客戶在虛擬環(huán)境里可以主動(dòng)感受，能夠利用個(gè)人的動(dòng)作獲得不同的感受內(nèi)容。比如客戶用手抓住模擬環(huán)境里的虛擬物體，能感受到手拿東西的感覺，并感受到物體的重量，而且被抓的物體可以跟隨手的動(dòng)作做出相應(yīng)的反應(yīng)。

2.3 構(gòu)想性

客戶可以構(gòu)想出虛擬環(huán)境，不但能把真實(shí)存在的環(huán)境再現(xiàn)出來，還能任意構(gòu)想不可能發(fā)生或者客觀不存在的環(huán)境。

2.4 實(shí)時(shí)性

客戶發(fā)出指令之后虛擬環(huán)境會(huì)馬上進(jìn)行反應(yīng)，具有很強(qiáng)的實(shí)時(shí)性。實(shí)時(shí)性不但在顯示層面，還涉及設(shè)計(jì)層面，工作人員修改一些設(shè)計(jì)指標(biāo)，能夠馬上看到相應(yīng)的變化。同時(shí)，輸入各種參數(shù)可以得出很多類方案，方便工作人員進(jìn)行對(duì)比、分析與改進(jìn)，最終可以設(shè)計(jì)出最優(yōu)方案。

隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和虛擬樣機(jī)技術(shù)的興起，使傳統(tǒng)汽車的設(shè)計(jì)方法和試驗(yàn)方法都發(fā)生了很大的變化。將虛擬樣機(jī)技術(shù)設(shè)計(jì)的數(shù)字化汽車和虛擬試驗(yàn)環(huán)境有效結(jié)合在一起，通過讓真實(shí)駕駛員實(shí)行仿真操作，可以將視覺、聽覺以及觸覺等作用于客戶，讓他們有身臨其境之感，通過讓客戶、環(huán)境和車融為一體，能直接體會(huì)到汽車的振動(dòng)、噪聲和傾斜等效果，還可以安全地進(jìn)行翻傾和碰撞等極限試驗(yàn)，這種方法解決了傳統(tǒng)方法不能用數(shù)學(xué)模型表達(dá)駕駛員反應(yīng)和感受等問題，工作人員能夠在設(shè)計(jì)初期及時(shí)發(fā)現(xiàn)存在的問題，進(jìn)行改進(jìn)和完善，從而提高準(zhǔn)確性，安全性，也可以為企業(yè)節(jié)約大量的成本。

3 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的分類

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)根據(jù)硬件形態(tài)的不同可以分為三類，即PC端VR、一體機(jī)VR、移動(dòng)端頭顯即手機(jī)VR。人們可以結(jié)合實(shí)際需求來選擇，三類設(shè)備的具體特征為：

PC端VR，屬于和電腦連接使用的專業(yè)設(shè)備，最常見的有HTCVIVE、Oculuc.，這種設(shè)備的游戲感很強(qiáng)，適應(yīng)于游樂場(chǎng)等地。但對(duì)于可活動(dòng)的互動(dòng)體驗(yàn)，會(huì)受到數(shù)據(jù)線影響。

一體機(jī)VR有獨(dú)立的CPU、輸出顯示和輸入顯示功能，而且不受數(shù)據(jù)線的影響，但是性價(jià)比較低。

移動(dòng)端頭顯即手機(jī)VR可以放到手機(jī)里面直接觀看，在虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備中屬于入門級(jí)的。若手機(jī)的分辨率大于1080P，就會(huì)有一體機(jī)VR的觀感。

4 汽車虛擬試驗(yàn)系統(tǒng)

汽車虛擬試驗(yàn)系統(tǒng)包括輸進(jìn)模塊、虛擬試驗(yàn)?zāi)K與性能評(píng)價(jià)模塊等。在虛擬環(huán)境里加入汽車模型，能夠按照客戶的輸進(jìn)控制命令，分析汽車模型的動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)，通過分析數(shù)據(jù)在虛擬場(chǎng)景里“虛擬再現(xiàn)汽車試驗(yàn)過程”，讓客戶利用傳感器感受并且體驗(yàn)到汽車的性能，并進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)合評(píng)價(jià)結(jié)果可多次改進(jìn)模型的各個(gè)參數(shù)，通過修改參數(shù)讓汽車的性能達(dá)到最佳狀態(tài)。

4.1 輸進(jìn)模塊

輸進(jìn)模塊通常用來輸進(jìn)車輛以及地面參數(shù)化模型等數(shù)據(jù)資料，在這個(gè)模塊里，還能輸進(jìn)實(shí)車試驗(yàn)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，可以和虛擬試驗(yàn)做對(duì)比。

4.2 虛擬試驗(yàn)?zāi)K

虛擬試驗(yàn)?zāi)K通常包括動(dòng)力學(xué)分析模塊、虛擬試驗(yàn)運(yùn)行模塊與接口模塊，動(dòng)力學(xué)分析模塊是結(jié)合汽車的參數(shù)化模型以及駕駛?cè)藛T的行為對(duì)汽車的性能參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算，給虛擬試驗(yàn)?zāi)K提供一些仿真數(shù)據(jù)。虛擬試驗(yàn)運(yùn)行模塊可以讓客戶感受到更真實(shí)的虛擬試驗(yàn)環(huán)境，在試驗(yàn)時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)虛擬車輛的各種狀態(tài)變化，并把這些信息及時(shí)反饋給客戶。接口模塊可以把汽車的實(shí)時(shí)仿真運(yùn)算部分、傳感器以及虛擬運(yùn)行環(huán)境部分和客戶連接在一起。

4.3 性能評(píng)價(jià)模塊

性能評(píng)價(jià)模塊中，客戶可以從虛擬試驗(yàn)中的體會(huì)到各類感覺，從而評(píng)價(jià)汽車的性能，結(jié)合評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)各參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化修改。同時(shí)，還可以對(duì)虛擬試驗(yàn)和實(shí)車試驗(yàn)相比較，結(jié)合兩者之間的差異及時(shí)修正汽車模型。

5 VR應(yīng)用服務(wù)工具系統(tǒng)

針對(duì)汽車產(chǎn)品的需求，設(shè)計(jì)出的虛擬現(xiàn)實(shí)服務(wù)平臺(tái)的各項(xiàng)應(yīng)用工具層都是通過四個(gè)VR應(yīng)用系統(tǒng)構(gòu)成的。

5.1 汽車配置DIY體驗(yàn)系統(tǒng)

汽車配置DIY體驗(yàn)系統(tǒng)主要是利用VR技術(shù)實(shí)現(xiàn)的，相關(guān)設(shè)計(jì)人員能夠結(jié)合客戶的實(shí)際需求與偏愛對(duì)汽車進(jìn)行個(gè)性化配置設(shè)計(jì)，主要從汽車的輪胎、座椅、輪轂、內(nèi)飾、剎車片、儀表盤、外觀等方面進(jìn)行改進(jìn)，通過沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)可以對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行展示評(píng)估，并驗(yàn)證設(shè)計(jì)的最終效果。同時(shí)，還可以身臨其境地體驗(yàn)汽車改型之后的效果和整體性能，并對(duì)汽車配置設(shè)計(jì)DIY的效果進(jìn)行驗(yàn)證。另外，汽車制造廠的設(shè)計(jì)人員與配套單位相關(guān)負(fù)責(zé)人之間可以利用這個(gè)系統(tǒng)直觀地討論分析汽車配置的各類更改問題。

5.2 汽車虛擬駕駛支持系統(tǒng)

汽車虛擬駕駛支持系統(tǒng)主要是利用VR技術(shù)實(shí)現(xiàn)的，可以通過半實(shí)物仿真對(duì)汽車進(jìn)行模擬駕駛，而且適用于很多類型的汽車產(chǎn)品駕駛模擬對(duì)象與指定地方的景觀環(huán)境與特殊路況。設(shè)計(jì)人員和駕駛?cè)藛T能夠在虛擬公路上駕駛虛擬的汽車，并以高度沉浸感的形式來對(duì)汽車駕駛的行為特征進(jìn)行體驗(yàn)與評(píng)價(jià)，從而可以從操控性、視野、舒適性等方面來感受汽車的性能與各項(xiàng)功能，這樣設(shè)計(jì)人員及可以通過數(shù)字樣車的形式對(duì)汽車的可駕駛性進(jìn)行準(zhǔn)確的評(píng)估與驗(yàn)證，給設(shè)計(jì)汽車產(chǎn)品提供更多有價(jià)值的參考。

5.3 360°虛擬現(xiàn)實(shí)車展系統(tǒng)

360°虛擬現(xiàn)實(shí)車展系統(tǒng)主要是利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與VR技術(shù)實(shí)現(xiàn)的。利用這種系統(tǒng)可以使汽車產(chǎn)品和各個(gè)配件以滾動(dòng)的方式展現(xiàn)給客戶，即把生動(dòng)形象的車展放到網(wǎng)絡(luò)中去，人們可以使用鼠標(biāo)從360°全方位無死角的觀看車展，展示對(duì)象主要有產(chǎn)品圖片以及產(chǎn)品VR模型。這種方式能夠作為正式銷售汽車之前的有效輔助措施，可以大大減少汽車和配件等的銷售成本，并擴(kuò)大宣傳面。

5.4 數(shù)字汽車產(chǎn)業(yè)園系統(tǒng)

數(shù)字汽車產(chǎn)業(yè)園系統(tǒng)主要是利用地理信息系統(tǒng)與VR技術(shù)實(shí)現(xiàn)的。利用這種系統(tǒng)可以對(duì)一些地方的二、三維地圖、汽車制造廠以及相關(guān)配套單位的三維實(shí)體模型和景觀模型等，建立數(shù)字化汽車產(chǎn)業(yè)園。將數(shù)字汽車產(chǎn)業(yè)園系統(tǒng)和汽車虛擬駕駛支持系統(tǒng)有效結(jié)合在一起，只要涉及出了一款新型的虛擬汽車，就可以讓汽車產(chǎn)業(yè)園的相關(guān)工作人員和政府部門的相關(guān)人員駕駛這臺(tái)虛擬汽車，在數(shù)字化園區(qū)里虛擬游覽，然后利用地理信息系統(tǒng)分析數(shù)據(jù)并統(tǒng)計(jì)資料，同時(shí)能夠可視化展現(xiàn)出來，從而感受園區(qū)現(xiàn)有人文景觀和工業(yè)的實(shí)際情況，進(jìn)而分析園區(qū)規(guī)劃布局是否合理。

6 結(jié)語

隨著我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)，人們的生活水平逐漸提高，對(duì)生活質(zhì)量也有了更多的追求。很多人都愿意把自由時(shí)間放到出行活動(dòng)上，而且在日常生活和工作中汽車也成了重要的交通工具。這些改變給了汽車行業(yè)更大的發(fā)展機(jī)遇，同時(shí)也面臨更加激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)。為了給用戶更好的駕駛體驗(yàn)，也為了進(jìn)一步提高競(jìng)爭(zhēng)力，汽車企業(yè)引進(jìn)了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，從思維習(xí)慣、開發(fā)形式、汽車推廣等多方面進(jìn)行了改革，讓客戶可以從虛擬環(huán)境中享受到真實(shí)的駕駛感受，促進(jìn)了汽車行業(yè)更好的發(fā)展。