邵景峰　唐明星

摘 要：在數(shù)字化轉(zhuǎn)型的時代，隨著整車廠競爭的加劇，如何更多的使用數(shù)字化的手段來縮短新車型的研發(fā)周期，加快新車型上市的速度，已經(jīng)成為各大主機(jī)廠迫切需要解決的問題。本文介紹了將數(shù)字孿生技術(shù)引入汽車造型評審中的技術(shù)解決方案，可以有效地優(yōu)化評審過程，減少對實(shí)物模型的依賴，大大縮短在造型設(shè)計階段的研發(fā)周期。同時，結(jié)合國內(nèi)某整車廠公司近期全新整車造型開發(fā)中使用數(shù)字孿生技術(shù)來評審的實(shí)踐，驗(yàn)證了以數(shù)字孿生模型代替實(shí)物模型的可能性。最后，展望了數(shù)字孿生技術(shù)在汽車研發(fā)中的更加廣闊的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：數(shù)字孿生 汽車設(shè)計評審 虛擬現(xiàn)實(shí)頭盔 汽車造型設(shè)計 虛擬現(xiàn)實(shí)模型

1 前言

汽車造型設(shè)計是在整車開發(fā)中至關(guān)重要的一部分，這其中汽車設(shè)計方案的評審是設(shè)計流程中最重要的一環(huán)。傳統(tǒng)流程中汽車造型評審主要包括效果圖評審，膠帶圖評審，數(shù)據(jù)評審，模型評審等，而最終設(shè)計方案的評審選定必須依賴制作周期漫長的仿真實(shí)物模型。

隨著計算機(jī)技術(shù)和虛擬仿真技術(shù)的發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)頭盔和一些虛擬仿真軟件已經(jīng)能夠準(zhǔn)確模擬全新造型設(shè)計的三維數(shù)字虛擬模型，去取代傳統(tǒng)的人工制作的實(shí)物評審模型。

本文詳細(xì)論述了基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)頭盔的汽車造型設(shè)計評審方法，介紹了計算機(jī)三維虛擬仿真數(shù)據(jù)模型的制作流程，并在近期的國內(nèi)某公司設(shè)計評審項(xiàng)目上進(jìn)行了實(shí)踐應(yīng)用，通過對比傳統(tǒng)的實(shí)物模型評審，驗(yàn)證了此虛擬評審方法的有效性和可靠性。

2 汽車業(yè)內(nèi)主流造型評審方法綜述

2.1 使用實(shí)物模型評審方法簡介

目前主流的使用實(shí)物油泥模型進(jìn)行造型設(shè)計評審的方法，設(shè)計師繪制二維平面效果圖，油泥模型師根據(jù)效果圖來制作實(shí)物油泥模型，整車油泥模型制作周期長，一輛整車模型制作通常需要兩到三個月左右時間。油泥模型完成后，設(shè)計決策層對模型進(jìn)行設(shè)計方案評審。需要注意的是，在油泥實(shí)物模型上反復(fù)推敲方案費(fèi)時費(fèi)力。因?yàn)槿叽缒Ｐ偷闹谱鞴ぷ髁亢艽?，首先要根?jù)總布置圖的要求精確的制作模型骨架，留足所需的油泥加工量及修改量。成噸的油泥需要用手工將其涂抹在模型骨架上。其后由經(jīng)驗(yàn)豐富的油泥模型師以手工的形式把模型雕塑得成平面設(shè)計方案所表達(dá)的形態(tài)，如圖1所示，整個過程耗費(fèi)了大量的人力資源和時間。

2.2 使用實(shí)物模型評審方法缺陷

這種傳統(tǒng)的設(shè)計評審方式，各個項(xiàng)目階段的容錯性很低，設(shè)計更改的代價非常高，而且對造型設(shè)計的參與人員素質(zhì)和經(jīng)驗(yàn)要求很高，即便如此仍然不能避免重復(fù)性的工作。在傳統(tǒng)汽車造型設(shè)計流程中，設(shè)計和模型師的工作量都非常的大，設(shè)計開發(fā)過程中項(xiàng)目經(jīng)常會延期以適應(yīng)一些大的設(shè)計調(diào)整，最終導(dǎo)致研發(fā)成本非常高然而設(shè)計成果卻不一定能快速反應(yīng)設(shè)計師的設(shè)計意圖。目前的設(shè)計流程大量中有大量的手工工序，是早期汽車設(shè)計發(fā)展經(jīng)驗(yàn)的積淀，不可避免地存在很多無法適應(yīng)新時代的劣勢。一旦評審方案不通過，則需要重新制作新方案的實(shí)物油泥模型，前面數(shù)月的時間前功盡棄，因此浪費(fèi)了大量的費(fèi)用和項(xiàng)目。

3 數(shù)字化轉(zhuǎn)型給設(shè)計評審帶來的機(jī)遇

3.1 不斷縮短的整車開發(fā)周期

在工業(yè)4.0的大背景下，各行各業(yè)都在積極推動行業(yè)轉(zhuǎn)型升級，汽車行業(yè)也在發(fā)生變革，而數(shù)字化轉(zhuǎn)型正是汽車行業(yè)可持續(xù)發(fā)展和高質(zhì)量發(fā)展的必然選擇。隨著汽車行業(yè)競爭的加劇，各大主機(jī)廠都在嘗試數(shù)字化轉(zhuǎn)型，以縮短新車型開發(fā)的周期，節(jié)省研發(fā)成本，也加快新車上市的速度。比如：豐田汽車從十多年前整車開發(fā)周期接近40個月逐漸縮短到目前不超過30個月。國內(nèi)的整車廠為了進(jìn)一步提升競爭力，整車開發(fā)周期甚至縮短到24個月。在此背景下，傳統(tǒng)汽車造型評審周期長、人員投入多且耗資巨大，單是一個汽車外形實(shí)物模型制作就需要近兩到三個月的時間，這種評審方法已經(jīng)不能滿足快速整車開發(fā)需求。

因此，我們著手探索一些數(shù)字化創(chuàng)新的手段，力求通過這些創(chuàng)新的數(shù)字化方法和手段，去顛覆傳統(tǒng)的設(shè)計評審流程和方法，進(jìn)而能加快汽車設(shè)計流程，快速支持造型評審的順利開展，減少對于傳統(tǒng)物理模型的依賴，提升對于設(shè)計優(yōu)化的響應(yīng)速度。

3.2 數(shù)字孿生模型代替實(shí)物模型探索

數(shù)字孿生技術(shù)作為近來的新興研究熱點(diǎn)，數(shù)字孿生通過數(shù)字化方式，構(gòu)建計算機(jī)虛擬實(shí)體來模擬物理實(shí)體。利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)突破時空限制，建立物理對象的“數(shù)字化模型”，目的是減少各種場景下對于實(shí)物模型的依賴。比如利用計算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)及增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)已實(shí)現(xiàn)了在虛擬世界中創(chuàng)建數(shù)字化的虛擬工廠，來模擬生產(chǎn)中各環(huán)節(jié)的可實(shí)施性和生產(chǎn)效率的模擬計算。

本文的研究目的，是試圖將數(shù)字孿生技術(shù)引入到汽車設(shè)計評審中，使用數(shù)字孿生模型，去替代實(shí)物模型，作為設(shè)計評審的核心載體。數(shù)字孿生的本質(zhì)是為現(xiàn)實(shí)世界中的實(shí)體對象在數(shù)字虛擬世界中構(gòu)建完全一致的數(shù)字模型，如同一對孿生兄弟，其中實(shí)體模型為實(shí)體兄弟，數(shù)字模型為數(shù)字兄弟。結(jié)合汽車設(shè)計的流程，傳統(tǒng)的油泥模型是實(shí)體兄弟，數(shù)字虛擬模型為數(shù)字孿生兄弟。在絕大多數(shù)的設(shè)計評審中，使用數(shù)字孿生模型來評審，不再依賴實(shí)物模型。通過數(shù)字的手段，快速驗(yàn)證、調(diào)整設(shè)計方案。

數(shù)字孿生整車模型的創(chuàng)新之處，在于將整車開發(fā)前期所有的設(shè)計方案數(shù)字化、虛擬化、模型化，將設(shè)計方案和評審決策者之間建立起一個虛擬的橋梁。決策者可以進(jìn)入到一個計算機(jī)虛擬的環(huán)境中，身臨其境的去感受數(shù)字孿生模型方案。在評審的過程中，數(shù)字孿生設(shè)計方案也可根據(jù)決策者評審中提出的意見，實(shí)時的去調(diào)整數(shù)字孿生模型的的細(xì)節(jié)、觀看角度、色彩紋理方案表達(dá)等。在內(nèi)飾設(shè)計評審時，也可以通過定位器去捕捉評審者的手勢，評審者可以在虛擬世界里去操作車內(nèi)的娛樂大幕，實(shí)時的做到和車內(nèi)娛樂屏幕等實(shí)時交互，驗(yàn)證HMI設(shè)計的合理性和美觀性。

4 數(shù)字孿生模型設(shè)計構(gòu)建的標(biāo)準(zhǔn)

筆者基于在汽車設(shè)計行業(yè)多年的工作經(jīng)驗(yàn)，在多臺全新車型研發(fā)評審中，結(jié)合傳統(tǒng)實(shí)物模型評審過程中的評審者對于實(shí)物模型的具體要求，提出了一套數(shù)字孿生模型構(gòu)建的準(zhǔn)則，其重要目的就是讓數(shù)字孿生模型能夠?qū)υO(shè)計方案進(jìn)行全方位、多維度、多視角的展現(xiàn)和刻畫。最終目的是讓數(shù)字孿生模型能夠在大多數(shù)的使用場景中代替實(shí)物模型。

該設(shè)計構(gòu)建準(zhǔn)則以滿足實(shí)際項(xiàng)目需求和解決實(shí)際評審問題為出發(fā)點(diǎn)，提出了“四化”準(zhǔn)則，即標(biāo)準(zhǔn)化、準(zhǔn)確化、沉浸化、簡潔化。

4.1 數(shù)字孿生模型的標(biāo)準(zhǔn)化

由于研發(fā)企業(yè)里車型平臺數(shù)量眾多，我們目標(biāo)是通過數(shù)字孿生模型的標(biāo)準(zhǔn)化，在模型定義、虛擬場景、開發(fā)流程、虛擬數(shù)據(jù)吞吐量、軟件平臺、運(yùn)算方法等方面進(jìn)行規(guī)范統(tǒng)一。數(shù)字孿生建模的標(biāo)準(zhǔn)化準(zhǔn)則，是為了通過保證模型集成、模型數(shù)據(jù)交換、模型信息識別和模型維護(hù)上的一致性，實(shí)現(xiàn)針對不同的車型平臺，不同的車型類別構(gòu)建的數(shù)字孿生模型可以在同一個虛擬平臺上進(jìn)行展示，且相互兼容，進(jìn)一步滿足其通用性需求。一個標(biāo)準(zhǔn)的車型數(shù)字孿生場景，包含了虛擬環(huán)境，虛擬光線、虛擬材質(zhì)等等方面的信息，標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)字孿生場景在面向不同車型建模使用時可以有效減少模型數(shù)量和差異化的模型的產(chǎn)生。

4.2 數(shù)字孿生模型的準(zhǔn)確化

汽車設(shè)計是一個非常精密的工程，尤其是在外形和內(nèi)飾設(shè)計高關(guān)注區(qū)域，精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)控制可以有效的提升整車的設(shè)計感知質(zhì)量。數(shù)字孿生建模的精準(zhǔn)化準(zhǔn)則，是為了保證構(gòu)建的數(shù)字孿生模型精準(zhǔn)，以千分之一毫米的量級，去控制零件本身的光順程度，以及零件和零件之間的匹配、間隙以及面差的要求。精準(zhǔn)的數(shù)字孿生模型是數(shù)字孿生正確發(fā)揮功能的重要前提。以汽車內(nèi)飾設(shè)計為例，由于內(nèi)飾可見零件眾多，不同零件的表面處理也不同，這就要求數(shù)字孿生模型必須精準(zhǔn)的去反映每一個零件的形態(tài)和表面材質(zhì)的定義，只有精準(zhǔn)的數(shù)字孿生模型才能夠在設(shè)計評審過程中將設(shè)計方案準(zhǔn)確的展現(xiàn)給決策者。

4.3 數(shù)字孿生模型的沉浸化

數(shù)字孿生模型從來就是不是一個孤立的存在，實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)該是和虛擬的場景一起，形成一個數(shù)字孿生的系統(tǒng)。以往評審者在評審實(shí)物模型時，和實(shí)物模型是處在同一個真實(shí)的時空空間，因此評審者可以獲得100%的“沉浸感”。因此，在數(shù)字孿生系統(tǒng)里，也必須盡一切可能去提升評審者的“沉浸感”。數(shù)字孿生系統(tǒng)在設(shè)計、構(gòu)建的過程中要以能夠以直觀、可見的形式呈現(xiàn)給用戶為出發(fā)點(diǎn)，方便用戶與模型進(jìn)行深度交互。數(shù)字孿生系統(tǒng)由多要素、多維度、多領(lǐng)域、多尺度模型組裝融合而成，可視化的數(shù)字孿生模型能夠以生動、形象的方式展示整車模型模型的結(jié)構(gòu)、設(shè)計優(yōu)化過程、零部件細(xì)節(jié)等。

4.4 數(shù)字孿生模型的簡潔化

由于當(dāng)今研發(fā)的車型功能不斷增加、配置的不斷豐富、個性化的設(shè)計需求等因素帶來的整車數(shù)據(jù)量也幾何級數(shù)的在增加。然而，數(shù)字孿生模型要實(shí)現(xiàn)與評審者順暢的交互，則必須控制總的數(shù)據(jù)吞吐量。數(shù)字孿生模型輕量化是在滿足主要設(shè)計案細(xì)節(jié)無丟失、模型精度，交互功能等前提下，使模型在幾何描述、承載信息、構(gòu)建邏輯等方面實(shí)現(xiàn)精簡。數(shù)字孿生建模的輕量化準(zhǔn)則，是為了在數(shù)字孿生模型可用、通用的基礎(chǔ)上，通過數(shù)字孿生模型速用，進(jìn)一步滿足針對復(fù)雜系統(tǒng)的數(shù)字孿生建模和模型運(yùn)行的高效性需求。加快數(shù)字孿生模型運(yùn)行速度，進(jìn)而提高數(shù)字孿生模型支持實(shí)時虛擬仿真評審的響應(yīng)速度。

5 整車數(shù)字孿生模型的構(gòu)建

5.1 整車3D數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)化建模

整車3D數(shù)據(jù)建模，是構(gòu)建數(shù)字孿生模型的最基礎(chǔ)的一環(huán)，當(dāng)設(shè)計師完成了大量的方案草圖后，一般會選擇其中的幾個草圖進(jìn)行數(shù)字孿生數(shù)據(jù)模型制作。為了支持多設(shè)計方案的比較，需要同時構(gòu)建多個數(shù)據(jù)模型，這些數(shù)據(jù)模型會去表現(xiàn)刻畫設(shè)計的主要曲線和大面，但設(shè)計初期對細(xì)節(jié)不作深入，這樣可以大大加快數(shù)據(jù)構(gòu)建的速度。數(shù)據(jù)完成后利用概念模型數(shù)控加工出多個油泥模型，供模型師進(jìn)行方案的調(diào)整與進(jìn)一步優(yōu)化。當(dāng)油泥模型師在油泥模型上完成方案的修改后，可以用數(shù)字3D掃描儀將油泥模型表面的數(shù)據(jù)掃描到電腦，得到模型的計算機(jī)點(diǎn)云數(shù)據(jù)。基于此點(diǎn)云數(shù)據(jù)，進(jìn)一步在計算機(jī)里進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計細(xì)節(jié)建模，比如大燈、進(jìn)氣格柵、車輪等等詳細(xì)的細(xì)節(jié)數(shù)據(jù)；對于汽車內(nèi)飾的孿生數(shù)據(jù)建模，繼續(xù)完善內(nèi)部的零部件細(xì)節(jié)，比如按鍵、出風(fēng)口、儀表、方向盤、座椅等等。最終完成的孿生數(shù)據(jù)模型，必須具備完整的可視化信息，能精準(zhǔn)反映整車設(shè)計方案每一處的設(shè)計細(xì)節(jié)。

5.2 整車3D數(shù)據(jù)的建模人機(jī)工程學(xué)考量

在數(shù)字孿生數(shù)據(jù)建模工程中必須對人機(jī)工程進(jìn)行基本的布置，根據(jù)汽車駕駛艙草圖，準(zhǔn)備駕駛艙內(nèi)參數(shù)，從設(shè)置H點(diǎn)開始，進(jìn)而確定座艙乘員坐姿，觸及范圍，活動空間，視野等等，這一系列區(qū)域的設(shè)定有的為造型劃定了邊界，構(gòu)建數(shù)字化人體模型，對汽車駕駛艙中的一些參數(shù)點(diǎn)進(jìn)行初步設(shè)計；在所構(gòu)建的汽車駕駛艙模型與數(shù)字人體模型之間進(jìn)行交互時，共同構(gòu)成人一機(jī)一環(huán)境系統(tǒng)，對數(shù)字化人體模型的駕駛姿勢進(jìn)行模擬，獲得肢體關(guān)節(jié)角度；對數(shù)字人體模型姿勢進(jìn)行預(yù)測，而有的需要在造型完成到一定程度后再進(jìn)行校核。對于造型設(shè)計而言，每一個人機(jī)參數(shù)的確定實(shí)際上都為造型空間增加了一道限定條件，而這些條件之間并非簡單疊加，而是相互影響的。在確定坐姿后，車內(nèi)空間基本成型，在縱向和橫向的人體活動范圍內(nèi)便是有限的內(nèi)飾造型設(shè)計空間。而之后的眼橢圓視野校核會給定區(qū)域，使得前風(fēng)窗以及發(fā)動機(jī)前段面不能對前視野產(chǎn)生阻擋。等等這些總布置人機(jī)條件的輸入都不斷將車內(nèi)外空間細(xì)化，為造型設(shè)計提供了依據(jù)與邊界條件。

5.3 3D數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為虛擬孿生模型

建立好的3D數(shù)據(jù)模型是不帶有真實(shí)材質(zhì)紋理信息的“素?！保@種狀態(tài)下的模型只能反映場景的物理結(jié)構(gòu)，但并不具備真實(shí)性，因此需要對相應(yīng)的數(shù)據(jù)模型進(jìn)行相應(yīng)的材質(zhì)顏色調(diào)整。三維數(shù)模上僅帶有基本材質(zhì)信息，有些物體是沒有辦法通過調(diào)整基礎(chǔ)材質(zhì)來進(jìn)一步的提升真實(shí)感的，特別是內(nèi)飾的材質(zhì)復(fù)雜程度更高，覆蓋了皮質(zhì)、布料、金屬、塑料、水轉(zhuǎn)印等多種質(zhì)感。如何把三維模型數(shù)據(jù)變成真實(shí)生動的現(xiàn)實(shí)感體驗(yàn)，就需要根據(jù)真實(shí)世界的特殊圖片紋理對虛擬三維模型數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像處理。為了模擬真實(shí)化的效果，可以通過掃描材質(zhì)樣板得到計算機(jī)紋理圖片，也可以通過程序化紋理，然后應(yīng)用于三維虛擬模型上。

光線是物體能被人們所見的基礎(chǔ)，光照的強(qiáng)弱、顏色、布局、方向等直接影響虛擬模型的表現(xiàn)效果。陰影是光線跟物體發(fā)生作用后所產(chǎn)生的自然結(jié)果，陰影直接決定了虛擬模型的真實(shí)度，所以光影是數(shù)字化虛擬仿真的基礎(chǔ)。同樣一個模型放在不同的環(huán)境中，最終的呈現(xiàn)的狀態(tài)也不一樣，因?yàn)椴煌沫h(huán)境帶給這個模型的光影是不一樣的。在虛擬的世界也是如此，我們在決定模擬一個真實(shí)感的內(nèi)飾模型時，首先需要模擬一個真實(shí)感的環(huán)境，通過環(huán)境中的光、物體帶給這個內(nèi)飾模型色彩、質(zhì)感和陰影。同時虛擬仿真模型需要具備實(shí)時交互性，達(dá)到所見即所得的效果，所以不能夠每更換一個角度都去運(yùn)算虛擬光照所產(chǎn)生的陰影，這就需要把一次性運(yùn)算好的光照信息轉(zhuǎn)化為陰影貼圖，賦予到模型的表面，通過跟普通材質(zhì)進(jìn)行混合，產(chǎn)生仿真的陰影效果，這樣無論看任何角度都不需要再次運(yùn)算，極大的提高了虛擬模型的演示效果，這個陰影貼圖計算和賦予的過程就是光影烘焙。經(jīng)過計算機(jī)運(yùn)算，光影信息會以圖片方式貼附到模型表面，達(dá)到跟真實(shí)世界一樣的狀態(tài)。如圖4所示，最終的虛擬孿生模型在計算機(jī)的里效果。

6 數(shù)字孿生模型顯示平臺搭建

6.1 數(shù)字孿生模型沉浸式顯示載體

數(shù)字孿生模型顯示的載體，我們選擇了一款虛擬現(xiàn)實(shí)頭盔。頭盔固定在用戶的頭部，頭盔里集成的兩個液晶顯示屏分別向兩只眼睛發(fā)出數(shù)字孿生模型的圖像信號。這兩個顯示屏中的圖像由計算機(jī)里數(shù)字孿生模型數(shù)據(jù)分別驅(qū)動，屏上的兩幅圖像存在著細(xì)小的差別類似于“雙眼視差”，大腦將融合這兩個圖像獲得深度感知，產(chǎn)生視錯覺，評審者宛如走進(jìn)了另外一個時空，和數(shù)字孿生模型一起處于一個全新的時空中，形成非常好的沉浸感，能夠?qū)?shù)字孿生模型方案進(jìn)行非常細(xì)致的評估。虛擬現(xiàn)實(shí)頭盔如圖6所示。

6.2 虛擬顯示平臺設(shè)計架構(gòu)原理

頭盔采用HTC VIVE Pro，是HTC公司與Valve公司聯(lián)合開發(fā)的一款虛擬現(xiàn)實(shí)頭戴式顯示器。該頭顯通過控制器定位系統(tǒng)lighthouse技術(shù)完成頭顯在空間中的定位，是目前在分辨率、視角范圍、刷新率、延遲和拓展設(shè)備這五個維度上性能均衡的頭戴式顯示器。Leap Motion是Leap開發(fā)的體感控制器，通過前方的紅外LED和灰階攝像頭采集數(shù)據(jù)，并生成3D數(shù)據(jù)。Leap Motion在使用過程中不需要佩戴追蹤手套，減少了穿脫的步驟，也不需要在使用前后對設(shè)備進(jìn)行消毒。使用的硬件基于SteamVR，許多軟件都支持SteamVR，如UE4、Unity。但是根據(jù)目前汽車設(shè)計流程的需求，在軟件的平臺上本方案選擇VRED。硬件信號傳輸通路如圖7所示。

虛擬現(xiàn)實(shí)頭盔相關(guān)的硬件環(huán)境構(gòu)成如圖8所示：

6.3 數(shù)字孿生模型與虛擬場景相互位置綁定

虛擬物體和現(xiàn)實(shí)物體綁定后會存在虛擬與現(xiàn)實(shí)的偏差，原因在于追蹤器的原點(diǎn)與矩陣變換中心綁定，而不是和現(xiàn)實(shí)中的固定位置綁定。在軟件綁定之后需要在軟件中進(jìn)行調(diào)整，三維數(shù)據(jù)依據(jù)整車坐標(biāo)系搭建，數(shù)據(jù)的原點(diǎn)就是整車坐標(biāo)系的原點(diǎn)，可以通過整車坐標(biāo)系中的原點(diǎn)進(jìn)行定位。以整車左右中心對稱面為Y0平面，以垂直與Y0面且平行于地面的平面為Z0平面，以垂直Y0平面同時垂直Z0平面且過前輪輪心的平面為X0平面。Y0平面和Z0平面的交線為x軸，X0平面和Y0平面的交線為z軸，X0平面和Z0平面的交線為y軸，原點(diǎn)在三軸相交處。將追蹤器固定與Y0平面上，則可將該坐標(biāo)系簡化，只取x軸和y軸兩個方向。矩陣變換中心是包含其子集所有物體的長方體尺寸中心，在本方案中可視為車輛模型的尺寸，則車輛模型的尺寸中心M0應(yīng)為：

式中：

——車輛模型總長度，m；

——車輛模型總高度，m；

——車輛模型前懸長度，m；

——車輪半徑，m。

座艙依據(jù)地面進(jìn)行尺寸測量和位置調(diào)整，而每輛車的輪胎直徑都不一樣，所以無法根據(jù)整車坐標(biāo)系進(jìn)行定位?，F(xiàn)提出一種進(jìn)行測量定位的方法。將追蹤器固定好后便可確定追蹤器相對地面的高度。在x軸上坐標(biāo)可通過門板鉸鏈進(jìn)行推導(dǎo)。在三維數(shù)據(jù)中，門板鉸鏈與數(shù)據(jù)原點(diǎn)在Y0平面上的距離和追蹤器距與門板鉸鏈的距離可測量出。則Vive追蹤器的位置MV應(yīng)該為：

式中：

——門板鉸鏈與數(shù)據(jù)原點(diǎn)在Y0平面上的距離，m；

——追蹤器距與門板鉸鏈的距離，m；

——追蹤器相對地面的高度，m。

可知矩陣變換中心在x軸和y軸兩個方向上調(diào)整的位置距離為：

與在整車坐標(biāo)系中的位置關(guān)系可見圖9。座艙綁定好后再以此為依據(jù)將車門和方向盤的位置進(jìn)行調(diào)整、匹配，最后在虛擬場景中進(jìn)行進(jìn)一步的調(diào)試匹配，以確認(rèn)人體的感知準(zhǔn)確。

7 應(yīng)用與實(shí)踐

在孿生數(shù)字虛擬模型設(shè)計完成后，我們在某乘用車公司最新開發(fā)的某車型進(jìn)行了計算機(jī)數(shù)字孿生模型評審取代實(shí)物模型評審的首次應(yīng)用。

此次應(yīng)用主要在整車內(nèi)外飾設(shè)計方案評審上進(jìn)行，相對比汽車外形模型，內(nèi)飾模型方案零部件多、不同的色彩紋理材質(zhì)多，同時零件匹配以及安裝機(jī)構(gòu)更為復(fù)雜，因此更能去檢驗(yàn)虛擬現(xiàn)實(shí)評審的可行性和可靠性。

7.1 數(shù)字孿生模型的項(xiàng)目評審實(shí)踐

數(shù)字孿生模型評審由外形評審和內(nèi)飾評審兩部分組成。外形評審時，評審者佩戴虛擬現(xiàn)實(shí)頭盔，手持手部控制器，在設(shè)置好的活動區(qū)域內(nèi)對虛擬模型車進(jìn)行自由觀察，可以用手部控制器選擇下一個觀察點(diǎn)的位置和初始觀察角度，圖10。

內(nèi)飾評審時，評審者佩戴虛擬現(xiàn)實(shí)頭盔，坐在座艙中，手持手部控制器對雙手進(jìn)行模擬，查看內(nèi)飾設(shè)計的每一處細(xì)節(jié)，同時可以感受內(nèi)飾按鍵等人機(jī)工程操作可靠性，可通過預(yù)設(shè)角度體驗(yàn)各個位置的空間感和設(shè)計，圖11為內(nèi)飾評審時的虛擬座艙。

7.2 評審者關(guān)注的內(nèi)飾模型重點(diǎn)區(qū)域虛擬驗(yàn)證

在汽車設(shè)計評審使用過程中，評審者在自由觀看過程中會重點(diǎn)關(guān)注一些區(qū)域，并表現(xiàn)出一定的行為習(xí)慣。針對這一問題，我們預(yù)先在傳統(tǒng)實(shí)物模型評審過程中對6位評審者進(jìn)行了仔細(xì)觀察并記錄下評審者的行為，評審者對于方向盤、中控屏、中控臺、門板這些可觸及的地方表現(xiàn)出很大的興趣，會結(jié)合人機(jī)工程進(jìn)行評審。評審者也會對半艙樣件模型中沒有的頂棚和后排座椅也表現(xiàn)出極大的興趣。

根據(jù)這些決策者的評審習(xí)慣，我們在使用虛擬現(xiàn)實(shí)頭盔進(jìn)行虛擬評審時，重點(diǎn)去記錄評審者在虛擬環(huán)境下對這些重點(diǎn)區(qū)域的感知情況，表1是在評審過程中針對6位戴頭盔的評審者，做的實(shí)時評審感受的記錄，從反饋的情況數(shù)據(jù)來看，評審者可以通過頭盔，真實(shí)的感受到數(shù)字孿生模型95%以上的細(xì)節(jié)區(qū)域，基本上達(dá)到了和使用實(shí)物模型評審相同的效果。這就反映出采用數(shù)字孿生模型評審的可靠性和可依賴性。

7.3 數(shù)字孿生模型對于汽車顏色和材質(zhì)的還原驗(yàn)證

對汽車造型設(shè)計而言，汽車外形顏色也是重要的組成部分，在公司決策層的評審內(nèi)容里，也包含對于不同色彩方案的選擇。每個車型都有多個色彩可以選擇，顏色的匹配度也是衡量整車感知質(zhì)量的重要因素。

為了驗(yàn)證虛擬現(xiàn)實(shí)頭盔里對于設(shè)計方案顏色的的真實(shí)表現(xiàn)還原情況，我們通過制作了大量的實(shí)物的色板，這些色代表了正在研發(fā)的車型上潛在或者將要嘗試使用的色彩方案，如圖12所示。

色板制作完成后通過計算機(jī)將色板模擬成不同的虛擬顏色材質(zhì)庫，再江此材質(zhì)庫里不同的虛擬材質(zhì)映射到虛擬樣車模型上，如圖13，所示。虛擬材質(zhì)最終實(shí)施到虛擬樣車模型上，做成虛擬樣車模型在虛擬頭盔里展示出來。經(jīng)過多位評審者者戴上虛擬頭盔后，對于虛擬車身顏色真實(shí)的視覺感受和色板進(jìn)行對比后，一致認(rèn)為無法從肉眼上分辨出兩者的差別，驗(yàn)證了虛擬模型從評審者的視角真實(shí)還原了顏色的信息。

8 結(jié)論與展望

本文提出一套針對汽車造型設(shè)計評審的新方法，為數(shù)字孿生技術(shù)在汽車評審中的應(yīng)用建立新的思路。啟發(fā)汽車設(shè)計師使用全數(shù)字化虛擬的手段去展示自己的設(shè)計方案供領(lǐng)導(dǎo)層決策，對汽車研發(fā)企業(yè)縮短研發(fā)周期，節(jié)省研發(fā)費(fèi)用也有非常大的促進(jìn)作用。結(jié)合在企業(yè)實(shí)際項(xiàng)目中應(yīng)用的嘗試，證明了使用數(shù)字孿生模型進(jìn)行評審的方法是可靠的和可以依賴的。

隨著計算機(jī)水平、圖形圖像顯示等技術(shù)進(jìn)一步的發(fā)展，數(shù)字孿生技術(shù)能進(jìn)一步突破現(xiàn)有技術(shù)的束縛，會朝著更加高包容度、更加真實(shí)化、更加順暢的方向發(fā)展。除了在設(shè)計評審領(lǐng)域使用外，在虛擬整車試驗(yàn)、虛擬人機(jī)校核等等領(lǐng)域也會產(chǎn)生極大的應(yīng)用價值。我們相信，不久的將來，數(shù)字孿生技術(shù)一定會在汽車研發(fā)的各個領(lǐng)域都成為主要的技術(shù)手段。

參考文獻(xiàn)：

[1]方新國，王贊強(qiáng)，高健權(quán).基于Leap Motion的手勢交互系統(tǒng)設(shè)計[J].機(jī)械設(shè)計與研究， 2020， 36（02）： 128-132+153．

[2]王華杰，程建新.基于模糊評價的城市客車造型設(shè)計[J]. 機(jī)械設(shè)計與研究， 2020， 36（02）： 124-127.

[3]陶飛，張賀，戚慶林，等. 數(shù)字孿生模型構(gòu)建理論及應(yīng)用[J]. 計算機(jī)集成制造系統(tǒng)，2021，27（1）：1-15. DOI：10.13196/j.cims.2021.01.001.

[4]張辰源，陶飛. 數(shù)字孿生模型評價指標(biāo)體系[J]. 計算機(jī)集成制造系統(tǒng)，2021，27（8）：2171-2186. DOI：10.13196/j.cims.2021.08.001.

[5]LAWSON， GLYN， SALANITRI， DAVIDE， WATERFIELD， BRIAN. Future directions for the development of virtual reality within an automotivemanufacturer[J].Applied rgonomics，2016，53（Pt.B）：323-330. DOI：10.1016/j.apergo.2015.06.024.

[6]VASSILIS CHARISSIS， KWEKU F. BRAM-LARBI， RAMESH LAGOO， et al. Virtual Reality for Simulation and Evaluation： Technology Acceptance Models for Automotive Consumer Electronics[C]. //HCI International 2021 - Late Breaking Papers： Multimodality， eXtended Reality， and Artificial Intelligence： 23rd HCI International Conference， HCII 2021， Virtual Event， July 24-29， 2021， Proceedings.：Springer， 1：219-234.

[7]BARKOKEBAS， REGINA DIAS， LI， XINMING. Use of Virtual Reality to Assess the Ergonomic Risk of Industrialized Construction Tasks[J]. Journal of construction engineering and management，2021，147（3）：4020183.1-4020183.17. DOI：10.1061/（ASCE）CO.1943-7862.0001997.

[8]一汽奔騰轎車有限公司. 一種基于虛擬現(xiàn)實(shí)的汽車人機(jī)工程評價方法及評價系統(tǒng)：CN202110828014.2[P]. 2021-11-05.

[9]何貞毅. 混合現(xiàn)實(shí)眼鏡的交互設(shè)計與應(yīng)用研究[D]. 上海： 上海交通大學(xué)， 2015.

[10]Effects of augmented reality glasses on the cognitive load of assembly operators in the automotive industry Hilal Atici-UlusuYagmur Dila IkizOzlem Taskapilioglu-《International Journal of Computer Integrated Manufacturing》2021年5期.

[11]Hirose M， Hirota K， Ogi T， et al. HapticGEAR： the development of a wearable force display system for immersive projection displays[C]//Proceedings IEEE Virtual Reality 2001. IEEE， 2001： 123-129.

[12]Challenges in passenger use of mixed reality headsets in cars and other transportation McGill， MarkWilliamson， JulieNg， Alexander -《Virtual reality》2020年4期.

[13]基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的汽車類虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目構(gòu)建與實(shí)施 周錫恩韋國耀毛彩云等-《中國教育技術(shù)裝備》2019年16期.

[14]韓玉仁， 李鐵軍， 楊東. 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)中三維跟蹤注冊技術(shù)概述[J]. 計算機(jī)工程與應(yīng)用， 2019， 55（21）： 26-35[2021-09-06].

[15]張鳳軍， 戴國忠， 彭曉蘭. 虛擬現(xiàn)實(shí)的人機(jī)交互綜述[J]. 中國科學(xué)： 信息科學(xué)： 2016， 46（12）：1711-1736.