董贇瑜，吳海波，曲志鵬

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虛擬現(xiàn)實(shí)在整車光順評(píng)審中的應(yīng)用

董贇瑜，吳海波，曲志鵬

（上汽大眾汽車有限公司，上海 201804）

光順是整車開發(fā)的重要環(huán)節(jié)，對(duì)汽車車身質(zhì)量和開發(fā)周期有著重要的影響，引出了利用虛擬現(xiàn)實(shí)進(jìn)行整車光順評(píng)審的重要性，以及利用虛擬現(xiàn)實(shí)進(jìn)行整車光順評(píng)審的具體流程及實(shí)際應(yīng)用。

虛擬現(xiàn)實(shí)；光順；整車光順評(píng)審

前言

在汽車整個(gè)研發(fā)過程中，光順是整車開發(fā)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，對(duì)車身質(zhì)量和研發(fā)周期都有非常重要的影響，光順是汽車所有可見表面的幾何生成，也是連接造型與技術(shù)的橋梁，評(píng)審?fù)ㄟ^的光順數(shù)據(jù)才可以用于模具開模。虛擬現(xiàn)實(shí)可以非常真實(shí)地模擬零件的材質(zhì)，皮紋，陰影以及三維環(huán)境，光照信息，眼點(diǎn)信息等，所以虛擬現(xiàn)實(shí)被廣泛地應(yīng)用于國內(nèi)外各大車企的整車光順驗(yàn)收評(píng)審中，它將大大地提升工作效率，縮短研發(fā)周期，降低研發(fā)成本。

1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是一種可以創(chuàng)建和體驗(yàn)虛擬世界的計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)，它利用計(jì)算機(jī)生成一種模擬環(huán)境，是一種多源信息融合的、交互式的三維動(dòng)態(tài)視景和實(shí)體行為的系統(tǒng)仿真，使用戶沉浸到該環(huán)境中。虛擬現(xiàn)實(shí)最大的優(yōu)點(diǎn)就是高度逼真化，在合理正確地應(yīng)用好虛擬現(xiàn)實(shí)軟件中的場(chǎng)景，三維數(shù)據(jù)的陰影，光照等信息后，會(huì)讓人感覺有一臺(tái)真實(shí)的汽車擺在面前，從感官上直觀地評(píng)價(jià)整車的內(nèi)外飾光順質(zhì)量，造型方案，材質(zhì)，零件匹配性，反光等。目前，國內(nèi)外各大車企普遍應(yīng)用Vred和RTT軟件進(jìn)行整車光順評(píng)審。

2 利用虛擬現(xiàn)實(shí)進(jìn)行整車光順評(píng)審的流程

三維場(chǎng)景信息及三維模型信息是利用虛擬現(xiàn)實(shí)進(jìn)行整車評(píng)審的前提和必要條件。首先要制作接近于真實(shí)的三維場(chǎng)景，一般運(yùn)用全景圖拍攝或者三維場(chǎng)景建模的形式表現(xiàn)，目前全景圖拍攝效率高，成本低而被廣泛運(yùn)用于虛擬現(xiàn)實(shí)展示中。360°全景圖的拍攝需要使用超廣角鏡頭以及云臺(tái)來配合拍攝。以節(jié)點(diǎn)為中心，對(duì)周圍環(huán)境進(jìn)行360度全方位的內(nèi)容拍攝，最終合并成一張高精度的帶有光照信息的HDR圖片，并在后期的虛擬現(xiàn)實(shí)軟件中對(duì)場(chǎng)景圖片進(jìn)行飽和度，對(duì)比度等調(diào)整，然后將此場(chǎng)景作用于三維的車型數(shù)據(jù)。而三維場(chǎng)景建模通常使用Maya，3dmax或Alias等軟件，在虛擬現(xiàn)實(shí)軟件中對(duì)建立好的場(chǎng)景模型進(jìn)行相應(yīng)的材質(zhì)調(diào)整，最后模擬真實(shí)的場(chǎng)景光源并融入場(chǎng)景；整車光順評(píng)審時(shí)需要將整車放在不同的虛擬場(chǎng)景下進(jìn)行對(duì)比評(píng)審。

圖1 360°全景圖拍攝原理

圖2 3dmax中三維場(chǎng)景建模

虛擬現(xiàn)實(shí)中的三維數(shù)據(jù)原始輸入是wire或者catia格式的光順數(shù)據(jù)。當(dāng)光順數(shù)據(jù)導(dǎo)入軟件后，需要對(duì)零件的網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)分，法線調(diào)整，材質(zhì)色彩等進(jìn)行設(shè)定，最后要進(jìn)行零件的烘焙，來計(jì)算零件自身在環(huán)境下的陰影以及零件與零件間的陰影，在計(jì)算機(jī)硬件條件允許的情況下可以使用RT（光線追蹤渲染），陰影效果會(huì)好很多，更加融入環(huán)境。

圖3 在360HDR的環(huán)境中進(jìn)行虛擬整車評(píng)審

圖4 在三維建模場(chǎng)景中進(jìn)行虛擬整車評(píng)審

三維場(chǎng)景及三維數(shù)據(jù)建立好后，在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中設(shè)置好客戶評(píng)價(jià)視角，配置切換，材質(zhì)切換，場(chǎng)景切換等，然后將這套虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)逼真地展現(xiàn)在評(píng)審者面前，為了檢驗(yàn)光順數(shù)據(jù)的質(zhì)量及技術(shù)可行性，會(huì)在長6m的大屏幕上做1：1的虛擬現(xiàn)實(shí)展示，考慮到虛擬現(xiàn)實(shí)軟件會(huì)模擬人眼透視的效果，目前在外形評(píng)審時(shí)普遍采用FOV為25左右，內(nèi)飾評(píng)審時(shí)FOV為45左右，具體根據(jù)整車尺寸及屏幕大小做適當(dāng)?shù)卣{(diào)整。全尺寸的車身及內(nèi)外飾的三維立體影像能逼真地呈現(xiàn)在設(shè)計(jì)者眼前，評(píng)審人員能從不同位置實(shí)時(shí)查看整車的不同角度，可以直觀地對(duì)整車光順數(shù)據(jù)，造型方案，零件匹配性等進(jìn)行全方位地評(píng)價(jià)。

3 利用虛擬現(xiàn)實(shí)進(jìn)行整車反光檢測(cè)

在整車光順評(píng)審中，借助虛擬現(xiàn)實(shí)進(jìn)行反光檢測(cè)也是光順評(píng)審的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。

光線追蹤是一種用來根據(jù)一定的場(chǎng)景描述生成計(jì)算機(jī)合成圖像的技術(shù)，他模擬自然界光的傳輸過程，但與之相反的是，它通過以攝像機(jī)為起點(diǎn)，朝著屏幕每個(gè)像素點(diǎn)的方向發(fā)射光線，這些光線在場(chǎng)景中與表面進(jìn)行交互與傳播，最終擊中一個(gè)光源或發(fā)光體。盡管光線在場(chǎng)景中會(huì)按照光學(xué)規(guī)律經(jīng)過多次反彈才會(huì)與光源或發(fā)光體相遇，然而早期限于計(jì)算機(jī)硬件性能以及光照算法的發(fā)展，我們并不能模擬完整的光照傳輸。最早的光線追蹤技術(shù)稱為光線投射，它首先從攝像機(jī)發(fā)出一條可視光線以找到場(chǎng)景中每個(gè)像素的可視點(diǎn)，然后從這個(gè)可視點(diǎn)向光源發(fā)射一條陰影光線以求出該可視點(diǎn)的顏色，光線投射技術(shù)是對(duì)渲染方程的以下近似：

光線追蹤都在光線投射的基礎(chǔ)上，讓光線沿反射或折射方向繼續(xù)遞歸地傳播，直到遇到光源為止。在該算法中，當(dāng)一個(gè)光線擊中一個(gè)表面時(shí)，它隨機(jī)產(chǎn)生3條光線，即反射光，折射光和陰影光線。

圖6 光線追蹤原理

所以在模擬更加真實(shí)的虛擬現(xiàn)實(shí)內(nèi)容時(shí)，光線跟蹤經(jīng)常被用到，比如傳統(tǒng)的汽車反光問題通常在汽車設(shè)計(jì)階段不會(huì)被發(fā)現(xiàn)，要在制作出實(shí)體模型后結(jié)合實(shí)際的光照環(huán)境才會(huì)發(fā)現(xiàn)問題，利用虛擬現(xiàn)實(shí)中光線追蹤功能可以模擬真實(shí)的光照環(huán)境，從而在汽車前期開發(fā)階段就盡早地發(fā)現(xiàn)問題。在整車評(píng)審中，利用光線追蹤進(jìn)行整車反光檢測(cè)也是必不可少的環(huán)節(jié)。

比如利用光線追蹤來檢查縫道的均勻性，如下兩圖所示分別是在未利用光線追蹤和利用光線追蹤技術(shù)后模擬前蓋在上格柵高亮鍍鉻邊框上的反光效果，黑色陰影的寬度均勻性同時(shí)也反應(yīng)了縫道的均勻程度。

圖7 上格柵與前蓋的縫道在未利用光線追蹤下的表現(xiàn)

圖8 利用光線追蹤技術(shù)評(píng)價(jià)前蓋與上格柵縫道的均勻性

同樣，儀表板上的反光件也會(huì)不同程度地在前門玻璃上產(chǎn)生投影，在駕駛員看后視鏡的時(shí)候會(huì)不同程度的影響視野，造成潛在危險(xiǎn)。通過虛擬現(xiàn)實(shí)光線追蹤技術(shù)可以在汽車前期設(shè)計(jì)階段直觀地展現(xiàn)儀表板反光件對(duì)駕駛員的影響程度。評(píng)審人員甚至可以通過虛擬現(xiàn)實(shí)軟件結(jié)合3D頭盔的形式身臨其境地感受到反光效果以及對(duì)駕駛的影響程度。

圖9 外后視鏡反光在虛擬現(xiàn)實(shí)中未利用光線追蹤下的表現(xiàn)

圖10 外后視鏡反光在虛擬現(xiàn)實(shí)中利用光線追蹤下的表現(xiàn)

圖11 外后視鏡反光在真實(shí)場(chǎng)景下的表現(xiàn)

利用光線追蹤進(jìn)行虛擬現(xiàn)實(shí)數(shù)據(jù)渲染及實(shí)時(shí)展示對(duì)于計(jì)算機(jī)硬件的要求非常高，在單機(jī)情況下會(huì)花費(fèi)很多時(shí)間等待實(shí)時(shí)光線追蹤結(jié)果，特別是在完整的全局照明情況下需要多節(jié)點(diǎn)的集群同時(shí)參與渲染。渲染速度主要和虛擬現(xiàn)實(shí)數(shù)據(jù)多邊形數(shù)量以及材質(zhì)，光照等有關(guān)，數(shù)量越多越耗時(shí)。同一數(shù)據(jù)模型，在不同的場(chǎng)景情況下，渲染速度也是不同的。室內(nèi)的場(chǎng)景會(huì)消耗更多的CPU資源，因?yàn)樵谑彝夤庾觾H僅被計(jì)算一到兩次，但是在室內(nèi)，光子會(huì)不停地反射和折射，會(huì)被計(jì)算很多次。在光順評(píng)審中，目前少數(shù)整車企業(yè)已開始采用多節(jié)點(diǎn)方式對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)展示。

4 3D頭盔結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)進(jìn)行整車沉浸式評(píng)價(jià)

除了利用虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)在大屏幕上進(jìn)行1：1的整車光順評(píng)審?fù)?，目前越來越多的車企開始利用3D頭盔與虛擬現(xiàn)實(shí)軟件項(xiàng)結(jié)合，給評(píng)審者提供“身臨其境”的三維體驗(yàn)，眼睛看到的數(shù)據(jù)模型和實(shí)物模型有非常高的吻合度。戴上頭戴顯示器后不僅可以圍繞著虛擬整車進(jìn)行外飾評(píng)價(jià)，還可以結(jié)合虛擬座艙進(jìn)行內(nèi)飾和人機(jī)評(píng)價(jià)。通過這種評(píng)審方式，工作效率不僅得到了有效提升，還可以在有限的時(shí)間內(nèi)對(duì)多種設(shè)計(jì)方案進(jìn)行快速高效評(píng)審，在一定程度上也減少了實(shí)體模型的制作。如HTC公司的HTC VIVE，整款產(chǎn)品包含一個(gè)頭戴顯示器、兩個(gè)手持控制器和定位系統(tǒng)，通過嘗試將上述硬件與VR軟件在Steam VR平臺(tái)上整合為沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)評(píng)審系統(tǒng)，為整車研發(fā)提供虛擬的評(píng)審、交互平臺(tái)，軟硬件具有較好的兼容性，評(píng)審者可以通過手柄操作來改變交互的內(nèi)容，如截面剪切，開關(guān)門等。但目前體驗(yàn)下來，該套頭盔分辨率還是不夠高，在體驗(yàn)過程中顆粒感明顯，還不能夠完全滿足光順數(shù)字模型的評(píng)審，所以部分車企目前開始嘗試工業(yè)化頭盔以達(dá)到更高的分辨率，相信隨著產(chǎn)品的不斷更新?lián)Q代，以上硬件方面的問題也會(huì)很快會(huì)得到解決。

5 基于虛擬現(xiàn)實(shí)的360°整車離線評(píng)價(jià)系統(tǒng)

圖13 基于虛擬現(xiàn)實(shí)和數(shù)字化研發(fā)的360°整車離線評(píng)價(jià)系統(tǒng)

基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和數(shù)字化研發(fā)手段而開發(fā)的360°整車離線評(píng)價(jià)系統(tǒng)，可以隨時(shí)隨地離線地在電腦端，移動(dòng)端隨意瀏覽整車內(nèi)外飾光順數(shù)據(jù)，并在整車光順實(shí)物模型評(píng)價(jià)，以及整車試車過程中，可以隨意進(jìn)行模型實(shí)物狀態(tài)與光順理論狀態(tài)的對(duì)比。大大降低了人工成本和研發(fā)效率。同時(shí)這套虛擬現(xiàn)實(shí)展示系統(tǒng)還可以作為汽車銷售的輔助手段，并可望在很大程度上降低汽車及其配件的銷售成本，從而為汽車及其配件的可銷售性提供支持。

6 結(jié)論

整車光順評(píng)審的質(zhì)量和周期直接決定了整車的開發(fā)周期以及量產(chǎn)車客戶可見表面的質(zhì)量，利用虛擬現(xiàn)實(shí)進(jìn)行整車光順評(píng)審和整車虛擬開發(fā)已是眾多車企的發(fā)展趨勢(shì)，虛擬現(xiàn)實(shí)所具備的高度逼真性，高度沉浸感，交互性等特點(diǎn)為整車研發(fā)帶來了非?？捎^的經(jīng)濟(jì)性與時(shí)效性，相信隨著未來軟硬件的不斷升級(jí)，虛擬現(xiàn)實(shí)必將會(huì)給評(píng)審者帶來更好的體驗(yàn)，也必將會(huì)取代更多的實(shí)物模型。

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Application of virtual reality in vehicle surfacing evaluation

Dong Yunyu, Wu Haibo, Qu Zhipeng

( Shanghai Volkswagen Co. Ltd, Shanghai 201804 )

Surfacing is an important part of vehicle development. It has an important influence on the quality and develop -ment cycle of the vehicle. This paper introduces the importance of using virtual reality to evaluate vehicle surfacing, as well as the process and practical application of using virtual reality to evaluate vehicle surfacing.

virtual reality; surfacing; surfacing evaluation of vehicle

U463.8

B

1671-7988(2019)08-261-04

U463.8

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1671-7988(2019)08-261-04

董贇瑜，碩士研究生，就職于上汽大眾汽車有限公司，研究方向?yàn)檎囂摂M開發(fā)，數(shù)字化系統(tǒng)開發(fā)，光順設(shè)計(jì)等。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.08.087