張曉蕾 莊翠萍 謝耀儀

（一汽-大眾汽車有限公司，長春 130013）

縮略語

GPU Graphics Processing Unit

VR Virtual Reality

UI User Interface

DVR Data Virtual Review

HMI Human Machine Interface

AR Augmented Reality

PC Personal Computer

UE5 Unreal Engine 5

0 引言

汽車是人類社會(huì)中最為重要的交通工具之一。隨著社會(huì)的發(fā)展，人們對于汽車的要求也越來越高。汽車外觀設(shè)計(jì)是吸引消費(fèi)者注意力的重要因素之一，因此，汽車制造企業(yè)需要投入大量研發(fā)資源來進(jìn)行汽車造型的設(shè)計(jì)和評估。然而，傳統(tǒng)汽車造型油泥模型評審存在著效率低、研發(fā)成本高的問題，針對這些問題，虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality,VR）技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，并且被廣泛應(yīng)用于汽車制造行業(yè)[1]。

本文開發(fā)一套全新的汽車虛擬數(shù)據(jù)評審系統(tǒng)，既徹底擺脫傳統(tǒng)陰影預(yù)烘焙渲染技術(shù)，實(shí)時(shí)提供高度現(xiàn)實(shí)逼真的動(dòng)態(tài)評審畫質(zhì)，又具備數(shù)據(jù)處理靈活、評審流程完整的功能，大幅度提高汽車造型虛擬數(shù)據(jù)評審效率與質(zhì)量，并已經(jīng)逐步應(yīng)用于新產(chǎn)品造型評審。

1 陰影預(yù)烘焙渲染技術(shù)

汽車造型設(shè)計(jì)3D可視化數(shù)據(jù)評審依托陰影預(yù)烘焙渲染技術(shù)[2]，可以保證較高的虛擬評審交互流暢度。然而，陰影預(yù)烘焙渲染技術(shù)需要設(shè)計(jì)師提前花費(fèi)大量時(shí)間計(jì)算虛擬場景內(nèi)的燈光信息，并以貼圖的方式疊加到三維模型上，給評審專家一種視覺上的真實(shí)感。和光線追蹤實(shí)時(shí)渲染技術(shù)相比[3]，陰影預(yù)烘焙渲染技術(shù)存在如下缺點(diǎn)。

（1）陰影烘焙渲染在每次更新數(shù)據(jù)后需要重新計(jì)算燈光信息，而造型研發(fā)過程中數(shù)據(jù)迭代頻繁，不斷重復(fù)計(jì)算需占用大量人力及時(shí)間資源。

（2）陰影烘焙渲染只適用于靜態(tài)場景，對于動(dòng)態(tài)場景需要進(jìn)行實(shí)時(shí)渲染，因此陰影預(yù)烘焙渲染技術(shù)難以應(yīng)對動(dòng)態(tài)場景。

（3）相對于實(shí)時(shí)渲染來說，陰影烘焙渲染真實(shí)度較低，難以達(dá)到高度真實(shí)的效果。

目前，虛擬技術(shù)廣泛應(yīng)用在全生命周期汽車產(chǎn)品和制造流程中（圖1），可以實(shí)現(xiàn)快速對設(shè)計(jì)方案進(jìn)行修改和調(diào)整。在汽車產(chǎn)業(yè)不斷縮短研發(fā)周期，快速實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品迭代的大背景下，陰影烘焙渲染對提高研發(fā)效率和提升渲染質(zhì)量方面，無法滿足汽車產(chǎn)品和制造全生命周期虛擬性能開發(fā)和提升市場競爭力的要求。

圖1 虛擬技術(shù)在產(chǎn)品開發(fā)中的應(yīng)用[1]

此外，隨著元宇宙[4]時(shí)代的到來，汽車造型虛擬評審的要求也會(huì)越來越高。未來，陰影預(yù)烘焙渲染技術(shù)將無法滿足汽車產(chǎn)品和制造全生命周期高效、高質(zhì)量虛擬性能開發(fā)需求。

2 虛幻引擎介紹

虛幻引擎（UE5）是一款由Epic Games公司開發(fā)的游戲引擎[5]，用于創(chuàng)建各種類型游戲、虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality,VR）和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（Augmented Reality,AR）應(yīng)用程序，以及用于影視和建筑可視化。

虛幻引擎提供了一套強(qiáng)大的工具和編輯器，使開發(fā)人員可以創(chuàng)建高品質(zhì)圖形和物理效果，獲得更好的交互性和沉浸式游戲體驗(yàn)，支持多個(gè)平臺(tái)，包括PC、主機(jī)游戲機(jī)、移動(dòng)設(shè)備和虛擬現(xiàn)實(shí)頭戴設(shè)備。虛幻引擎還具有開放性，使開發(fā)人員能夠自定義功能和擴(kuò)展引擎功能，以滿足特定項(xiàng)目需要。最近幾年，虛幻引擎也逐漸被運(yùn)用到汽車行業(yè)不同的細(xì)分領(lǐng)域（圖2）。

圖2 虛幻引擎在汽車行業(yè)應(yīng)用[6]

2.1 UE5汽車評審優(yōu)勢

（1）更好的可視化效果

首先，UE5憑借其先進(jìn)的Lumen 全局光照算法[7]，使得企業(yè)無需為圖像處理單元（Graphics Processing Unit，GPU）串聯(lián)工作站投入巨資，便可運(yùn)行實(shí)時(shí)光線追蹤技術(shù)，徹底擺脫傳統(tǒng)的陰影預(yù)烘焙渲染技術(shù)，動(dòng)態(tài)計(jì)算全局光照，模擬光線在場景中的傳播和反射，從而實(shí)現(xiàn)更加真實(shí)的光影效果。其次，UE5支持一種全新技術(shù)Nanite。Nanite 可以同時(shí)渲染擁有數(shù)十億個(gè)三角面[8]的高精度模型，并且不會(huì)影響渲染速度和性能，這項(xiàng)技術(shù)能力是其它離線渲染軟件遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法比擬的，高精度模型保證了超高質(zhì)量細(xì)節(jié)，對于提高汽車造型評審真實(shí)度至關(guān)重要。

（2）更高的可定制性

UE5作為一款強(qiáng)大的游戲開發(fā)引擎，具有高度的可定制性[9]。通過獨(dú)特的藍(lán)圖編程系統(tǒng)，汽車設(shè)計(jì)師可快速創(chuàng)建自定義汽車造型評審用戶界面（User Interface,UI）和邏輯功能與造型評審流程。同時(shí)，C++藍(lán)圖系統(tǒng)類似于流程圖的圖形化界面，使用簡單，使得造型設(shè)計(jì)師可以更直觀地設(shè)計(jì)和修改評審交互邏輯，從而實(shí)現(xiàn)提高汽車虛擬評審前期開發(fā)效率和可定制性（圖3）。

圖3 UE5藍(lán)圖編程界面

（3）豐富的多平臺(tái)支持

UE5是一種支持多平臺(tái)的游戲引擎，可用于創(chuàng)建游戲和其它互動(dòng)應(yīng)用程序。支持多平臺(tái)意味著UE5可以創(chuàng)建在多種不同類型設(shè)備和操作系統(tǒng)上運(yùn)行的應(yīng)用程序，比如2022 年虛幻引擎與高合HiPhi Z 的跨界融合[10]，將“真3D”應(yīng)用于高合HiPhi Z 數(shù)字座艙人機(jī)交互（Human Machine Interface, HMI），通過實(shí)時(shí)渲染技術(shù)獲得周圍環(huán)境的實(shí)時(shí)感知，以“一鏡到底”和“數(shù)字孿生”的特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)人機(jī)自由交互（圖4）。因此，可基于虛幻引擎開發(fā)虛擬現(xiàn)實(shí)(Virtual Reality,VR)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（Augmented Reality, AR）和個(gè)人計(jì)算機(jī)（Personal Computer, PC）汽車虛擬評審應(yīng)用程序，并可在不同平臺(tái)上隨時(shí)隨地開展汽車造型虛擬評審工作。

圖4 高合HiPhi Z人機(jī)交互界面首次搭載Unreal 虛幻引擎[10]

傳統(tǒng)離線渲染器和當(dāng)前流行的實(shí)時(shí)游戲開發(fā)引擎UE5 優(yōu)劣勢分析見表1。從表1 可以看出，隨著實(shí)時(shí)光線追蹤技術(shù)的普及，同時(shí)考慮到企業(yè)研發(fā)成本，未來UE5將會(huì)更多地應(yīng)用于汽車研發(fā)造型評審工作。

表1 傳統(tǒng)離線渲染器與UE5對比

2.2 虛幻引擎應(yīng)用案例

帕加尼汽車公司用虛幻引擎打造了視覺逼真的銷售配置器[11]。帕加尼高端客戶群體能夠挑選不同的選裝件和定制功能，包括豐富多彩的配色、不同飾面和材料，然后以前所未有的精細(xì)程度呈現(xiàn)顧客心儀的配置。這款實(shí)時(shí)配置器還允許帕加尼客戶在各種環(huán)境和情境中看到未來超跑風(fēng)采，例如沿著濱海公路奔馳或者在演播室或博物館中展覽，體驗(yàn)各種可能的光線反射效果，每一次環(huán)境切換都可以通過點(diǎn)擊一個(gè)按鈕來實(shí)現(xiàn)（圖5）。

圖5 帕加尼虛幻引擎銷售配置[11]

寶馬集團(tuán)[12]在2014 年首次開始研究使用虛幻引擎實(shí)時(shí)工作流程。在3年內(nèi)，寶馬集團(tuán)每一個(gè)汽車研發(fā)項(xiàng)目都用上了虛幻引擎技術(shù)。該公司在規(guī)劃、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和銷售領(lǐng)域全面應(yīng)用虛幻引擎技術(shù)，寶馬集團(tuán)對虛幻引擎技術(shù)應(yīng)用在全球著名汽車制造商中處于領(lǐng)先地位。在虛擬環(huán)境中，寶馬集團(tuán)造型設(shè)計(jì)師和工程師現(xiàn)在可以一起進(jìn)行詳細(xì)的汽車造型設(shè)計(jì)與造型評審。在世界上的任何角落，不同職能和不同地點(diǎn)設(shè)計(jì)師和工程師都可以進(jìn)行協(xié)同造型設(shè)計(jì)與造型評審，參與成員就像玩聯(lián)機(jī)游戲一樣進(jìn)行交互與協(xié)同工作（圖6）。

圖6 基于虛幻引擎的寶馬汽車造型評審[12]

2016 年，全球著名汽車廣告商The Mill[13]開始使用實(shí)時(shí)渲染虛幻引擎，幫助汽車制造商將其產(chǎn)品可視化，用于快速原型設(shè)計(jì)和高端廣告視頻設(shè)計(jì)評審。

The Mill 團(tuán)隊(duì)利用虛化引擎，將視頻效果預(yù)覽推高到全新水平，展示了高質(zhì)量視覺效果，從而大大改善最終視頻或創(chuàng)作內(nèi)容表現(xiàn)力。因?yàn)榭梢詫?shí)時(shí)獲得反饋，所以團(tuán)隊(duì)能夠即時(shí)、精準(zhǔn)更改攝像機(jī)角度或光照參數(shù)，然后自動(dòng)填充到剪輯中，從而實(shí)現(xiàn)視頻更快速迭代，最終使視頻達(dá)到較高質(zhì)量水平（圖7）。

圖7 The Mill虛幻引擎汽車造型[13]

3 UE5汽車造型評審系統(tǒng)設(shè)計(jì)

通過上述虛幻引擎應(yīng)用案例可以看出，虛幻引擎UE5可以為汽車行業(yè)帶來逼真、互動(dòng)和沉浸式的視覺體驗(yàn)，同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)汽車虛擬數(shù)據(jù)可視化評審和演示功能，對汽車造型研發(fā)及銷售方面都有很大幫助。本文進(jìn)一步深入分析汽車造型評審功能需求，依托UE5 C++藍(lán)圖編程系統(tǒng)，搭建一款數(shù)據(jù)處理靈活、評審流程完整的汽車造型評審系統(tǒng)。結(jié)合多年汽車虛擬評審工作經(jīng)驗(yàn)，一套優(yōu)秀的汽車造型虛擬評審系統(tǒng)應(yīng)該滿足如下需求。

（1）實(shí)時(shí)渲染

隨著GPU 硬件設(shè)備的發(fā)展和實(shí)時(shí)光線追蹤渲染技術(shù)的普及，未來汽車造型設(shè)計(jì)評審將會(huì)逐漸擺脫傳統(tǒng)的費(fèi)時(shí)費(fèi)力、渲染效果較差的光影預(yù)烘焙技術(shù)，充分利用實(shí)時(shí)光線追蹤技術(shù)，展現(xiàn)出逼真的汽車反射、折射及實(shí)時(shí)光影效果，為汽車造型設(shè)計(jì)決策者提供最佳的汽車造型視覺化評審體驗(yàn)。

（2）高幀速率

幀速率[14]（Frame rate）是指1 s內(nèi)連續(xù)播放圖像幀數(shù)。在電影制作中，常用的幀速率為24 幀/s。這是因?yàn)?4 幀/s 的幀速率已經(jīng)能夠達(dá)到人眼無法分辨的視覺效果，即所謂的“視覺暫留現(xiàn)象”[15]。如果幀速率過低，人眼就會(huì)感受到圖像卡頓和不流暢，影響觀影體驗(yàn)。在汽車造型虛擬評審中，低幀速率的實(shí)時(shí)渲染可能會(huì)產(chǎn)生視覺錯(cuò)覺，例如抖動(dòng)、模糊等，導(dǎo)致造型評審人員無法準(zhǔn)確地判斷虛擬汽車的真實(shí)外觀和細(xì)節(jié)。因此，對于汽車虛擬評審交互幀速率也不應(yīng)該低于視覺極限值，即采用幀速率為24 幀/s。

（3）功能齊全

對于汽車造型虛擬評審，常用的虛擬評審功能包括變量集管理器、車門開閉動(dòng)畫、車燈燈效評審、評審視角切換功能。其中最核心功能就是變量集管理器，可以快速切換不同造型和內(nèi)飾色彩（Color Trim）方案，以及實(shí)現(xiàn)虛擬評審環(huán)境切換，以進(jìn)行高質(zhì)量造型虛擬評審、比較和分析，這對于造型設(shè)計(jì)師和工程師及造型評審專家非常重要。

（4）高效使用

一款全新汽車造型評審系統(tǒng)必須具備操作簡單、高效、快捷和流程自動(dòng)化的優(yōu)點(diǎn)。UE5屬于開源游戲引擎平臺(tái)，所有數(shù)據(jù)評審功能都需要設(shè)計(jì)師通過C++藍(lán)圖自行編程構(gòu)建，因此，在設(shè)計(jì)整個(gè)評審系統(tǒng)的邏輯框架時(shí)，必須要考慮到如何提升虛擬數(shù)據(jù)評審（DVR）前期準(zhǔn)備效率。

3.1 造型評審系統(tǒng)用戶界面（UI）設(shè)計(jì)

利用UE5 的UI 界面編輯器，搭建造型評審系統(tǒng)UI界面，如圖8所示。

圖8 造型虛擬評審系統(tǒng)UI界面

圖8中UI界面1級菜單從上到下對應(yīng)功能分別是車漆切換，車門開閉、車輪切換、燈效播放、環(huán)境切換、視角切換和參數(shù)設(shè)置。單擊一級菜單上的按鈕后將會(huì)彈出對應(yīng)的綠色、紫色、黃色2級菜單，讓數(shù)據(jù)評審人員可以快速定位并執(zhí)行相應(yīng)操作。其中綠色2級菜單包括評審畫面曝光調(diào)節(jié)、屏幕分辨率調(diào)節(jié)和景深開閉功能。紫色2級菜單可以實(shí)現(xiàn)汽車高配、中配、低配造型方案及內(nèi)飾Color Trim 方案切換。通過點(diǎn)擊1 級菜單里面的不同按鈕，都會(huì)調(diào)用并執(zhí)行系統(tǒng)后臺(tái)對應(yīng)的藍(lán)圖程序。

3.2 造型評審系統(tǒng)藍(lán)圖功能程序編寫

虛幻引擎藍(lán)圖程序是一種基于可視化編程的C++腳本語言[16]，可以讓開發(fā)者通過將預(yù)定義的C++節(jié)點(diǎn)拖拽連接來創(chuàng)建游戲邏輯，幫助開發(fā)者快速制作游戲、動(dòng)畫和交互式應(yīng)用程序，而無需編寫C++代碼，是一種易學(xué)、易用的編程工具，為開發(fā)者提供了更大自由度，為開發(fā)者發(fā)揮最大創(chuàng)造力提供便利。

變量集管理器是VR 設(shè)計(jì)師在數(shù)據(jù)評審之前需要頻繁使用的方案渲染設(shè)計(jì)工具，比如將不同的輪胎造型方案、不同的內(nèi)飾色彩搭配方案提前進(jìn)行歸類整理，在數(shù)據(jù)評審過程中通過點(diǎn)擊不同的UI 按鈕，去調(diào)用變量管理器中的藍(lán)圖代碼，以實(shí)現(xiàn)不同的造型方案切換功能。由于造型研發(fā)過程中前期需要決策者評審的方案數(shù)量眾多，因此在搭建變量管理器時(shí)需要特別注意其使用邏輯及流程，簡潔高效是第一準(zhǔn)則，否則會(huì)嚴(yán)重增加評審工作前期準(zhǔn)備的時(shí)間成本?？紤]到大部分VR 評審專家多使用傳統(tǒng)離線渲染器，同時(shí)滿足簡潔、高效的系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則，因此本文通過藍(lán)圖程序?qū)崿F(xiàn)了傳統(tǒng)離線渲染器變量集管理器功能的藍(lán)圖程序復(fù)制，以保證新開發(fā)的UE5 汽車評審系統(tǒng)使用習(xí)慣和傳統(tǒng)離線渲染器使用習(xí)慣保持一致（圖9）。

圖9 UE5變量集管理器使用界面

在完成汽車變量集管理器搭建工作之后，需要對其它評審功能分別編寫藍(lán)圖程序（圖10），評審功能包括車門開閉功能、評審環(huán)境切換功能、燈效展示功能、攝像機(jī)切換功能等一系列將近20個(gè)評審輔助功能。由于虛幻引擎是一款游戲引擎，在搭建應(yīng)用程序時(shí)需要用到游戲關(guān)卡思維，比如關(guān)卡A用于車型A評審，關(guān)卡B用于車型B評審。如果在評審車型A時(shí)，將各輔助功能藍(lán)圖直接寫在關(guān)卡A里，那么在評審車型B時(shí)，還需要重復(fù)在關(guān)卡B里編寫相同的功能藍(lán)圖。如此龐大的重復(fù)工作量將會(huì)讓整個(gè)評審系統(tǒng)無法達(dá)到簡潔、高效的搭建目標(biāo)，因此本文創(chuàng)新性地提出了藍(lán)圖模塊化思維，以車門開閉功能為例進(jìn)行闡述，詳見圖11。

圖10 變量管理器部分藍(lán)圖程序示意

圖11 車門開閉藍(lán)圖模塊程序示意

在資源管理器里新建一個(gè)不屬于任何關(guān)卡的空白藍(lán)圖模塊（actor），并命名為“車門開閉模塊”。根據(jù)實(shí)際需要編寫車門開閉藍(lán)圖，并暴露出便于后續(xù)方便調(diào)用的變量，比如前后左右車門數(shù)據(jù)選擇、車門打開度數(shù)、車門打開音效等。后續(xù)在對不同車型虛擬評審時(shí)，如果需要車門開閉動(dòng)畫展示，只需要將上述構(gòu)建的車門開閉actor 從資源管理器中拖入到對應(yīng)的關(guān)卡中即可（圖12），同時(shí)快速設(shè)置暴露出的變量參數(shù)便可使用車門開閉動(dòng)畫功能。

圖12 具備若干不同藍(lán)圖功能模塊的關(guān)卡展示

藍(lán)圖功能模塊化思維，可以大大提高虛幻引擎汽車評審前期準(zhǔn)備效率，當(dāng)然，除了汽車造型設(shè)計(jì)以外，藍(lán)圖模塊化思維也適用于其它任何產(chǎn)品評審配置器搭建。

3.3 設(shè)計(jì)網(wǎng)頁訪問功能

傳統(tǒng)汽車造型虛擬數(shù)據(jù)評審，依靠專門的VR 渲染在特定的時(shí)間、特定的地點(diǎn)操作展示，且對電腦有很高的硬件參數(shù)要求。如果在虛擬數(shù)據(jù)評審后評審專家要求繼續(xù)討論某一個(gè)造型方案，則需要重新預(yù)約會(huì)議，這樣勢必會(huì)降低造型決策效率。為了讓汽車虛擬評審系統(tǒng)達(dá)到最大利用價(jià)值，真正實(shí)現(xiàn)隨時(shí)隨地進(jìn)行汽車造型方案評審，利用虛幻引擎像素流技術(shù)[17]，實(shí)現(xiàn)讓用戶通過手機(jī)或者電腦網(wǎng)頁登錄評審系統(tǒng)，隨時(shí)查看方案數(shù)據(jù)，提升汽車造型設(shè)計(jì)決策效率。圖13是利用虛幻引擎UE5搭建的汽車造型數(shù)據(jù)評審系統(tǒng)網(wǎng)頁登錄端。訪問特定IP地址并用賬戶密碼驗(yàn)證登錄，便可進(jìn)入評審車型選擇界面（圖14），點(diǎn)擊車型選擇按鈕進(jìn)入對應(yīng)車型造型虛擬數(shù)據(jù)及方案查看界面。

圖13 汽車造型虛擬評審系統(tǒng)登陸界面

圖14 汽車虛擬評審系統(tǒng)車型選擇界面

4 總結(jié)與展望

首先，本文闡述了虛擬技術(shù)對汽車造型研發(fā)的重要性以及目前使用較多的陰影預(yù)烘焙渲染技術(shù)存在的缺點(diǎn)，由此引出并闡述了實(shí)時(shí)渲染游戲引擎UE5 對于汽車虛擬評審的優(yōu)勢。通過列舉案例，論證了虛幻引擎UE5 用于汽車造型虛擬評審的可行性。

其次，結(jié)合多年汽車虛擬評審經(jīng)驗(yàn)，分析了開發(fā)汽車造型虛擬評審系統(tǒng)需要考慮的因素，并利用UE5藍(lán)圖編程系統(tǒng)搭建了汽車造型評審UI 界面及相關(guān)的輔助功能。為了讓汽車虛擬評審系統(tǒng)達(dá)到最大使用價(jià)值，利用虛幻引擎像素流技術(shù)搭建了在線評審登錄界面，實(shí)現(xiàn)通過手機(jī)或者電腦網(wǎng)頁登錄評審系統(tǒng)隨時(shí)查看造型數(shù)據(jù)，提高評審效率。

最后，隨著元宇宙時(shí)代的到來，企業(yè)對虛擬評審可視化質(zhì)量要求越來越高，虛幻引擎在汽車行業(yè)使用比重也將會(huì)逐漸增大。借助AI 技術(shù)進(jìn)一步提升虛幻引擎評審效率和質(zhì)量。多部門協(xié)同實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)（Data）在研發(fā)、生成和銷售全流程共享。模擬現(xiàn)實(shí)逼真環(huán)境并引入數(shù)字人，提升評審沉浸感及真實(shí)感，這些是汽車虛擬現(xiàn)實(shí)研究人員和前瞻造型設(shè)計(jì)師進(jìn)一步深入探索和研究的課題。