虛擬現實技術在汽車行業的應用

馮　銳

（北京卓眾出版有限公司，北京 100083 ）

虛擬現實技術在汽車行業的應用

馮銳

（北京卓眾出版有限公司，北京 100083 ）

本文介紹了虛擬現實技術的基本情況，列舉了虛擬現實技術在汽車行業取得的成果及應用，并對如何充分利用虛擬現實技術提出了觀點。文章最后對虛擬現實技術的發展情況、應用前景和研究熱點做了展望。

虛擬現實；汽車；應用

1　什么是虛擬現實

近年來，“虛擬現實”概念成為人們關注的熱點。雖然虛擬現實技術是最近幾年才開始被普通消費者所熟悉，但是其實這項技術的發展已經有幾十年了。在20世紀50年代，就已經有第一個將座位震動、嗅覺和3D技術結合到一起的電影了。這種可以讓自己逃離到另外一個虛擬現實世界的身臨其境體驗，讓許多人都感到非常興奮，虛擬現實可以讓你進入到一個純虛擬的空間，在虛擬的空間里面去進行體驗。

圖1　虛擬現實設備Oculus Rift

虛擬現實（Virtual Reality，縮寫為VR），也稱虛擬環境，是利用電腦模擬產生一個三維空間的虛擬世界，提供用戶關于視覺等感官的模擬，讓用戶感覺仿佛身歷其境，可以及時、沒有限制地觀察三維空間內的事物。用戶進行位置移動時，電腦可以立即進行復雜的運算，將精確的三維世界視頻傳回產生臨場感。該技術集成了計算機圖形、計算機仿真、人工智能、感應、顯示及網絡并行處理等技術的最新發展成果，是一種由計算機技術輔助生成的高技術模擬系統。

2　虛擬現實技術現狀

2016年被稱作虛擬現實的元年，VR時代即將到來，Oculus Rift、HTC Vive、PS VR等新一波主流虛擬現實產品也陸續上市。虛擬現實技術不再僅僅是科研實驗室中的產品，越來越多的民眾將接觸到虛擬現實技術。值得一提的是為了更好的宣傳虛擬現實技術，HTC以各大網吧為切入，在全國20家網吧中設置了虛擬現實體驗館，使得普通民眾能更加容易接觸到虛擬現實技術。

根據美國IT研究與顧問咨詢公司Gartner預計，2018年底VR設備銷量將達2 500萬臺。市場普遍認為，伴隨面向消費市場的硬件和內容的批量上市，2016年VR行業有望迎來爆發。多家巨頭在CES和MWC中屢出新品就是一個特別的信號。預計到2020年，全球頭戴VR設備年銷量將達4 000萬臺左右，市場規模約400億元，加上內容服務和企業級應用，市場容量超過千億元。

3　汽車行業中的虛擬現實技術

3.1模擬零部件裝配

虛擬裝配是在產品的設計過程中，運用3D技術對零部件及其裝配體進行建模仿真分析，發現零部件之間裝配關系是否存在問題。在虛擬裝配時，我們應該對裝配體進行裝配規劃，對裝配順序、裝配方案、所用工具、夾具及裝配線等相關問題進行分析和決策。然而，現在采用的3D軟件由于技術的限制，對產品的裝配設計和工藝設計不能完整地描述，產品裝配的最終質量需要利用相同大小的幾何模型去檢測和評價，導致產品開發周期過長、產品開發成本頗高。虛擬現實技術在機械制造方面的應用為上述有關問題提供了一種全新的、低成本的研究前景。基于虛擬現實技術，操作者如同身臨其境地“沉浸”于模擬環境中，對虛擬現實世界中的物體進行操作。虛擬裝配是以產品裝配設計為基礎，運用虛擬現實仿真平臺，結合虛擬外設的應用，設計者可以在虛擬現實環境中人機交互地對機械產品進行一系列的操作，最終設計出符合工程實際應用的裝配方案。［1］

3.2車輛運動仿真

把虛擬現實技術用于車輛運動仿真中，以立體圖像的形式輸出車輛運動的仿真結果，參與者能交互控制仿真過程，改進了人們利用計算機對車輛運動仿真數據的處理方式，使人們對車輛運動仿真的分析、理解變得更為容易。［2］

汽車運動仿真通常運用在交通事故的模擬再現上，交通事故處理部門根據經驗和在交通事故現場測得原始數據得出事故車輛在整個事故過程中的運動情況后，為便于分析判斷，使用交通事故動畫模擬系統以三維動畫的形式再現交通事故的發生過程。由于現實世界中事故形態多種多樣，車輛形狀各不相同，要求演示程序能夠演示典型事故形態及典型車輛類型的事故。對于不同類型的車輛，需要制作相應的三維車身演示模型，為了增加演示的真實感，需要根據實際現場的情況，調節演示的背景元素。同時為了觀察方便，需要調節視點及視角。

圖2　福特工廠模擬裝配

圖3　福特工廠模擬裝配

交通事故動畫模擬系統是計算機虛擬現實技術在交通事故分析與處理中的具體運用。虛擬現實技術的核心就是建模與仿真，動畫模擬系統的核心功能是對交通事故中車輛、行人、道路、天氣等元素進行三維建模，然后通過對模型的控制來對交通事故的場景進行仿真。

當車輛在虛擬環境中運動時，要產生真實的兩車碰撞場景，必須對參與碰撞的車輛進行實時的碰撞檢測和響應。兩車發生碰撞時，車輛應對碰撞發生響應。車輛碰撞模擬中的實時碰撞檢測，主要用于對車輛之間的碰撞進行實時檢測，并做出響應。根據上述模擬方法，將虛擬方法應用于兩車碰撞事故上，交通事故三維動畫模擬系統中的運動控制模塊必須能實時檢測出汽車三維模型的碰撞，并根據汽車的質量、碰撞后的速度等參數模擬出交通事故的發生過程，如果過程與真實現場不符，則需要檢驗輸入參數、速度模型的計算、碰撞檢測的結果以便重新進行仿真模擬。［3］

3.3車輛安全模擬

車輛操縱穩定性一般采用實車試驗方法以及理論分析與數值仿真方法進行研究。實車試驗方法受約束條件很多，如測量儀器、道路、駕駛員、天氣等，而且周期長，需要花費大量的人力、物力和財力；理論分析與數值仿真的方法可以克服上述問題，因此得到快速發展，但此類方法在數據處理時一般采用曲線的方式表示，無法對人車環境閉環系統進行主觀評價。

虛擬樣機以及虛擬現實技術的出現，使車輛性能的研究方法有了很大飛躍。將車輛的參數化模型與復雜的虛擬試驗環境相結合，用真實駕駛員進行仿真駕駛，以視、聽、觸覺等作用于用戶，使之產生身臨其境的感覺，體驗汽車的振動、傾斜、噪聲等效果，在設計早期可及時發現問題，進行調整優化，具有節省資金、可重復性強等優點。［4］

3.4模擬駕駛

汽車駕駛模擬器是一種基于虛擬現實技術，能正確模擬汽車駕駛動作，獲得實車駕駛感覺的仿真設備，而其視覺系統又是駕駛模擬器的關鍵系統之一，因為它是使操作者能否產生沉浸感交互感和身臨其境的關鍵。

在國外，汽車駕駛模擬器的研究開發較早汽車駕駛模擬器作為培訓工具在發達國家早已普遍運用，日本政府在1970年就以正式法律規定，汽車駕駛學校必須裝備汽車駕駛模擬器。美國在20世紀70年代中期就有500多所汽車駕駛學校裝備了汽車駕駛模擬訓練器。大多數歐洲國家也相繼制定了使用汽車駕駛訓練模擬器的法規。德國、瑞典、日本、美國的各大汽車廠都分別建立了開發型汽車駕駛模擬器。［5］

3.5城市交通仿真

虛擬現實技術具有沉浸感強、人機互動良好等特點，這些特點決定了虛擬現實技術尤其適合于城市交通模擬研究和應用。將虛擬現實技術應用在城市交通仿真中，以現實的城市道路為基本，三維虛擬城市的每個街區，用戶將真實感受周圍的各種建筑，路邊的花草、樹木，交通流運行情況。還可以通過相應的感官設備置身于虛擬城市交通之中，駕駛虛擬車輛穿行于城市交通干道，親自體驗虛擬城市交通的通行能力及各個交通路口的管理和控制情況。

圖4　模擬駕駛系統

圖5　交通仿真技術

除了提供用戶感官體驗外，城市規劃者可以直接在三維虛擬城市中進行道路規劃與設計。通過直觀了解道路周邊環境，可以更全面的考慮道路與周邊環境的協調性關系以及對交通安全的影響，從而更好的優化道路設計。［6］

4　虛擬現實技術的應用展望

虛擬現實技術是一項發展中的、具有深遠的潛在應用方向的新技術，它正朝著滿足人類不同需要的方向發展。虛擬現實技術又是一門富有挑戰性的交叉技術、前沿學科和研究領域，從某種意義上講它將改變人們的思維方式，甚至會改變人們對世界、自己、空間和時間的看法。虛擬現實技術還有著廣闊的應用前景，并且隨著傳感器技術、仿真技術、多媒體技術、信息處理技術等相關技術的發展，虛擬現實技術將不斷取得進步，它必將為我們開辟一個嶄新的天地。

虛擬環境下產品的研究與開發能提高企業的創新能力，提高設計制造速度，減少開發人員、開發費用、硬件資源。使企業降低成本降低。虛擬環境下的產品研究與開發未來要解決的關鍵問題是開發過程中的知識熔合（Knowledge Fusion），將不同領域的知識嵌入產品開發過程中，使企業獲最大利益。［7］

［1］ 白姍姍.基于虛擬現實的發動機曲柄連桿機構裝配關鍵技術研究.長春工業大學.2015

［2］ 尹念東 余群.基于桌面虛擬現實系統車輛運動仿真的立體視覺實現.農業機械學報.第33卷第1期.2002

［3］ 高鳳玲 熊靜. 基于虛擬現實技術的汽車安全控制及三維仿真研究.北京汽車.2007

［4］ 王樹鳳 余群 柴山 剛憲約.基于虛擬技術的車輛操縱穩定性評價系統.農業機械學報.第38卷第7期.2007

［5］ 陳定方 李勛祥 李文鋒 尹念東.基于分布式虛擬現實技術的汽車駕駛模擬器的研究.系統仿真學報.Vol.17 No.2 2005

［6］ 劉薇 費娜 黨增明.基于Vega Prime的虛擬現實城市交通仿真系統研究.城市建設理論研究.2014

［7］ 鄒湘軍 孫健 何漢武 鄭德濤 陳新.虛擬現實技術的演變發展與展望.系統仿真學報.2004