頭戴式虛擬現實系統在汽車設計中的應用研究

邵景峰++劉優中++喻志強++唐明星

摘 要：介紹了虛擬現實技術、頭戴式虛擬現實系統的組成、分類和特征，闡述了頭戴式虛擬現實系統在汽車設計中的應用，并通過和汽車設計領域傳統虛擬現實技術相比較，分析頭戴式虛擬現實系統的優勢以及不足，并針對相應問題，提出相應解決方案。

關鍵詞：虛擬現實；頭戴式虛擬系統；汽車設計；應用

中圖分類號：TP391.44 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）06-0022-02

Abstract：This paper introduces the composition， classification and characteristics of virtual reality technology and head mounted virtual reality system， described the application of head mounted virtual reality system in automobile design， compared with the traditional virtual reality techniques in the area of automotive design， the head-mounted virtual reality system has both advantages and disadvantages. According to the corresponding problems， the corresponding solutions are put forward.

Key words：Virtual Reality； head-mounted virtual reality system； automotive design； adhibition

隨著汽車產業的快速發展，各個汽車制造公司的競爭也日趨激烈，這就要求在汽車研發及生產的各個環節都能夠保持高效快速應變，以適應市場環境的快速變化。汽車造型設計作為汽車研發的重要一環，面對外部市場環境快速變化的嚴峻挑戰，對新科學技術的應用就更為迫切。

虛擬現實技術作為近年來發展最為迅猛的技術手段，將可能成為改變人類生活方式的一種新技術，而作為虛擬現實技術最重要的其中一種形式存在的頭戴式虛擬現實技術自然是重中之重。

1 概述

虛擬現實的實質是“造個世界任我行”，它是以現代科學計算機技術為發展核心，融合相關學科技術，生成在視覺、聽覺、觸覺等方面逼近人類在真實世界中的感官感觸的數字化虛擬世界，使用者借助相應設備，可以走進生成的數字化虛擬世界，并且可以與虛擬世界中的對象進行交互作用，產生身臨其境的真實體驗和感受。

（1）桌面式虛擬現實，這類型的虛擬技術要求相對較低，他只需要利用工作站作為運行設備，將計算機顯示器作為用戶觀看虛擬數字世界的一個窗口，再通過鼠標等輸入設備實現與虛擬數字世界的交互，用戶可以通過輸入設備對虛擬世界進行指令操作，通過顯示設備進行對虛擬世界的觀察。

（2）沉浸式虛擬現實，這一類型虛擬現實技術對虛擬現實硬件設備的要求較高，他是利用一種中間設備，例如頭戴顯示器，觸覺手套等，將用戶的視覺、聽覺、觸覺等感官感覺封鎖起來，并通過中間傳輸設備，給用戶提供一種全新的虛擬感覺，讓用戶沉浸其中。

（3）增強現實型虛擬現實，這一類型的虛擬現實能給用戶提供平時或者是正常情況下難以觀察到難以感受到的狀態給呈現出來，是真實世界和虛擬世界的疊加，即“實中有虛”。

（4）分布式虛擬現實，他需要通過多個計算機設備連接在一起，共同建立一個虛擬世界，這時候的虛擬現實世界是一個真正意義上的多元世界，多個使用者可以對同一個虛擬世界進行操作。

1.1 什么是頭戴式虛擬現實

頭戴式虛擬現實是將數字化虛擬世界呈現給用戶的一個窗口，用戶可以通過頭戴式虛擬現實設備將其對現實世界的視覺、聽覺隔離起來，這時候就完全置身于虛擬世界了。頭戴式虛擬現實顯示根據人眼視覺原理左右眼成像不同，分別顯示相應的左右眼圖像，能讓人感覺到虛擬世界的物體時有立體有深度信息的，從而傳遞給大腦一個真實的信息，在視覺層面上達到以假亂真的目的。

1.2 構成

一套完整的頭戴式虛擬現實系統通常由以下幾方面組成[1～2]：

（1）計算機硬件設備，它必須能承載龐大的數據量運轉，快速生成圖形圖像并且能支持實時高速處理，高性能計算機設備是頭戴式虛擬現實系統構成的基礎也是關鍵。

（2）頭戴式虛擬現實設備，它是人機交互的接口，使用者通過它可以對虛擬世界進行操作，虛擬世界也可以根據使用者的各項指令進行反饋，借助頭戴式虛擬顯示器，使用者可以看得見虛擬世界，并且頭戴虛擬顯示器中安裝有定位器，當使用者行走的位置或者方向進行改變的時候，虛擬世界會相應變化。

（3）虛擬現實生成軟件，它是虛擬世界得以實現的基礎，你可以利用它構建真實世界場景的再現或是你所構想的虛擬世界，現階段相關的虛擬現實生成軟件游戲領域運用的比較多的是Virtools、Quest 3D等，在汽車設計領域用的比較多的有Alias、RTT等。

（4）虛擬現實三維數字模型。它是虛擬現實的內容也是載體，他可以是現實世界的再造，也可以是人們虛構的世界，它的狀態決定是使用者所看到的內容。

1.3 成像原理

人們在觀察周邊世界的時候，能感受到物體的立體、遠近、景深等效果主要是依靠于人眼強大的成像原理，人們由于兩只眼睛的不同位置而產生眼距，在看同一件物體的時候得到兩幅略微不同的圖像，這兩幅圖像經過人的大腦的融合，形成一幅帶有空間立體、距離遠近等信息的景象，而頭戴式虛擬現實顯示器正是模仿人眼雙目立體成像原理進行設計，頭戴顯示器有兩個顯示鏡分別用來模擬人的左右眼，工作站根據后臺數據輸入指令，分別將左右眼畫面輸送給左右眼顯示器，用戶佩戴上頭戴式虛擬顯示器，就可以體驗到虛擬的真實。

2 頭戴式虛擬現實技術在汽車設計領域的影響

虛擬現實技術作為能夠準確體現汽車造型設計、加快汽車研發進程的一種有效手段，自誕生以來就受到了各大主流汽車公司的廣泛關注與應用，并且其帶來的巨大效益也得到了行業內的廣泛認可[3]。放眼國外主流的汽車廠商像奔馳、保時捷等，都建立有自己的虛擬現實實驗室。在近兩年頭戴式虛擬現實技術風潮瘋狂席卷全球態勢下，很多汽車公司都紛紛加入了頭戴式虛擬現實技術的研究，在美國通用公司的虛擬現實中心的虛擬現實設計實驗室里，當用戶進入該實驗室，佩戴上頭戴式虛擬現實顯示器，預先設置好的虛擬現實世界就會呈現在用戶身邊，用戶可以看到和真實汽車一樣的包括尺寸大小、顏色、紋理一樣的虛擬汽車，用戶可以像實際觀察汽車一樣前后來回觀察，可以查看車體的造型輪廓及線條流暢性，也可以坐到汽車座椅上觀察儀表、方向盤、娛樂面板等細節的效果，以及模擬駕駛員視野的觀察。

3 頭戴式虛擬現實系統在汽車設計中的應用探索

頭戴式虛擬現實技術的出現，對汽車設計領域的原有設計流程及驗證方法有了很大改進，在汽車研發過程中，汽車造型設計是很重要一環，汽車設計師的造型構想如何快速的讓用戶看得見并且喜愛是決定造型設計成敗的關鍵。一個產品的設計流程往往需要經過幾輪甚至十幾輪反復推敲，時間成本比較高，難以跟上快速變化的市場環境，因此在設計過程中如何簡化設計流程并且客觀真實的反應汽車造型狀態尤為重要，而頭戴式虛擬現實系統能夠在造型效果圖之后就迅速加入設計流程，并且用虛擬的環境客觀真實的還原實際狀態，讓用戶所看即所得，而完成一套虛擬現實系統不僅需要硬件系統的支持，也需要軟件的配合，而所觀察到的內容則需要設計師前期虛擬現實數據的制作。

4 面臨的問題與發展方向

頭戴式虛擬現實技術在汽車設計領域中的運用，讓使用者能夠以比較真實自然的方式與虛擬世界進行交互，提高了人機交互的真實性，但受限于當下科技水平、計算機仿真技術、人機交互技術等各方面的影響，仍存在一定程度上的虛擬世界不真實、人機交互程度不夠以及用戶共享性不足等問題[4]。目前來看，一套頭戴式虛擬現實設備同時只能支持一位用戶觀察使用，因此在用戶共享體驗上不夠。

在將來科學技術水平、計算機仿真技術等各方面技術發展越來越成熟的時候，頭戴式虛擬現實技術可以朝分布式虛擬現實技術發展，通過多個計算機設備共同建立一個虛擬現實世界，多個使用者可以對同一個虛擬世界進行操作，這時候的虛擬現實世界是一個真正意義上的多元世界。

5 結語

隨著科技水平的發展，虛擬現實技術的發展也隨之日漸成熟，并且由于其為人類生活生產方面帶來的巨大效益越來越被接受，頭戴式虛擬現實技術在汽車設計領域的運用作為即Powerwall桌面式虛擬現實之后的另一先進技術，能極大的優化汽車設計流程、縮短研發時間、有效提高汽車設計水平 ，給使用者提供真實的用戶反饋，也越來越被汽車設計公司所青睞，雖然受限于當下科技發展水平等各方面因素的影響，頭戴式虛擬現實技術在使用體驗上仍有些不足，但隨著科技的進步以及巨大市場資金的投入必定能推動這一技術的長足發展。

參考文獻

[1]周忠，周頤，肖江劍.虛擬現實增強技術綜述[J].信息科學，2015，45（2）：157～180.

[2]孟俊煥，王衛東.基于虛擬現實技術的汽車開發應用研究[J].農業裝備與車輛工程，2006，2：11～14.

[3]邱世廣，荊旭，范秀敏.增強現實環境下的汽車A立柱視野評估方法[J].計算機輔助設計與圖形學學報，2012，24（1）：128～136.

[4]包海濤.虛擬現實技術在汽車造型及工程分析中的應用研究[J].北京汽車，2009，6（11）：27～30.