虛擬現(xiàn)實技術(shù)在汽車工業(yè)中的應(yīng)用

葛寬

（武漢理工大學(xué) 汽車工程學(xué)院，湖北 武漢 430070）

虛擬現(xiàn)實技術(shù)在汽車工業(yè)中的應(yīng)用

葛寬

（武漢理工大學(xué) 汽車工程學(xué)院，湖北 武漢 430070）

隨著計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，虛擬現(xiàn)實技術(shù)得到越來越多的關(guān)注。文章主要介紹了一些虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的一些基本構(gòu)架組件，并列舉了一些虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)在汽車工業(yè)中的現(xiàn)有應(yīng)用。最后對虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的一些技術(shù)提出了一些觀點，并對虛擬現(xiàn)實技術(shù)在汽車工業(yè)的發(fā)展前景和研究方向做出了展望。

虛擬現(xiàn)實；系統(tǒng)構(gòu)架；汽車工業(yè)

隨著汽車工業(yè)的不斷發(fā)展，各大汽車公司競爭更加激烈。汽車生產(chǎn)制造商都在加速自己新車型的開發(fā)，縮短新車型的開發(fā)周期，盡早搶占有限的市場空間。另外，也要減少新車型的開發(fā)成本，提高自身產(chǎn)品的市場競爭力。因此許多新技術(shù)和新方法都逐漸的應(yīng)用到汽車的研發(fā)當(dāng)中，在保證汽車研發(fā)質(zhì)量的前提下，縮短研發(fā)周期，降低研發(fā)成本。

虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality,縮寫為VR）是通過計算機來構(gòu)建一個虛擬的三維空間，用戶可以在這個三維的虛擬空間中進(jìn)行一定的體驗與感知，進(jìn)而獲得一種與外界真實空間相類似的“沉浸感”。虛擬現(xiàn)實技術(shù)與很多技術(shù)之間都有著緊密的聯(lián)系，如：三維建模技術(shù)、圖形顯示技術(shù)、傳感技術(shù)以及人工智能技術(shù)等。與傳統(tǒng)的人機交互系統(tǒng)不同，虛擬現(xiàn)實技術(shù)是通過數(shù)據(jù)庫構(gòu)建逼真的三維場景模型，并對虛擬場景中的對象添加一定的模塊進(jìn)行處理，進(jìn)而使用戶可以“身臨其境”的感知這個逼真的三維世界，并獲得真實的人機交互體驗的技術(shù)。虛擬現(xiàn)實技術(shù)使人們對人機交互技術(shù)有了嶄新的定義，對人機交互技術(shù)的發(fā)展具有里程碑式的意義。隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)的不斷發(fā)展，人們不斷拓展著虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用范圍。虛擬現(xiàn)實技術(shù)已經(jīng)在越來越多的領(lǐng)域得到了應(yīng)用，如：航空航天培訓(xùn)、建筑設(shè)計、游戲開發(fā)以及工業(yè)設(shè)計等。

1 虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)

虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)主要由輸入模塊、輸出模塊、三維模型數(shù)據(jù)庫和軟件開發(fā)平臺組成，如圖1所示。將跟蹤采集到的用戶運動、行為，或者是由專門輸入所得到的信號來作為系統(tǒng)的輸入信號。

虛擬現(xiàn)實軟件根據(jù)所接受到的輸入信號，進(jìn)行識別和計算分析，從三位數(shù)據(jù)庫中選取所需要的場景元素，展現(xiàn)給用戶。用戶通過三維顯示裝置來獲取反饋信息，進(jìn)而決定自己下面的行為。

輸入模塊：虛擬現(xiàn)實的輸入模塊主要是通過多種方式來接收用戶的輸入信號，主要接受用戶頭部以及手部的位置以及姿態(tài)。其主要的信號輸入設(shè)備包括：數(shù)據(jù)手套、三維鼠標(biāo)、生物傳感設(shè)備、頭部跟蹤設(shè)備以及語音輸入裝置等。

輸出模塊：通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)以及各種設(shè)備將人類的各種感官信號進(jìn)行模擬出來是虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的最終目標(biāo)。用戶把所接收到的這些感官信號進(jìn)行吸收轉(zhuǎn)化，從而融入到整個虛擬現(xiàn)實場景之中。虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的輸出模塊主要包含觸覺傳感器、三維圖像視覺效果以及三維聲音效果等。

三維模型數(shù)據(jù)庫：三維模型數(shù)據(jù)庫是根據(jù)現(xiàn)實世界而構(gòu)建的三維模型集合，用來存儲和管理系統(tǒng)的各個虛擬場景模塊。它能夠根據(jù)用戶的輸入信號，更改數(shù)據(jù)庫的信息，并由此構(gòu)建新的虛擬現(xiàn)實場景。

虛擬現(xiàn)實軟件的軟件開發(fā)平臺：虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的軟件開發(fā)平臺主要是將用戶的輸入信號、三維模型數(shù)據(jù)庫以及用戶的所要接收的輸出信號相連接在一起的一個模塊。它根據(jù)用戶的輸入信號，不斷更新用戶虛擬現(xiàn)實場景的三維數(shù)據(jù)庫，及時的調(diào)整用戶所處的三維場景，同時控制輸出設(shè)備的輸出信號。

圖1 虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的基本構(gòu)架

2 虛擬現(xiàn)實系技術(shù)汽車工業(yè)中的應(yīng)用

（1）整車虛擬裝配。虛擬裝配技術(shù)主要是在產(chǎn)品生產(chǎn)過程中，通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)建立汽車三維模型，能夠非常準(zhǔn)確的反映汽車各個部件的安裝關(guān)系，以及整車設(shè)計情況。并可以將各個部件的數(shù)據(jù)直接保存進(jìn)入數(shù)據(jù)庫，方便新車型的設(shè)計與開發(fā)。通過應(yīng)用3D技術(shù)對零部件以及汽車其他部分進(jìn)行虛擬裝配分析，進(jìn)而尋找設(shè)計裝配時的缺陷以及設(shè)計問題。在虛擬裝配的過程中，首先需要對整個裝配的流程進(jìn)行總體的規(guī)劃，并對裝配方案以及夾具等裝配件進(jìn)行設(shè)計與工藝流程分析。最初階段，由于技術(shù)條件的限制，汽車產(chǎn)品以及零部件在裝配過程中只能通過一些小的幾何模型來模擬評估，這樣就不能充分體現(xiàn)產(chǎn)品的裝配效果，使裝配過程產(chǎn)生一定的誤差。進(jìn)而導(dǎo)致新車型汽車的研發(fā)周期變長，大大提高了開發(fā)成本。虛擬現(xiàn)實技術(shù)的出現(xiàn)很好的解決了汽車零部件的裝配設(shè)計問題。通過建立“沉浸式”的虛擬操作空間，設(shè)計者可以在虛擬環(huán)境中對零件進(jìn)行虛擬裝配操作。運用虛擬現(xiàn)實的技術(shù)平臺，工作人員可以完全真實的對各個零部件進(jìn)行仿真裝配操作。通過這種方法來發(fā)現(xiàn)裝配設(shè)計中的不足，進(jìn)而設(shè)計出更加科學(xué)實用的裝配方案，縮短裝配方案的設(shè)計周期。

（2）車身空氣動力學(xué)分析。車身造型是決定整車空氣動力學(xué)特征的重要因素。另外整車的操縱穩(wěn)定性和燃油經(jīng)濟(jì)性也與整車的空氣動力學(xué)特征有著密切的聯(lián)系。汽車的空氣動力學(xué)特征主要是通過風(fēng)洞試驗來測試完成的。通過觀察在風(fēng)洞試驗場中油泥模型表面的變化，或者空氣流場來確定樣車的空氣動力學(xué)特征。但是風(fēng)洞試驗仍然存在一些問題，如：油泥模型與樣車實物之間尺寸不同、等比例的油泥模型需要大尺寸的風(fēng)洞以及車身的設(shè)計造型需要更改時，必須重新制作新的油泥模型，重新進(jìn)行風(fēng)洞試驗等。

通過虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)來模擬虛擬風(fēng)洞，工作人員可以通過專用的虛擬現(xiàn)實三維顯示頭盔，真實的觀察到虛擬風(fēng)洞中的空氣流場，并且自身并不會對流場情況產(chǎn)生干擾。將繪制完成的整車三維模型導(dǎo)入到虛擬現(xiàn)實的風(fēng)洞中，工作人員就可以全方位的觀察車身的空氣動力學(xué)性能，進(jìn)而發(fā)現(xiàn)設(shè)計中的不足。對其進(jìn)行更加科學(xué)的改進(jìn)，可以極大縮短車身設(shè)計周期，并且使其空氣動力學(xué)性能更加良好。

（3）車輛運動仿真。虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以通過立體的三維圖像形式將車輛的運動仿真結(jié)果真實的展現(xiàn)出來。試驗人員可以通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)中的交互功能更改某些車輛的具體參數(shù)，使人們能夠?qū)Σ煌r下的車輛運動情況進(jìn)行多次仿真分析，讓人們能夠更加準(zhǔn)確地了解車輛的運動行駛情況。車輛的運動仿真一般用在汽車設(shè)計開發(fā)以及汽車交通事故的動態(tài)模擬。在交通事故的模擬再現(xiàn)過程中，交通事故處理部門通過虛擬現(xiàn)實環(huán)境下的動態(tài)三維模型的模擬仿真，來對分析事故發(fā)生原因，判斷事故責(zé)任。由于現(xiàn)實中車輛的外形不同，需要根據(jù)不同車型建立相應(yīng)的三維演示模型。虛擬現(xiàn)實技術(shù)的核心就是建模與仿真，動畫模擬系統(tǒng)的核心功能是對交通事故中車輛、行人、道路、天氣等元素進(jìn)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(jìn)行仿真。當(dāng)車輛在虛擬環(huán)境中運動時，要產(chǎn)生真實的兩車碰撞場景，必須對參與碰撞的車輛進(jìn)行實時的碰撞檢測和響應(yīng)。兩車發(fā)生碰撞時，車輛應(yīng)對碰撞發(fā)生響應(yīng)。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(jìn)行實時檢測，并做出響應(yīng)。根據(jù)上述模擬方法，將虛擬方法應(yīng)用于兩車碰撞事故上，交通事故三維動畫模擬系統(tǒng)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(jù)汽車的質(zhì)量、碰撞后的速度等參數(shù)模擬出交通事故的發(fā)生過程，如果過程與真實現(xiàn)場不符，則需要檢驗輸入?yún)?shù)、速度模型的計算、碰撞檢測的結(jié)果以便重新進(jìn)行仿真、模擬。

（4）駕駛模擬。汽車駕駛模擬系統(tǒng)是虛擬現(xiàn)實技術(shù)在汽車中的一個重要的應(yīng)用方向，它通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)真實的模擬汽車駕駛動作,進(jìn)而取得實車駕駛體驗的模擬仿真設(shè)備。其中模擬駕駛系統(tǒng)的視覺感知系統(tǒng)又是其關(guān)鍵模塊，因為它是決定操作者能否產(chǎn)生沉浸感、交互感和身臨其境的感覺。在國外，汽車駕駛模擬系統(tǒng)的研究開發(fā)比較成熟，使用非常普遍。早在20世紀(jì)70年代，美國日本等國家已經(jīng)將駕駛模擬系統(tǒng)作為汽車駕駛學(xué)校的必要裝備。而與傳統(tǒng)的汽車駕駛模擬系統(tǒng)相不同，與虛擬現(xiàn)實技術(shù)相結(jié)合的駕駛模型系統(tǒng)能夠通過頭盔式顯示器使人們能夠更加真實地沉浸到虛擬駕駛環(huán)境中，更加快速地適應(yīng)真實的駕駛工況。

（5）車輛性能模擬評估。車輛性能評估將成為虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用的新方向。車輛操縱穩(wěn)定性的評定一般是通過對實車參數(shù)進(jìn)行測試的方法來進(jìn)行評估，然后再通過一些理論的分析與計算來加以調(diào)整。但是這種方法存在很多的弊端，首先由于測量儀器，測試道路，天氣等原因?qū)е略囼灥闹貜?fù)性差，需要花費很長的時間才能夠獲得較為準(zhǔn)確的測量數(shù)據(jù)，另一方面測量數(shù)據(jù)中存在一些系統(tǒng)性的誤差，無法直接通過理論分析計算的方法對整車的操縱穩(wěn)定性進(jìn)行提高。因此，車輛性能評估需要花費大量人力物力，而且增大研發(fā)周期。虛擬現(xiàn)實技術(shù)能夠極大的促進(jìn)車輛性能評估技術(shù)的發(fā)展。工作人員可以將車輛的基本參數(shù)模型導(dǎo)入到虛擬現(xiàn)實的試驗環(huán)境中，通過駕駛員沉浸式的模擬駕駛，來采集較為準(zhǔn)確的不同工況下的汽車振動、噪聲以及側(cè)向傾斜等基本數(shù)據(jù)。并且試驗得到的數(shù)據(jù)較為準(zhǔn)確且試驗本真的可重復(fù)性較好。這樣能夠較早地發(fā)現(xiàn)汽車前期設(shè)計中的缺陷和不足，盡早做到優(yōu)化調(diào)整。

3 結(jié)語

虛擬現(xiàn)實技術(shù)是將多種先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行融合的一種嶄新技術(shù)，它的應(yīng)用潛力非常巨大。隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)的不斷成熟，汽車工業(yè)會不斷與這種新技術(shù)相融合，使其應(yīng)用面不斷拓展。如汽車的虛擬設(shè)計、汽車虛擬裝配以及汽車虛擬實驗等。虛擬現(xiàn)實技術(shù)在汽車工業(yè)上的應(yīng)用將打破那些傳統(tǒng)的汽車設(shè)計思維，為汽車工業(yè)整個流程帶來一場變革。虛擬現(xiàn)實技術(shù)將會使虛擬現(xiàn)實中的汽車變得越來越真實。

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Application of Virtual Reality Technology in Automobile Industry

GE Kuan
（Automotive Engineering College，Wuhan University of Technology，Wuhan，Hubei 430070，China）

With thecontinuousdevelopmentofcomputer technology，virtualreality technologyhasbeen paidmoreandmoreattention.Thispaperintroducessomebasic architecture componentsofsomevirtualrealitysystemsand listssomeexistingapplications ofvirtual reality systemsin theautomotive industry.Attheend ofthispaper，some ideasareputforward forsome techniquesofvirtual realitysystem，and theprospectand research directionofvirtualreality technology inautomobileindustryareprospected.

virtual reality；system architecture；automobile industry

F416.471

A

2095-980X（2017）05-0017-02

2017-04-12

葛寬（1992-），男，河南周口人，碩士研究生，主要研究方向：汽車虛擬現(xiàn)實設(shè)計。