虛擬現實在整車光順評審中的應用

董贇瑜，吳海波，曲志鵬

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虛擬現實在整車光順評審中的應用

董贇瑜，吳海波，曲志鵬

（上汽大眾汽車有限公司，上海 201804）

光順是整車開發的重要環節，對汽車車身質量和開發周期有著重要的影響，引出了利用虛擬現實進行整車光順評審的重要性，以及利用虛擬現實進行整車光順評審的具體流程及實際應用。

虛擬現實；光順；整車光順評審

前言

在汽車整個研發過程中，光順是整車開發的關鍵環節之一，對車身質量和研發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的橋梁，評審通過的光順數據才可以用于模具開模。虛擬現實可以非常真實地模擬零件的材質，皮紋，陰影以及三維環境，光照信息，眼點信息等，所以虛擬現實被廣泛地應用于國內外各大車企的整車光順驗收評審中，它將大大地提升工作效率，縮短研發周期，降低研發成本。

1 虛擬現實技術

虛擬現實技術是一種可以創建和體驗虛擬世界的計算機仿真系統，它利用計算機生成一種模擬環境，是一種多源信息融合的、交互式的三維動態視景和實體行為的系統仿真，使用戶沉浸到該環境中。虛擬現實最大的優點就是高度逼真化，在合理正確地應用好虛擬現實軟件中的場景，三維數據的陰影，光照等信息后，會讓人感覺有一臺真實的汽車擺在面前，從感官上直觀地評價整車的內外飾光順質量，造型方案，材質，零件匹配性，反光等。目前，國內外各大車企普遍應用Vred和RTT軟件進行整車光順評審。

2 利用虛擬現實進行整車光順評審的流程

三維場景信息及三維模型信息是利用虛擬現實進行整車評審的前提和必要條件。首先要制作接近于真實的三維場景，一般運用全景圖拍攝或者三維場景建模的形式表現，目前全景圖拍攝效率高，成本低而被廣泛運用于虛擬現實展示中。360°全景圖的拍攝需要使用超廣角鏡頭以及云臺來配合拍攝。以節點為中心，對周圍環境進行360度全方位的內容拍攝，最終合并成一張高精度的帶有光照信息的HDR圖片，并在后期的虛擬現實軟件中對場景圖片進行飽和度，對比度等調整，然后將此場景作用于三維的車型數據。而三維場景建模通常使用Maya，3dmax或Alias等軟件，在虛擬現實軟件中對建立好的場景模型進行相應的材質調整，最后模擬真實的場景光源并融入場景；整車光順評審時需要將整車放在不同的虛擬場景下進行對比評審。

圖1 360°全景圖拍攝原理

圖2 3dmax中三維場景建模

虛擬現實中的三維數據原始輸入是wire或者catia格式的光順數據。當光順數據導入軟件后，需要對零件的網格進行細分，法線調整，材質色彩等進行設定，最后要進行零件的烘焙，來計算零件自身在環境下的陰影以及零件與零件間的陰影，在計算機硬件條件允許的情況下可以使用RT（光線追蹤渲染），陰影效果會好很多，更加融入環境。

圖3 在360HDR的環境中進行虛擬整車評審

圖4 在三維建模場景中進行虛擬整車評審

三維場景及三維數據建立好后，在虛擬現實系統中設置好客戶評價視角，配置切換，材質切換，場景切換等，然后將這套虛擬現實系統逼真地展現在評審者面前，為了檢驗光順數據的質量及技術可行性，會在長6m的大屏幕上做1：1的虛擬現實展示，考慮到虛擬現實軟件會模擬人眼透視的效果，目前在外形評審時普遍采用FOV為25左右，內飾評審時FOV為45左右，具體根據整車尺寸及屏幕大小做適當地調整。全尺寸的車身及內外飾的三維立體影像能逼真地呈現在設計者眼前，評審人員能從不同位置實時查看整車的不同角度，可以直觀地對整車光順數據，造型方案，零件匹配性等進行全方位地評價。

3 利用虛擬現實進行整車反光檢測

在整車光順評審中，借助虛擬現實進行反光檢測也是光順評審的一個重要環節。

光線追蹤是一種用來根據一定的場景描述生成計算機合成圖像的技術，他模擬自然界光的傳輸過程，但與之相反的是，它通過以攝像機為起點，朝著屏幕每個像素點的方向發射光線，這些光線在場景中與表面進行交互與傳播，最終擊中一個光源或發光體。盡管光線在場景中會按照光學規律經過多次反彈才會與光源或發光體相遇，然而早期限于計算機硬件性能以及光照算法的發展，我們并不能模擬完整的光照傳輸。最早的光線追蹤技術稱為光線投射，它首先從攝像機發出一條可視光線以找到場景中每個像素的可視點，然后從這個可視點向光源發射一條陰影光線以求出該可視點的顏色，光線投射技術是對渲染方程的以下近似：

光線追蹤都在光線投射的基礎上，讓光線沿反射或折射方向繼續遞歸地傳播，直到遇到光源為止。在該算法中，當一個光線擊中一個表面時，它隨機產生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的虛擬現實內容時，光線跟蹤經常被用到，比如傳統的汽車反光問題通常在汽車設計階段不會被發現，要在制作出實體模型后結合實際的光照環境才會發現問題，利用虛擬現實中光線追蹤功能可以模擬真實的光照環境，從而在汽車前期開發階段就盡早地發現問題。在整車評審中，利用光線追蹤進行整車反光檢測也是必不可少的環節。

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也反應了縫道的均勻程度。

圖7 上格柵與前蓋的縫道在未利用光線追蹤下的表現

圖8 利用光線追蹤技術評價前蓋與上格柵縫道的均勻性

同樣，儀表板上的反光件也會不同程度地在前門玻璃上產生投影，在駕駛員看后視鏡的時候會不同程度的影響視野，造成潛在危險。通過虛擬現實光線追蹤技術可以在汽車前期設計階段直觀地展現儀表板反光件對駕駛員的影響程度。評審人員甚至可以通過虛擬現實軟件結合3D頭盔的形式身臨其境地感受到反光效果以及對駕駛的影響程度。

圖9 外后視鏡反光在虛擬現實中未利用光線追蹤下的表現

圖10 外后視鏡反光在虛擬現實中利用光線追蹤下的表現

圖11 外后視鏡反光在真實場景下的表現

利用光線追蹤進行虛擬現實數據渲染及實時展示對于計算機硬件的要求非常高，在單機情況下會花費很多時間等待實時光線追蹤結果，特別是在完整的全局照明情況下需要多節點的集群同時參與渲染。渲染速度主要和虛擬現實數據多邊形數量以及材質，光照等有關，數量越多越耗時。同一數據模型，在不同的場景情況下，渲染速度也是不同的。室內的場景會消耗更多的CPU資源，因為在室外光子僅僅被計算一到兩次，但是在室內，光子會不停地反射和折射，會被計算很多次。在光順評審中，目前少數整車企業已開始采用多節點方式對虛擬現實數據進行實時展示。

4 3D頭盔結合虛擬現實進行整車沉浸式評價

除了利用虛擬現實系統在大屏幕上進行1：1的整車光順評審外，目前越來越多的車企開始利用3D頭盔與虛擬現實軟件項結合，給評審者提供“身臨其境”的三維體驗，眼睛看到的數據模型和實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行外飾評價，還可以結合虛擬座艙進行內飾和人機評價。通過這種評審方式，工作效率不僅得到了有效提升，還可以在有限的時間內對多種設計方案進行快速高效評審，在一定程度上也減少了實體模型的制作。如HTC公司的HTC VIVE，整款產品包含一個頭戴顯示器、兩個手持控制器和定位系統，通過嘗試將上述硬件與VR軟件在Steam VR平臺上整合為沉浸式虛擬現實評審系統，為整車研發提供虛擬的評審、交互平臺，軟硬件具有較好的兼容性，評審者可以通過手柄操作來改變交互的內容，如截面剪切，開關門等。但目前體驗下來，該套頭盔分辨率還是不夠高，在體驗過程中顆粒感明顯，還不能夠完全滿足光順數字模型的評審，所以部分車企目前開始嘗試工業化頭盔以達到更高的分辨率，相信隨著產品的不斷更新換代，以上硬件方面的問題也會很快會得到解決。

5 基于虛擬現實的360°整車離線評價系統

圖13 基于虛擬現實和數字化研發的360°整車離線評價系統

基于虛擬現實技術和數字化研發手段而開發的360°整車離線評價系統，可以隨時隨地離線地在電腦端，移動端隨意瀏覽整車內外飾光順數據，并在整車光順實物模型評價，以及整車試車過程中，可以隨意進行模型實物狀態與光順理論狀態的對比。大大降低了人工成本和研發效率。同時這套虛擬現實展示系統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 結論

整車光順評審的質量和周期直接決定了整車的開發周期以及量產車客戶可見表面的質量，利用虛擬現實進行整車光順評審和整車虛擬開發已是眾多車企的發展趨勢，虛擬現實所具備的高度逼真性，高度沉浸感，交互性等特點為整車研發帶來了非常可觀的經濟性與時效性，相信隨著未來軟硬件的不斷升級，虛擬現實必將會給評審者帶來更好的體驗，也必將會取代更多的實物模型。

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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

B

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，研究方向為整車虛擬開發，數字化系統開發，光順設計等。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.08.087