虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在汽車(chē)領(lǐng)域的應(yīng)用及發(fā)展

田巖 李任君 賈鐘書(shū) 周任斌 宋雅詩(shī)

摘要：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)通過(guò)計(jì)算機(jī)技術(shù)模擬現(xiàn)實(shí)世界的三維實(shí)景，并可與使用者進(jìn)行實(shí)時(shí)交互。文章介紹了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的原理、特點(diǎn)、應(yīng)用，綜合闡述了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在汽車(chē)行業(yè)的研究進(jìn)展并展望了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）;汽車(chē)領(lǐng)域

中圖分類(lèi)號(hào)：TP 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1005-2550（2019）05-0020-04

田巖

畢業(yè)于吉林大學(xué)，學(xué)士學(xué)位，從事汽車(chē)研發(fā)領(lǐng)域工作6年，主要負(fù)責(zé)汽車(chē)CAE仿真技術(shù)研究。

1 研究現(xiàn)狀

虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，簡(jiǎn)稱(chēng)VR）技術(shù)是一種應(yīng)用計(jì)算機(jī)圖形與仿真技術(shù)構(gòu)建虛擬空間的技術(shù)，通過(guò)各種控制及現(xiàn)實(shí)等接口設(shè)備，實(shí)現(xiàn)受眾與虛擬環(huán)境的交流。VR技術(shù)具備沉浸性、交互性和構(gòu)想性等特點(diǎn)[1-2]。

虛擬現(xiàn)實(shí)概念由Jaron Lanier在1989年提出[3]。80至90年代，美國(guó)國(guó)家航空航天局推出了初級(jí)的VR設(shè)備。2014年微軟公司進(jìn)軍虛擬現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域，2015年臉書(shū)、谷歌及蘋(píng)果公司進(jìn)入該領(lǐng)域，并開(kāi)發(fā)相應(yīng)設(shè)備[4]。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，中國(guó)的科研人員對(duì)VR技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，并取得了一系列研究成果[5]。目前，我國(guó)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在城市規(guī)劃、醫(yī)療、房地產(chǎn)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[6]。

2 應(yīng)用場(chǎng)景

VR技術(shù)，作為跨時(shí)代的終端計(jì)算平臺(tái)，憑借其跨時(shí)代的交互性、想象性和沉浸感，最直接也是最具有開(kāi)發(fā)價(jià)值的應(yīng)用就是在游戲領(lǐng)域。VR技術(shù)能夠直接提升游戲的觀(guān)感和體驗(yàn)[7]。直播也是VR技術(shù)的核心應(yīng)用之一，包括體育賽事直播，娛樂(lè)演唱會(huì)直播及其他事件直播[8]。VR技術(shù)應(yīng)用于房地產(chǎn)領(lǐng)域，最主要的價(jià)值是重塑了傳統(tǒng)的依靠房產(chǎn)中介帶領(lǐng)消費(fèi)者看房的老舊模式，使消費(fèi)者可以異地同時(shí)看房，極大提升了房產(chǎn)銷(xiāo)售效率[9]。VR技術(shù)在教育領(lǐng)域的使用，主要體現(xiàn)在其可以更為直觀(guān)，高效的展示書(shū)本難以完全展現(xiàn)的信息，特別是在物理學(xué)，動(dòng)植物學(xué)，天文學(xué)等領(lǐng)域[10]。

如上圖所示為VR技術(shù)在各領(lǐng)域的發(fā)展情況。除此之外，VR技術(shù)還在旅游、工程、醫(yī)療、藝術(shù)設(shè)計(jì)等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用和發(fā)展前景，其對(duì)重塑各領(lǐng)域產(chǎn)業(yè)鏈及深化技術(shù)升級(jí)及創(chuàng)新存在重要作用。

3 VR技術(shù)在汽車(chē)領(lǐng)域的發(fā)展

隨著全球虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的蓬勃發(fā)展，汽車(chē)行業(yè)的VR技術(shù)也由萌芽階段逐步走向成熟。針對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在汽車(chē)領(lǐng)域的發(fā)展，我國(guó)在“十三五”開(kāi)局之年大力推動(dòng)VR科技的研發(fā)和應(yīng)用[11]。

3.1 汽車(chē)設(shè)計(jì)及研發(fā)

在傳統(tǒng)汽車(chē)的設(shè)計(jì)中，從等比油泥模型到樣車(chē)試制，都需要大量的人力物力及時(shí)間。當(dāng)設(shè)計(jì)人員利用VR技術(shù)進(jìn)行汽車(chē)設(shè)計(jì)時(shí)，可以在等比例的空間中把控每一處設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)，更加直觀(guān)快速地看到不同參數(shù)及結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的不同結(jié)果，從而可以及時(shí)調(diào)整車(chē)輛構(gòu)造參數(shù)，評(píng)估和優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，最大程度避免設(shè)計(jì)失誤[12]。

同時(shí)，由于VR技術(shù)能使模擬場(chǎng)景接近現(xiàn)實(shí)，所以可以利用虛擬車(chē)型進(jìn)行一系列試驗(yàn)，如碰撞、風(fēng)動(dòng)、路試等[13]。通過(guò)仿真軟件的后處理可視化模塊，可以大大加強(qiáng)仿真技術(shù)人員的溝通便利性，對(duì)技術(shù)的成熟及發(fā)展有著重要的作用。如圖4所示為應(yīng)用Meta仿真后處理模塊的VR應(yīng)用場(chǎng)景。

3.2 汽車(chē)生產(chǎn)及維修教學(xué)

汽車(chē)、物流和服務(wù)等領(lǐng)域，可以利用VRR術(shù)建立數(shù)字化工廠(chǎng)，將所有資源、信息進(jìn)行整合，建立虛擬加工生產(chǎn)線(xiàn)裝配線(xiàn)，模擬實(shí)車(chē)的生產(chǎn)裝配。工程師及流水線(xiàn)工人通過(guò)虛擬的生產(chǎn)裝配對(duì)實(shí)際產(chǎn)品的生產(chǎn)裝配進(jìn)行預(yù)估和校準(zhǔn)，調(diào)試來(lái)降低生產(chǎn)誤差，降低成本[14]。

高校教學(xué)中，由于實(shí)訓(xùn)拆裝零部件少，特別是精密的汽車(chē)零部件較少，導(dǎo)致教學(xué)中的內(nèi)容比較抽象，學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性不高[15]。三維虛擬技術(shù)逐步應(yīng)用現(xiàn)代化的教學(xué)中，成為解決上述傳統(tǒng)汽車(chē)維修教學(xué)缺點(diǎn)的有效途徑[16]。利用三維虛擬仿真技術(shù)在汽車(chē)維修專(zhuān)業(yè)教學(xué)中進(jìn)行應(yīng)用，可以提高學(xué)生的積極性、主動(dòng)性及降低實(shí)訓(xùn)成本。在維修方面，也可以通過(guò)VR進(jìn)行遠(yuǎn)程指導(dǎo)[17]。

3.3 汽車(chē)營(yíng)銷(xiāo)及服務(wù)

在汽車(chē)營(yíng)銷(xiāo)與服務(wù)方面，VR技術(shù)的應(yīng)用可以吸引更多的用戶(hù)。在車(chē)展、新車(chē)發(fā)布會(huì)等大型活動(dòng)中，VR技術(shù)可以讓更多的用戶(hù)在家“親臨”現(xiàn)場(chǎng)，即用戶(hù)可以坐在“家”中完成看車(chē)、選車(chē)及試駕的過(guò)程。例如奧迪和Oculus合作推出的基于VR技術(shù)的選車(chē)服務(wù)，極大的提升了用戶(hù)體驗(yàn)[18]。

四 實(shí)現(xiàn)方法

虛擬現(xiàn)實(shí)包括硬件和軟件兩個(gè)部分，硬件包括電腦服務(wù)器、顯示器、環(huán)繞屏幕、數(shù)據(jù)手套、數(shù)據(jù)鼠標(biāo)等一系列設(shè)備。軟件是指操作這些硬件設(shè)備具體實(shí)現(xiàn)虛擬環(huán)境的機(jī)器語(yǔ)言編碼[19]。

4.1 硬件

虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備一般包含計(jì)算單元，顯示設(shè)備及交互設(shè)備三個(gè)基本模塊[20]。計(jì)算單元用來(lái)進(jìn)行大規(guī)模運(yùn)算，實(shí)時(shí)輸出虛擬環(huán)境的模擬信號(hào)，包括視頻，音頻及其他交互設(shè)備的反饋信號(hào)等。顯示設(shè)備用來(lái)輸出虛擬的環(huán)境。交互設(shè)備是用戶(hù)實(shí)現(xiàn)與虛擬環(huán)境進(jìn)行溝通交流的媒介，通過(guò)視覺(jué)捕捉技術(shù)，體感技術(shù)，以及其他直接觸摸的設(shè)備進(jìn)行。

4.2 軟件

計(jì)算機(jī)圖形學(xué)是完成虛擬現(xiàn)實(shí)的技術(shù)的主要支撐。為了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的沉浸式場(chǎng)景感受，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)需要達(dá)到高質(zhì)量、實(shí)時(shí)的圖像生成及高分辨率三個(gè)指標(biāo)[21]。虛擬現(xiàn)實(shí)軟件有環(huán)境內(nèi)容軟件Vega Prime;虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)高級(jí)跨平臺(tái)開(kāi)發(fā)環(huán)境WTK;具備豐富互動(dòng)行為模塊的實(shí)時(shí)3D環(huán)境編輯軟件Virtools;多平臺(tái)綜合型游戲開(kāi)發(fā)工具Unity3D及我國(guó)具有完全知識(shí)產(chǎn)權(quán)的三維虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)軟件Converse3D等。在汽車(chē)行業(yè)，應(yīng)用于仿真分析后處理的可視化軟件Meta也較流行[22]。

5 VR技術(shù)發(fā)展展望

5.1 智慧化

VR技術(shù)是適應(yīng)信息社會(huì)發(fā)展需求而出現(xiàn)的一種高端人機(jī)接口，可實(shí)現(xiàn)虛擬化感受，并實(shí)時(shí)模擬和交互。VR技術(shù)的智慧化發(fā)展，可使參與者超越時(shí)間與空間的限制，改變?nèi)藗儌鹘y(tǒng)的創(chuàng)新意念。結(jié)合人工智能技術(shù)的發(fā)展，VR技術(shù)會(huì)更具有智慧性。未來(lái)隨著5G技術(shù)的發(fā)展，VR技術(shù)將會(huì)更加真實(shí)地與現(xiàn)實(shí)世界聯(lián)系起來(lái)[23]。

5.2 普適化

隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)的不斷發(fā)展與進(jìn)步，VR技術(shù)正朝著滿(mǎn)足人類(lèi)不同需要的方向發(fā)展，比如日常購(gòu)物，學(xué)習(xí)深造等。隨著VR技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的普通人也將會(huì)受到虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的影響，也會(huì)在該技術(shù)的影響下受益。

5.3 生態(tài)化

生態(tài)化是指多個(gè)生產(chǎn)體系或環(huán)節(jié)之間通過(guò)系統(tǒng)的耦合和物質(zhì)、能量的多級(jí)利用，實(shí)現(xiàn)高效的產(chǎn)出和資源環(huán)境的持續(xù)利用L2a1。虛擬現(xiàn)實(shí)的生態(tài)化是指VR技術(shù)可以在各行各業(yè)中得到越來(lái)越廣泛地應(yīng)用，并將各關(guān)聯(lián)產(chǎn)業(yè)耦合與高效利用。運(yùn)用VR技術(shù)進(jìn)行智能網(wǎng)聯(lián)系統(tǒng)的研發(fā)與制作，不僅使各行業(yè)的生產(chǎn)效率迅速提高、成本降低，也能夠滿(mǎn)足消費(fèi)者個(gè)性化的需求。

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