四通道可視化系統在汽車工程中的開發及應用

毛婷婷 王向陽 孫海青 袁博

（泛亞汽車技術中心有限公司）

在汽車前期開發過程中，大部分的數字設計往往都沒有較好的驗證和評估工具，傳統的做法仍然只是基于3D 建模軟件中各組測量數據的對比，各項分值計算，以及通過對已上市車型的參考比對，從而綜合得出一個較優方案，雖然在各個大節點時也會加工實物模型來驗證，但驗證的內容非常有限，再加上驗證模型制造誤差等，使得在實物評估時常常比較被動，同時實物模型的加工時間較長，加工費用也較高，車型及零件更新方案迭代效果和效率都有限，使得很多設計及工程問題很難在早期被發現，而且有些更改需耗費巨大的人力物力。因此，在早期的方案驗證上，亟需尋求能快速并直觀展現設計和結構方案的工具和方法，驗證多種可能的車型方案，為所有測量及對比數據提供直觀可靠的數字化模型和場景進行驗證，以便及早地發現設計和開發過程中的問題。文章就四通道虛擬現實可視化評估系統（CAVE 系統）進行了深入研究和設計，最終實現了整車1∶1 虛擬評估場景和環境的搭建，為汽車前期開發提供快速高效的可視化評估工具[1]。

1 四通道高清虛擬可視化系統原理及技術方案

1.1 四通道CAVE系統定義

CAVE 系統是一種基于多通道視景同步技術和立體顯示技術的房間式投影可視協同環境，該系統可提供1 個房間大小的最少3 面或最多70 面的立方體投影顯示空間，供多人參與，所有參與者均完全沉浸在一個被立體投影畫面包圍的高級虛擬仿真環境中。文章的四通道CAVE 系統則是基于4 面直角的立方體投影顯示空間[2]，如圖1 所示。從圖1 可以看出，通過左、中、右、地4 塊大屏幕包圍成密閉的步入式可視化投影空間。

圖1 四通道CAVE 系統空間效果圖

再借助相應虛擬現實交互設備（位置跟蹤器、交互手柄等），從而獲得一種身臨其境的高分辨率三維立體視覺影像和6 個自由度的交互感受。由于投影面積能夠覆蓋用戶的所有視野, 所以CAVE 系統能提供給使用者一種完全真實的視角，從而帶來前所未有的身臨其境的沉浸感受。

1.2 四通道CAVE系統拓撲原理

文章中的四通道CAVE 系統，主要設計并搭建了一整套軟硬件系統，系統包含的軟硬件系統模塊，如圖2 所示。其中硬件部分包括：一拖四集群工作站圖像生成系統、4K 高清雙畫面立體投影系統、精確光學位置追蹤系統、圖像顯示系統、數據流轉與通信系統、多模式多工況中央控制系統等。軟件部分包括：基于虛幻（UNREAL）引擎定制開發的軟件及部署，利用C++底層技術開發實現四屏立體同步、眼點定位跟蹤功能，以及評估應用功能開發和操作界面（UI）設計等。

圖2 四通道CAVE 系統主要模塊關系圖

CAVE 系統的功能設計包括9 個方面：

1）圖像生成系統：設計利用5 臺Z840 工作站，通過其中1 臺主控機實現一拖四集群圖像生成，配備高性能計算顯卡，實現單通道4K 高清圖像生成。

2）投影系統：設計利用4 臺4K 高清投影機，單機2 組燈泡，1 組配備3 個高亮度燈泡，單通道亮度達到30 000 lm，其中左中右3 臺背投，地面正投方式，利用反射鏡縮短投影距離，提高投影機房空間利用率，通過雙屏3D 圖像設置，實現雙畫面立體顯示。

3）位置追蹤系統：設計利用6 個光學追蹤探頭，立體眼鏡上固定追蹤定位球，實時抓取定位球位置信息，將抓取到的位置信息傳送至圖像生成場景和投影系統中，實現實時位置更新，確保抓取位置點的展示內容準確無變形。

4）圖像顯示系統：除了CAVE 主屏投影顯示以外，控制臺處的圖像利用KVM 控制器進行顯示和控制切換，簡化控制臺處的顯示設備，設立3 臺顯示器，分別針對CAVE 的多臺工作站進行顯示切換。

5）多窗口監視系統：通過截取應用軟件視頻流的方式進行視頻傳送，從而監控整個CAVE 房間內的各種應用。

6）基于UNREAL 的定制化開發軟件部署，重新編譯UNREAL 官方應用軟件后部署在主控節點及4 臺渲染節點上，并設計UI 界面實現人員操作簡易化，開發相應評估操作工具，如天氣變化、時間變化下的光照變化，測量、剖切、移動旋轉、車輛切換、座位切換等。

7）立體同步：本系統使用主動立體系統獲得立體畫面。主動立體系統中，投影機高速切換投影左右眼的圖像，并通過無線/紅外信號控制立體眼鏡左右鏡片的開關動作。本系統中投影機無需從渲染服務器處獲得左右眼的同步信號，左右眼的同步由投影機按照視頻信號直接發生，由于各個渲染節點是通過像素同步的方式實現，保證了視頻信號的頻率與相位同步。

8）多畫面數據同步：在CAVE 環境中，需要讓用戶將多個屏幕的畫面認知為一個整體，需要時刻準確地獲得用戶雙眼的位置。本系統使用光學追蹤系統追蹤用戶視點，位置追蹤光學探頭通過紅外三角定位的方式測量安裝在立體眼鏡上的反光球，并推算出雙眼位置。使得對應屏幕上的圖像與人眼在虛擬場景中相同位置上看到的畫面等效，從而獲得沉浸式的體驗。

9）應用功能開發結合UI 界面：除了以上應用系統的搭建外，在使用過程中的人機UI 界面開發和工具菜單開發，實現人員在虛擬環境中進行相關的評估操作，如切換車輛、切換場景、更換天氣、座椅定位、移動旋轉部件和車輛、剖切斷面、測量、視域顯示、照明等功能，以及各場景事件如人員走動、車輛流動等，從而還原更真實的路面情景，進行車輛視野、人機、設計質量檢查、干涉檢查、裝配檢查等。

1.3 四通道CAVE系統技術要點

四通道CAVE 高清可視化系統整體框架，如圖3所示。通過主控機拖4 臺渲染節點實現集群圖像渲染和計算，并通過輸出為二分畫面與投影儀相連接，每個畫面由2 個數據通道組成，系統中將4 個通道組成橫向分辨率為7 680×2 160 像素（Pixel）的Mosaic 模式，輸出左右雙畫面高清圖像，將投影畫面設計成雙通道左右眼立體模式，實現左右眼切換下的立體顯示，配置立體同步文件[3]，實現四通道畫面同步無延遲，同時為保證視點的準確性，利用6 個位置追蹤攝像頭實現光學捕捉，主要捕捉人在虛擬環境進行無線交互的Flystick 手柄位置，以及立體眼鏡位置和座椅相對位置等，從而實現人與虛擬環境中位置的高度匹配，保證視點和手柄的位置準確不失真。

圖3 四通道CAVE 系統整體框架圖

文章的四通道高清可視化系統的網絡傳輸采用交換機網絡傳輸方式，建立整個系統的局域網絡，實現CAVE 主控機與4 臺渲染節點的數據交換與連接，實現各軟硬件之間的協同與同步，以及實時的通信協議。

四通道高清可視化硬件系統需匹配相關軟件并進行部署，軟件部署主要有以下內容：主控機上部署同步服務（SyncServer）配置，CAVE 一鍵啟動控件、位置定位管理控件、系統配置相關軟件及控件，渲染節點上部署有基于UNREAL 定制開發的主程序以及監控程序。

CAVE 多畫面立體同步控制，如圖4 所示。通過位置追蹤主控程序控制并管理4 臺渲染節點，實現位置和立體同步，利用主控機分發對應的場景和車輛數據文件到各臺渲染節點，利用主控機上的啟動器控件，實現對4 臺渲染節點的一鍵啟動，并在保證畫面立體同步的同時，也保證ART 捕捉到的視點位置準確。

圖4 CAVE 多畫面立體同步控制圖

以上功能主要實現了軟件數據與硬件的連接和展示，而在評審數據的準備過程中，在數據處理上，基于UNREAL 引擎定制開發的編輯打包軟件（UE）及UI 界面開發也是很重要的，在定制UE 中，對相應車輛數據進行處理，包括材質渲染、燈光、反射、零件替換，座椅定位前期數據處理工作完成后，最終打包成UE 工程文件，并按照用戶配置發布到服務器中，通過CAVE 主控端的CAVE 啟動器控件，開啟四通道高清可視化系統的車輛文件。圖5 示出CAVE 評審數據打包顯示界面。

圖5 CAVE 評審數據打包顯示界面

部署完以上車輛數據后，就可以在CAVE 系統中進行評估，利用定制開發的UI 工具進行車型數據的評估，并可選擇預置在場景中的各項輔助評估內容，包括選擇不同的場景、天氣和時間，以及跳轉不同的定位座椅、車外視角等，從而在各種工況條件下進行評估，并利用UI 工具，對評審車輛進行剖切、測量、旋轉移動、視域檢查、手電筒照亮目標區域、儲物等，滿足多工況下的多重應用評估。圖6 示出CAVE 系統UI 功能顯示界面。

圖6 CAVE 系統UI 功能顯示界面

2 CAVE系統在汽車工程開發中的應用優勢

2.1 主視角四屏全高清汽車工程模型展示

在以往的多屏可視化系統中，雖然能實現立體同步及立體展示，但由于平面投影給出的立體圖像針對立體眼鏡來說，只有某一些固定位置的立體圖像才是準確不變形的，一旦移動位置，即便帶上立體眼鏡，所觀測到的圖像信息仍然會變形，從而無法達到準確評估的目的。圖7 示出CAVE 系統立體圖像與主視角定位。

圖7 CAVE 系統立體圖像與主視角定位展示界面

文章的CAVE 系統通過光學追蹤的位置定位，實現了主視角圖像準確無變形，屏幕上方的6 個光學追蹤定位器，實時追蹤加在立體眼鏡上的定位球位置，并將此位置實時傳送至虛擬場景中，從而實現實際場景與虛擬場景的高度匹配，帶上主視角立體眼鏡后，隨時走動位置，人眼所觀測到的立體圖像會根據人體位置實時變化，因此，在光學追蹤下的立體評估準確地實現了對汽車數據模型評估的功能。圖8 示出CAVE 系統主視角追蹤。當人鉆入車底時，即可實時看到底盤相關零件并評估其布置狀態。

圖8 CAVE 系統主視角追蹤圖

2.2 虛擬空間內三維空間手柄功能應用

在CAVE 中使用Flystick 手柄進行操作，設計Flystick 手柄產生1 根虛擬射線，當射線被使用時，功能與鼠標類似，可實現在三維虛擬空間中的人機交互工作，同時藏在Flystick 手柄透明玻璃下的定位器同樣可被光學追蹤探頭識別，并實時將手柄的射線位置與虛擬場景進行匹配，從而使得手柄可在各屏幕的場景中自由操作，實現三維虛擬空間中的人機交互及界面UI 選擇等，從而脫離了鍵盤鼠標操作的不及時性。圖9 示出CAVE 系統三維空間交互手柄。

圖9 CAVE 系統三維空間交互手柄示意圖

通過主視角眼鏡佩戴，以及手柄在三維空間中的操作，將車輛模型處理好以后，就可以進行車輛狀態評估，在汽車前期研發階段，為汽車總布置和零件設計提供了一種快速真實地反映設計效果和意圖的虛擬模型，為評估者提供直觀可靠的展示方案，可幫助工程師們快速決策出更優方案。圖10 示出CAVE 系統評審模式及功能選擇設計。

圖10 CAVE 系統評審模式及功能選擇設計顯示界面

2.3 同場景下的多人協同評審

在評審過程中，主視角的方式可以給評估人員帶來快速全新的身臨其境的評估體驗，但往往1 個主視角眼鏡及位置對車輛評估來說是不夠的，因此在同一場景中，經常需要至少2 人參與評估，文章設計了CAVE 與虛擬現實（VR）頭盔結合的方式進行多人協同互動，如圖11 所示。通過設計CAVE 與VR 計算機的網絡設置，以及統一的UNREAL 引擎平臺二次開發，實現同場景2 人互動，同時可以將CAVE 視角和VR 視角通過視頻流的方式投影在第三方屏幕上，其他人可在第三方屏幕上了解2 人的互動內容。

圖11 VR 與CAVE 中的2 人協同評審場景示意圖

3 結論

文章通過對虛擬可視化系統的特點、實現原理及技術方案進行深入分析和研究后，針對汽車前期開發業務特點，搭建了定制化四通道高清虛擬可視化系統，實現了對整車的1∶1 可視化評估。評估人員可以坐在三維虛擬場景和車里，對前期的零件布置方案進行對比分析、視野校核、人機工程分析，通過對外觀質量等一系列評估項進行真實有效的評估，可提早發現前期的很多設計和零件布置問題，降低前期開發驗證中對實物模型的依賴，避免了因為前期設計問題給后期帶來的較多返工和客戶抱怨等。