基于虛擬現(xiàn)實(shí)的汽車造型優(yōu)化設(shè)計(jì)方法研究

文/李曉峰（江淮汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心）

隨著科技的發(fā)展和技術(shù)的同質(zhì)化，不同汽車品牌在同類產(chǎn)品中很難在質(zhì)量、性能等方面分出高下，造型設(shè)計(jì)就成為汽車品牌競(jìng)爭(zhēng)的重要手段。為提升設(shè)計(jì)品質(zhì)、縮短項(xiàng)目周期、降低開發(fā)費(fèi)用，國(guó)內(nèi)外越來(lái)越多的汽車企業(yè)將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于汽車造型設(shè)計(jì)中。

一、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

VR，Virtual Reality 的簡(jiǎn)稱，中文為虛擬現(xiàn)實(shí)，是一種可創(chuàng)建和體驗(yàn)虛擬世界的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，是利用電腦模擬產(chǎn)生一個(gè)三維空間的虛擬世界，提供用戶視覺等感官的模擬，讓用戶可以在三維空間中觀察和操作互動(dòng)，通過調(diào)動(dòng)客戶各種感官（嗅覺、觸覺、聽覺、視覺等）來(lái)得到更加真實(shí)的、身臨其境的體驗(yàn)。近年來(lái)，隨著硬件性能的提升和成本的大幅度降低，我國(guó)虛擬現(xiàn)實(shí)產(chǎn)業(yè)獲得了長(zhǎng)足發(fā)展。

VR 渲染不僅能夠表現(xiàn)汽車的內(nèi)外造型,還能夠表現(xiàn)機(jī)理、色彩及材料質(zhì)感。在高清投影儀或LED 大屏上，汽車三維渲染效果的評(píng)審、決策非常高效，有助于決策者及早對(duì)造型設(shè)計(jì)方案作決策，也有助于加強(qiáng)異地合作，共同解決技術(shù)造型問題。在各種模型制作前，運(yùn)用VR 進(jìn)行反復(fù)驗(yàn)證、校核和評(píng)審，能及早發(fā)現(xiàn)和避免設(shè)計(jì)錯(cuò)誤[1]。

二、虛擬現(xiàn)實(shí)輔助汽車造型設(shè)計(jì)

1.虛擬現(xiàn)實(shí)在汽車造型設(shè)計(jì)中的作用

汽車造型設(shè)計(jì)需要對(duì)汽車外形和內(nèi)飾有全面的觀察和了解，包括對(duì)汽車覆蓋件材質(zhì)及光照、反射等效果都有非常詳細(xì)真實(shí)的顯示，虛擬技術(shù)為設(shè)計(jì)者和評(píng)審專家提供了非常方便的數(shù)字化模型，具有很多強(qiáng)大的功能[2]。

照片級(jí)逼真的實(shí)時(shí)渲染功能。虛擬現(xiàn)實(shí)造型可視化所提供的圖像質(zhì)量可以和標(biāo)準(zhǔn)的照相設(shè)備或傳統(tǒng)的CAID 系統(tǒng)通過光線跟蹤算法所提供的圖像質(zhì)量相媲美，同時(shí)是實(shí)時(shí)的、交互的，任何改變或變化可以立即看到并作出回應(yīng)。

整體光照功能。在利用光線追蹤、輻射度計(jì)算等圖形生成技術(shù)實(shí)現(xiàn)渲染的過程中, 要考慮整個(gè)環(huán)境的總體光照效果和各個(gè)景物模型間光照的互相影響, 除了考慮光源直接照射引起的反射光之外，還要考慮從場(chǎng)景中其他物體折射或投射來(lái)的光亮度，最終形成有真實(shí)感的光照效果，生成逼真的模型間自然柔和的光影效果。

強(qiáng)大靈活的材質(zhì)處理功能。提供大量材質(zhì)模板，允許用戶創(chuàng)建企業(yè)材質(zhì)庫(kù)與用戶自定義材質(zhì)庫(kù)，材質(zhì)庫(kù)中包括顏色、光亮度、反射度、透明度、多方式紋理映射等多種材質(zhì)信息。

表1 VR 渲染與實(shí)物模型對(duì)比

此外，虛擬技術(shù)還有360 度真實(shí)場(chǎng)景反射效果、通過Web 的協(xié)同設(shè)計(jì)及靈活的變量概念等功能。

2.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在汽車造型設(shè)計(jì)中運(yùn)用的優(yōu)勢(shì)

當(dāng)前的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已經(jīng)能夠提供相當(dāng)逼真的三維視覺效果，因此在汽車造型設(shè)計(jì)中，很多方案無(wú)需再做出模型，通過在虛擬現(xiàn)實(shí)軟件中渲染，已經(jīng)能夠較好地預(yù)覽該方案的實(shí)際效果和各方案的差別[3]。表1 是VR 渲染與實(shí)物模型的對(duì)比。

三、基于虛擬現(xiàn)實(shí)的汽車造型優(yōu)化設(shè)計(jì)方法研究

1.虛擬現(xiàn)實(shí)在江淮汽車造型設(shè)計(jì)中的運(yùn)用流程

依據(jù)江淮汽車的研發(fā)流程的時(shí)間節(jié)點(diǎn)，將虛擬現(xiàn)實(shí)評(píng)審列入研發(fā)流程；建立每個(gè)節(jié)點(diǎn)虛擬現(xiàn)實(shí)渲染的規(guī)范；建立HDR 場(chǎng)景庫(kù)；建立外飾漆顏色材質(zhì)庫(kù)；建立顏色、紋理、面料材質(zhì)庫(kù)；依據(jù)虛擬現(xiàn)實(shí)渲染規(guī)范的技術(shù)要求等選取幾款汽車進(jìn)行虛擬現(xiàn)實(shí)驗(yàn)證，將虛擬現(xiàn)實(shí)的汽車造型設(shè)計(jì)方法納入研發(fā)流程，并固化為研發(fā)流程中重要的一個(gè)流程節(jié)點(diǎn)，減少資金與時(shí)間的消耗[4]。表2 是需要達(dá)到的總體目標(biāo)。

表2 總體目標(biāo)

2.基于虛擬現(xiàn)實(shí)的汽車造型優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

在整車設(shè)計(jì)研發(fā)流程中，虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用于CAS1、CAS2、B 面、A 面、NC 數(shù)據(jù) 5 個(gè)階段，分別為 VR1、VR2、VR3、VR4、VR5，汽車造型優(yōu)化設(shè)計(jì)方法如下。

渲染數(shù)據(jù)準(zhǔn)備。數(shù)據(jù)必須完整，并且滿足《渲染數(shù)據(jù)輸入要求》；設(shè)計(jì)師提供色彩材質(zhì)定義文件；不同配置、不同方案的需提供數(shù)據(jù)及說(shuō)明文件。

數(shù)據(jù)渲染過程。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和優(yōu)化，按照設(shè)計(jì)師的輸入完成分組工作，在studio 光照環(huán)境中完成模型整體燈光陰影的烘培制作；完成車身所有材質(zhì)的調(diào)整，包括不同配置、不同方案；加入2 種以上的外部環(huán)境提供不同的車身反射效果；本輪次的評(píng)審需與上一輪次的數(shù)據(jù)合并在一個(gè)文件中進(jìn)行對(duì)比，如VR2 數(shù)據(jù)應(yīng)當(dāng)和VR1 數(shù)據(jù)合并在一個(gè)文件中。

數(shù)據(jù)輸出要求。渲染完成的RTT 或VRED 格式數(shù)據(jù)用于實(shí)時(shí)評(píng)審；按照《虛擬現(xiàn)實(shí)視圖輸出要求》進(jìn)行內(nèi)外飾出圖；按照造型設(shè)計(jì)師造型需求進(jìn)行細(xì)節(jié)對(duì)比展示；對(duì)不同HDR、不同色彩方案、不同配置進(jìn)行展示；輸出整車360 度外飾和內(nèi)飾的全景圖；輸出一段全CG 視頻或?qū)嵕耙曨l動(dòng)畫。

評(píng)審流程。評(píng)審準(zhǔn)備階段，由開發(fā)管理部提前預(yù)約評(píng)審時(shí)間，渲染工程師發(fā)布評(píng)審?fù)ㄖ?并負(fù)責(zé)評(píng)審材料、設(shè)備準(zhǔn)備完善；造型設(shè)計(jì)師對(duì)整車當(dāng)前進(jìn)行闡述，主要檢查數(shù)據(jù)狀態(tài)及存在問題點(diǎn)，描述上次評(píng)審紀(jì)要完成情況；視圖靜態(tài)展示,可以是平面展示或是三維展示；內(nèi)外造型整車不同視角、不同場(chǎng)景、車身顏色和內(nèi)飾配色、大燈完整設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)、后視鏡、方向盤數(shù)據(jù)、球頭、后燈設(shè)計(jì)、格柵造型細(xì)節(jié)、前包圍曲面、后包圍曲面、輪轂細(xì)節(jié)、側(cè)面腰線曲面造型、裝飾件造型細(xì)節(jié)評(píng)審等。

3.建立基于虛擬現(xiàn)實(shí)的汽車造型優(yōu)化設(shè)計(jì)工作規(guī)范

為了更好地提升汽車造型設(shè)計(jì)，需要形成各階段的具體規(guī)范，包括數(shù)據(jù)規(guī)范，VR1、VR2、VR3、VR4、VR5 等各階段評(píng)審規(guī)范。

四、基于虛擬現(xiàn)實(shí)的汽車造型優(yōu)化設(shè)計(jì)方法驗(yàn)證

現(xiàn)以駿鈴輕卡項(xiàng)目的汽車外CAS1 數(shù)據(jù)渲染及評(píng)審為例來(lái)說(shuō)明虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用。

駿鈴輕卡外效果圖優(yōu)化完成并通過最終確認(rèn)后，造型設(shè)計(jì)師根據(jù)效果圖及總布置輸入的造型約束條件進(jìn)行CAS1 數(shù)據(jù)制作。CAS1 數(shù)據(jù)完成后，造型設(shè)計(jì)師首先對(duì)外數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，輸入到3D EXCITE 軟件里面進(jìn)行渲染。在3D EXCITE 軟件里面通過對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分層、面的優(yōu)化、環(huán)境光設(shè)計(jì)、光影渲染、材質(zhì)球調(diào)整及賦予等步驟進(jìn)行虛擬現(xiàn)實(shí)渲染。通過3D EXCITE 軟件對(duì)CAS1 數(shù)據(jù)初步渲染，效果初步達(dá)到效果圖視覺效果，此時(shí)的虛擬渲染為VR1 階段。CAS1 虛擬渲染完成后，為更好更直觀地展示渲染效果，用VR 3D 眼鏡評(píng)審。

駿鈴?fù)怙桟AS1 數(shù)據(jù)VR1 評(píng)審包括以下幾項(xiàng)：一是根據(jù)效果圖評(píng)審時(shí)提出意見，在靜態(tài)渲染狀態(tài)確認(rèn)CAS1數(shù)據(jù)的效果。二是CAS1 靜態(tài)渲染圖與效果圖對(duì)比評(píng)審。對(duì)2D 到3D 的造型轉(zhuǎn)化進(jìn)行評(píng)審確認(rèn)，具體做法是：調(diào)整駿鈴CAS1 靜態(tài)渲染圖使之與效果圖角度一致，將兩張圖都展示在大屏上進(jìn)行造型對(duì)比；檢查CAS1 數(shù)據(jù)與效果圖的一致性，效果圖一般有正視圖、45 度透視圖、側(cè)視圖、后視圖、后45 度視圖，在評(píng)審前，提前設(shè)置并保存好與效果圖一致的靜態(tài)渲染圖角度。三是整車造型評(píng)審。駿鈴CAS1 渲染圖與標(biāo)桿車進(jìn)行對(duì)比，設(shè)計(jì)師根據(jù)車型的市場(chǎng)定位及造型風(fēng)格對(duì)整車的比例進(jìn)行對(duì)比分析；現(xiàn)場(chǎng)對(duì)渲染的整車源文件進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)評(píng)審，評(píng)審整車的造型特征的元素、分割、線條等；設(shè)計(jì)師對(duì)整車的型面的光影設(shè)計(jì)（包括曲面的弧度、斑馬線的形態(tài)等）進(jìn)行評(píng)審。四是細(xì)節(jié)造型評(píng)審。對(duì)需要評(píng)審的細(xì)節(jié)造型進(jìn)行精致評(píng)審，以大燈為例，要對(duì)大燈整個(gè)造型特征進(jìn)行評(píng)審，設(shè)計(jì)師對(duì)大燈比例、線條、不同功能燈點(diǎn)亮的效果等設(shè)計(jì)進(jìn)行闡述；對(duì)細(xì)節(jié)造型的型面的光影、連續(xù)性、高光等進(jìn)行評(píng)審。

五、結(jié)語(yǔ)

虛擬現(xiàn)實(shí)在汽車造型設(shè)計(jì)中起到優(yōu)化造型的作用，使汽車造型設(shè)計(jì)更加順暢，更加系統(tǒng)和完善。此方法可以推廣至商用車和乘用車的各個(gè)車型中，可有效地提升評(píng)審質(zhì)量，縮短開發(fā)周期；可減少模型制作，節(jié)約模型開發(fā)費(fèi)用。隨著虛擬現(xiàn)實(shí)的發(fā)展，相信未來(lái)的造型開發(fā)設(shè)計(jì)與虛擬現(xiàn)實(shí)將結(jié)合得更加緊密。