一種全新的汽車A柱視野輔助評估方法研究

孫海青　梁清林

摘 要：針對目前行業內對汽車A柱視野遮擋的問題，僅根據法規計算評估方法已不能滿足客戶對前方視野的實際需求。本文研究并設計開發了一種虛擬現實可視化評估方法，直接對設計開發數據進行可視化渲染后，通過座椅及視點定位，虛實結合的方式，更加全面并直觀評估A柱的視野遮擋，將A柱主觀評估與客觀評估結合起來，快速迭代。在設計開發的早期就能通過可視化評估方法，并且不依賴于實物模型的驗證，從而深度優化A柱方案，滿足市場需求。

關鍵詞：可視化渲染 座椅定位 視野遮擋 虛實結合

Research on a New Method of Auxiliary Vehicle A-pillar Visual Field Evaluation

Sun Haiqing，Liang Qinglin

Abstract：For A pillar obscuration in auto industry， the traditional calculation based on regulation cannot totally meet the actual requirements from customer. This paper develops a virtual assessment way with visualized rendering 3D math data， combined with high accuracy seat H point orientation and main viewpoint tracking system， to achieve a comprehensive physical and virtual mixed reality review for A pillar vision intrusion both in objective and subjective. So it can help engineers for depth optimizing A pillar obscuration without physical mockup at the early stage of program.

Key words：visualized rendering， seat orientation， vision intrusion， physical and virtual mixed reality

1 引言

汽車A柱是前風擋玻璃兩邊的重要支柱，出于車身整體剛度的考慮，A柱的寬窄和角度對整車正碰能量傳遞有顯著的影響，但 A 柱會直接遮擋駕駛員前方視野，尤其是當汽車出道路口轉彎時對車輛側前方物體判斷的影響最為明顯，也就是A柱障礙角，對駕駛安全有較大影響，駕駛員在行車過程中有80%的交通信息通過視覺獲得，良好的駕駛員視野是保證主動安全性的必要條件。因此針對汽車A柱視野的優化和評估是汽車總布置開發工作中最重要的組成部分.

針對汽車A柱視野優化，各大汽車廠商也提出了很多優化研究方案，針對各種優化方案的評估也提出了不同的概念，除了本身造型及工程布置優化后，對最終的A柱障礙角的評估以外，還提出了很多有關視野遮擋的評估方案，如虛實疊加的A柱視野評估，虛擬模型評估等，本文也重點推出了一種新的A柱障礙角評估方法，也即主觀與客觀相結合的虛擬模型A柱視野優劣評估方法。

2 傳統A柱視野評估方法

針對各車型的A柱視野現狀，國標委也提出了相關的測量方法以及標準，目前國內主要采用GB 11562-2014《汽車駕駛員前方視野要求及測量方法》，《GB 11562—2014汽車駕駛員前方視野要求及測量方法》對A柱障礙角的測量方法定義如下（見圖2）。主要有兩個A柱障礙角的測量，即A柱雙目障礙角和GCIE A柱障礙角。

2.1 A柱雙目障礙角

（1）從Pm點向前作與水平面向上呈2。的平面，過此平面與A柱相交的最前點作水平S1。（2）從Pm點向前作與水平面向下呈5。的平面，過此平面與A柱相交的最前點作水平截面S2。（3）將S1，S2兩截面投影在P點所在的水平面內。（4）將E1和E2的連接線繞P1旋轉，使E1點至左A柱的S2截面外側的切線與E1，E2連線成直角，從E1向S2截面外側作切線，從E2向S1，截面內測作切線，從E1點作前一切線平行線，與后切線所成的平面視野角度即為駕駛員側的GB A 柱障礙角（A柱雙目障礙角）。國標定義了每根A柱雙目障礙角不得超過6°的技術要求。如圖1所示。

2.2 GCIE A柱障礙角

GCIE A柱障礙角僅僅定義了測量方法，并沒有規定限值。GCIE A柱障礙角的測量方法如下（見圖2）。

（1）駕駛員設計H點往上635mm高度作GCIE眼點，通過GCIE眼點作一垂直于Z軸平面S。（2）通過S平面作出A柱截面，內側通過 GCIE眼點作直線與A柱內側前風擋玻璃黑邊相連，外側通過GCIE眼點作直線與A柱外側（包含A柱，門密封條等）相切。（3）內側直線與外側直線之間的夾角（銳角）即為GCIE障礙角。

因此，各大汽車廠商基本都是基于以上兩種雙目障礙角的測量基礎上，對A柱進行優化，傳統的評估方法也是基于這兩個A柱障礙角的度數進行對比后得出 A柱視野的優劣，在一些相對成熟的評估體系下，可能會形成整車視野的綜合評估積分表，如通用體系下的整車視野綜合評估方案，也是在測量不同區域的尺寸，如A柱障礙角，A柱根部與外后視鏡之間的寬度，前下視野，門板水切高度等數據，通過一個相對復雜的權值記分后形成了一個綜合打分表，在這樣的綜合評分表中，A柱障礙角的占比最大。

傳統的評估方法多數情況下只能進行數值的比較，最多在實物驗證模型基礎上進行視野的主觀評價，而一輛車的開發周期中，尤其在早期的設計開發上，制作的實物模型數量非常有限，而實物模型的制作周期又相對較長，常常是能實際評估到的A柱方案以及視野都是5個月以前的設計開發方案，等到實際物理模型評估時，A柱開發方案可能相比制作出的實物模型，又做了很大的調整或者更新，因此設計狀態滯后，我們只能依靠測量數據，而對測量數據的實際視野表現并沒有太大的把握，往往造成的一個結果就是，同樣的A柱障礙角，到客戶使用時，發現對視野的抱怨會有很大差異，甚至有些A柱障礙角小的反而抱怨更大。

因此，我們需找到一種可以及時反應A柱視野，更加全面的綜合評價方法，因此本人提出了一種基于投影算法的A柱視野虛擬評估方法。

3 A柱視野虛擬評估

3.1 傳統A柱障礙視野評估

針對A柱視野的評估，目前行業內主要有兩種評估方法，一種是客觀評估，一種是主觀評估，客觀評估主要按照GB 和GCIE 的標準進行測量，確保測量出的A柱障礙角滿足GB 要求，同時針對GCIE的測量方法盡量讓A柱障礙角變小，同時各汽車公司也會有一些內部的BP或者LL 等要求，來保證自己的視野要求。這種評估方式的主要目的有兩個，一是確保滿足國標要求，一是可以基于測量的角度對比下，評估各車型造型特征下的A柱好壞，設置綜合評分目標，如下圖3所示。但這只是在數據層面，這種評估方式的缺陷就是不直觀，工程師只有一個數字大小的概念，并沒有對A柱視野的一個直觀感受。主觀評估就是基于設計數據基礎上，加工出1：1的實物驗證模型，項目開發人員直接在實物模型上對A柱視野進行主觀評估和打分，從而對A柱的整體方案，A柱對視野的影響進行一個更為全面，直觀的評估。

以上是傳統的汽車A柱視野評估方式，不管是主觀評估還是客觀評估，都存在一定的缺陷，基于測量數據的客觀評估方法不直觀，較難把握。而通過主觀評估的實物模型加工周期較長成本也相對較高。因此本文提出了采用虛擬現實技術的方法，將主觀評估與客觀評估結合起來，讓開發人員快速掌握A柱的設計狀態。

3.2 虛擬模型A柱視野評估

隨著虛擬現實技術，以及計算機技術的不斷發展和進步，虛擬現實技術應用于工程領域的廣度和深度也不斷加強，汽車行業內用于虛擬評估的多屏幕虛擬現實系統，以及頭戴式VR設備，很好的為早期汽車設計開發提供了穩定可靠的虛擬評估平臺。本文提出的虛擬A柱視野評估方法，具體過程如下：

3.2.1 數據準備

汽車開發早期階段，基于3D設計和工程開發數據，利用渲染軟件VRED/UE進行可視化渲染，將設計及工程的三維數據渲染得跟真實車型一樣，基于真實材質的評估，更能為評估者提供真實有效的主觀評價，從而做出更準確的評估結論。同時渲染軟件也支持VR及CAVE外設。

首先將3D數據按照定義的材質進行可視化渲染，如車漆，玻璃，皮紋，金屬，塑料，反射等材質定義，配套相關的動畫制作，如車門，引擎蓋，尾門打開，不同方案部件切換，不同方案標簽等。

其次添加評估應用場景，選擇需要評估的A柱障礙角場景，可以選取十字路口，或者轉彎路口等，針對A柱視野評估比較關鍵的場景位置。將場景與車輛模型匹配，車輛模型配套地面線與場景地面匹配。

3.2.2 虛實疊加定位

針對A柱視野評估，評估者一般是在坐姿狀態下評估，因此，我們需配套相關的簡易臺架進行視野評估，確保評估者能在正常坐姿狀態下進行評估，因此配套了簡易的座椅，方向盤以及踏板，為評估者提供實物支撐，進一步增強評估的可靠性和有效性。

因此本文利用攝像機定位的方式，將實物座椅的位置與虛擬車輛中的座椅位置進行匹配，確保評估者能在準確的位置上進行視野評估。本文的定位方式有兩種，（1）視點定位，將外設VR 設備與工作站連接后，設置攝像機視點位置，根據可視化軟件中的視點坐標信息，在攝像機位置處進行初始位置定位后，評估人員戴上頭盔，便可以基于初始位置的頭盔，按照每個人的視點位置進行自由評估。如下圖6如所示。

（2）H點定位，增加實際座椅中的H點追蹤器，本文采用HTC的Tracker追蹤器。設置車輛H點位置，可將3D工程軟件中的一二三排車輛標準假人H點位置導入車輛模型中，可將渲染軟件中的坐標信息與3D工程軟件中設置一致后，直接在渲染軟件中查找H點的坐標信息。

并將H點的位置信息與tracker 的定位信息匹配，便可以將實際座椅及評估人員一鍵準確定位到虛擬場景中的H點位置，從而保證評估人員的位置準確。如圖7所示。

3.2.3 A柱虛擬評估

以上數據準備及虛實疊加定位完成后，評估人員便可坐在實物臺架上，戴上頭盔，在虛擬環境中進行評估，由于A柱視野評估的主觀性非常強，也非常容易評估出不同方案的好壞，以往我們在數據測量中的角度信息都可以在虛擬車輛模型上進行展示，不同的讀障礙角角度，對不同身高的評估人員來說，就有了一個非常直觀的視覺感受，因此，很快就能評出不同A柱方案對視野的影響，已經客戶的可接受度，如下圖所示，開發人員設計了3個不同的A柱方案，有不同A柱障礙角的，也有相同障礙角，但A柱造型特征線位置不一樣的情況下，評估出最優的一組方案。

4 A柱視野評估主觀與客觀標準結合

A柱視野客觀評估，目前已有相對成熟的方法以及國標的測量方法，通過數值比對和打分可以進行初步的判斷，并且通過國標的測量方法，確保設計方案能滿足國標的要求。在滿足國標前提下，與其他競爭車型對比，提升車型產品競爭力，就需要從的設計和差別去考慮優化產品，并且不斷深入優化測評工具，尤其虛擬評估在這一塊的優勢。

因此，在本項目中，提出了A柱視野上2下5度的國標測量方法以后，也提出了更為貼合實際的虛擬視野評估方法，也即在眼點位置往A柱進行上2下5度的位置裁切后，形成上2 下5度的空間投影面積，從而更準確體現A柱障礙角遮擋視野的大小，本文采用投影算法，將從駕駛員眼點位置處，往A柱上2下5度的裁切后，形成A柱裁切后的邊框投影線，將投影線投影在車輛前方的球體上，用均勻打點的方式明確A柱投影遮擋面積，如下圖9所示，從而更精確了A柱視野遮擋大小，從而在主觀評估過程中，增加了客觀數據支持，為評估人員及客戶提供了更為精確的客觀依據。

5 結論：A柱視野評估多元化的重要意義

在整車開發過程中，A柱涉及到很多重要方面，如造型特征，視野，安全等，因此在整車總布置的工作中占的比重非常大，尤其在提升客戶滿意度，主動安全等方面，因此，對A柱的測量及評估顯得尤為重要。簡單的數據測量及對比，滿足國標要求已經不是現代汽車開發的主要目標，尋求更為貼合實際的評估方法和評估手段，對整車總布置開發來說，是一項非常重要的任務，本文正是創新性地嘗試了A柱視野虛擬評估方法，將主觀評估與客觀評估數據結合起來，為設計開發人員提供了一套有效的評估工具，并且這樣的評估方式可進行多次迭代，快速方案評估和對比，也減少了絕大部分實物模型的加工，節省成本的同時也極大地提升了效率和精準度。

參考文獻：

[1]吳傳紅.《汽車A柱視野研究與優化》[J].上海汽車.2017，（9）.

[2]毛婷婷.《一種 4通道沉浸式CAVE可視化系統》[J].汽車工程師.2020，（1）.