虛擬現(xiàn)實技術(shù)在房車及客制化領(lǐng)域的應用研究

陳 鵬，劉煜天，王怡心

(西安理工大學 藝術(shù)與設(shè)計學院，陜西 西安710054)

1 虛擬現(xiàn)實技術(shù)應用于房車空間設(shè)計

科學的虛擬現(xiàn)實，是由美國VPL 公司創(chuàng)建人拉尼爾(Jaron Lanier)在20 世紀80 年代提出的，涉及計算機圖形學、人機交互技術(shù)、傳感技術(shù)、人工智能領(lǐng)域，它用計算機生成逼真的三維視覺、聽覺、嗅覺等，使人作為參與者通過適當裝置，自然地對虛擬世界進行體驗和交互的仿真平臺[1]。虛擬現(xiàn)實技術(shù)具有顛覆性，它改變了人們體驗虛擬世界的方式。人們不再局限于二維顯示，而是通過三維顯示來感受虛擬世界，體驗的真實感有了極大提升;交互方式也有了極大改變[2]。隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)的普遍應用，在房車空間設(shè)計中，虛擬現(xiàn)實技術(shù)的優(yōu)點不言而喻。與傳統(tǒng)房車空間設(shè)計相比較，其有三個突出特點，分別為交互性、沉浸性以及想象性。首先是交互性，以虛幻4 虛擬現(xiàn)實引擎為例，設(shè)計師可將三維軟件中制作好的房車模型以及房車中所需的家具家電模型導入虛幻4 引擎中，進行房車空間設(shè)計與規(guī)劃。設(shè)計師還可以進行車內(nèi)燈光設(shè)計，并且還可以調(diào)整內(nèi)飾的配色。得益于虛幻4 引擎的實時渲染功能，設(shè)計師可以實時觀看到自己的設(shè)計成果，做到真正的人機交互以及所見即所得。其次是沉浸性，通過全方面的視覺、聽覺、觸覺甚至是平衡覺為用戶帶來的一種交互式體驗。在設(shè)計師完成了房車空間設(shè)計之后，通過虛幻4 引擎以及佩戴VR 眼鏡、VR 手柄，甚至使用VR 萬向跑步機，即可以做到對房車空間的沉浸式體驗，使人有一種置身于虛擬世界之中的感覺。最后是想象性，虛擬現(xiàn)實引擎能夠使房車空間設(shè)計師在虛擬的環(huán)境中自由發(fā)揮、任意構(gòu)造、無拘無束的進行構(gòu)想與規(guī)劃。增強設(shè)計師的想象能力，甚至從虛擬環(huán)境中獲取新的設(shè)計經(jīng)驗與知識，從而產(chǎn)生新的設(shè)計思想和理念。

2 虛擬現(xiàn)實技術(shù)推動客制化房車空間設(shè)計

客制化房車空間設(shè)計是指：客戶需要參與到房車空間規(guī)劃設(shè)計以及內(nèi)飾配色中來，并且企業(yè)需要以客戶的需求出發(fā)為核心，為客戶量身定制一套解決方案。客戶可以通過虛擬現(xiàn)實的方式全方位地體驗車輛、選裝不同的配件、更換配色方案、內(nèi)飾樣式。其大致可分為兩種方法。第一，線上客制化定制方案，以虛幻4 引擎為例。首先，設(shè)計師需要將房車模型導入虛幻4 引擎中，此時車內(nèi)無需配備任何家具家電和內(nèi)飾的配色。其次設(shè)計師需要將車內(nèi)配備的家具家電再次導入到引擎中。并通過藍圖可視化編輯器對引擎進行編輯，需要做到讓客戶可以在引擎中合理地規(guī)劃車內(nèi)空間布局以及擺放合適的家具家電和進行內(nèi)飾的選色，以及可以通過虛幻4 引擎自帶的人物模型，利用鼠標鍵盤的控制來操縱虛擬人物進行車內(nèi)空間的瀏覽。制作完成后可在虛幻4 引擎中直接將工程文件發(fā)布至“H5”網(wǎng)頁中或其他平臺。

客戶登錄房車企業(yè)官網(wǎng)，挑選其心儀的車型后即可進行內(nèi)飾的定制界面。在界面中客戶可點擊家具、家電、燈光按鈕，在彈出的界面中挑選其喜歡的家具家電以及燈光顏色。然后客戶可以將家具家電擺放至其想要的位置。在色板按鈕中，客戶可以為自己的愛車定制內(nèi)飾配色。客戶全部定制完成后可以在房車中控制虛擬人物進行沉浸式瀏覽。最后點擊提交即可將自己的定制方案提交給廠商進行可行性評估(如圖1 所示)。

圖1

第二，如果客戶覺得還是無法滿足其定制方案，還可以點擊聯(lián)系廠商按鈕，進行進一步的定制服務。虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以將預先設(shè)計好的室內(nèi)模型放到虛擬空間中，用戶通過3D 設(shè)備置身于虛擬仿真模型當中，在三維建模技術(shù)支撐下，用戶能夠感受到立體實物室內(nèi)設(shè)計，能夠與設(shè)計師進行深入地交流和溝通，進而真切感受設(shè)計當中的不足之處，給設(shè)計師提供切實的優(yōu)化建議[3]。

3 客制化房車空間設(shè)計的發(fā)展前景

隨著人們生活水平的提高，以及城市人們對回歸大自然的渴望，節(jié)假日選擇自駕旅行已經(jīng)相當普遍，伴隨著自駕游的大熱，房車露營旅行作為近幾年國內(nèi)出現(xiàn)的一種新興旅游形式，正在快速地被旅游愛好者所熟悉和喜愛[4]。與此同時，汽車工業(yè)的快速發(fā)展，房車企業(yè)之間的差異越來越小，房車出現(xiàn)同質(zhì)化現(xiàn)象，房車企業(yè)競爭愈加激烈，產(chǎn)品的設(shè)計、質(zhì)量、服務很難拉開差距。傳統(tǒng)的生產(chǎn)工藝以及商品已經(jīng)無法滿足客戶的需求。新時期追求的是個性化的物件。因此，商品的客制化在新時期的今天已經(jīng)慢慢得到了普及[5]。如何提高產(chǎn)品的競爭力是房車企業(yè)亟需研究的問題。與此同時，社會發(fā)展越來越快，人們收入也隨之增加。消費者也需要與眾不同的產(chǎn)品來突出自己的個性化。“個性”一詞出自拉丁文，本是指演員的面具，表示了個人自我意識的覺醒。“個性化”指非一般大眾化。在房車空間設(shè)計中，對于企業(yè)來說，企業(yè)為客戶提供了一種設(shè)計房車空間的機會和全新的沉浸式體驗，可以有效提高品牌的影響力，認知度和競爭力。從而增加客戶的購買幾率以及可以開發(fā)更多的潛在客戶，為企業(yè)帶來更多潛在收益。對于客戶來說，虛擬現(xiàn)實技術(shù)改變了其汽車購買體驗。客制化房車空間設(shè)計滿足了客戶參與設(shè)計的互動需求，動手的快樂滿足個人成就感，是馬斯洛需求層次理論自我需求的實現(xiàn)，從客制化的角度來說不僅是滿足功能要求和個性化需求還滿足了更高層次的需求[6]。但是，客制化房車空間設(shè)計也會給企業(yè)帶來成本增加的因素，例如，企業(yè)需要在房車設(shè)計初期就要考慮客制化因素，設(shè)計多套車內(nèi)空間以及配色方案，甚至需要為客戶定制空間布局與家具，開發(fā)虛幻4 引擎，購買虛擬現(xiàn)實設(shè)備。設(shè)計成本的增加無疑會造成房車價格上漲，對于企業(yè)及客戶都會造成一定負擔。

4 虛擬現(xiàn)實技術(shù)在房車展覽方向的應用

虛擬現(xiàn)實技術(shù)可有效展示3D 物品與3D 空間，帶給觀賞者更舒適的觀賞體驗，同時還可更加便捷地進行編輯工作，增強數(shù)字媒體藝術(shù)作品與觀賞者之間的互動性、將進度控制在用戶個人手中，用戶可隨時對藝術(shù)作品的播放進度進行實時調(diào)整，滿足新媒體形勢下觀賞者對藝術(shù)作品的需求[7]。得益于虛擬現(xiàn)實技術(shù)還可以達到照片級的逼真渲染質(zhì)量，足以達到以假亂真的地步，所以使基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的房車新品發(fā)布會成為了可能。房車廠商可以為觀眾、客戶制作一場盛大的虛擬發(fā)布會。觀眾可以在房車企業(yè)官網(wǎng)中下載應用程序或移動應用程序，使觀眾足不出戶即可在家中進行觀看，同時觀眾還可以根據(jù)自身的喜好更換發(fā)布會背景。例如，在森林中或是在海邊的沙灘上。同時虛擬現(xiàn)實技術(shù)應用于房車發(fā)布會還可以避免許多不可控因素。例如，主持人失誤、設(shè)備損壞、冷場、車輛意外碰撞等。在傳統(tǒng)的新車發(fā)布會中，觀眾很難進入到車內(nèi)進行全方面的體驗，會造成觀眾的體驗感，參與感不足。而基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)布會將很好地解決以上所有的問題。與傳統(tǒng)新車發(fā)布會相比，使用虛擬發(fā)布會沒有了現(xiàn)場布置、道具、舞臺、燈光、運輸、工作人員，所以成本會大大降低，并且觀眾的觀看體驗感也會更好。

5 虛擬現(xiàn)實技術(shù)應用于房車裝配生產(chǎn)線的員工培訓

傳統(tǒng)的房車裝配工藝培訓，往往需要有經(jīng)驗的師傅進行一對一或者一對多的全程指導新員工進行操作。而如今，將虛擬現(xiàn)實或增強現(xiàn)實技術(shù)應用于房車裝配工藝教學，新員工只需佩戴虛擬現(xiàn)實頭盔或在移動設(shè)備即可進行學習。新員工如對哪個環(huán)節(jié)或是哪個步驟不理解、不熟悉也可以反復進行學習。不但節(jié)約老員工的時間精力，同時新員工的學習效率相較于之前也有了很大的提高。與此同時，在房車設(shè)計階段采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，設(shè)計團隊也不需要進行費時費力且成本高昂的油泥模型制作。設(shè)計團隊可一起佩戴虛擬現(xiàn)實頭盔，一同進入虛擬環(huán)境中來討論車輛的設(shè)計問題。由于采用虛擬的方式來進行設(shè)計或展示，高層決策者可以更直觀看到未來2-4年才上市的新車，同時也可以更直觀地對設(shè)計問題提出修改意見。

6 虛擬現(xiàn)實技術(shù)應用于房車的技術(shù)要點分析

6.1 將PRO/E、UG、Catia 導入3DS MAX 要點分析

由于汽車行業(yè)建模大多采用PRO/E、UG、Catia 等軟件進行設(shè)計。但是要將汽車模型導入虛擬現(xiàn)實引擎編輯就需要將模型導入到3DS MAX 或MAYA 等三維設(shè)計軟件中進行編輯。以3DS MAX 為例，首先需要將工業(yè)設(shè)計軟件中的模型轉(zhuǎn)換為“OBJ 格式”，然后導入到3DS MAX中，確保房車模型導入3DS MAX 中后坐標軸正確再進行編輯。如發(fā)生模型翻轉(zhuǎn)或坐標軸不在坐標中心的情況則需要進行修改，點擊選中需要修改的模型，在修改面板中，點擊僅影響軸后再點擊居中到對象，即可將模型坐標歸于模型正中心。其次將模型居中到坐標中心，在3DS MAX 界面中最下方，將模型的X，Y，Z 坐標全部右鍵歸零即可，此步驟是為了方便導入虛幻4 引擎中進行編輯(如圖2 所示)。與此同時，還需要將模型的面法線方向調(diào)整正確，因為錯誤的法線方向在導入到虛幻4 引擎中是無法被引擎識別的。

圖2

6.2 3DS MAX 導入虛幻4 的工作準備

6.2.1 可交互模型的坐標軸設(shè)置

為了方便在虛幻4 引擎中進行交互式編輯，所以需要在3DS MAX 中將房車模型的車門、窗戶、冰箱、燃氣灶等可以打開進行交互觀看的模型，設(shè)置可旋轉(zhuǎn)的坐標軸。在未設(shè)置旋轉(zhuǎn)坐標軸前，車門的打開方式不符合常理，且會造成與其他模型穿模的情況，同時在虛幻4 引擎中也會造成客戶在體驗時被車門卡住的尷尬情況，從而無法上車進行體驗。為了解決這一問題，需要在3DS MAX 中手動將車門坐標軸按實際情況移動至車門鉸鏈位置(如圖3 所示)。

圖3

6.2.2 房車模型UV 貼圖制作

在虛幻4 引擎中，客戶需要定制其喜歡的車身顏色以及內(nèi)飾配色、家具樣式等。那么就需要在3DS MAX 中進行車身和家具貼圖制作。然而將貼圖直接貼到模型上，貼圖的比例、位置是完全錯亂的。UV 展開就是針對這一問題的操作，UV 坐標是指所有的圖像文件都是一個二維平面。水平方向是U，垂直方向是V，通過這個平面的二維的UV 坐標系，可以定位圖像上的任意一個像素[1]515。簡單來理解就是將地球展開，使之成為一個平面，也就是我們?nèi)粘Ｋ吹降氖澜绲貓D。在房車虛擬現(xiàn)實設(shè)計中，由于虛幻4 引擎需要進行燈光構(gòu)建、渲染等操作，因此需要兩套UV 貼圖，第一套為房車本身的貼圖紋理坐標，第二套為房車的光照貼圖坐標。在進行第一套UV 紋理坐標拆分時，UV 展開是否合理將直接影響到模型在虛幻4 引擎中的效果，應避免出現(xiàn)貼圖接縫、貼圖扭曲等情況，即可為之后的工作帶來便利。接著進行第二套UV 的拆分。首先需要塌陷第一套模型UV 的信息，然后重新添加“UVW展開”命令，在貼圖通道選項中，選擇通道2，并在彈出的對話框中選擇“移動”，即可完成第二套光照UV 貼圖的制作。在3DS MAX 中，通過UV 棋盤格可檢查模型UV拆分是否合理(如圖4 所示)，右邊為UV 棋盤格，左邊為模型拆分出的UV。可以看出右下角區(qū)域的每一個棋盤方格幾乎都為正方形且UV 位置橫平豎直。在本次房車的UV 展開工作中，為了提高工作效率，不進行交互式體驗的模型可不進行UV 拆分。例如，發(fā)動機艙、底盤、線束等。而車身內(nèi)外飾、車輪則必須進行UV 拆分。

圖4

6.2.3 房車模型材質(zhì)賦予要點

在完成了房車模型UV 貼圖制作之后，接下來需要進行模型的材質(zhì)賦予工作，此時所有的模型都需要賦予相應的材質(zhì)如金屬、玻璃、木質(zhì)、橡膠、塑料等。為了提高工作效率，在此步驟需要對每個材質(zhì)球進行命名。同時為了避免軟件之間兼容性不足的情況，需要盡量以英文命名，且盡量使用標準材質(zhì)球，避免使用第三方材質(zhì)球，以免造成虛幻4 引擎無法識別材質(zhì)的情況。

6.2.4 3DS MAX 導出設(shè)置

首先在3DS MAX 中將系統(tǒng)單位設(shè)置為“厘米”。其次，如果在3DS MAX 中使用了貼圖，需要將貼圖所在文件夾設(shè)置為英文。之后需要檢查貼圖文件的格式，應避免使用“dds 格式”，因為在虛幻4 引擎中“dds 格式”會造成模型丟失貼圖的情況。最好使用jpg、tga、png 圖片格式。在完成了以上設(shè)置后可以導出“FBX 格式”至虛幻4 引擎中，勾選“平滑組”“渦輪平滑”“嵌入的媒體”。取消勾選“動畫”“攝影機”“燈光”選項。

6.3 虛幻4 引擎設(shè)置要點分析

6.3.1 導入虛幻4 引擎的相關(guān)設(shè)置

由于本次實驗的目的為房車的交互式體驗，所以在模板中選擇“第三人稱游戲”或“虛擬現(xiàn)實應用”模板。在FBX 文件導入到虛幻4 引擎后需要進行以下設(shè)置(如圖5 所示)。

圖5

取消勾選“生成缺失碰撞”選項。目的為禁止虛幻4引擎自動生成模型碰撞體，導致碰撞錯誤生成“空氣墻”。其次取消勾選“合并網(wǎng)格體”。目的為禁止虛幻4 引擎自動合并模型，導致模型車門車窗等可進行交互的模型無法進行操作。

6.3.2 虛幻4 引擎中材質(zhì)貼圖設(shè)置

在此步驟中需要對場景中的物體賦予材質(zhì)，如已在3DS MAX 中賦予過材質(zhì)，在虛幻4 引擎中也可以對材質(zhì)的參數(shù)進行修改。

以玻璃材質(zhì)為例：首先需要將材質(zhì)球的屬性改變?yōu)椤鞍胪该鳌薄Ｆ浯危凇癟ranslucency”下拉菜單中將“光照模式”調(diào)整為“表面半透明體積”。在基礎(chǔ)顏色中添加“參數(shù)”節(jié)點，并且將“參數(shù)”節(jié)點中的顏色更換為白色。在“Metallic”“粗糙度”“不透明度”中創(chuàng)建一維節(jié)點并賦予一定的數(shù)值。在本案例中“基礎(chǔ)顏色”數(shù)值為0.776，“Metallic”數(shù)值為0.9，“粗糙度”數(shù)值為1.149，“不透明度”數(shù)值為0.4。現(xiàn)在可以看到材質(zhì)球已經(jīng)大致變?yōu)榘胪该鞑Ａ睿缦胍a(chǎn)生更逼真的玻璃效果則需要在“折射”中添加“Fresnel Function”和“l(fā)erp”節(jié)點，同時為“Lerp”節(jié)點創(chuàng)建兩個向量，數(shù)值為“1.149”，將兩個向量作為“A”和“B”輸入“Lerp”節(jié)點，將“Fresnel Function”節(jié)點輸入“Alpha”節(jié)點，最后將“Lerp”節(jié)點輸出至“折射”中。如需要對“Fresnel Function”的具體數(shù)值進行修改，可雙擊“Fresnel Function”節(jié)點進行修改(如圖6 所示)。至此，玻璃材質(zhì)的參數(shù)調(diào)節(jié)結(jié)束。

圖6

6.3.3 虛幻4 引擎中碰撞體設(shè)置

在虛擬現(xiàn)實體驗中，客戶需要在場景中行走、上下車、開關(guān)門等一系列操作，這時就需要對場景以及模型添加碰撞體來避免在體驗中發(fā)生“穿模”的情況。根據(jù)模型復雜程度的不同，添加碰撞的方法也不盡相同，以本次實驗模型輪轂為例，分別添加“18DOP 簡化碰撞”和“凹包碰撞”效果。其中“凹包碰撞”具體參數(shù)：最大外殼頂點數(shù)23;凹包精確度310000;凹包數(shù)量15(如圖7 所示)。

圖7

圖7 中線條為模型的碰撞體，可以看出“18DOP 簡化碰撞”為了節(jié)約計算機資源，碰撞體將模型包裹得較為松散，但運算速度快，節(jié)約計算機資源。而“凹包碰撞”在設(shè)置了相應參數(shù)后可以將模型包裹得較為嚴密，但是也會占用更多的計算機資源。在制作碰撞時需要根據(jù)實際情況來選擇。

6.3.4 虛幻4 引擎中將第三人稱修改為第一人稱

為了給客戶帶來更好的沉浸式體驗，需盡量使用“第一人稱”。此時需要將第三人稱攝像機更換為第一人稱攝像機。在“標簽”面板中選擇編輯“Third Person character”在“視口”中“Third Person character 自身”選項下添加“Camera”并在“插槽”中添加“Head”，將攝影機角度調(diào)整至合適位置。在“攝影機選項中”，選擇“使用Pawn 控制旋轉(zhuǎn)”。之后在“Third Person character 自身”中的“Pawn”標簽下，選擇“使用控制器旋轉(zhuǎn)Yaw”，即可實現(xiàn)第一人稱操作。

6.3.5 虛幻4 引擎中UI 面板制作

所謂UI，就是從程序內(nèi)部設(shè)置值或根據(jù)需要將用戶設(shè)置的值取出并進行使用[8]。為了達到客制化目的，需要在虛幻4 引擎中設(shè)置UI 面板以供客戶挑選家具、配色、選配等。首先確定安全框大小，以本實驗3840*2160 為例。其次需要在“內(nèi)容瀏覽器”中添加“藍圖控件”。在“藍圖控件”中添加“按鈕”“文本”“圖像”等元素。其中可以自定義“按鈕”的樣式，我們可以在Photoshop、Illustrator 軟件中繪制，然后再導入虛幻4 引擎中作為素材使用(如圖8 所示)。隨后則需要按實際情況添加合適文本。最后點擊運行進行測試。

圖8

6.3.6 虛幻4 引擎中交互物體制作

在虛擬現(xiàn)實體驗中，客戶需要進行上下車、開關(guān)門等一系列交互式操作。針對此問題，需要對可進行交互的模型進行藍圖編程。以車門為例，首先需要新建一個Actor藍圖，在藍圖中添加“靜態(tài)網(wǎng)格體”組件，之后再添加“Box Collision”來觸發(fā)開關(guān)門事件，并在“Box Collision”中選擇添加“組件開始重疊時”“組件結(jié)束重疊時”節(jié)點。除此之外此藍圖中還需要添加“獲取Actor 位置”“向量相減”“向量拆分”“浮點>浮點”“時間軸”“旋轉(zhuǎn)浮點”“插值”“創(chuàng)建旋轉(zhuǎn)體”“設(shè)置相對旋轉(zhuǎn)”節(jié)點。上述節(jié)點通過獲取玩家位置是否與“Box Collision”重疊，從而觸發(fā)車門旋轉(zhuǎn)事件(如圖9 所示)。

圖9

6.3.7 發(fā)布

當完成了所需的項目制作后即可對項目進行打包發(fā)布，在發(fā)布之前需要對項目進行檢查，在確保沒有錯誤后，可按需求發(fā)布到“android”“holoLens”“ios”“l(fā)inux”以及“windows”“H5”平臺。

7 結(jié)束語

本文將虛擬現(xiàn)實技術(shù)引入房車空間設(shè)計中進行簡單分析研究，以及客制化房車空間設(shè)計對于企業(yè)和客戶的優(yōu)勢，和虛擬現(xiàn)實技術(shù)下客制化房車設(shè)計和虛擬現(xiàn)實發(fā)布會、虛擬現(xiàn)實裝配工藝生產(chǎn)線的應用和發(fā)展進行了簡單概括。值得一提的是本文還對實際應用過程中的技術(shù)要點、難點進行分析研究。得出以下結(jié)論：在房車空間設(shè)計中引入虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以增強設(shè)計師的空間設(shè)計能力，想象力。得益于企業(yè)擁有基于虛擬現(xiàn)實的客制化定制服務，為客戶帶來沉浸式的參與設(shè)計，增加了企業(yè)與客戶之間的溫度感。同時企業(yè)也提高了品牌的影響力，認知度和創(chuàng)新能力。同時新車虛擬發(fā)布會相較于傳統(tǒng)發(fā)布會有著諸多的優(yōu)點。將虛擬現(xiàn)實技術(shù)與房車裝配工藝生產(chǎn)相結(jié)合也可以為房車企業(yè)帶來新的發(fā)展。通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以創(chuàng)建產(chǎn)品模型，實現(xiàn)產(chǎn)品的全景展示，這種展示技術(shù)增強了用戶與產(chǎn)品之間的交互，可以360°觀察產(chǎn)品的細節(jié)，隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展，虛擬現(xiàn)實展示的三維圖像質(zhì)量將會進一步提升，向比較自然的方向發(fā)展[9]。在虛擬現(xiàn)實技術(shù)高速發(fā)展以及企業(yè)之間競爭壓力越來越大的今天，企業(yè)如果能突破傳統(tǒng)開拓創(chuàng)新，那么就掌握了市場的主動權(quán)，進而提高競爭力。