基于實時圖像軟件的動態仿真平臺在汽車背光的探索

張 享，鄭道松，付文剛，孟 銳

（奇瑞汽車股份有限公司，上海 200000）

1 前言

汽車按鍵、屏幕等人機交互設備的背光與指示燈，通常用于夜間的可視性操作和反饋性操作。一般基于傳統經驗實踐進行定義，設置硬旋鈕或軟開關進行可調整操作，指示燈多由紅、綠、黃、藍等色彩組成［1］。以上定義被釋放至零部件開發規范，經過數月開發周期，零件級首模件被安裝到車上，再進行整車背光評審，篩查統一性，通常會出現背光不統一、系統邏輯不合理、色彩不一致等相關問題，反復幾次評審，并進行定義微調，達到理想目標，完成V型開發［2］。

然而，隨著汽車內飾材料種類、自帶LED燈光的零部件的增多，同時，這些零部件過去多由車身控制器BCM硬線驅動，變為多個自帶芯片零件自驅動和硬線驅動共存，且智能座艙、智能氛圍環境燈和主動安全技術逐漸成熟，乘客對車內視覺環境的要求也隨之提高。傳統背光定義、測試、評審流程中高頻率發生的各類問題高度放大，自帶芯片驅動燈光的按鍵與色彩種類更復雜的屏幕在駕駛員同一視野中，統一性較難保證。

虛幻4引擎為代表的實時圖像軟件已在汽車內外飾、建筑展示上獲得很多實踐性經驗，在該平臺上進行演算的無人駕駛動態仿真項目也已初見成效［3］。早期造型軟件已經可以做到靜態仿真渲染，汽車、飛行器等行業的工程級計算機輔助設計仿真早已成熟［4］。結合上述三者的實時動態仿真、工程模擬、靜態渲染，以及專業的物理引擎，在相較以往更短的時間內完成動態實時的仿真模型，減少大量重復工作，增強初始設計與交付結果的一致性。

整車背光可以利用上述搭建的基于實時圖像軟件的動態仿真平臺進行先期定義，并進行即時調整。最大程度提高最終用戶在車內環境中人機交互的舒適性、準確性。

2 動態仿真平臺搭建

2.1 項目建立

在虛幻4引擎中建立高級車輛模板項目，或直接采用公司內外部的現有項目資源。該項目中存在已有的藍圖類靜態網格體和較多的場景資源，包含運動的汽車模型、運動框架、帶有邊界的跑道、可視的路標與交通指示線等，本文并不過多討論輔助駕駛對應的復雜路況，而關注與場景邏輯與光線對人的影響；在該項目中可選擇無需編程的藍圖或C++編程環境，鑒于背光邏輯并非十分復雜，本文采用藍圖定義邏輯。由于本文主要探討關于背光的定義的方法，且受制于計算工作站性能，所以選擇不帶光線追蹤類型。

2.2 汽車靜態網格體與骨骼網格體模型建立

在24月整車交付流程中，P3節點的交付物之一的CAD M2數據作為較為成熟的開模數據，采用M2前的基線數據作為汽車零部件的數據模型，已經可以較為真實地反映整車結構與空間環境特征。因此，將整車CATIA數據通過虛幻4引擎自帶的Datasmith導入器導入到建立的框架項目中，自動生成靜態網格體。該步驟搭建起基本的汽車空間模型。導入結果如圖1所示。

導入的汽車靜態網格體模型，渲染屬性較弱，需要對可能影響背光定義的數據進行逐個或批量調整。前擋風玻璃，對汽車內部光線有較大影響，所以要較為細致地調節透明度、反射角等屬性還原玻璃特性；儀表板、副儀表臺表面工藝處理直接影響光線色彩亮度與對比，因此在材質屬性中選擇投射光線追蹤陰影。由于默認材質種類較少，如果選用較高級材質，可以更加趨近于真實材料反射，本文選用免費高級汽車材質。

如果想把汽車作為行動主體，那么需要把數模從CATIA轉為igs，在動畫類軟件中進行編輯處理后，導出為fbx文件，再導入到虛幻4項目中作為骨骼網格體，并進行細化。

圖1 整車框架靜態網格體

2.3 外部環境模型建立

外部環境較車輛內部環境更為復雜，涉及到氣流、雨雪、雷電、溫度等物理環境。采用公司自研天氣地形模型，或采用其他來源的Airsim、Carsim等成熟仿真平臺進行聯合模擬仿真。本文采用部門級的外部運動模型設定。

3 環境光源設定

3.1 車內背光假想定義

白色背光：將點光源放至面板、按鍵等單一字符發光體，將矩形光源放至儀表屏、中控屏、頂燈等有寬高類發光體。具體假設定義見表1。

表1 車內背光假想定義

工作指示燈：多由紅、綠、黃、藍等色彩用作指示窗口設定，具體軟件內指示燈假想定義見表2。實際在軟件中需轉化為RGB值進行設置。

表2 車內指示燈假想定義

3.2 外部環境光設定

自身車前照燈：15000cd；對面來車前照燈：15000cd；黑夜：0.001～0.02lux；月夜：0.02～0.3lux；陰天室內：5～50lux；陰天室外：50～500lux；太陽光下采用UE4自帶的天光。實際在設定中可根據光源的特點，使用點光源、直射光、矩形光等不同類型光源。

內外部燈光模擬設定如圖2所示。

3.3 藍圖定義

圖2 內外部燈光模擬設定

全局藍圖：非車場景、通用類網格體。光線隨時間變化。

藍圖類：交互類零部件、車內外燈光，藍圖函數根據系統定義進行設定。背光邏輯見表3。指示燈邏輯見表4。

白色背光亮度調節擋位亮度設為10擋，具體比例的高亮度與低亮度見表5。

表3 背光邏輯表

表4 指示燈邏輯

表5 10擋具體比例的高亮度與低亮度

3.4 攝像機視角設定

通常設置多個視角的攝像機，包括但不限于：駕駛員視角、其他各個乘客視角、車輛上方視角、行人視角。以方便直觀獲取車內燈光對車內外不同觀察者的反饋效果。

4 背光主觀驗證

4.1 靜態仿真驗證

夜晚模式：背光整體較協調，與預定義一致。

白天模式：中控臺區域較亮。

4.2 動態仿真驗證

夜晚模式：背光整體較協調，與預定義一致。當對面有預設車燈時，整體環境較亮。

白天模式：背光整體較協調，與預定義一致。

4.3 場景邏輯驗證

小燈模式：變為夜晚模式，且整體亮度符合預期。

前照燈模式：變為夜晚模式，且整體亮度符合預期。

Auto模式：白天進入隧道類場景，變為夜晚模式，且整體亮度符合預期。

4.4 實車背光主觀驗證

夜晚模式：背光整體較協調，與預定義一致，但中部IML工藝位置與啞光電鍍鐳雕字符有一定亮度差。

白天模式：太陽直射在中控位置，中部位置較亮，啞光電鍍鐳雕白天看不清字符，太陽直射在白色IML字符位置，看不清指示燈。

4.5 評審總結

實時圖像軟件的動態仿真平臺模擬所得結果，基本可以仿真實際燈光效果，且實際效果與最終實車結果一致。由于各國法規存在差異，軟件中可以迅速調整邏輯，即時可見最終場景效果。每增加一個發光設備，即可以直接加入軟件的模擬環境，不必過多重復評審。

然而，材料透光部分較難模擬。IML工藝字符需要采用透明材質，且白天常亮，才可以保證白天與夜晚都可以保證駕駛者觀測舒適。同時，一個區域盡量保持字符與背景基材一致，背光邏輯與功能應用場景保持一致。

5 結束語

針對主機廠現有的車內環境光難以提前準確定義的現狀，本文對各類工況、外部環境下的車內環境光的亮度定義、邏輯規范開展研究，設計了一套實時渲染的模擬仿真方法流程。該方法流程利用基于實時圖像軟件的動態仿真平臺對默認背光亮度定義、指示燈顏色定義、亮度調節方法、白天夜晚模式切換方法進行了方法論的梳理。驗證結果表明，零部件數據凍結前，提前對車輛內部環境光進行模擬仿真校核，有助于最終結果與初始預期定義的一致性。

但是仍存在模擬環境與實際環境不完全相符，基線源數模數據不夠準確，多種色彩定義下驗證較慢，零件本身的透光漏光較難在虛擬環境中呈現等問題。

然而，瑕不掩瑜，在軟件定義汽車的趨勢下，全方位的模擬仿真在汽車各個領域的應用與探索應當繼續下去。