虛擬驗證在整車商品性評價中的探索和應用

衣恩斯，譚東華，李曉勇，李喆元，劉建文

（廣州汽車集團股份有限公司 汽車工程研究院，廣東 廣州 511434）

虛擬現實（Virtual Reality, VR）技術的快速發展給各行業的數字化轉型帶來新的方式。2021年“十四五”規劃提出將虛擬現實作為在推進產業數字化轉型中的數字經濟重點產業[1]。工業和信息化部在《關于加快推進虛擬現實產業發展的指導意見》中將“VR+制造”作為重點行業應用方向，從而提升制造企業輔助設計能力[2]。因此，利用VR技術輔助傳統研發模式是汽車產品開發的重要發展趨勢。

在汽車產品開發過程中，如果在設計前期未能充分驗證，等到物理樣車或批量裝車階段后才暴露設計問題，為了修正這類問題需要變更設計或進行二次開發，通常只能在原有設計上稍加改善，之后再次在實際樣車上確認方案的有效性，過程所產生的重復修模量、修模費、等待期等大大增加了項目耗時和項目成本[3]。

利用VR技術開展商品性虛擬評價，可以在汽車開發早期的概念設計階段，讓評價人員沉浸式體驗與真實產品近乎一致的虛擬產品，并對虛擬產品進行內外飾感知品質、人機空間及使用性、維護便利性等多輪分析驗證，在物理樣車之前充分暴露設計問題，從而減少實車階段發現問題所導致的耗時長、成本高、改善度低的設計變更。

1 虛擬驗證平臺設計思路

虛擬驗證平臺是集計算機、控制、機械、電子、光學、軟件、網絡、安全等多學科先進技術于一體的創新型汽車研發驗證平臺。具有精度高、效果真、可交互、適配車型廣、內容兼容性強等優點。

1.1 工作原理

虛擬驗證平臺整體采用模塊化結構設計，可分為硬件和軟件兩部分。其中硬件主要包括光學跟蹤系統、頭戴顯示器、半實物臺架、交互動作捕捉設備、發光二極管（Light Emitting Diode,LED）顯示系統和高性能計算機；軟件方面基于造型設計軟件和工業設計軟件，增設虛擬現實軟件，配套臺架控制軟件和光學跟蹤系統軟件。其工作原理描述為臺架控制軟件驅動半實物臺架與由車型數據模型組成的數字樣車進行匹配，操作者佩戴頭戴顯示器，并穿戴動作捕捉設備后，跟蹤系統可以對其進行追蹤，通過將真實人體與虛擬人體、半實物臺架與數字樣車進行校準和綁定，實時采集空間中操作者的動作信息和半實物臺架的調節位置坐標，最終驅動和映射出虛擬環境中的虛擬人體和數字樣車。同時，在設計軟件時需提前構建數字樣車和虛擬環境，通過采集操作者姿態坐標實時計算渲染畫面，圖像采集軟件采集計算機顯卡上的設計軟件數據并將其投送至頭戴顯示器和LED顯示系統，其他參評者可以通過頭戴顯示器進行沉浸式協同，也可以通過LED顯示系統對虛擬驗證三維全景進行整體評估。虛擬驗證方式與真人實車的驗證方式基本一致，對操作者來說，其真實姿態和評審樣車在虛擬環境中一一映射并可見，半實物臺架提供給操作者的真實物理反饋與數據模型相符，如圖1所示。

圖1 虛擬驗證平臺系統架構圖

1.2 虛實映射

高度一致的虛實映射是保證評價準確性和評價人員安全的必要條件。虛實映射主要包括真實空間與虛擬空間映射、真實人體與虛擬人體映射。

真實與虛擬的空間映射首先要保證軟件空間坐標系一致，軟件軸向的不一致性將導致模型位置偏移和方向模糊，虛擬平臺各軟件模塊共用一套光學跟蹤系統，為了避免反復調試和切換坐標系，將跟蹤系統設為基準坐標系，并且保證設計軟件坐標系、圖像采集軟件坐標系與其一致。

理論上，虛擬人應盡可能還原真實人的所有動作，并保證動作的實時性和數據的一致性。實際操作中，各操作者人體結構、尺寸存在較大差異，因此，關節數量、骨骼長度以及關節的坐標位置獲取非常重要。本平臺單個人體骨骼由17個軀干關鍵節點構成，如表1所示，針對更靈活的手部采集16個關節信息，如圖2所示。在正式采集人體動作數據前對不同人體進行T型姿態校準與手部姿勢校準，根據校準后的節點坐標數據，構建出不同操作者的虛擬人體結構，從而實現虛擬人仿真驅動。

表1 單個人體骨骼節點情況

圖2 單個手動作采集節點情況

2 整車商品性虛擬評價應用

整車商品性評價一般由靜態評價和動態評價兩部分組成，在數模階段，利用VR技術可以實現數字樣車的靜態主觀評價，評價內容包括但不限于內外飾感知品質、人機空間及使用性、維護便利性等。

2.1 沉浸式內外飾感知品質評價

由于用戶經常長時間并近距離接觸觀察、感受汽車內外飾，能夠直觀地感受其產品的質量水平，因此，在設計開發前期要盡可能多地發現內外飾精致性問題，并及時整改和有效性確認。

傳統數據設計階段通常采用桌面端的評審方式，空間、色彩以及光線等感知不足等主要表現為某些區域無法模擬真實用戶視角進行準確判斷、部分問題需要有較好的材質和光線模擬才能發現、評審過程需反復操作調整模型位置等。虛擬驗證在內外飾感知評價中，有效改善了上述問題，通過模型渲染，多名評價工程師同時在虛擬空間中，模擬真實用戶視角開展“真車”評審，如圖3所示，切換不同模型進行方案對比，并快速準確地判斷問題。在某車型項目內外飾感知品質評價中，通過虛擬驗證快速發現了配合間隙過大、內藏物外露、相鄰件面差大等一系列感知品質不佳問題，如圖4所示。

圖3 多人協同評審

圖4 典型問題舉例

2.2 虛實融合的人機空間及使用性校核

商品性評價團隊在汽車設計過程中充分考慮目標用戶特點和需求，以用戶為中心開展人機空間及使用性校核，校核伴隨造型設計迭代開展，為下一步造型設計數據改進提供重要參考依據。

人機空間和使用性校核一般采用物理人機空間模型或者實物樣車開展評價，雖然實物模型直觀、可靠，但其制作周期長且具有滯后性、成本高、無法頻繁驗證、難以配合造型設計數據快速迭代需求等缺點。通常實物模型需經過數據解密發放、詳細數據設計、模型制作、加工及運輸、調試、驗收等環節，依據經驗評估當前所驗證的實物模型至少滯后于造型數據3周。一方面，由于實物滯后于設計，開展實物評價時，產品設計數據已然變化，驗證結果難以指導設計，且后期方案的修改和再評價難以在原實物模型上實現[4]；另一方面，由于在實物模型之后才開展評價，可能導致大量問題堆積，如遇問題設計數據改動較大，設計周期延長。虛擬驗證在商品性評價的人機空間及使用性校核中，有效解決了面對造型設計數據時實物模型驗證不充分的問題，當設計數據迭代后，評價工程師簡單組裝數模，穿戴動作捕捉設備，可實現即時驗證，快速匹配設計數據開發時間。商品性評價工程師在車型項目中開展了人機空間及使用性校核，如圖5所示，快速發現了內后視鏡遮擋上視野、方向盤遮擋前端儀表、杯托尺寸過小等一系列可視性及操作便利性不佳問題。

圖5 人機空間及使用性校核典型場景

2.3 所見即所得的維護便利性驗證

商品性評價團隊在汽車設計過程中充分考慮后期用戶進行汽車維護時的便利性情況，通過提前評估用戶在汽車維護時的姿態、操作標識的可視性和易讀性、工具取放和配件安裝等，減少用戶不良姿態的維護時間，降低人員疲勞程度，提升安裝可靠性。

商品性評價中的維護便利性驗證，一般通過分析運動路徑的仿真結果、測量數模位置及尺寸、確認物理樣車狀態三種方式進行評估，第一種需要專業工程師通過仿真軟件預定義路徑、邊界條件以及作業人員動作姿態，預定義的人員動作設定依靠工程師經驗，仿真過程中查找路徑通常要幾個小時，操作繁瑣且效率不高，影響仿真結果準確度和時效性；第二種需要工程師經驗豐富，熟知各百分位人體和車型尺寸特征；第三種需要等實車出來后才能確認，問題修復成本高。通過虛擬驗證，設定好裝配體及其周邊環境，使其具備剛度、柔性等物理屬性，計算機僅需幾分鐘即可完成仿真精度計算，之后評價工程師穿戴動作捕捉設備在虛擬環境下，模擬用戶進行維護操作，動態分析效率明顯提高。在某車型項目維護便利性驗證中，評價工程師通過虛擬驗證快速發現了隨車工具不易取出、機艙照明位置低等一系列使用體驗不佳問題。

3 應用深化方向

虛擬驗證在整車商品性評價中優勢明顯，配合利用桌面端和VR端開展互補驗證，在數據設計階段及時發現問題，并快速整改。由于VR行業技術瓶頸，仍存在真實度不足、視角邊緣變形、設備復雜等問題，未來，虛擬驗證在整車商品性評價中有以下深化方向。

3.1 提升真實性

在現有沉浸式驗證的基礎上，進一步豐富視、聽、觸、嗅的感官體驗。例如，利用擴展現實（Extended Reality, XR）技術精準捕捉并識別人體數據和環境數據，鏈接虛擬數字對象和物理世界物件，實現五感互動實時反饋，提供高情境化的真實感官體驗[5]。

在視覺方面，可以采用清晰度更高、視場角更寬、舒適度更優、便捷性更好的顯示設備，提升穿戴體驗感；通過模擬真實動態場景，如不同時區的太陽高度和晝夜變化，不同天氣（雨、霧、沙塵）狀況，活動的行人、騎手、車輛等，增加視覺感受的真實性；通過優化場景、分配計算資源等降低運行負載，減少體驗延遲，降低用戶眩暈感。聽覺方面，可以通過多感應器協同、陣列揚聲器、語音信號處理技術等，實現音源方位感、深度感的逼真還原，如模擬汽車試驗和駕駛過程中常聽見的聲音，像聲浪、試驗道路路噪、街道嘈雜聲、故障異響等，從而增加評價人員的立體聽覺。觸覺方面，在可調節臺架座椅支撐臀部、背部，地板支撐腳部，方向盤支撐手部的基礎上，利用力反饋設備高精度運動跟隨的特點，采集人體位置和著力信息并模擬出反作用力，達到與虛擬數據實時動態力反饋交互的效果，如模擬手部抓握、觸碰虛擬按鍵和顯示屏等。嗅覺方面，通過增加小型VR外設，結合虛擬驗證內容實現定制化氣味釋放，增強嗅覺感知，模擬虛擬車內綠色環境。

3.2 提升便攜性

近幾年，各大運營商為5G網絡提供了大帶寬、低時延、高可靠的無線通信保障，云計算、云渲染的理念和技術實現了VR內容上云，渲染上云。

虛擬驗證平臺的搭建方式從“本地服務器+客戶端”或將轉變為“云服務器+客戶端”。“本地服務器+客戶端”的方式一般采用昂貴的高端處理器和顯卡等硬件設備進行圖形計算，對于大型虛擬場景渲染，仍存在計算力不足導致運行卡頓、計算時間長等問題。在保證信息安全的前提下，如采用“云服務器+客戶端”的方式，在云服務器上按需購買計算能力，再利用云端圖形處理器（Graphic Process Unit, GPU）完成大型虛擬場景渲染計算，通過高速穩定的5G無線網絡將計算后的壓縮畫面傳輸給本地終端，以此精簡終端設計，減少本地高端硬件設備費用。例如在實現渲染場景數據云管理之后，單個工程師驗證簡單的數據場景，無需再到達指定試驗室進行，在工位上佩戴簡化的終端設備即可快速開展驗證。

4 結束語

在整車商品性評價中，通過構建虛擬驗證平臺，實現了真實空間與虛擬空間、真實人體與虛擬人體之間的映射。通過在研產品試點驗證，虛擬驗證在內外飾感知品質方面，用沉浸式的方式補充了評價人員對空間、色彩以及光線等的感知；在人機空間及使用性校核方面，結合可調節臺架和動作捕捉設備，彌補了實物制作周期長、成本高且無法頻繁驗證的不足；在維護便利性驗證方面，改善了仿真時間長的問題。因此，虛擬驗證在商品性評價中，使產品開發前期驗證更高效、更充分、更低成本。隨著感知交互、內容采集制作、開發工具等技術及軟硬件的發展，虛擬驗證所覆蓋的評價項目將更加廣泛，持續發現更多關鍵應用場景，并有效嵌入商品性評價，逐步形成標準和規范，是商品性評價數字化轉型中值得長期深入研究和探索的課題。