虛擬現(xiàn)實技術(shù)在高速列車造型評審中的應(yīng)用

龐世俊，張春曄，胡亞鋒

（中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東 青島 266111）

作為高速列車車型研發(fā)過程中的重要管控節(jié)點，高速列車造型評審推進設(shè)計流程并解決設(shè)計問題，其進度和質(zhì)量影響整個車型研發(fā)進展。虛擬現(xiàn)實技術(shù)作為近年來快速發(fā)展的一門新技術(shù)，能夠為高速列車的造型設(shè)計評審提供有效且多樣化的解決方案。自上世紀九十年代至今，虛擬現(xiàn)實技術(shù)從硬件設(shè)備、創(chuàng)作平臺的軟件技術(shù)易用性、虛擬現(xiàn)實內(nèi)容的視覺化仿真效果及水平都有了長足的發(fā)展[1]。如何在現(xiàn)階段技術(shù)水平條件下創(chuàng)造出更具真實效果的虛擬現(xiàn)實內(nèi)容，讓虛擬現(xiàn)實技術(shù)更高效地輔助高速列車設(shè)計、支撐快速評審和縮短研發(fā)周期是當前虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于高速列車造型評審的一個重要研究課題。

1 虛擬現(xiàn)實技術(shù)基礎(chǔ)

虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality，VR）是基于計算機仿真系統(tǒng)生成的一種模擬環(huán)境[2]。其集成計算機圖形技術(shù)、計算機仿真技術(shù)、心理學和人工智能等多方面前沿技術(shù)的發(fā)展成果，通過實時立體的三維圖形與聲音、自然的人機交互界面模擬現(xiàn)實世界中的事件或場景，使用戶產(chǎn)生身臨其境的真實感覺[3]。隨著技術(shù)的發(fā)展，虛擬現(xiàn)實技術(shù)在軍事、醫(yī)療、教育、藝術(shù)和娛樂等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[4]。

1.1 CAVE 虛擬現(xiàn)實顯示系統(tǒng)

CAVE（Cave Automatic Virtual Environment）即“洞穴狀自動虛擬系統(tǒng)”，是一種基于投影的沉浸式虛擬現(xiàn)實顯示系統(tǒng)，具有畫面完整、分辨率高、沉浸式互動體驗和多通道技術(shù)沉浸感等優(yōu)點[5]。如圖1 所示，CAVE 沉浸式虛擬現(xiàn)實顯示系統(tǒng)以計算機圖形學為基礎(chǔ)，將高分辨率的立體投影顯示技術(shù)、多通道視景同步技術(shù)、視角動態(tài)跟蹤及捕捉技術(shù)、音響技術(shù)和傳感器技術(shù)等完美融合，可多方位覆蓋用戶視野，消除用戶視覺盲點，為用戶帶來更真實的體驗感[6]。從投影平面數(shù)量上可將CAVE 系統(tǒng)分為4 個投影平面（3 個墻面和1個地板）、5 個投影平面和全封閉式的6 個投影平面3 類。

圖1 CAVE 系統(tǒng)示意圖

建立包含4 個投影面的CAVE 虛擬現(xiàn)實顯示系統(tǒng)，如圖2 所示。該系統(tǒng)是由4 個硬質(zhì)背投影墻組成的、基于多通道視景同步技術(shù)和立體顯示技術(shù)的房間式投影可視協(xié)同環(huán)境，其中3 個墻面采用背投方式，地面采用正投方式。該CAVE 系統(tǒng)提供了1 個立方體投影顯示空間，供多人參與，所有參與者均完全沉浸在1 個被立體投影畫面包圍的高級虛擬仿真環(huán)境中，借助相應(yīng)虛擬現(xiàn)實交互設(shè)備（如數(shù)據(jù)手套、位置跟蹤器等），獲得一種身臨其境的三維立體視聽影像和交互感受。觀察者戴上液晶立體眼鏡和一種有6 個自由度的頭部跟蹤設(shè)備后，其視點位置可實時反饋到計算機系統(tǒng)。當觀察者在CAVE 中走動時，系統(tǒng)將自動計算每個投影面正確的立體透視影像，為觀察者提供身臨其境的體驗感。

圖2 CAVE 系統(tǒng)實物圖

1.2 虛擬現(xiàn)實技術(shù)在造型評審中的應(yīng)用

在工業(yè)設(shè)計領(lǐng)域，虛擬現(xiàn)實技術(shù)可應(yīng)用于產(chǎn)品造型評審階段[7]。運用虛擬現(xiàn)實技術(shù)能幫助瀏覽者在虛擬場景中實時查看造型設(shè)計整體和細節(jié)，并給出可靠評價，從而有效消除產(chǎn)品設(shè)計溝通障礙，降低設(shè)計盲目性，改善產(chǎn)品設(shè)計效率[8]。目前造型虛擬沉浸式評審在汽車領(lǐng)域得到了良好應(yīng)用。中國一汽在國內(nèi)建成了第一個VR 中心，利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)生成1∶1 虛擬汽車造型模型，供設(shè)計師和主管人員檢驗評審[9]。有研究提出利用VR 技術(shù)可對汽車三維虛擬造型進行多角度全面觀察，并實時進行調(diào)整，從而使評審過程簡單明了[10]。還有研究指出通過虛擬樣車評審，能有效減少模具更改次數(shù)及耗材，提高產(chǎn)品自主開發(fā)能力，從而提升市場競爭力[11]。

此外，虛擬現(xiàn)實技術(shù)也常應(yīng)用于其他大型產(chǎn)品的造型設(shè)計評審階段。南京康尼機電股份有限公司建立虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，集成三維模型庫、材質(zhì)處理渲染模塊、動畫模塊和操作模塊等功能，在技術(shù)評審、產(chǎn)品展示等方面發(fā)揮著重要作用[12]。有研究將VR 仿真技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)機器人造型設(shè)計評價階段，并結(jié)合熵權(quán)理論完成量化評價，篩選出最優(yōu)方案[13]。還有研究將虛擬現(xiàn)實技術(shù)融入感性工學理論，提出一種農(nóng)業(yè)裝備形態(tài)設(shè)計方法，縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期，減少了人力物力投入，提高了企業(yè)研發(fā)進度和效率[14]。

高速列車作為一種大型交通裝備，具有研發(fā)周期長，研發(fā)成本巨大等特點，利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)對高速列車造型方案進行虛擬沉浸式評審，可有效縮短研發(fā)周期，降低列車研發(fā)成本，提升整車研發(fā)進度和效率。

2 高速列車造型虛擬評審系統(tǒng)

2.1 面向高速列車設(shè)計評估的虛擬評審

高速列車開發(fā)流程主要可分為概念設(shè)計、方案設(shè)計、技術(shù)設(shè)計、施工設(shè)計和試制驗證共5 個階段，造型設(shè)計在每個階段都有階段對應(yīng)的評審。在傳統(tǒng)的高速列車設(shè)計評審中，前期概念階段方案評審主要借助二維效果圖進行，完成施工設(shè)計則需要通過模型車制造來進行設(shè)計方案評審，通常需要三四個月完成模型車制造工作，時間、經(jīng)濟成本高且效率偏低。采用虛擬CAVE 顯示系統(tǒng)評審后，虛擬現(xiàn)實技術(shù)以直觀三維的方式展示產(chǎn)品的造型、色彩，為用戶呈現(xiàn)更加真實立體的產(chǎn)品效果，使用戶對產(chǎn)品有更直接地觀察和更好地理解，對設(shè)計方案會有更多的思考，更容易發(fā)現(xiàn)設(shè)計方案存在的問題和不足，有助于為產(chǎn)品設(shè)計改進提出可靠意見，節(jié)省設(shè)計時間，降低設(shè)計成本，也能幫助設(shè)計者更準確清晰地表達設(shè)計理念和設(shè)計思想。在產(chǎn)品投入生產(chǎn)和交付前，通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)讓業(yè)主參與列車造型評審，可有效消除雙方設(shè)計溝通障礙，減少模型車的制作投入，提高企業(yè)的經(jīng)濟效益。

2.2 高速列車采用虛擬現(xiàn)實造型評審的功能

基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的造型評審可應(yīng)用于高速列車開發(fā)全流程，根據(jù)各階段開發(fā)進度的不同，其具體功能有所不同。

（1）工業(yè)設(shè)計方案評審。真實再現(xiàn)車輛物理視覺狀態(tài)，提供沉浸式的人機交互體驗和身臨其境的視覺仿真效果。通過CAVE 系統(tǒng)對造型方案進行虛擬展示評價，工業(yè)設(shè)計師和工程設(shè)計人員可以對重難點設(shè)計方案細節(jié)進行評價探討，發(fā)現(xiàn)設(shè)計方案中存在的錯誤和缺陷，部分設(shè)計問題可以現(xiàn)場修改、比對，更快地確認最終設(shè)計方案，從而實現(xiàn)高自由度的設(shè)計評審。

（2）工程設(shè)計方案評審。工程師對其負責的系統(tǒng)設(shè)計方案成果有清晰明確地了解和認識，通過將工程設(shè)計方案三維立體化、視覺真實化，更直觀地對三維數(shù)據(jù)模型進行校驗，并對零部件及其系統(tǒng)進行評審，從而避免后續(xù)施工過程出現(xiàn)缺漏和偏差。

（3）部件功能動態(tài)演示。動態(tài)演示數(shù)字化效果樣車中的部件，可使技術(shù)人員提前得知所設(shè)計的產(chǎn)品功能效果，更直觀地進行部件功能人機分析和空間分析，進行標準性及可靠性驗證。

（4）降低開發(fā)成本。引入虛擬現(xiàn)實評審后，可極大減少樣車生產(chǎn)數(shù)量，縮短開發(fā)周期。此外，虛擬數(shù)字化效果樣車可以持續(xù)更新修改，對于所有數(shù)據(jù)均可進行回溯跟蹤，有效降低高速列車設(shè)計開發(fā)成本。

（5）跨界溝通橋梁。為設(shè)計師、工程師、市場部門及最終客戶進行方案及設(shè)計思想交流提供了一種全新、直觀和動態(tài)的方式，全面直觀展現(xiàn)解決方案，有效消除不同角色之間的設(shè)計溝通障礙。

（6）輔助項目投標及產(chǎn)品交付評審。一方面運用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，實現(xiàn)用戶高自由度的實時交互體驗，通過逼真的虛擬環(huán)境，讓用戶“身臨其境”地體驗公司的產(chǎn)品設(shè)計，塑造競爭優(yōu)勢，增強用戶體驗；另一方面利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)向用戶形象地、高品質(zhì)地展示公司高速列車造型設(shè)計優(yōu)勢，對公司產(chǎn)品進行高水平宣傳及呈現(xiàn)，讓業(yè)主直觀感受施工進展及下階段施工概況，給公司科技品牌、商務(wù)關(guān)系帶來直接效益。

3 數(shù)字化虛擬樣車開發(fā)流程

對高速列車造型進行虛擬評審之前，需要進行高速列車數(shù)字化虛擬樣車開發(fā)，開發(fā)流程包括模型優(yōu)化、光影關(guān)系烘焙、材質(zhì)編輯、整體場景優(yōu)化和動態(tài)展示制作6 個階段，如圖3 所示。

圖3 數(shù)字化虛擬樣車開發(fā)流程

3.1 模型優(yōu)化

將高速列車三維模型原始數(shù)據(jù)在AliasTM 軟件中進行模型檢查、修補和刪除重面等操作，再導入RTT虛擬軟件中進行模型整理優(yōu)化，模型優(yōu)化共包括5 個步驟。①反轉(zhuǎn)法線。所有可視面的法線統(tǒng)一翻轉(zhuǎn)為正向法線，即朝向視角的方向；②曲面分組。為使模型輕量化并提高烘焙質(zhì)量，需要進行面的分組，以設(shè)備部件為單元將相同材質(zhì)的面進行合并整理；③分層處理。將合并后的面按照設(shè)備部件分類并分層處理，形成條理清晰的樹狀層級關(guān)系；④細分、拓撲。將整理后的模型進行細分優(yōu)化，使模型無缺損、無漏縫，達到最佳質(zhì)量；⑤整車模型搭建。將優(yōu)化后的各部件進行整車模型搭建，最終形成完整的車輛外觀及內(nèi)裝場景模型。

3.2 光影關(guān)系烘焙

光影關(guān)系烘焙分為燈光設(shè)置、光影烘焙2 個階段。外觀及內(nèi)裝因場景特點不同，需分別以不同文件進行燈光設(shè)置、光影烘焙。

3.2.1 燈光設(shè)置

在進行外觀場景燈光設(shè)置時，遵循照明原理設(shè)置主燈、輔助燈和背光燈等，合理設(shè)置燈光參數(shù)，使光影關(guān)系自然真實，柔和不生硬，如圖4 所示。①主燈。應(yīng)設(shè)置在車輛主體正前方左側(cè)，由上向下大約45°角傾斜照向車輛主體，模擬陽光；②輔助燈。從頂視圖角度應(yīng)與主體光相反方向布置，且略低于主燈，主要作用為模擬環(huán)境光，補充車輛側(cè)面方向光照；③背光燈（輪廓燈）。應(yīng)位于車輛主體的背面，由下向上適當角度射向車輛，主要作用為勾勒出車輛輪廓，使車輛從背景中分離出來。

圖4 外觀場景燈光設(shè)置

在進行內(nèi)裝場景燈光設(shè)置時，遵循照明原理設(shè)置太陽光、室內(nèi)主光源和室內(nèi)輔助燈光等。①太陽光。應(yīng)放置在內(nèi)裝模型外側(cè)左上方（以車頭方向為準），呈45°~60°向下照射模型，以模擬上午9 點至11 點的光照效果；②室內(nèi)主光源。將頂部主照明燈模型作為主光源以模擬實際頂燈效果。為減少文件大小，提高烘焙速度，縮短烘焙時間，通常將頂部主照明燈模型設(shè)置為自發(fā)光材質(zhì)；③室內(nèi)輔助燈光。將客室模型中除頂燈外的全部頂板模型設(shè)置為自發(fā)光材質(zhì)，作為輔助光源輔助主光源照亮整個室內(nèi)空間，并將全部顯示屏、電子地圖和TV 電視等實際能發(fā)光的設(shè)備模型設(shè)置成自發(fā)光材質(zhì)，模擬人造環(huán)境光照作為補光。

3.2.2 光影烘焙

烘焙是指把光照信息渲染成貼圖，然后將貼圖重新貼回到場景中的技術(shù)。由于烘焙技術(shù)把光照計算的結(jié)果提前寫入到了貼圖中，因此在實時渲染時無須進行耗時的光照計算，提高了實時渲染效率[15]。烘焙分為臨時烘焙和最終烘焙。臨時烘焙是在燈光設(shè)置過程中烘焙出陰影關(guān)系，模型以白模呈現(xiàn)，便于查看陰影效果和燈光布置情況。在調(diào)整好燈光參數(shù)后可進行最終烘焙，烘焙參數(shù)通常選擇高質(zhì)量，值越大烘焙質(zhì)量越高，但烘焙速度越慢。可進行全場景烘焙，也可選擇某一模型物體單獨進行烘焙。在烘焙過程中，場景中如有隱藏的物體，這一物體將不被烘焙，不產(chǎn)生陰影關(guān)系，對周圍物體沒有影響。

3.3 材質(zhì)編輯

根據(jù)設(shè)計方案的材質(zhì)貼圖文件、效果圖及相關(guān)圖片資料，對烘焙好光影關(guān)系的模型進行材質(zhì)賦予。根據(jù)部件表面特征設(shè)置材質(zhì)參數(shù)，將提供的材質(zhì)貼圖賦到相應(yīng)部件模型中，調(diào)節(jié)UV 坐標及比例，使貼圖紋理和物體表面實際紋理相匹配，材質(zhì)設(shè)置符合設(shè)計方案的CMF 設(shè)計要求。

3.4 整體場景優(yōu)化

如圖5 所示，為使高速列車模型表現(xiàn)更為真實，提升視覺效果，需要進行整體場景優(yōu)化，共包括4 個步驟。①合并模型。將制作完成的外觀模型和內(nèi)裝模型進行合并，合并在同一文件場景內(nèi)，按平面編組圖對準并調(diào)整外觀及內(nèi)裝各部分模型位置；②環(huán)境場景添加。在完成高速列車虛擬現(xiàn)實數(shù)字樣車數(shù)據(jù)后，還需要制作高速列車虛擬環(huán)境數(shù)據(jù)。虛擬環(huán)境主要為與高速列車主題相關(guān)的車站場景、城市場景或鐵路線路場景等，環(huán)境場景搭建可以使虛擬樣車展示更真實，提高視覺效果，烘托環(huán)境氣氛。在選擇合適虛擬環(huán)境場景后，將場景復制到合并后的模型文件中，并將其與車輛模型位置相匹配；③HDR 設(shè)置。HDR 即高動態(tài)范圍貼圖，其超越普通光照顏色和強度的光照，主要用來實現(xiàn)場景照明和模擬反射折射，從而使物體表現(xiàn)更加真實。外觀及內(nèi)裝因場景環(huán)境不同需分別設(shè)置相應(yīng)HDR 貼圖；④燈光效果設(shè)置。模擬真實環(huán)境中燈光的發(fā)光、光暈和眩光效果，使燈光效果更逼真，烘托場景真實氛圍。

圖5 虛擬現(xiàn)實數(shù)字樣車的整體場景優(yōu)化

3.5 動態(tài)展示制作

動態(tài)展示制作包括邏輯變量設(shè)置和動畫制作2 個步驟。邏輯變量設(shè)置主要包含外觀視角的切換、外觀配色方案的切換、外觀模型方案的切換、內(nèi)裝視角的切換、內(nèi)裝配色的切換、內(nèi)飾模型方案的切換和內(nèi)飾電子地圖及電視智能車窗交互顯示的切換等；動畫制作包含外觀預覽動畫、開關(guān)門動畫、動態(tài)智能屏動畫、內(nèi)部預覽動畫、電視動態(tài)展示、燈光顏色變化的動態(tài)展示、桌椅及其他內(nèi)部設(shè)施的動態(tài)展示等。通過動態(tài)展示，可以形象展示各方案，方便專家全面清晰了解各方案優(yōu)缺點，從而實現(xiàn)快速決策，提升評審效率，加快設(shè)計研發(fā)進程。

此外，在虛擬現(xiàn)實造型評審中，還需對場景中相機的視角高度、遠近距離等進行初始化設(shè)定，從而實現(xiàn)對實體模型的真實模擬。通過對大量造型評審中評審人員觀看方式及綜合平均視點高度統(tǒng)計分析得出，視點高度在1.6 m 左右時，可得到同實體模型評審更為相近的視覺感受。

4 高速列車造型虛擬現(xiàn)實評審流程

目前高速列車領(lǐng)域的造型評審主要用于展示整體設(shè)計方案，重點為外觀及內(nèi)飾造型的評審。通過將設(shè)計師的理念轉(zhuǎn)變?yōu)榫呦蟮摹⑸砼R其境的和可供現(xiàn)場評價的對象，來模擬真實的看車體驗，如圖6 所示。

圖6 CAVE 系統(tǒng)列車外觀評審現(xiàn)場

為更好地進行高速列車造型虛擬評審，首先需要根據(jù)高速列車的造型尺寸，以高清晰1∶1 比例進行建模。并通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)，對模型材質(zhì)、燈光、場景、噴涂、整潔和穩(wěn)定性等進行渲染，真實重現(xiàn)高速列車設(shè)計方案的造型特點，方便專家依據(jù)產(chǎn)品要求對其進行準確評審，通過CAVE 環(huán)境投射，實現(xiàn)沉浸式的“真實樣機”般的評價。由于高速列車造型設(shè)計既要滿足技術(shù)及功能尺寸需求，還要具備一定審美與外在精神風貌[16]。因此評價內(nèi)容主要包括2 方面：①對產(chǎn)品的外觀設(shè)計造型、涂裝方案、內(nèi)飾造型和色彩等及人機關(guān)系、總體結(jié)構(gòu)、功能原理和接口等進行評價；②對工程結(jié)構(gòu)設(shè)計進行細節(jié)設(shè)計評審，主要包括零件尺寸、裝配連接和工藝等。高速列車設(shè)計方案的評審環(huán)節(jié)包括以下6 個步驟。

（1）對造型設(shè)計方案的評審。設(shè)計師通過虛擬現(xiàn)實軟件展示高鐵設(shè)計方案的數(shù)字化效果樣車，整體講解產(chǎn)品的設(shè)計構(gòu)思、外觀、內(nèi)飾造型及配色等，通過造型方案切換、角度切換、配色切換和功能演示等操作，對方案進行全方位展示。

（2）對關(guān)鍵技術(shù)的評審。工程師講解系統(tǒng)或零部件三維模型，使用交互手柄互動操作，通過剖切、測量、縮放、顯隱和透明等操作，進行功能、尺寸、結(jié)構(gòu)組成和裝配關(guān)系等的講解。

（3）專家提問。專家指出存在疑問的設(shè)計方案或工程零部件，設(shè)計師通過快捷菜單對三維數(shù)據(jù)進行縮放、旋轉(zhuǎn)、剖切和移動等操作，充分形象展示方案細節(jié)，便于專家再結(jié)合討論給出審核意見。

（4）疑問解答。設(shè)計師對專家的問題進行答復，通過三維軟件操作，結(jié)合仿真分析等進行解答。

（5）模型修改。專家的部分意見若可以簡單實現(xiàn)，可現(xiàn)場直接修改模型，以替換現(xiàn)有方案，便于后續(xù)探討。

（6）評審結(jié)果總結(jié)。設(shè)計師、工程師對專家的意見進行匯總、記錄，評審會后進行詳細總結(jié)并修改方案。

5 結(jié)束語

造型評審是高速列車研發(fā)過程中不可或缺的重要環(huán)節(jié)，將虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于高速列車造型評審過程中，可免去實體模型樣車的制作過程，有效降低人力物力成本，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，同時能夠幫助設(shè)計師與業(yè)主之間更好溝通，有效提升企業(yè)競爭力。本文闡釋了基于CAVE 虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的高速列車數(shù)字化虛擬樣車的開發(fā)及造型評審流程，可為軌道列車進行虛擬現(xiàn)實評估提供參考。