應(yīng)用到汽車中的虛擬仿真技術(shù)

虛擬現(xiàn)實簡稱VR也泛指“計算機模擬仿真〃或者“虛擬世界〃。為了建立這個虛擬環(huán)境，高性能計算機將大量的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為立體的三維圖像，給觀察者像在現(xiàn)實世界中同樣的視覺感受一一虛擬世界看上去是真的。實際上這樣的虛擬環(huán)境可以獨特地取代許多領(lǐng)域和運用的現(xiàn)實環(huán)境，如果它適用于模擬一個詳細定義的現(xiàn)實環(huán)境。汽車的虛擬未來已經(jīng)起步網(wǎng)絡(luò)世界已經(jīng)從簡單的程序發(fā)展到十分嚴謹、意義重大的工業(yè)化工具。使用者可以在虛擬環(huán)境中漫游，實時交互甚至可以改變他周圍的虛擬世界?，F(xiàn)代虛擬現(xiàn)實視覺系統(tǒng)有通常被稱為自動沉浸式虛擬環(huán)境或簡稱為CAVE——一個電子化沉浸式環(huán)境，在這個環(huán)境中觀察者被最多六面實時投影畫面的墻體包圍。使用者戴上特殊的立體眼鏡后就可以看到一個他所處虛擬環(huán)境的空間三維影像。從初步概念到系列產(chǎn)品一一前所未有的快速和高效虛擬仿真在當(dāng)今的汽車工業(yè)是不可或缺的。當(dāng)原來建立的一些原型樣機進行組件高級測試時，現(xiàn)在規(guī)劃師、設(shè)計師和工程師在同一個數(shù)字模型上工作，在屏幕上優(yōu)化這個模型，如果有必要，將模型數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)線同時傳輸?shù)饺澜绺鞯?。這樣減少了研發(fā)成本，特別加速了研發(fā)過程，提供了更快的市場化時間。虛擬現(xiàn)實更深遠的優(yōu)勢在于使用者可以在最初的時間點上及時評估不同變量一甚至是最初為表達一個設(shè)計新概念的參數(shù)可以在虛擬現(xiàn)實中顯示出來，為虛擬仿真提供了數(shù)據(jù)。牢固地掌握這種計算機輔助仿真技術(shù)是寶馬設(shè)計團隊將原來開發(fā)新車型所需的6年時間縮短為現(xiàn)在2年半的先決技術(shù)條件之一。汽車成為虛擬事物為了測試新車的設(shè)計和概念，虛擬現(xiàn)實工程師將計算機中保存的數(shù)據(jù)收集起來，并在這個基礎(chǔ)上構(gòu)建初步3D模型。在這個過程中，計算機將整車數(shù)據(jù)細分為三角面體也就是多邊形體。也就是說，計算機向虛擬網(wǎng)絡(luò)中添加了描述汽車設(shè)計和布置幾何元素的網(wǎng)格體。然后特定的色彩和表面特征根據(jù)它們實際特征和屬性被賦予各個單獨的部件。最后，向觀察者實時地從各個視圖和透視方向展示高度真實的設(shè)計結(jié)果。在江衡仿真看來，虛擬仿真的高超之處生成虛擬環(huán)境運用的復(fù)雜方法符合明確的意圖：提供一個清晰的藍圖替代一大串繁雜的數(shù)據(jù)，創(chuàng)造一種人們易于感受的視覺形式。如果這些數(shù)據(jù)全部以數(shù)字和圖表的方式作為列表印在紙上，沒有人將對自己所見的東西有所概念。所以數(shù)據(jù)只有轉(zhuǎn)化為三維展示模型，它能夠整合人類大腦獨特的能力來利用大型、高性能計算機的計算能力直觀地處理圖片。然而在很多領(lǐng)域，單純的視覺表達是不充分的一例如評估汽車的聲學(xué)、控制功能和安全性方面或者其單個組件。在這種情況下，一切依賴于組件所使用的材料及其屬性。在徹底的分析之后，計算機提供了大量的具有高標準精度的描述未來汽車的信息。工程師可以在虛擬環(huán)境中從各個角度觀察考慮汽車，解剖汽車任何他想要觀察的部位，行為測量，在汽車中漫游，放大或縮小圖像的大小。運用相應(yīng)的軟件，他甚至可以在虛擬現(xiàn)實中駕駛汽車，檢查這個過程中產(chǎn)生的噪音和聲響。另外（這實際上是VR的高超之處）他甚至可以直接在虛擬環(huán)境中駕駛虛擬車或者說是一個駕駛模擬器，從而在虛擬道路上測試特定技術(shù)部件的質(zhì)量和特征卻不危及其他的道路使用者。最后，至少包括整車的破壞性試驗現(xiàn)在也能在虛擬環(huán)境中實施。超級計算機為了利用全部的設(shè)備，成熟、高度專業(yè)的軟件是必需的。實際上寶馬研發(fā)創(chuàng)新中心的虛擬現(xiàn)實技術(shù)中心（VRC）有極其龐大的具有特殊功能的玻璃顯示墻，其中又隱藏著極強能力的計算機：一臺計算機并聯(lián)了幾個處理器來處理龐大的數(shù)據(jù)集群，大型投影儀以投影到投影墻毫米以下的精度來傳輸圖像。戴上特殊的立體眼鏡，使用者駕駛進入這個的投影的環(huán)境，那樣的立體眼鏡只能讓右眼看到右面的立體圖像，讓左眼看到左面的立體圖像。這兩個通道的圖像隨著觀察者不同的位置和觀察角度即時變化。使用3D鼠標或者3D操縱桿，使用者可以在虛擬環(huán)境中漫游，傳感器捕捉他的每一個動作并立即形成正確的透視圖像。這個過程是實時的，計算機的功能使使用者與圖像交互，對他所觀察的一切做出直覺的反應(yīng)。華麗的外表，實在的內(nèi)部正如許多部門運作的一些較小的虛擬現(xiàn)實視覺系統(tǒng)，寶馬虛擬現(xiàn)實技術(shù)中心提供了一系列完整的不同方案：設(shè)計師評估特定部件的尺寸，總裝部工程師從投影墻來檢查他們?nèi)绾卫闷噧?nèi)部甚至最后一毫米的空間，人類的空間需求在汽車的內(nèi)部空間模擬中應(yīng)該特別重視的。坐在虛擬車中，人們可以測試駕駛艙的最佳布置，人們能否在各種光照條件下很方便地閱讀（或者他們是否可能對光線的反應(yīng)）。發(fā)動機部門的專家可以在一個平臺上進行的交互仿真過程中檢測出發(fā)動機中的薄弱點，而發(fā)動機本身僅是以一組數(shù)據(jù)形式存在。聲學(xué)專家最后利用數(shù)字化的汽車模型在虛擬風(fēng)洞中進行震蕩和空氣動力學(xué)試驗，力求最小風(fēng)阻系數(shù)的情況下優(yōu)化汽車的造型和設(shè)計。虛擬人體可以保護生命虛擬現(xiàn)實技術(shù)在安全性研究中具有特殊的重要意義，允許使用者模擬現(xiàn)實中極昂貴或極危險的一些過程。甚至在寶馬制造出第一批新車之前，汽車已經(jīng)在虛擬環(huán)境中用各種不同的方法被碰撞了至少100次。計算機花2-4天的時間來模擬迎頭撞墻的過程，日夜不停地運行，將現(xiàn)實中十分之一秒的沖擊增量細分為千分之一秒內(nèi)持續(xù)的增量。這形成了一種以毫米為單位的汽車碰撞的無聲影像，汽車在這個過程中猶如塑料制成的被輕輕地揉碎。這個程序節(jié)省了很多時間，因為一個真實原型車價值75萬歐元。相比之下，同樣效果的計算機模擬碰撞只花費400歐元，盡管需要很長的計算時間。雖然研發(fā)工程師建立一個新模型需要1000個虛擬檢測過程，這個過程仍然明顯比一個單獨的現(xiàn)實測試便宜。仿真測試的更大優(yōu)勢在于工程師可以在不傷人或不損壞材料的情況下檢測出各種變量?，F(xiàn)實的安全測試不過仍然是法定的，以此來檢驗計算機運算的可靠性和精確度。虛擬工廠不僅單獨的汽車是信息技術(shù)的一個理想事物。相反，寶馬公司的制造專家正在虛擬環(huán)境中設(shè)計整個沖壓車間和涂裝設(shè)備，以原始尺寸來展示并評估每一塊面板包括產(chǎn)品所需的工具。規(guī)劃、研發(fā)和制造部門的工程師們利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)觀察金屬薄片如何通過虛擬工具來實現(xiàn)拉拔和成形。這樣的仿真模型是分析過程中真正理想的，不需要詳細模型的車身薄板的改進方案。不同的顏色用以標明被測試薄板的厚度，使工程師逐步地找到可能的臨界點。計算機中的交通擁阻計算機仿真現(xiàn)階段甚至可以用來模擬交通問題并在道路運用之前找出解決問題的對策。使用仿真模型，測試人員可以測試現(xiàn)實世界不能檢測或要花大力氣才能完成檢測的系統(tǒng)。寶馬公司將這些進行廣泛的運用-從駕駛員考試全程輔助系統(tǒng)到交通信息通訊業(yè)務(wù)。從觀察到觸摸虛擬現(xiàn)實的視覺表達是現(xiàn)在所有VR技術(shù)的主要特征。但是在某些領(lǐng)域這是不夠的。所以將來計算機和數(shù)據(jù)手套甚至可以讓VR使用者有真實的把握感，使他能虛擬的觸摸相關(guān)的物體。這將會實現(xiàn)現(xiàn)實的汽車單獨組件的測試和安裝以及制造中的各要素的可行性分析。不久甚至連整車的制造過程也能通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)模擬，其結(jié)果會被立即反饋到計算機中的設(shè)定參數(shù)。這又將提供一系列新的運用領(lǐng)域：現(xiàn)今主要的目的就是設(shè)計汽車的特定特性和功能，使用者能夠參與到實際的設(shè)計和制造過程。這將加深從設(shè)計到制造這一過程的交互性。更廣的仿真更廣的仿真會是這一發(fā)展過程的更進一步：利用這種人機交互方法，使用者看到就在他眼前的研究事物的一系列相關(guān)信息。一個工人戴上立體眼鏡就可以看到協(xié)助其工作的信息?？梢允蔷S護和修理說明，也可以是相關(guān)重要數(shù)據(jù)的比較情況。如果工人需要旋緊