虛擬現(xiàn)實技術(shù)在汽車研發(fā)中的應(yīng)用與展望

虛擬現(xiàn)實技術(shù)發(fā)展迅速且日趨成熟，越來越多的車企將虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用到整車開發(fā)流程中。一汽-大眾汽車有限公司研發(fā)部門已將虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用至整車驗收工作，通過實踐可知虛擬現(xiàn)實技術(shù)引入整車研發(fā)可提升研發(fā)效率，降低車型開發(fā)成本。本文對虛擬現(xiàn)實技術(shù)在一汽-大眾研發(fā)部門應(yīng)用進行介紹。1、前言在汽車研發(fā)早期階段，整車的實物驗收必不可少。當(dāng)多種開發(fā)方案面臨被選擇時，傳統(tǒng)方法往往通過實物模型進行評價。隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)的不斷發(fā)展，將其引入整車研發(fā)可將部分的實物評價虛擬化，虛擬現(xiàn)實技術(shù)在整車研發(fā)鏈條中的多個場景都可以得到很好的應(yīng)用，以提高車企研發(fā)工作效率。2、虛擬現(xiàn)實技術(shù)定義與現(xiàn)狀虛擬現(xiàn)實技術(shù)廣義定義為虛擬現(xiàn)實（VirtualReality，VR）及增強現(xiàn)實（AugmentedReality，AR）技術(shù)，是指借助近眼顯示、感知交互、渲染處理、網(wǎng)絡(luò)傳輸和內(nèi)容制作等新一代信息通信技術(shù)，構(gòu)建身臨其境與虛實融合沉浸體驗所涉及的產(chǎn)品和服務(wù)。參考國際上自動駕駛汽車智能化程度分級及《虛擬（增強）現(xiàn)實白皮書（2018年）》中分級標(biāo)準(zhǔn)，可將虛擬現(xiàn)實技術(shù)發(fā)展劃分為如下五個階段，不同發(fā)展階段對應(yīng)相應(yīng)層次，目前處于部分沉浸期，主要表現(xiàn)為1.5K-2K單眼分辨率、100-120度視場角、百兆碼率、20毫秒MTP時延、4K/90幀率渲染處理能力、由內(nèi)向外的追蹤定位與沉浸聲等技術(shù)指標(biāo)。虛擬現(xiàn)實技術(shù)最早應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，飛行員利用虛擬環(huán)境、飛行器進行模擬訓(xùn)練。目前，虛擬現(xiàn)實技術(shù)已經(jīng)遍及商業(yè)、醫(yī)療、娛樂、教育、通信及工程設(shè)計等諸多領(lǐng)域。例如，在建筑、城市規(guī)劃中，通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)展示城市規(guī)化方案、裝修設(shè)計效果，設(shè)計方案論證等工作，成本低廉、方便又快捷；虛擬現(xiàn)實技術(shù)在娛樂行業(yè)更是普及，VR/AR類型的駕駛型游戲、作戰(zhàn)型游戲和智力游戲在我們生活中已經(jīng)隨處可見。3、虛擬現(xiàn)實技術(shù)在汽車行業(yè)中的應(yīng)用隨著虛擬技術(shù)的發(fā)展，特別是高分辨率、頭帶式的顯示設(shè)備、高精度的人體位置及動作實時追蹤設(shè)備的出現(xiàn)，給虛擬現(xiàn)實技術(shù)帶來廣闊的發(fā)展空間。AR/VR技術(shù)不再只是用于文化娛樂、教育培訓(xùn)領(lǐng)域，在工業(yè)研發(fā)、生產(chǎn)中也更多的被應(yīng)用。隨著汽車研發(fā)的數(shù)字化、電動化，虛擬技術(shù)的沉浸感、快速響應(yīng)、成本相對低廉等特點受到越來越多車企研發(fā)部門的青睞。目前，世界上主流整車研發(fā)企業(yè)都已經(jīng)將虛擬技術(shù)應(yīng)用在研發(fā)流程當(dāng)中。3.1虛擬現(xiàn)實技術(shù)在國外主流車企中的應(yīng)用美國福特公司的FIVE（FordImmersiveVehicleEnvironment）試驗中心利用動捕攝像頭與ST50

頭盔結(jié)合渲染數(shù)據(jù)實時參與產(chǎn)品評價，目前該試驗中心已將機器學(xué)習(xí)和人工智能技術(shù)引入到虛擬現(xiàn)實工作中；VIRTTEX（VIRtualTestTrackEXperiment）是福特研發(fā)中心的另一個虛擬驗收實驗室，利用環(huán)境模擬與VR模擬相結(jié)合，通過采集駕駛者遇到不同情況的反應(yīng)，來逆向優(yōu)化并線輔助、車道偏離預(yù)警系統(tǒng)、主動剎車等功能。德國奧迪公司從2003年開始就將虛擬現(xiàn)實技術(shù)納入到其開發(fā)流程中。目前奧迪在測試使用的VirtualRealityHolodeck

虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，可以在開發(fā)早期對造型數(shù)據(jù)進行同時、多人異地協(xié)同評價。通過該系統(tǒng)的使用，實現(xiàn)了不同部門之間的協(xié)同評審，每個車型研發(fā)周期縮短了6周時間。德國大眾早在1995年就嘗試將虛擬技術(shù)應(yīng)用至整車研發(fā)過程中。目前，虛擬現(xiàn)實技術(shù)已被充分應(yīng)用至德國大眾的開發(fā)流程，整車驗收、造型數(shù)據(jù)沉浸可視化評審、光順方案對比評價、虛擬裝配等開發(fā)工作中都有虛擬現(xiàn)實技術(shù)的身影。此外，德國大眾還成立了虛擬工程實驗室，該實驗室有30余人的快速反應(yīng)團隊，能夠根據(jù)專業(yè)科室需求實現(xiàn)敏捷開發(fā)用于汽車項目的解決方案，將虛擬現(xiàn)實技術(shù)融合并融入到大眾汽車的開發(fā)流程當(dāng)中去。3.2虛擬現(xiàn)實技術(shù)在國內(nèi)車企中的應(yīng)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)在國內(nèi)最早應(yīng)用于航空航天和軌道交通領(lǐng)域，中國商飛和中車株洲、四方等研究所均已建立功能完善的大型CAVE系統(tǒng)。虛擬現(xiàn)實技術(shù)在國內(nèi)車企剛剛起步，大部分車企只是采用虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)進行一些簡單的模型展示，但已有部門車企建立了虛擬現(xiàn)實中心，并逐步將虛擬現(xiàn)實技術(shù)融入開發(fā)流程。目前，北汽研究總院、東風(fēng)日產(chǎn)、吉利汽車、上汽大眾汽車等車企的研發(fā)部門都在近兩年規(guī)劃建設(shè)了相應(yīng)的虛擬現(xiàn)實中心，加大虛擬現(xiàn)實技術(shù)在研發(fā)工作的應(yīng)用比重，以實現(xiàn)開發(fā)工作的虛擬化。北汽研究總院采用三折屏幕汽車設(shè)計評審可視化系統(tǒng)，用于數(shù)據(jù)評審；東風(fēng)日產(chǎn)公司利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)可實現(xiàn)虛擬制造、人機工程評價以及數(shù)據(jù)可視化評審工作；吉利汽車投資兩千多萬人民幣正在建設(shè)虛擬現(xiàn)實中心，配備五面CAVE顯示系統(tǒng)及動態(tài)座艙，能夠?qū)崿F(xiàn)造型數(shù)據(jù)可視化虛擬評審、人機虛擬評價以及整車虛擬驗收等開發(fā)工作；上汽大眾規(guī)劃的虛擬現(xiàn)實中心完成建設(shè)，包含三面屏LED顯示系統(tǒng)、一套CAVE系統(tǒng)和整車虛擬驗收系統(tǒng)，該中心可實現(xiàn)造型、概念開發(fā)階段工作的虛擬化。4、虛擬現(xiàn)實技術(shù)在一汽-大眾技術(shù)開發(fā)中的應(yīng)用一汽-大眾技術(shù)開發(fā)部門在2015年將虛擬現(xiàn)實技術(shù)列為部門重點攻堅新技術(shù)。一汽-大眾技術(shù)開發(fā)先后將AR增強現(xiàn)實技術(shù)、虛擬裝配、Powerwall3D數(shù)據(jù)展示系統(tǒng)引入并應(yīng)用至開發(fā)工作中。2021年基于VR技術(shù)搭建的整車虛擬座艙用戶評價系統(tǒng)的投入使用，標(biāo)志著一汽-大眾技術(shù)開發(fā)在利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)進行車型開發(fā)上處于同行業(yè)領(lǐng)先水平，面向整車開發(fā)構(gòu)建的虛擬驗收技術(shù)體系也初具雛形。4.1整車虛擬評價驗收整車虛擬評價驗收又稱整車虛擬座艙用戶評價，這項工作是在車型開發(fā)前期，開發(fā)人員利用VR技術(shù)，通過實物座艙與渲染數(shù)據(jù)相結(jié)合，結(jié)合人機座艙、上一代車型數(shù)據(jù)、競爭對手車輛等資源，從用戶角度對車型最新設(shè)計狀態(tài)進行調(diào)研評審。研發(fā)人員坐在真實座椅上，置身虛擬環(huán)境中對虛擬汽車的內(nèi)飾布局、設(shè)計等實時評估，實現(xiàn)等同于坐在真實汽車內(nèi)的視覺體驗，可直觀的對新車型視野、特定零件的可觸及性、空間性、交互合理性等多個方面進行驗收評價。圖1整車虛擬評價系統(tǒng)示意圖為實現(xiàn)整車虛擬評價，一汽-大眾研發(fā)部門搭建了定制化的集成系統(tǒng)，通過多種對比確定了ART/VIVEPro/Powerwall相結(jié)合的技術(shù)方案。這種方案不單滿足了整車虛擬評價系統(tǒng)的需求，還能夠進行3D數(shù)據(jù)方案展示，在設(shè)備利用空間上達到了最優(yōu)的配置。為了使虛擬評價可以真正代替實物評價，跟蹤和對齊的精度是虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)需要特殊關(guān)注的參數(shù)。為了較好的顯示效果，目前用于汽車虛擬評審的主要選擇為VIVEPro2，Pimax，VarjoVR-3等。對于這幾個品牌的頭盔，默認(rèn)配備的跟蹤系統(tǒng)為ValveLighthouse。但是在使用過程中，會遇到原點漂移，精度不足等問題。根據(jù)德國機構(gòu)VirtualDimensionCenter（VDC）發(fā)布的試驗，通過機械手臂將被跟蹤設(shè)備在相距500mm距離的兩點間反復(fù)移動，其位置重復(fù)精度的測量結(jié)果顯示，基于紅外光學(xué)跟蹤的ART跟蹤系統(tǒng)精度遠(yuǎn)高于ValveLighthouse。但是主流的虛擬現(xiàn)實頭盔并不提供ART跟蹤系統(tǒng)的接口。如果通過簡單編程，將ART的跟蹤信號強制賦予頭盔，則無法利用頭盔內(nèi)部的IMU

獲得的加速的、角加速度、重力方向等信息，渲染系統(tǒng)無法進行運動補償，延遲明細(xì)，造成用戶眩暈。針對這個問題，日本的LP-Research公司開發(fā)了LPVR-CAD插件。該插件可以將IMU（頭盔內(nèi)部或外接）信號與ART光學(xué)跟蹤系統(tǒng)得到的位置信息進行融合。既可以應(yīng)用運動補償技術(shù)，獲得接近0延遲的體驗，又可以獲得ART光學(xué)跟蹤系統(tǒng)的位置精度。圖2跟蹤系統(tǒng)位置重復(fù)精度對比圖3LPVR-CAD插件的工作原理圖4利用利用ART剛體跟蹤VarjoVR-3頭盔應(yīng)用ART跟蹤系統(tǒng)的另一個優(yōu)勢是可以集成更精確的光學(xué)跟蹤動捕技術(shù)實現(xiàn)手部的跟蹤。經(jīng)過對比分析，ART光學(xué)跟蹤系統(tǒng)可實現(xiàn)2mm左右的精度，跟蹤誤差遠(yuǎn)低于Leapmotion等視覺識別技術(shù)，提升了虛擬評價的精度及評價結(jié)果的可行度。圖5ART手指跟蹤與VR系統(tǒng)集成在新車型開發(fā)早期，基于該系統(tǒng)針對中國交通環(huán)境搭建本地化虛擬評價場景，可進行整車用戶虛擬評價。通過搭建的虛擬環(huán)境，能夠還原中國實際交通環(huán)境以及用戶駕駛情境。利用該系統(tǒng)評價的問題點具備較強的可參考價值，在虛擬開發(fā)階段進行更改，降低了后期因用戶抱怨產(chǎn)生變更的可能性，節(jié)約了開發(fā)成本。4.2虛擬現(xiàn)實技術(shù)在一汽-大眾的其他應(yīng)用為實現(xiàn)研發(fā)快速響應(yīng)、研發(fā)數(shù)字化轉(zhuǎn)型，在一汽-大眾研發(fā)部門工程師正探究將虛擬現(xiàn)實技術(shù)更多的應(yīng)用到整車開發(fā)過程中。研發(fā)人員在數(shù)據(jù)造型評審、光順驗收過程中，可基于Powerwall系統(tǒng)結(jié)合3D眼鏡查看三維數(shù)模，增強視覺觀感的同時提升了工作效率。在整車幾何保障驗收過程中，通過AR增強現(xiàn)實的使用，虛實疊加使得使零件干涉分析有據(jù)可循，并且可利用AR增強現(xiàn)實進行零件的虛擬試裝，評價虛擬零件在實車上的裝配效果。基于IcIdo軟件平臺與虛擬現(xiàn)實技術(shù)結(jié)合，可在開發(fā)前期對用戶維修相關(guān)范圍零件進行虛擬檢查，在項目早期發(fā)現(xiàn)工藝相關(guān)問題并進行開發(fā)調(diào)整，降低零件后期產(chǎn)生抱怨而更改的風(fēng)險，節(jié)約了研發(fā)成本?；赨nity3D結(jié)合虛擬現(xiàn)實技術(shù)開發(fā)的數(shù)字化整車移動端可以實現(xiàn)360°整車模型數(shù)據(jù)離線瀏覽、技術(shù)參數(shù)查閱變得省時又省力，實時查看車型不同配置、內(nèi)外飾數(shù)據(jù)，便于研發(fā)人員按需隨時隨地調(diào)用，極大的提升了工作效率。5、虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用展望當(dāng)今汽車市場競爭日益激烈，這就要求汽車企業(yè)研發(fā)部門能夠以低成本、快速度研發(fā)生產(chǎn)出達到用戶要求的產(chǎn)品，虛擬現(xiàn)實技術(shù)引入整車研發(fā)當(dāng)中，使這一要求變?yōu)榭赡?。因此，要求車企研發(fā)部門優(yōu)化開發(fā)流程，更多的將虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用到開發(fā)工作，提升研發(fā)能力，向數(shù)字化研發(fā)轉(zhuǎn)型?？深A(yù)見未來以下應(yīng)用在具備一定成熟度后，將會被考量納入汽車研發(fā)流程中。5.1動態(tài)整車虛擬評價基于前文介紹的虛擬座艙評價系統(tǒng)可進行更新升級，引入高分辨率頭盔和高性能圖形工作站，以提升整車虛擬驗收效果。同時，采用動態(tài)座艙結(jié)合相應(yīng)仿真參數(shù)、動態(tài)場景，實現(xiàn)動態(tài)整車虛擬評價。此外，系統(tǒng)還可結(jié)合人體動作捕捉系統(tǒng)，能夠在虛擬環(huán)境中相對準(zhǔn)確的進行人機評價。5.2CAVE虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)該系統(tǒng)可對造型/表面數(shù)據(jù)進行虛擬可視化評審。在產(chǎn)品開發(fā)前期，造型/表面數(shù)據(jù)結(jié)合高質(zhì)量渲染，利用CAVE系統(tǒng)與3D眼鏡通過虛擬現(xiàn)實方式使全尺寸的汽車三維立體影像實現(xiàn)視覺上1：1的立體展示，通過實時的虛擬漫游，將汽車產(chǎn)品各個部件、內(nèi)飾、外觀等在虛擬環(huán)境中真實展示，輔助研發(fā)人員在開發(fā)前期對車型數(shù)據(jù)進行評審及決策。5.3整車虛擬評價集成通過將模擬計算與虛擬現(xiàn)實技術(shù)相結(jié)合可實現(xiàn)整車開發(fā)的虛擬驗收，實時感知查看車型聲學(xué)、熱力學(xué)、碰撞等仿真結(jié)果。在車型開發(fā)前期利用虛擬技術(shù)實現(xiàn)整車虛擬評價的集成，直觀高效的實現(xiàn)模擬