葛寬

（武漢理工大學(xué) 汽車工程學(xué)院，湖北 武漢 430070）

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在汽車工業(yè)中的應(yīng)用

葛寬

（武漢理工大學(xué) 汽車工程學(xué)院，湖北 武漢 430070）

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)得到越來(lái)越多的關(guān)注。文章主要介紹了一些虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的一些基本構(gòu)架組件，并列舉了一些虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)在汽車工業(yè)中的現(xiàn)有應(yīng)用。最后對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的一些技術(shù)提出了一些觀點(diǎn)，并對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在汽車工業(yè)的發(fā)展前景和研究方向做出了展望。

虛擬現(xiàn)實(shí)；系統(tǒng)構(gòu)架；汽車工業(yè)

隨著汽車工業(yè)的不斷發(fā)展，各大汽車公司競(jìng)爭(zhēng)更加激烈。汽車生產(chǎn)制造商都在加速自己新車型的開(kāi)發(fā)，縮短新車型的開(kāi)發(fā)周期，盡早搶占有限的市場(chǎng)空間。另外，也要減少新車型的開(kāi)發(fā)成本，提高自身產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。因此許多新技術(shù)和新方法都逐漸的應(yīng)用到汽車的研發(fā)當(dāng)中，在保證汽車研發(fā)質(zhì)量的前提下，縮短研發(fā)周期，降低研發(fā)成本。

虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality,縮寫(xiě)為VR）是通過(guò)計(jì)算機(jī)來(lái)構(gòu)建一個(gè)虛擬的三維空間，用戶可以在這個(gè)三維的虛擬空間中進(jìn)行一定的體驗(yàn)與感知，進(jìn)而獲得一種與外界真實(shí)空間相類似的“沉浸感”。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與很多技術(shù)之間都有著緊密的聯(lián)系，如：三維建模技術(shù)、圖形顯示技術(shù)、傳感技術(shù)以及人工智能技術(shù)等。與傳統(tǒng)的人機(jī)交互系統(tǒng)不同，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建逼真的三維場(chǎng)景模型，并對(duì)虛擬場(chǎng)景中的對(duì)象添加一定的模塊進(jìn)行處理，進(jìn)而使用戶可以“身臨其境”的感知這個(gè)逼真的三維世界，并獲得真實(shí)的人機(jī)交互體驗(yàn)的技術(shù)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)使人們對(duì)人機(jī)交互技術(shù)有了嶄新的定義，對(duì)人機(jī)交互技術(shù)的發(fā)展具有里程碑式的意義。隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們不斷拓展著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用范圍。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已經(jīng)在越來(lái)越多的領(lǐng)域得到了應(yīng)用，如：航空航天培訓(xùn)、建筑設(shè)計(jì)、游戲開(kāi)發(fā)以及工業(yè)設(shè)計(jì)等。

1 虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)

虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)主要由輸入模塊、輸出模塊、三維模型數(shù)據(jù)庫(kù)和軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)組成，如圖1所示。將跟蹤采集到的用戶運(yùn)動(dòng)、行為，或者是由專門輸入所得到的信號(hào)來(lái)作為系統(tǒng)的輸入信號(hào)。

虛擬現(xiàn)實(shí)軟件根據(jù)所接受到的輸入信號(hào)，進(jìn)行識(shí)別和計(jì)算分析，從三位數(shù)據(jù)庫(kù)中選取所需要的場(chǎng)景元素，展現(xiàn)給用戶。用戶通過(guò)三維顯示裝置來(lái)獲取反饋信息，進(jìn)而決定自己下面的行為。

輸入模塊：虛擬現(xiàn)實(shí)的輸入模塊主要是通過(guò)多種方式來(lái)接收用戶的輸入信號(hào)，主要接受用戶頭部以及手部的位置以及姿態(tài)。其主要的信號(hào)輸入設(shè)備包括：數(shù)據(jù)手套、三維鼠標(biāo)、生物傳感設(shè)備、頭部跟蹤設(shè)備以及語(yǔ)音輸入裝置等。

輸出模塊：通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)以及各種設(shè)備將人類的各種感官信號(hào)進(jìn)行模擬出來(lái)是虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的最終目標(biāo)。用戶把所接收到的這些感官信號(hào)進(jìn)行吸收轉(zhuǎn)化，從而融入到整個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景之中。虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的輸出模塊主要包含觸覺(jué)傳感器、三維圖像視覺(jué)效果以及三維聲音效果等。

三維模型數(shù)據(jù)庫(kù)：三維模型數(shù)據(jù)庫(kù)是根據(jù)現(xiàn)實(shí)世界而構(gòu)建的三維模型集合，用來(lái)存儲(chǔ)和管理系統(tǒng)的各個(gè)虛擬場(chǎng)景模塊。它能夠根據(jù)用戶的輸入信號(hào)，更改數(shù)據(jù)庫(kù)的信息，并由此構(gòu)建新的虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景。

虛擬現(xiàn)實(shí)軟件的軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)：虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)主要是將用戶的輸入信號(hào)、三維模型數(shù)據(jù)庫(kù)以及用戶的所要接收的輸出信號(hào)相連接在一起的一個(gè)模塊。它根據(jù)用戶的輸入信號(hào)，不斷更新用戶虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景的三維數(shù)據(jù)庫(kù)，及時(shí)的調(diào)整用戶所處的三維場(chǎng)景，同時(shí)控制輸出設(shè)備的輸出信號(hào)。

圖1 虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的基本構(gòu)架

2 虛擬現(xiàn)實(shí)系技術(shù)汽車工業(yè)中的應(yīng)用

（1）整車虛擬裝配。虛擬裝配技術(shù)主要是在產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程中，通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)建立汽車三維模型，能夠非常準(zhǔn)確的反映汽車各個(gè)部件的安裝關(guān)系，以及整車設(shè)計(jì)情況。并可以將各個(gè)部件的數(shù)據(jù)直接保存進(jìn)入數(shù)據(jù)庫(kù)，方便新車型的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)。通過(guò)應(yīng)用3D技術(shù)對(duì)零部件以及汽車其他部分進(jìn)行虛擬裝配分析，進(jìn)而尋找設(shè)計(jì)裝配時(shí)的缺陷以及設(shè)計(jì)問(wèn)題。在虛擬裝配的過(guò)程中，首先需要對(duì)整個(gè)裝配的流程進(jìn)行總體的規(guī)劃，并對(duì)裝配方案以及夾具等裝配件進(jìn)行設(shè)計(jì)與工藝流程分析。最初階段，由于技術(shù)條件的限制，汽車產(chǎn)品以及零部件在裝配過(guò)程中只能通過(guò)一些小的幾何模型來(lái)模擬評(píng)估，這樣就不能充分體現(xiàn)產(chǎn)品的裝配效果，使裝配過(guò)程產(chǎn)生一定的誤差。進(jìn)而導(dǎo)致新車型汽車的研發(fā)周期變長(zhǎng)，大大提高了開(kāi)發(fā)成本。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的出現(xiàn)很好的解決了汽車零部件的裝配設(shè)計(jì)問(wèn)題。通過(guò)建立“沉浸式”的虛擬操作空間，設(shè)計(jì)者可以在虛擬環(huán)境中對(duì)零件進(jìn)行虛擬裝配操作。運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)的技術(shù)平臺(tái)，工作人員可以完全真實(shí)的對(duì)各個(gè)零部件進(jìn)行仿真裝配操作。通過(guò)這種方法來(lái)發(fā)現(xiàn)裝配設(shè)計(jì)中的不足，進(jìn)而設(shè)計(jì)出更加科學(xué)實(shí)用的裝配方案，縮短裝配方案的設(shè)計(jì)周期。

（2）車身空氣動(dòng)力學(xué)分析。車身造型是決定整車空氣動(dòng)力學(xué)特征的重要因素。另外整車的操縱穩(wěn)定性和燃油經(jīng)濟(jì)性也與整車的空氣動(dòng)力學(xué)特征有著密切的聯(lián)系。汽車的空氣動(dòng)力學(xué)特征主要是通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)來(lái)測(cè)試完成的。通過(guò)觀察在風(fēng)洞試驗(yàn)場(chǎng)中油泥模型表面的變化，或者空氣流場(chǎng)來(lái)確定樣車的空氣動(dòng)力學(xué)特征。但是風(fēng)洞試驗(yàn)仍然存在一些問(wèn)題，如：油泥模型與樣車實(shí)物之間尺寸不同、等比例的油泥模型需要大尺寸的風(fēng)洞以及車身的設(shè)計(jì)造型需要更改時(shí)，必須重新制作新的油泥模型，重新進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)等。

通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)來(lái)模擬虛擬風(fēng)洞，工作人員可以通過(guò)專用的虛擬現(xiàn)實(shí)三維顯示頭盔，真實(shí)的觀察到虛擬風(fēng)洞中的空氣流場(chǎng)，并且自身并不會(huì)對(duì)流場(chǎng)情況產(chǎn)生干擾。將繪制完成的整車三維模型導(dǎo)入到虛擬現(xiàn)實(shí)的風(fēng)洞中，工作人員就可以全方位的觀察車身的空氣動(dòng)力學(xué)性能，進(jìn)而發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中的不足。對(duì)其進(jìn)行更加科學(xué)的改進(jìn)，可以極大縮短車身設(shè)計(jì)周期，并且使其空氣動(dòng)力學(xué)性能更加良好。

（3）車輛運(yùn)動(dòng)仿真。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以通過(guò)立體的三維圖像形式將車輛的運(yùn)動(dòng)仿真結(jié)果真實(shí)的展現(xiàn)出來(lái)。試驗(yàn)人員可以通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)中的交互功能更改某些車輛的具體參數(shù)，使人們能夠?qū)Σ煌r下的車輛運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行多次仿真分析，讓人們能夠更加準(zhǔn)確地了解車輛的運(yùn)動(dòng)行駛情況。車輛的運(yùn)動(dòng)仿真一般用在汽車設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)以及汽車交通事故的動(dòng)態(tài)模擬。在交通事故的模擬再現(xiàn)過(guò)程中，交通事故處理部門通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境下的動(dòng)態(tài)三維模型的模擬仿真，來(lái)對(duì)分析事故發(fā)生原因，判斷事故責(zé)任。由于現(xiàn)實(shí)中車輛的外形不同，需要根據(jù)不同車型建立相應(yīng)的三維演示模型。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的核心就是建模與仿真，動(dòng)畫(huà)模擬系統(tǒng)的核心功能是對(duì)交通事故中車輛、行人、道路、天氣等元素進(jìn)行三維建模，然后通過(guò)對(duì)模型的控制來(lái)對(duì)交通事故的場(chǎng)景進(jìn)行仿真。當(dāng)車輛在虛擬環(huán)境中運(yùn)動(dòng)時(shí)，要產(chǎn)生真實(shí)的兩車碰撞場(chǎng)景，必須對(duì)參與碰撞的車輛進(jìn)行實(shí)時(shí)的碰撞檢測(cè)和響應(yīng)。兩車發(fā)生碰撞時(shí)，車輛應(yīng)對(duì)碰撞發(fā)生響應(yīng)。車輛碰撞模擬中的實(shí)時(shí)碰撞檢測(cè)，主要用于對(duì)車輛之間的碰撞進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，并做出響應(yīng)。根據(jù)上述模擬方法，將虛擬方法應(yīng)用于兩車碰撞事故上，交通事故三維動(dòng)畫(huà)模擬系統(tǒng)中的運(yùn)動(dòng)控制模塊必須能實(shí)時(shí)檢測(cè)出汽車三維模型的碰撞，并根據(jù)汽車的質(zhì)量、碰撞后的速度等參數(shù)模擬出交通事故的發(fā)生過(guò)程，如果過(guò)程與真實(shí)現(xiàn)場(chǎng)不符，則需要檢驗(yàn)輸入?yún)?shù)、速度模型的計(jì)算、碰撞檢測(cè)的結(jié)果以便重新進(jìn)行仿真、模擬。

（4）駕駛模擬。汽車駕駛模擬系統(tǒng)是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在汽車中的一個(gè)重要的應(yīng)用方向，它通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)真實(shí)的模擬汽車駕駛動(dòng)作,進(jìn)而取得實(shí)車駕駛體驗(yàn)的模擬仿真設(shè)備。其中模擬駕駛系統(tǒng)的視覺(jué)感知系統(tǒng)又是其關(guān)鍵模塊，因?yàn)樗菦Q定操作者能否產(chǎn)生沉浸感、交互感和身臨其境的感覺(jué)。在國(guó)外，汽車駕駛模擬系統(tǒng)的研究開(kāi)發(fā)比較成熟，使用非常普遍。早在20世紀(jì)70年代，美國(guó)日本等國(guó)家已經(jīng)將駕駛模擬系統(tǒng)作為汽車駕駛學(xué)校的必要裝備。而與傳統(tǒng)的汽車駕駛模擬系統(tǒng)相不同，與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)相結(jié)合的駕駛模型系統(tǒng)能夠通過(guò)頭盔式顯示器使人們能夠更加真實(shí)地沉浸到虛擬駕駛環(huán)境中，更加快速地適應(yīng)真實(shí)的駕駛工況。

（5）車輛性能模擬評(píng)估。車輛性能評(píng)估將成為虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用的新方向。車輛操縱穩(wěn)定性的評(píng)定一般是通過(guò)對(duì)實(shí)車參數(shù)進(jìn)行測(cè)試的方法來(lái)進(jìn)行評(píng)估，然后再通過(guò)一些理論的分析與計(jì)算來(lái)加以調(diào)整。但是這種方法存在很多的弊端，首先由于測(cè)量?jī)x器，測(cè)試道路，天氣等原因?qū)е略囼?yàn)的重復(fù)性差，需要花費(fèi)很長(zhǎng)的時(shí)間才能夠獲得較為準(zhǔn)確的測(cè)量數(shù)據(jù)，另一方面測(cè)量數(shù)據(jù)中存在一些系統(tǒng)性的誤差，無(wú)法直接通過(guò)理論分析計(jì)算的方法對(duì)整車的操縱穩(wěn)定性進(jìn)行提高。因此，車輛性能評(píng)估需要花費(fèi)大量人力物力，而且增大研發(fā)周期。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能夠極大的促進(jìn)車輛性能評(píng)估技術(shù)的發(fā)展。工作人員可以將車輛的基本參數(shù)模型導(dǎo)入到虛擬現(xiàn)實(shí)的試驗(yàn)環(huán)境中，通過(guò)駕駛員沉浸式的模擬駕駛，來(lái)采集較為準(zhǔn)確的不同工況下的汽車振動(dòng)、噪聲以及側(cè)向傾斜等基本數(shù)據(jù)。并且試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)較為準(zhǔn)確且試驗(yàn)本真的可重復(fù)性較好。這樣能夠較早地發(fā)現(xiàn)汽車前期設(shè)計(jì)中的缺陷和不足，盡早做到優(yōu)化調(diào)整。

3 結(jié)語(yǔ)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是將多種先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行融合的一種嶄新技術(shù)，它的應(yīng)用潛力非常巨大。隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的不斷成熟，汽車工業(yè)會(huì)不斷與這種新技術(shù)相融合，使其應(yīng)用面不斷拓展。如汽車的虛擬設(shè)計(jì)、汽車虛擬裝配以及汽車虛擬實(shí)驗(yàn)等。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在汽車工業(yè)上的應(yīng)用將打破那些傳統(tǒng)的汽車設(shè)計(jì)思維，為汽車工業(yè)整個(gè)流程帶來(lái)一場(chǎng)變革。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)將會(huì)使虛擬現(xiàn)實(shí)中的汽車變得越來(lái)越真實(shí)。

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Application of Virtual Reality Technology in Automobile Industry

GE Kuan
（Automotive Engineering College，Wuhan University of Technology，Wuhan，Hubei 430070，China）

With thecontinuousdevelopmentofcomputer technology，virtualreality technologyhasbeen paidmoreandmoreattention.Thispaperintroducessomebasic architecture componentsofsomevirtualrealitysystemsand listssomeexistingapplications ofvirtual reality systemsin theautomotive industry.Attheend ofthispaper，some ideasareputforward forsome techniquesofvirtual realitysystem，and theprospectand research directionofvirtualreality technology inautomobileindustryareprospected.

virtual reality；system architecture；automobile industry

F416.471

A

2095-980X（2017）05-0017-02

2017-04-12

葛寬（1992-），男，河南周口人，碩士研究生，主要研究方向：汽車虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)計(jì)。