田巖 李任君 賈鐘書 周任斌 宋雅詩
摘要:虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)通過計(jì)算機(jī)技術(shù)模擬現(xiàn)實(shí)世界的三維實(shí)景,并可與使用者進(jìn)行實(shí)時(shí)交互。文章介紹了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的原理、特點(diǎn)、應(yīng)用,綜合闡述了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在汽車行業(yè)的研究進(jìn)展并展望了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展趨勢。
關(guān)鍵詞:虛擬現(xiàn)實(shí)(VR);汽車領(lǐng)域
中圖分類號:TP 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1005-2550(2019)05-0020-04
田巖
畢業(yè)于吉林大學(xué),學(xué)士學(xué)位,從事汽車研發(fā)領(lǐng)域工作6年,主要負(fù)責(zé)汽車CAE仿真技術(shù)研究。
1 研究現(xiàn)狀
虛擬現(xiàn)實(shí)(Virtual Reality,簡稱VR)技術(shù)是一種應(yīng)用計(jì)算機(jī)圖形與仿真技術(shù)構(gòu)建虛擬空間的技術(shù),通過各種控制及現(xiàn)實(shí)等接口設(shè)備,實(shí)現(xiàn)受眾與虛擬環(huán)境的交流。VR技術(shù)具備沉浸性、交互性和構(gòu)想性等特點(diǎn)[1-2]。
虛擬現(xiàn)實(shí)概念由Jaron Lanier在1989年提出[3]。80至90年代,美國國家航空航天局推出了初級的VR設(shè)備。2014年微軟公司進(jìn)軍虛擬現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域,2015年臉書、谷歌及蘋果公司進(jìn)入該領(lǐng)域,并開發(fā)相應(yīng)設(shè)備[4]。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,中國的科研人員對VR技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究,并取得了一系列研究成果[5]。目前,我國虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在城市規(guī)劃、醫(yī)療、房地產(chǎn)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[6]。
2 應(yīng)用場景
VR技術(shù),作為跨時(shí)代的終端計(jì)算平臺,憑借其跨時(shí)代的交互性、想象性和沉浸感,最直接也是最具有開發(fā)價(jià)值的應(yīng)用就是在游戲領(lǐng)域。VR技術(shù)能夠直接提升游戲的觀感和體驗(yàn)[7]。直播也是VR技術(shù)的核心應(yīng)用之一,包括體育賽事直播,娛樂演唱會直播及其他事件直播[8]。VR技術(shù)應(yīng)用于房地產(chǎn)領(lǐng)域,最主要的價(jià)值是重塑了傳統(tǒng)的依靠房產(chǎn)中介帶領(lǐng)消費(fèi)者看房的老舊模式,使消費(fèi)者可以異地同時(shí)看房,極大提升了房產(chǎn)銷售效率[9]。VR技術(shù)在教育領(lǐng)域的使用,主要體現(xiàn)在其可以更為直觀,高效的展示書本難以完全展現(xiàn)的信息,特別是在物理學(xué),動植物學(xué),天文學(xué)等領(lǐng)域[10]。
如上圖所示為VR技術(shù)在各領(lǐng)域的發(fā)展情況。除此之外,VR技術(shù)還在旅游、工程、醫(yī)療、藝術(shù)設(shè)計(jì)等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用和發(fā)展前景,其對重塑各領(lǐng)域產(chǎn)業(yè)鏈及深化技術(shù)升級及創(chuàng)新存在重要作用。
3 VR技術(shù)在汽車領(lǐng)域的發(fā)展
隨著全球虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的蓬勃發(fā)展,汽車行業(yè)的VR技術(shù)也由萌芽階段逐步走向成熟。針對虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在汽車領(lǐng)域的發(fā)展,我國在“十三五”開局之年大力推動VR科技的研發(fā)和應(yīng)用[11]。
3.1 汽車設(shè)計(jì)及研發(fā)
在傳統(tǒng)汽車的設(shè)計(jì)中,從等比油泥模型到樣車試制,都需要大量的人力物力及時(shí)間。當(dāng)設(shè)計(jì)人員利用VR技術(shù)進(jìn)行汽車設(shè)計(jì)時(shí),可以在等比例的空間中把控每一處設(shè)計(jì)細(xì)節(jié),更加直觀快速地看到不同參數(shù)及結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的不同結(jié)果,從而可以及時(shí)調(diào)整車輛構(gòu)造參數(shù),評估和優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu),最大程度避免設(shè)計(jì)失誤[12]。
同時(shí),由于VR技術(shù)能使模擬場景接近現(xiàn)實(shí),所以可以利用虛擬車型進(jìn)行一系列試驗(yàn),如碰撞、風(fēng)動、路試等[13]。通過仿真軟件的后處理可視化模塊,可以大大加強(qiáng)仿真技術(shù)人員的溝通便利性,對技術(shù)的成熟及發(fā)展有著重要的作用。如圖4所示為應(yīng)用Meta仿真后處理模塊的VR應(yīng)用場景。
3.2 汽車生產(chǎn)及維修教學(xué)
汽車、物流和服務(wù)等領(lǐng)域,可以利用VRR術(shù)建立數(shù)字化工廠,將所有資源、信息進(jìn)行整合,建立虛擬加工生產(chǎn)線裝配線,模擬實(shí)車的生產(chǎn)裝配。工程師及流水線工人通過虛擬的生產(chǎn)裝配對實(shí)際產(chǎn)品的生產(chǎn)裝配進(jìn)行預(yù)估和校準(zhǔn),調(diào)試來降低生產(chǎn)誤差,降低成本[14]。
高校教學(xué)中,由于實(shí)訓(xùn)拆裝零部件少,特別是精密的汽車零部件較少,導(dǎo)致教學(xué)中的內(nèi)容比較抽象,學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性不高[15]。三維虛擬技術(shù)逐步應(yīng)用現(xiàn)代化的教學(xué)中,成為解決上述傳統(tǒng)汽車維修教學(xué)缺點(diǎn)的有效途徑[16]。利用三維虛擬仿真技術(shù)在汽車維修專業(yè)教學(xué)中進(jìn)行應(yīng)用,可以提高學(xué)生的積極性、主動性及降低實(shí)訓(xùn)成本。在維修方面,也可以通過VR進(jìn)行遠(yuǎn)程指導(dǎo)[17]。
3.3 汽車營銷及服務(wù)
在汽車營銷與服務(wù)方面,VR技術(shù)的應(yīng)用可以吸引更多的用戶。在車展、新車發(fā)布會等大型活動中,VR技術(shù)可以讓更多的用戶在家“親臨”現(xiàn)場,即用戶可以坐在“家”中完成看車、選車及試駕的過程。例如奧迪和Oculus合作推出的基于VR技術(shù)的選車服務(wù),極大的提升了用戶體驗(yàn)[18]。
四 實(shí)現(xiàn)方法
虛擬現(xiàn)實(shí)包括硬件和軟件兩個(gè)部分,硬件包括電腦服務(wù)器、顯示器、環(huán)繞屏幕、數(shù)據(jù)手套、數(shù)據(jù)鼠標(biāo)等一系列設(shè)備。軟件是指操作這些硬件設(shè)備具體實(shí)現(xiàn)虛擬環(huán)境的機(jī)器語言編碼[19]。
4.1 硬件
虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備一般包含計(jì)算單元,顯示設(shè)備及交互設(shè)備三個(gè)基本模塊[20]。計(jì)算單元用來進(jìn)行大規(guī)模運(yùn)算,實(shí)時(shí)輸出虛擬環(huán)境的模擬信號,包括視頻,音頻及其他交互設(shè)備的反饋信號等。顯示設(shè)備用來輸出虛擬的環(huán)境。交互設(shè)備是用戶實(shí)現(xiàn)與虛擬環(huán)境進(jìn)行溝通交流的媒介,通過視覺捕捉技術(shù),體感技術(shù),以及其他直接觸摸的設(shè)備進(jìn)行。
4.2 軟件
計(jì)算機(jī)圖形學(xué)是完成虛擬現(xiàn)實(shí)的技術(shù)的主要支撐。為了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的沉浸式場景感受,計(jì)算機(jī)圖形學(xué)需要達(dá)到高質(zhì)量、實(shí)時(shí)的圖像生成及高分辨率三個(gè)指標(biāo)[21]。虛擬現(xiàn)實(shí)軟件有環(huán)境內(nèi)容軟件Vega Prime;虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)高級跨平臺開發(fā)環(huán)境WTK;具備豐富互動行為模塊的實(shí)時(shí)3D環(huán)境編輯軟件Virtools;多平臺綜合型游戲開發(fā)工具Unity3D及我國具有完全知識產(chǎn)權(quán)的三維虛擬現(xiàn)實(shí)平臺軟件Converse3D等。在汽車行業(yè),應(yīng)用于仿真分析后處理的可視化軟件Meta也較流行[22]。
5 VR技術(shù)發(fā)展展望
5.1 智慧化
VR技術(shù)是適應(yīng)信息社會發(fā)展需求而出現(xiàn)的一種高端人機(jī)接口,可實(shí)現(xiàn)虛擬化感受,并實(shí)時(shí)模擬和交互。VR技術(shù)的智慧化發(fā)展,可使參與者超越時(shí)間與空間的限制,改變?nèi)藗儌鹘y(tǒng)的創(chuàng)新意念。結(jié)合人工智能技術(shù)的發(fā)展,VR技術(shù)會更具有智慧性。未來隨著5G技術(shù)的發(fā)展,VR技術(shù)將會更加真實(shí)地與現(xiàn)實(shí)世界聯(lián)系起來[23]。
5.2 普適化
隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)的不斷發(fā)展與進(jìn)步,VR技術(shù)正朝著滿足人類不同需要的方向發(fā)展,比如日常購物,學(xué)習(xí)深造等。隨著VR技術(shù)的發(fā)展,越來越多的普通人也將會受到虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的影響,也會在該技術(shù)的影響下受益。
5.3 生態(tài)化
生態(tài)化是指多個(gè)生產(chǎn)體系或環(huán)節(jié)之間通過系統(tǒng)的耦合和物質(zhì)、能量的多級利用,實(shí)現(xiàn)高效的產(chǎn)出和資源環(huán)境的持續(xù)利用L2a1。虛擬現(xiàn)實(shí)的生態(tài)化是指VR技術(shù)可以在各行各業(yè)中得到越來越廣泛地應(yīng)用,并將各關(guān)聯(lián)產(chǎn)業(yè)耦合與高效利用。運(yùn)用VR技術(shù)進(jìn)行智能網(wǎng)聯(lián)系統(tǒng)的研發(fā)與制作,不僅使各行業(yè)的生產(chǎn)效率迅速提高、成本降低,也能夠滿足消費(fèi)者個(gè)性化的需求。
參考文獻(xiàn):
[1]余華鴻.虛擬現(xiàn)實(shí)技木的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展[J].今日科苑,2009:182-182.
[2]王海榮.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)研究與系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)[J].微計(jì)算機(jī)信息,2011(5):210-212.
[3]"Virtual reality:Meet founding father jaronLanier".New Scientist.Retrieved 2017-06-13.
[4]梁德福.三維虛擬仿真技術(shù)在汽車維修教學(xué)中的應(yīng)用[D].;T-JJII大學(xué).2017.
[5]趙沁平,周彬,李甲,等.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)研究進(jìn)展[J].科技導(dǎo)報(bào),2016,34(14):71-75.
[6]王斌等.VR+:融合與創(chuàng)新.機(jī)械工業(yè)出版社,2016.
[7]施佳.VR/AR技術(shù)的機(jī)遇和挑戰(zhàn)——以游戲產(chǎn)業(yè)為例[J].計(jì)算機(jī)產(chǎn)品與流通,2018(11):93-94.
[8]徐火順,葉劍章,尹海生.大視頻VR直播業(yè)務(wù)及其技術(shù)[J].中興通訊技術(shù),2017,23(06):24-27.
[9]李洪剛.淺析虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)技術(shù)在房地產(chǎn)領(lǐng)域中的應(yīng)用與發(fā)展[J].中外建筑,2017(12):148-150.
[10]郭漢,宋耀偉,張森木.基于計(jì)算機(jī)視覺的虛巧現(xiàn)實(shí)技術(shù)在體育教學(xué)中的應(yīng)用研究[J].西北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào).2016,36(2):92-96.
[11]劉麗鳴.走進(jìn)汽車產(chǎn)業(yè)的虛擬現(xiàn)實(shí)世界一一陳光祖:VR助力汽車產(chǎn)業(yè)智能化發(fā)展[J].汽車縱橫,2016(7):52-55.
[12]周曉雨,倪小波.汽車仿真VR開發(fā)過程淺述[J].電子世界,2018.
[13]馬寧.VR中的汽車設(shè)計(jì)[J].產(chǎn)品可靠性報(bào)告,2016(4):118-121.
[14]劉迪.淺談VR虛擬仿真在汽車檢測維修教學(xué)中的應(yīng)用[J].湖北農(nóng)機(jī)化,2018(07):37.
[15]林朝輝.基于“VR”的現(xiàn)代汽車電子系統(tǒng)故障診斷仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)開發(fā)[D].吉林大學(xué),2010.
[16]趙海賓.仿真技術(shù)在汽車維修教學(xué)中的應(yīng)用[J].科技風(fēng),2015(15):187.
[17]張曉亮,王炳愷基于移動終端的VR技術(shù)在汽車檢測與維修專業(yè)中的應(yīng)用[J].時(shí)代農(nóng)機(jī),2018,45(11):210.
[18]"Audi partners with Somo to create fanexperiences using Google Glass and Oculus Riftat Goodwood Festival of Speed".The Drum.June26,2014.Retrieved September 7,2015.
[19]匡艷,聶磊,肖貴平,王海.鐵路運(yùn)輸安全虛擬現(xiàn)實(shí)模擬培訓(xùn)系統(tǒng)研究[J].鐵路計(jì)算機(jī)應(yīng)用,2005(01):48-49.
[20]任天猛.交互式虛擬裝配平臺關(guān)鍵技術(shù)的研究[D].長春工業(yè)大學(xué),2016.
[21]高美真,黃嬌青.OpenGL中的圖形變換[J].焦作師范高等??茖W(xué)校學(xué)報(bào),2006(02):51-53.
[22]The high performance multi-disciplinaryCAE post-processor:https://www.beta-cae.com/meta.htm
[23]傅一平.深入淺出的理解5G在垂直行業(yè)的重要作用[J].計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò),2018,44(24):44-47.
[24]王棟,侯秀芳.論產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)生態(tài)化的路徑選擇——以河北沿海經(jīng)濟(jì)隆起帶為例葉商業(yè)時(shí)代,2013(31):120-121.