衣恩斯，唐燁，劉建文，李喆元

（廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院，廣東 廣州 511434）

前言

數(shù)字化樣機（DMU，Digital Mock-Up），又名虛擬樣車，其基于整車三維數(shù)模，按照世界坐標組成結(jié)構(gòu)性樣車模型，雖然不是物理實車，但其通過VR（Virtual Reality，虛擬現(xiàn)實）技術(shù)，便能獲得極其真實的虛擬體驗。VR技術(shù)是一種計算機仿真技術(shù)，具有高真實感的環(huán)境表達特征和高效的用戶和環(huán)境信息交換特征[1]，能夠創(chuàng)建交互式的三維動態(tài)視景，增強用戶對虛擬環(huán)境的感知，讓用戶沉浸其中體驗虛擬世界。

計算機輔助設計（Computer Aided Design，CAD）軟件是設計和制造行業(yè)的基本工具，隨著市場需求的增加，用戶的個性化趨勢顯現(xiàn)，傳統(tǒng)的CAD軟件難以快速滿足市場多樣化和節(jié)省成本的要求[2]。而VR技術(shù)的快速發(fā)展給汽車企業(yè)帶來了巨大啟發(fā)，目前車企的VR技術(shù)已廣泛應用于汽車概念設計、工程設計、生產(chǎn)、銷售、服務全生命周期。其中，概念設計與工程設計之間通常存在前期難以檢查出的品質(zhì)問題，如工程件外露、可見結(jié)構(gòu)遮擋等，直到較后期的整車狀態(tài)才被發(fā)現(xiàn)。汽車研發(fā)的實踐證明，通過實施有效的設計評審活動，及時識別和彌補設計開發(fā)缺陷，在降低開發(fā)風險，確保產(chǎn)品質(zhì)量以及經(jīng)濟性等方面發(fā)揮著重要作用[3]。如果能運用VR技術(shù)“多感知”和“虛擬環(huán)境”的特點，讓評審人員在產(chǎn)品工程設計階段進行虛擬樣車評審，體驗在虛擬環(huán)境下的“真實”的車輛，在數(shù)據(jù)階段提前發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量問題，將大大提升產(chǎn)品開發(fā)效率。

1 明確VR虛擬樣車質(zhì)量評審內(nèi)容

傳統(tǒng)的汽車產(chǎn)品設計和質(zhì)量評審僅考慮各項指數(shù)是否達標，現(xiàn)如今除了驗證指標達標外，還要站在用戶的立場上，從用戶的需求和期望考慮，以“挑剔”的方式進行產(chǎn)品驗證和質(zhì)量評價，從而不斷優(yōu)化完善產(chǎn)品質(zhì)量，進而增強產(chǎn)品的市場競爭力。

在汽車設計的質(zhì)量評審前期工作中，業(yè)內(nèi)普遍已形成用戶體驗主觀評價管理辦法，其內(nèi)容通常分為基于實車的靜態(tài)主觀評價和動態(tài)主觀評價，如圖1所示。其中靜態(tài)主觀評價是基于評價者對汽車的“五感”評價，動態(tài)主觀評價是基于汽車駕駛性能的評價。

圖1 用戶體驗主觀評價內(nèi)容分類圖

在汽車設計階段前期，典型的質(zhì)量問題主要集中在靜態(tài)主觀評價，如工程件外露、老鼠洞、特征不齊、縫隙看穿等，這些問題均可通過主觀視覺快速發(fā)現(xiàn)。VR技術(shù)若與前期模型數(shù)據(jù)緊密結(jié)合，基于主觀視覺的質(zhì)量驗證將有效快速發(fā)現(xiàn)上述問題。因此，本文所提到的VR虛擬樣車，可重點聚焦于虛擬車輛的靜態(tài)主觀評價，涉及的評價包括但不限于汽車的品質(zhì)感、協(xié)調(diào)性、視覺印象、色差、間隙、面差、缺陷、外露、零部件干涉。同時，為給用戶更好的用車體驗，還要保證其他不易觀察部件的視覺效果，如機艙布置緊湊度，管線走向等，所以需要進行全整車級的模型數(shù)據(jù)評價。

2 實現(xiàn)方法研究及對比

通過調(diào)研行業(yè)主流VR內(nèi)容制作方法，通用制作流程分為輕量化、渲染及交互設計、軟硬件聯(lián)動三個步驟，本文從這三個角度進行詳細說明及優(yōu)劣分析。

2.1 輕量化

虛擬現(xiàn)實場景在計算機上運行是否流暢，與場景中的模型個數(shù)、模型面數(shù)、模型貼圖這三個方面的數(shù)據(jù)量相關(guān)[4]。通常，各行業(yè)應用模型精度由高到低的排序為：工業(yè)模型、影視模型、VR/AR模型、游戲模型。將工業(yè)模型轉(zhuǎn)化為VR模型，既要保證模型表達效果、結(jié)構(gòu)樹可循，又要保證處理效率高和數(shù)據(jù)準確，同時達到輕量化的目的是本文需解決的重要問題之一。

汽車工程設計的建模軟件所建出的汽車模型數(shù)據(jù)是一種精確的邊界表示（Representation Boundary，BREP）模型數(shù)據(jù)，這種三維數(shù)模含有大量的工業(yè)信息，屬于高精度模型。將含有大量工業(yè)信息的高精度數(shù)模，轉(zhuǎn)換成含少量工業(yè)信息的低精度數(shù)模的過程叫做三維數(shù)模的輕量化，其是指在保留三維模型基本信息、保證必要精度的前提下，將原始CAD文件壓縮至只有原格式的1/30大小甚至更小的輕量化格式文件[5]。VR行業(yè)中，實現(xiàn)模型輕量化主要有以下三種方法：

（1）利用3ds Max/Maya等三維動畫制作軟件或其插件進行自動優(yōu)化或拓撲；

（2）利用TopoGun/Zbrush等專業(yè)的拓撲或雕刻軟件進行重構(gòu)優(yōu)化；

（3）利用CATIA輕量化格式轉(zhuǎn)化減少冗余工業(yè)參數(shù)化信息[6]。

針對整車級模型數(shù)據(jù)而言，三種輕量化方法對比情況如表1。從對比結(jié)果看，選用CATIA輕量化格式方法更優(yōu)。

表1 三種輕量化方法對比表

2.2 渲染及交互設計

渲染可以為模型賦予材質(zhì)、紋理、貼圖、燈光布置等，利用渲染軟件將這些與模型貼合、融合在一起，最終可視化出實物般的立體效果。通過調(diào)研行業(yè)主流可視化軟件情況，常用的有Autodesk VRED、RTT DeltaGen、集成化的虛擬仿真驗證平臺等。其中集成化的虛擬仿真驗證平臺應用領域全面，但價格高，實施周期長，學習成本高，不適用于快速應用；Autodesk VRED 與RTT DeltaGen視覺效果優(yōu)越，同時可擴展交互設計內(nèi)容，但RTT DeltaGen對硬件要求高[7]，不適用普通用戶終端應用，綜合考慮已有造型階段數(shù)據(jù)資源情況，以及技術(shù)研究情況，本文將選用VRED進行渲染及交互設計部分內(nèi)容開發(fā)。

2.3 軟硬件聯(lián)動

VR因為沉浸式體驗的特性，需佩戴專門的頭盔顯示器（Head-Mounted Display，HMD）用于隔離外界干擾從而增加沉浸感，HMD均安裝有頭部運動跟蹤裝置，用戶運動頭部時，即可計算出對應于用戶當前姿態(tài)的虛擬對象的位姿并將其顯示在HMD的屏幕上[8]。虛擬中的模型世界和現(xiàn)實世界中用戶的行為同步，主要依靠VR空間定位技術(shù)。其關(guān)鍵指標是精度和時延，精度影響用戶位置獲取偏差大小，時延影響用戶動作同步流暢性，精度差將導致感知錯位和內(nèi)容不同步，時延長將導致用戶眩暈。當前VR空間定位技術(shù)，主要有以下三種：

（1）激光定位；

（2）紅外光學定位；

（3）可見光定位。

三種定位技術(shù)對比情況如表2，綜合考慮車型尺寸及項目周期，將選用激光定位技術(shù)設備作為用戶體驗評審端硬件，通過該類設備與VRED軟件結(jié)合開發(fā)，從而實現(xiàn)軟硬件聯(lián)動。

表2 三種VR空間定位技術(shù)對比表

3 技術(shù)開發(fā)及優(yōu)化

3.1 整車數(shù)模的輕量化開發(fā)及優(yōu)化

整車數(shù)模的輕量化程度是實現(xiàn)整車數(shù)據(jù)渲染及評審的重要基礎。因此，在制作虛擬樣車數(shù)據(jù)的準備階段時，就需要進行數(shù)據(jù)輕量化，以達到對仿真模型的快速渲染需求，保障虛擬評審效果穩(wěn)定。從本文目的出發(fā)，對整車數(shù)模輕量化有以下幾點思考：

（1）對靜態(tài)主觀視覺評價來說，在含有大量工業(yè)信息的數(shù)模中，僅需較少的有效信息；

（2）十幾個G的整車數(shù)據(jù)在普通計算機軟硬件條件下難以整合，即使整合成功，在進行渲染或虛擬樣車評審時也可能造成卡頓、死機等；

（3）整車數(shù)據(jù)的BOM表有幾百個零部件，手動處理存在工作量大、重復操作多、數(shù)據(jù)管理困難等問題。

通過觀察數(shù)據(jù)保存形式，先后測試了stp、stl、igs、wrl、cgr這5種通用格式轉(zhuǎn)化，結(jié)果證明cgr格式可以轉(zhuǎn)換成功并組裝為整車，這種格式僅含有零件的外形、世界坐標等信息，以此達到降低原數(shù)模工業(yè)信息量的目的。

此方法雖可行，但存在問題。例如，單一車型一種配置有200余個零部件，估算文件查找、讀取、手動轉(zhuǎn)換、歸類分組等步驟所耗時間，人工轉(zhuǎn)換需耗費單人8小時完成，人工操作重復性大、效率低，且極易出錯。為優(yōu)化此步驟，開發(fā)了自動轉(zhuǎn)換程序[9]，運用批處理程序和CATIA開發(fā)轉(zhuǎn)存程序相結(jié)合的方式，實現(xiàn)文件批量化處理及模型文件整理，從而解決上述問題。具體步驟如下：

（1）將查詢代碼存為批處理文件格式（.bat），查詢指定文件目錄下的所有P總成CATIA文件路徑；

（2）運用CATIA宏腳本（.catvbs）依次遍歷目錄文件位置，每個目錄執(zhí)行一次打開-另存cgr-關(guān)閉操作，以此完成cgr格式批量化轉(zhuǎn)存；

（3）將查詢代碼存為批處理文件格式（.bat），查詢所有目錄及子文件夾下的cgr格式文件，并復制到指定文件夾進行收集。

至此，僅需三步即可完成所有輕量化模型收集，單人耗時不足2小時。模型收集完成后開始渲染準備工作，渲染前可將同一零部件、同一材質(zhì)的模型進行打包處理，將不參與交互的固定零部件進行打包處理等，以便進一步提升后期渲染效率。

3.2 整車數(shù)模的渲染和交互設計開發(fā)及優(yōu)化

渲染過程將進一步提升虛擬樣車的真實性，增加評審人員的沉浸感。通過對整車數(shù)模的渲染，使數(shù)模具有真實車輛的材質(zhì)；通過建設評審用的三維環(huán)境模型，使評審人員處于更真實的評審環(huán)境；通過設計產(chǎn)品交互方式，使虛擬車輛具備開閉件模擬，以及評審工具定義等多種虛擬交互操作；最后通過VR頭盔進行渲染模型和虛擬場景的可視化輸出，從而實現(xiàn)評審人員在虛擬環(huán)境中的虛擬樣車評審。工作流程如圖2所示。

圖2 渲染及交互工作流程圖

模型導入后，通過檢查法線面渲染情況，運用幾何體編輯器統(tǒng)一法線為綠色。同時，通過優(yōu)化幾何體加快電腦響應速度。針對不同材質(zhì)、凹凸、以及切換效果構(gòu)建不同材質(zhì)球賦予相應模型，渲染前后效果如圖3。利用高動態(tài)范圍圖像（High-Dynamic Range，簡稱HDR）文件或者三維模型構(gòu)建評審場景，其中，三維模型構(gòu)建的場景逼真、清晰度高；HDR環(huán)境球耗費資源少、選擇性多、替換方便[10]。

圖3 輕量化組裝后的cgr模型和渲染后整車模型

對于VR評審用戶來說，頭戴顯示器的穿脫、易用性、多人協(xié)作等都會干擾評價流程，這就意味著在虛擬環(huán)境中不僅需要有視覺體驗，還要有易上手的交互體驗。在本文中，選用了HTC VIVE PRO設備套裝，含頭戴顯示器、定位器、交互手柄、無線模塊等，并提前對頭顯套裝進行校準及空間區(qū)域設定。在VRED軟件中，定位軸點，并利用剪輯生成器創(chuàng)建動畫序列，通過變量集綁定動畫序列并設定觸發(fā)變量，對把手模型設定點擊傳感器綁定觸發(fā)變量，此時即可模擬虛擬手拉開把手。由于工業(yè)模型的精準性，VR環(huán)境下呈現(xiàn)的模型大小與真實車輛是1：1的，評審人員在虛擬環(huán)境中可以進入到虛擬車內(nèi)，配合實體座椅，以坐姿進行主觀體驗評價。

經(jīng)驗證評審后發(fā)現(xiàn)以下四點需進行優(yōu)化：

（1）交互操作方式交互次數(shù)過多，對新手有難度，當前有兩部分交互，一是用戶與實體操作手柄按鍵交互，二是虛擬手與虛擬把手模型交互；

（2）未連接虛擬與現(xiàn)實空間，評審過程中隨著評審人員位置跳轉(zhuǎn)及位姿的不斷變化，其與真實座椅位置不斷改變，需配專人看護體驗者；

（3）評審人員通過HTC VIVE手柄控制位置瞬移時，難以快速定位到四個座椅位置，需反復調(diào)節(jié)自身位置；

（4）評審過程中缺乏常用評審工具，無法及時與其他現(xiàn)場人員快速溝通和記錄。

針對以上四點進行改良優(yōu)化。

第一，在交互方式上，通過VRED腳本編輯器，運用python語句直接定義HTC VIVE PRO手柄來同時觸發(fā)多個變量。優(yōu)化后僅需1個按鍵即可讓用戶完成多門開閉，大大降低操作門檻，效果圖如圖4。

圖4 開閉件的基本設置及打開狀態(tài)

第二，在項目中建立透明高亮座椅模型，加入HTC Tracker2018追蹤器模塊，將追蹤器固定在實體座椅上，成功追蹤實體座椅在虛擬環(huán)境中的位置，有效增加評審人員對真實世界物體的感知。

第三，提前規(guī)范四個座椅位置坐標，將其作為跳轉(zhuǎn)視點，與手柄按鍵綁定，成功通過按鍵控制四個位置循環(huán)跳轉(zhuǎn)。

第四，定義操控手柄按鍵功能，成功構(gòu)建評審工具，如剖切、快照、標注、等工具，幫助評審人員在VR情境下更便捷、更流暢地進行審查流程，效果圖如圖5。

圖5 功能互動效果圖（左剖切，右標注）

4 應用及成果

以某車型車身和底盤數(shù)據(jù)為例，通過格式轉(zhuǎn)換，車身數(shù)據(jù)從9.3G降為0.52G，輕量化比例為94.4%；底盤數(shù)據(jù)從0.53G降為0.04G，輕量化比例為92.5%。在降低各部件數(shù)據(jù)量降低的同時，某研發(fā)階段整車數(shù)據(jù)從11.06G降為0.87G，輕量化比例為92.1%，大大降低了渲染及評審過程對電腦硬件的需求，有效保障評審流暢度及穩(wěn)定性。同時，從單人8小時手動轉(zhuǎn)換縮短至單人2小時完成，轉(zhuǎn)換效率提升75%。

通過渲染及交互設計后所構(gòu)建的虛擬樣車能滿足可視化虛擬評審需求。車身設計領域、質(zhì)量管理領域均已應用，評審人員運用VR頭盔“真實”體驗虛擬樣車進行靜態(tài)主觀視覺評價，操作簡單，使用流暢。評審流程如圖6。

圖6 VR虛擬樣車評審流程

經(jīng)多款車型測試證明，該方法能夠更方便、更有效、更直觀地發(fā)現(xiàn)工程件外露、可見結(jié)構(gòu)遮擋、機艙布置不緊湊、B面或線束不美觀、車身內(nèi)外間隙過大、零部件干涉等多種問題，更便捷地觀察出實車驗證中不易觀察部位的具體情況，更精準地找出坐標和狀態(tài)錯誤的工程數(shù)據(jù)。同時，虛擬驗證作為傳統(tǒng)模型驗證的輔助手段，結(jié)合CATIA共同尋找、發(fā)現(xiàn)、驗證問題。某項目發(fā)現(xiàn)的問題舉例如圖7。

圖7 某項目虛擬驗證發(fā)現(xiàn)問題舉例

5 結(jié)束語

本文從汽車工程設計階段的整車數(shù)據(jù)入手，在車身設計和質(zhì)量評審中成功運用VR技術(shù)，實現(xiàn)了整車數(shù)據(jù)的高度輕量化，并通過對輕量化數(shù)據(jù)的渲染和可視化輸出，配合虛擬交互設計，讓評審人員在汽車數(shù)據(jù)階段時發(fā)現(xiàn)具體問題并及時進行整改，減少不可關(guān)閉的問題數(shù)量，大大降低后期實體零部件的更改幾率以及財、人、時的損失。

由于產(chǎn)品設計和質(zhì)量評審的主觀性特點，評審人員、模型數(shù)據(jù)所在階段、評審環(huán)境等多種因素都將影響評價效果，并且評審驗證具有高頻度、快節(jié)奏特點，快速響應、即時可調(diào)、成本低廉也是項目研發(fā)過程的數(shù)據(jù)評審需求[11]。因此，在后續(xù)項目的不斷優(yōu)化中，不僅需要高度保證虛擬評審的真實感和沉浸感，還需要保證其快速替換性、多元場景、優(yōu)化交互體驗以及擴展更廣泛的汽車研發(fā)驗證場景。

在探索虛擬評審過程中，基于傳統(tǒng)實車的評價標準，逐步建立虛擬評審機制，形成虛擬評審標準，規(guī)范虛擬評審過程，最終形成統(tǒng)一的虛擬樣車制作、評審流程。為車型研發(fā)項目快速構(gòu)建虛擬樣車、快速發(fā)現(xiàn)問題、快速整改提供有力保障。