衣恩斯，譚東華，李曉勇，李喆元，劉建文

（廣州汽車集團(tuán)股份有限公司 汽車工程研究院，廣東 廣州 511434）

虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality, VR）技術(shù)的快速發(fā)展給各行業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型帶來新的方式。2021年“十四五”規(guī)劃提出將虛擬現(xiàn)實(shí)作為在推進(jìn)產(chǎn)業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型中的數(shù)字經(jīng)濟(jì)重點(diǎn)產(chǎn)業(yè)[1]。工業(yè)和信息化部在《關(guān)于加快推進(jìn)虛擬現(xiàn)實(shí)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的指導(dǎo)意見》中將“VR+制造”作為重點(diǎn)行業(yè)應(yīng)用方向，從而提升制造企業(yè)輔助設(shè)計(jì)能力[2]。因此，利用VR技術(shù)輔助傳統(tǒng)研發(fā)模式是汽車產(chǎn)品開發(fā)的重要發(fā)展趨勢(shì)。

在汽車產(chǎn)品開發(fā)過程中，如果在設(shè)計(jì)前期未能充分驗(yàn)證，等到物理樣車或批量裝車階段后才暴露設(shè)計(jì)問題，為了修正這類問題需要變更設(shè)計(jì)或進(jìn)行二次開發(fā)，通常只能在原有設(shè)計(jì)上稍加改善，之后再次在實(shí)際樣車上確認(rèn)方案的有效性，過程所產(chǎn)生的重復(fù)修模量、修模費(fèi)、等待期等大大增加了項(xiàng)目耗時(shí)和項(xiàng)目成本[3]。

利用VR技術(shù)開展商品性虛擬評(píng)價(jià)，可以在汽車開發(fā)早期的概念設(shè)計(jì)階段，讓評(píng)價(jià)人員沉浸式體驗(yàn)與真實(shí)產(chǎn)品近乎一致的虛擬產(chǎn)品，并對(duì)虛擬產(chǎn)品進(jìn)行內(nèi)外飾感知品質(zhì)、人機(jī)空間及使用性、維護(hù)便利性等多輪分析驗(yàn)證，在物理樣車之前充分暴露設(shè)計(jì)問題，從而減少實(shí)車階段發(fā)現(xiàn)問題所導(dǎo)致的耗時(shí)長、成本高、改善度低的設(shè)計(jì)變更。

1 虛擬驗(yàn)證平臺(tái)設(shè)計(jì)思路

虛擬驗(yàn)證平臺(tái)是集計(jì)算機(jī)、控制、機(jī)械、電子、光學(xué)、軟件、網(wǎng)絡(luò)、安全等多學(xué)科先進(jìn)技術(shù)于一體的創(chuàng)新型汽車研發(fā)驗(yàn)證平臺(tái)。具有精度高、效果真、可交互、適配車型廣、內(nèi)容兼容性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

1.1 工作原理

虛擬驗(yàn)證平臺(tái)整體采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可分為硬件和軟件兩部分。其中硬件主要包括光學(xué)跟蹤系統(tǒng)、頭戴顯示器、半實(shí)物臺(tái)架、交互動(dòng)作捕捉設(shè)備、發(fā)光二極管（Light Emitting Diode,LED）顯示系統(tǒng)和高性能計(jì)算機(jī)；軟件方面基于造型設(shè)計(jì)軟件和工業(yè)設(shè)計(jì)軟件，增設(shè)虛擬現(xiàn)實(shí)軟件，配套臺(tái)架控制軟件和光學(xué)跟蹤系統(tǒng)軟件。其工作原理描述為臺(tái)架控制軟件驅(qū)動(dòng)半實(shí)物臺(tái)架與由車型數(shù)據(jù)模型組成的數(shù)字樣車進(jìn)行匹配，操作者佩戴頭戴顯示器，并穿戴動(dòng)作捕捉設(shè)備后，跟蹤系統(tǒng)可以對(duì)其進(jìn)行追蹤，通過將真實(shí)人體與虛擬人體、半實(shí)物臺(tái)架與數(shù)字樣車進(jìn)行校準(zhǔn)和綁定，實(shí)時(shí)采集空間中操作者的動(dòng)作信息和半實(shí)物臺(tái)架的調(diào)節(jié)位置坐標(biāo)，最終驅(qū)動(dòng)和映射出虛擬環(huán)境中的虛擬人體和數(shù)字樣車。同時(shí)，在設(shè)計(jì)軟件時(shí)需提前構(gòu)建數(shù)字樣車和虛擬環(huán)境，通過采集操作者姿態(tài)坐標(biāo)實(shí)時(shí)計(jì)算渲染畫面，圖像采集軟件采集計(jì)算機(jī)顯卡上的設(shè)計(jì)軟件數(shù)據(jù)并將其投送至頭戴顯示器和LED顯示系統(tǒng)，其他參評(píng)者可以通過頭戴顯示器進(jìn)行沉浸式協(xié)同，也可以通過LED顯示系統(tǒng)對(duì)虛擬驗(yàn)證三維全景進(jìn)行整體評(píng)估。虛擬驗(yàn)證方式與真人實(shí)車的驗(yàn)證方式基本一致，對(duì)操作者來說，其真實(shí)姿態(tài)和評(píng)審樣車在虛擬環(huán)境中一一映射并可見，半實(shí)物臺(tái)架提供給操作者的真實(shí)物理反饋與數(shù)據(jù)模型相符，如圖1所示。

圖1 虛擬驗(yàn)證平臺(tái)系統(tǒng)架構(gòu)圖

1.2 虛實(shí)映射

高度一致的虛實(shí)映射是保證評(píng)價(jià)準(zhǔn)確性和評(píng)價(jià)人員安全的必要條件。虛實(shí)映射主要包括真實(shí)空間與虛擬空間映射、真實(shí)人體與虛擬人體映射。

真實(shí)與虛擬的空間映射首先要保證軟件空間坐標(biāo)系一致，軟件軸向的不一致性將導(dǎo)致模型位置偏移和方向模糊，虛擬平臺(tái)各軟件模塊共用一套光學(xué)跟蹤系統(tǒng)，為了避免反復(fù)調(diào)試和切換坐標(biāo)系，將跟蹤系統(tǒng)設(shè)為基準(zhǔn)坐標(biāo)系，并且保證設(shè)計(jì)軟件坐標(biāo)系、圖像采集軟件坐標(biāo)系與其一致。

理論上，虛擬人應(yīng)盡可能還原真實(shí)人的所有動(dòng)作，并保證動(dòng)作的實(shí)時(shí)性和數(shù)據(jù)的一致性。實(shí)際操作中，各操作者人體結(jié)構(gòu)、尺寸存在較大差異，因此，關(guān)節(jié)數(shù)量、骨骼長度以及關(guān)節(jié)的坐標(biāo)位置獲取非常重要。本平臺(tái)單個(gè)人體骨骼由17個(gè)軀干關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，如表1所示，針對(duì)更靈活的手部采集16個(gè)關(guān)節(jié)信息，如圖2所示。在正式采集人體動(dòng)作數(shù)據(jù)前對(duì)不同人體進(jìn)行T型姿態(tài)校準(zhǔn)與手部姿勢(shì)校準(zhǔn)，根據(jù)校準(zhǔn)后的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)，構(gòu)建出不同操作者的虛擬人體結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)虛擬人仿真驅(qū)動(dòng)。

表1 單個(gè)人體骨骼節(jié)點(diǎn)情況

圖2 單個(gè)手動(dòng)作采集節(jié)點(diǎn)情況

2 整車商品性虛擬評(píng)價(jià)應(yīng)用

整車商品性評(píng)價(jià)一般由靜態(tài)評(píng)價(jià)和動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)兩部分組成，在數(shù)模階段，利用VR技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字樣車的靜態(tài)主觀評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)內(nèi)容包括但不限于內(nèi)外飾感知品質(zhì)、人機(jī)空間及使用性、維護(hù)便利性等。

2.1 沉浸式內(nèi)外飾感知品質(zhì)評(píng)價(jià)

由于用戶經(jīng)常長時(shí)間并近距離接觸觀察、感受汽車內(nèi)外飾，能夠直觀地感受其產(chǎn)品的質(zhì)量水平，因此，在設(shè)計(jì)開發(fā)前期要盡可能多地發(fā)現(xiàn)內(nèi)外飾精致性問題，并及時(shí)整改和有效性確認(rèn)。

傳統(tǒng)數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)階段通常采用桌面端的評(píng)審方式，空間、色彩以及光線等感知不足等主要表現(xiàn)為某些區(qū)域無法模擬真實(shí)用戶視角進(jìn)行準(zhǔn)確判斷、部分問題需要有較好的材質(zhì)和光線模擬才能發(fā)現(xiàn)、評(píng)審過程需反復(fù)操作調(diào)整模型位置等。虛擬驗(yàn)證在內(nèi)外飾感知評(píng)價(jià)中，有效改善了上述問題，通過模型渲染，多名評(píng)價(jià)工程師同時(shí)在虛擬空間中，模擬真實(shí)用戶視角開展“真車”評(píng)審，如圖3所示，切換不同模型進(jìn)行方案對(duì)比，并快速準(zhǔn)確地判斷問題。在某車型項(xiàng)目內(nèi)外飾感知品質(zhì)評(píng)價(jià)中，通過虛擬驗(yàn)證快速發(fā)現(xiàn)了配合間隙過大、內(nèi)藏物外露、相鄰件面差大等一系列感知品質(zhì)不佳問題，如圖4所示。

圖3 多人協(xié)同評(píng)審

圖4 典型問題舉例

2.2 虛實(shí)融合的人機(jī)空間及使用性校核

商品性評(píng)價(jià)團(tuán)隊(duì)在汽車設(shè)計(jì)過程中充分考慮目標(biāo)用戶特點(diǎn)和需求，以用戶為中心開展人機(jī)空間及使用性校核，校核伴隨造型設(shè)計(jì)迭代開展，為下一步造型設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)改進(jìn)提供重要參考依據(jù)。

人機(jī)空間和使用性校核一般采用物理人機(jī)空間模型或者實(shí)物樣車開展評(píng)價(jià)，雖然實(shí)物模型直觀、可靠，但其制作周期長且具有滯后性、成本高、無法頻繁驗(yàn)證、難以配合造型設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)快速迭代需求等缺點(diǎn)。通常實(shí)物模型需經(jīng)過數(shù)據(jù)解密發(fā)放、詳細(xì)數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)、模型制作、加工及運(yùn)輸、調(diào)試、驗(yàn)收等環(huán)節(jié)，依據(jù)經(jīng)驗(yàn)評(píng)估當(dāng)前所驗(yàn)證的實(shí)物模型至少滯后于造型數(shù)據(jù)3周。一方面，由于實(shí)物滯后于設(shè)計(jì)，開展實(shí)物評(píng)價(jià)時(shí)，產(chǎn)品設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)已然變化，驗(yàn)證結(jié)果難以指導(dǎo)設(shè)計(jì)，且后期方案的修改和再評(píng)價(jià)難以在原實(shí)物模型上實(shí)現(xiàn)[4]；另一方面，由于在實(shí)物模型之后才開展評(píng)價(jià)，可能導(dǎo)致大量問題堆積，如遇問題設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)改動(dòng)較大，設(shè)計(jì)周期延長。虛擬驗(yàn)證在商品性評(píng)價(jià)的人機(jī)空間及使用性校核中，有效解決了面對(duì)造型設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)時(shí)實(shí)物模型驗(yàn)證不充分的問題，當(dāng)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)迭代后，評(píng)價(jià)工程師簡單組裝數(shù)模，穿戴動(dòng)作捕捉設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)即時(shí)驗(yàn)證，快速匹配設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)開發(fā)時(shí)間。商品性評(píng)價(jià)工程師在車型項(xiàng)目中開展了人機(jī)空間及使用性校核，如圖5所示，快速發(fā)現(xiàn)了內(nèi)后視鏡遮擋上視野、方向盤遮擋前端儀表、杯托尺寸過小等一系列可視性及操作便利性不佳問題。

圖5 人機(jī)空間及使用性校核典型場景

2.3 所見即所得的維護(hù)便利性驗(yàn)證

商品性評(píng)價(jià)團(tuán)隊(duì)在汽車設(shè)計(jì)過程中充分考慮后期用戶進(jìn)行汽車維護(hù)時(shí)的便利性情況，通過提前評(píng)估用戶在汽車維護(hù)時(shí)的姿態(tài)、操作標(biāo)識(shí)的可視性和易讀性、工具取放和配件安裝等，減少用戶不良姿態(tài)的維護(hù)時(shí)間，降低人員疲勞程度，提升安裝可靠性。

商品性評(píng)價(jià)中的維護(hù)便利性驗(yàn)證，一般通過分析運(yùn)動(dòng)路徑的仿真結(jié)果、測量數(shù)模位置及尺寸、確認(rèn)物理樣車狀態(tài)三種方式進(jìn)行評(píng)估，第一種需要專業(yè)工程師通過仿真軟件預(yù)定義路徑、邊界條件以及作業(yè)人員動(dòng)作姿態(tài)，預(yù)定義的人員動(dòng)作設(shè)定依靠工程師經(jīng)驗(yàn)，仿真過程中查找路徑通常要幾個(gè)小時(shí)，操作繁瑣且效率不高，影響仿真結(jié)果準(zhǔn)確度和時(shí)效性；第二種需要工程師經(jīng)驗(yàn)豐富，熟知各百分位人體和車型尺寸特征；第三種需要等實(shí)車出來后才能確認(rèn)，問題修復(fù)成本高。通過虛擬驗(yàn)證，設(shè)定好裝配體及其周邊環(huán)境，使其具備剛度、柔性等物理屬性，計(jì)算機(jī)僅需幾分鐘即可完成仿真精度計(jì)算，之后評(píng)價(jià)工程師穿戴動(dòng)作捕捉設(shè)備在虛擬環(huán)境下，模擬用戶進(jìn)行維護(hù)操作，動(dòng)態(tài)分析效率明顯提高。在某車型項(xiàng)目維護(hù)便利性驗(yàn)證中，評(píng)價(jià)工程師通過虛擬驗(yàn)證快速發(fā)現(xiàn)了隨車工具不易取出、機(jī)艙照明位置低等一系列使用體驗(yàn)不佳問題。

3 應(yīng)用深化方向

虛擬驗(yàn)證在整車商品性評(píng)價(jià)中優(yōu)勢(shì)明顯，配合利用桌面端和VR端開展互補(bǔ)驗(yàn)證，在數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)階段及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，并快速整改。由于VR行業(yè)技術(shù)瓶頸，仍存在真實(shí)度不足、視角邊緣變形、設(shè)備復(fù)雜等問題，未來，虛擬驗(yàn)證在整車商品性評(píng)價(jià)中有以下深化方向。

3.1 提升真實(shí)性

在現(xiàn)有沉浸式驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步豐富視、聽、觸、嗅的感官體驗(yàn)。例如，利用擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)（Extended Reality, XR）技術(shù)精準(zhǔn)捕捉并識(shí)別人體數(shù)據(jù)和環(huán)境數(shù)據(jù)，鏈接虛擬數(shù)字對(duì)象和物理世界物件，實(shí)現(xiàn)五感互動(dòng)實(shí)時(shí)反饋，提供高情境化的真實(shí)感官體驗(yàn)[5]。

在視覺方面，可以采用清晰度更高、視場角更寬、舒適度更優(yōu)、便捷性更好的顯示設(shè)備，提升穿戴體驗(yàn)感；通過模擬真實(shí)動(dòng)態(tài)場景，如不同時(shí)區(qū)的太陽高度和晝夜變化，不同天氣（雨、霧、沙塵）狀況，活動(dòng)的行人、騎手、車輛等，增加視覺感受的真實(shí)性；通過優(yōu)化場景、分配計(jì)算資源等降低運(yùn)行負(fù)載，減少體驗(yàn)延遲，降低用戶眩暈感。聽覺方面，可以通過多感應(yīng)器協(xié)同、陣列揚(yáng)聲器、語音信號(hào)處理技術(shù)等，實(shí)現(xiàn)音源方位感、深度感的逼真還原，如模擬汽車試驗(yàn)和駕駛過程中常聽見的聲音，像聲浪、試驗(yàn)道路路噪、街道嘈雜聲、故障異響等，從而增加評(píng)價(jià)人員的立體聽覺。觸覺方面，在可調(diào)節(jié)臺(tái)架座椅支撐臀部、背部，地板支撐腳部，方向盤支撐手部的基礎(chǔ)上，利用力反饋設(shè)備高精度運(yùn)動(dòng)跟隨的特點(diǎn)，采集人體位置和著力信息并模擬出反作用力，達(dá)到與虛擬數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)力反饋交互的效果，如模擬手部抓握、觸碰虛擬按鍵和顯示屏等。嗅覺方面，通過增加小型VR外設(shè)，結(jié)合虛擬驗(yàn)證內(nèi)容實(shí)現(xiàn)定制化氣味釋放，增強(qiáng)嗅覺感知，模擬虛擬車內(nèi)綠色環(huán)境。

3.2 提升便攜性

近幾年，各大運(yùn)營商為5G網(wǎng)絡(luò)提供了大帶寬、低時(shí)延、高可靠的無線通信保障，云計(jì)算、云渲染的理念和技術(shù)實(shí)現(xiàn)了VR內(nèi)容上云，渲染上云。

虛擬驗(yàn)證平臺(tái)的搭建方式從“本地服務(wù)器+客戶端”或?qū)⑥D(zhuǎn)變?yōu)椤霸品?wù)器+客戶端”?！氨镜胤?wù)器+客戶端”的方式一般采用昂貴的高端處理器和顯卡等硬件設(shè)備進(jìn)行圖形計(jì)算，對(duì)于大型虛擬場景渲染，仍存在計(jì)算力不足導(dǎo)致運(yùn)行卡頓、計(jì)算時(shí)間長等問題。在保證信息安全的前提下，如采用“云服務(wù)器+客戶端”的方式，在云服務(wù)器上按需購買計(jì)算能力，再利用云端圖形處理器（Graphic Process Unit, GPU）完成大型虛擬場景渲染計(jì)算，通過高速穩(wěn)定的5G無線網(wǎng)絡(luò)將計(jì)算后的壓縮畫面?zhèn)鬏斀o本地終端，以此精簡終端設(shè)計(jì)，減少本地高端硬件設(shè)備費(fèi)用。例如在實(shí)現(xiàn)渲染場景數(shù)據(jù)云管理之后，單個(gè)工程師驗(yàn)證簡單的數(shù)據(jù)場景，無需再到達(dá)指定試驗(yàn)室進(jìn)行，在工位上佩戴簡化的終端設(shè)備即可快速開展驗(yàn)證。

4 結(jié)束語

在整車商品性評(píng)價(jià)中，通過構(gòu)建虛擬驗(yàn)證平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了真實(shí)空間與虛擬空間、真實(shí)人體與虛擬人體之間的映射。通過在研產(chǎn)品試點(diǎn)驗(yàn)證，虛擬驗(yàn)證在內(nèi)外飾感知品質(zhì)方面，用沉浸式的方式補(bǔ)充了評(píng)價(jià)人員對(duì)空間、色彩以及光線等的感知；在人機(jī)空間及使用性校核方面，結(jié)合可調(diào)節(jié)臺(tái)架和動(dòng)作捕捉設(shè)備，彌補(bǔ)了實(shí)物制作周期長、成本高且無法頻繁驗(yàn)證的不足；在維護(hù)便利性驗(yàn)證方面，改善了仿真時(shí)間長的問題。因此，虛擬驗(yàn)證在商品性評(píng)價(jià)中，使產(chǎn)品開發(fā)前期驗(yàn)證更高效、更充分、更低成本。隨著感知交互、內(nèi)容采集制作、開發(fā)工具等技術(shù)及軟硬件的發(fā)展，虛擬驗(yàn)證所覆蓋的評(píng)價(jià)項(xiàng)目將更加廣泛，持續(xù)發(fā)現(xiàn)更多關(guān)鍵應(yīng)用場景，并有效嵌入商品性評(píng)價(jià)，逐步形成標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，是商品性評(píng)價(jià)數(shù)字化轉(zhuǎn)型中值得長期深入研究和探索的課題。