虛擬樣車在汽車靜態評審中的開發及優化＊

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

數字化樣機（DMU，Digital Mock-Up），又名虛擬樣車，其基于整車三維數模，按照世界坐標組成結構性樣車模型，雖然不是物理實車，但其通過VR（Virtual Reality，虛擬現實）技術，便能獲得極其真實的虛擬體驗。VR技術是一種計算機仿真技術，具有高真實感的環境表達特征和高效的用戶和環境信息交換特征[1]，能夠創建交互式的三維動態視景，增強用戶對虛擬環境的感知，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的基本工具，隨著市場需求的增加，用戶的個性化趨勢顯現，傳統的CAD軟件難以快速滿足市場多樣化和節省成本的要求[2]。而VR技術的快速發展給汽車企業帶來了巨大啟發，目前車企的VR技術已廣泛應用于汽車概念設計、工程設計、生產、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問題，如工程件外露、可見結構遮擋等，直到較后期的整車狀態才被發現。汽車研發的實踐證明，通過實施有效的設計評審活動，及時識別和彌補設計開發缺陷，在降低開發風險，確保產品質量以及經濟性等方面發揮著重要作用[3]。如果能運用VR技術“多感知”和“虛擬環境”的特點，讓評審人員在產品工程設計階段進行虛擬樣車評審，體驗在虛擬環境下的“真實”的車輛，在數據階段提前發現產品質量問題，將大大提升產品開發效率。

1 明確VR虛擬樣車質量評審內容

傳統的汽車產品設計和質量評審僅考慮各項指數是否達標，現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”的方式進行產品驗證和質量評價，從而不斷優化完善產品質量，進而增強產品的市場競爭力。

在汽車設計的質量評審前期工作中，業內普遍已形成用戶體驗主觀評價管理辦法，其內容通常分為基于實車的靜態主觀評價和動態主觀評價，如圖1所示。其中靜態主觀評價是基于評價者對汽車的“五感”評價，動態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容分類圖

在汽車設計階段前期，典型的質量問題主要集中在靜態主觀評價，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現。VR技術若與前期模型數據緊密結合，基于主觀視覺的質量驗證將有效快速發現上述問題。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主觀評價，涉及的評價包括但不限于汽車的品質感、協調性、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據評價。

2 實現方法研究及對比

通過調研行業主流VR內容制作方法，通用制作流程分為輕量化、渲染及交互設計、軟硬件聯動三個步驟，本文從這三個角度進行詳細說明及優劣分析。

2.1 輕量化

虛擬現實場景在計算機上運行是否流暢，與場景中的模型個數、模型面數、模型貼圖這三個方面的數據量相關[4]。通常，各行業應用模型精度由高到低的排序為：工業模型、影視模型、VR/AR模型、游戲模型。將工業模型轉化為VR模型，既要保證模型表達效果、結構樹可循，又要保證處理效率高和數據準確，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據是一種精確的邊界表示（Representation Boundary，BREP）模型數據，這種三維數模含有大量的工業信息，屬于高精度模型。將含有大量工業信息的高精度數模，轉換成含少量工業信息的低精度數模的過程叫做三維數模的輕量化，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行業中，實現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化或拓撲；

（2）利用TopoGun/Zbrush等專業的拓撲或雕刻軟件進行重構優化；

（3）利用CATIA輕量化格式轉化減少冗余工業參數化信息[6]。

針對整車級模型數據而言，三種輕量化方法對比情況如表1。從對比結果看，選用CATIA輕量化格式方法更優。

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、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。通過調研行業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視覺效果優越，同時可擴展交互設計內容，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據資源情況，以及技術研究情況，本文將選用VRED進行渲染及交互設計部分內容開發。

2.3 軟硬件聯動

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實世界中用戶的行為同步，主要依靠VR空間定位技術。其關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容不同步，時延長將導致用戶眩暈。當前VR空間定位技術，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設備作為用戶體驗評審端硬件，通過該類設備與VRED軟件結合開發，從而實現軟硬件聯動。

表2 三種VR空間定位技術對比表

3 技術開發及優化

3.1 整車數模的輕量化開發及優化

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

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

（2）十幾個G的整車數據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）整車數據的BOM表有幾百個零部件，手動處理存在工作量大、重復操作多、數據管理困難等問題。

通過觀察數據保存形式，先后測試了stp、stl、igs、wrl、cgr這5種通用格式轉化，結果證明cgr格式可以轉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，以此達到降低原數模工業信息量的目的。

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、手動轉換、歸類分組等步驟所耗時間，人工轉換需耗費單人8小時完成，人工操作重復性大、效率低，且極易出錯。為優化此步驟，開發了自動轉換程序[9]，運用批處理程序和CATIA開發轉存程序相結合的方式，實現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，每個目錄執行一次打開-另存cgr-關閉操作，以此完成cgr格式批量化轉存；

（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 整車數模的渲染和交互設計開發及優化

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。通過對整車數模的渲染，使數模具有真實車輛的材質；通過建設評審用的三維環境模型，使評審人員處于更真實的評審環境；通過設計產品交互方式，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，從而實現評審人員在虛擬環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一法線為綠色。同時，通過優化幾何體加快電腦響應速度。針對不同材質、凹凸、以及切換效果構建不同材質球賦予相應模型，渲染前后效果如圖3。利用高動態范圍圖像（High-Dynamic Range，簡稱HDR）文件或者三維模型構建評審場景，其中，三維模型構建的場景逼真、清晰度高；HDR環境球耗費資源少、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、多人協作等都會干擾評價流程，這就意味著在虛擬環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域設定。在VRED軟件中，定位軸點，并利用剪輯生成器創建動畫序列，通過變量集綁定動畫序列并設定觸發變量，對把手模型設定點擊傳感器綁定觸發變量，此時即可模擬虛擬手拉開把手。由于工業模型的精準性，VR環境下呈現的模型大小與真實車輛是1：1的，評審人員在虛擬環境中可以進入到虛擬車內，配合實體座椅，以坐姿進行主觀體驗評價。

經驗證評審后發現以下四點需進行優化：

（1）交互操作方式交互次數過多，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）未連接虛擬與現實空間，評審過程中隨著評審人員位置跳轉及位姿的不斷變化，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，需反復調節自身位置；

（4）評審過程中缺乏常用評審工具，無法及時與其他現場人員快速溝通和記錄。

針對以上四點進行改良優化。

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手柄來同時觸發多個變量。優化后僅需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

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，提前規范四個座椅位置坐標，將其作為跳轉視點，與手柄按鍵綁定，成功通過按鍵控制四個位置循環跳轉。

第四，定義操控手柄按鍵功能，成功構建評審工具，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據為例，通過格式轉換，車身數據從9.3G降為0.52G，輕量化比例為94.4%；底盤數據從0.53G降為0.04G，輕量化比例為92.5%。在降低各部件數據量降低的同時，某研發階段整車數據從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定性。同時，從單人8小時手動轉換縮短至單人2小時完成，轉換效率提升75%。

通過渲染及交互設計后所構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

經多款車型測試證明，該方法能夠更方便、更有效、更直觀地發現工程件外露、可見結構遮擋、機艙布置不緊湊、B面或線束不美觀、車身內外間隙過大、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錯誤的工程數據。同時，虛擬驗證作為傳統模型驗證的輔助手段，結合CATIA共同尋找、發現、驗證問題。某項目發現的問題舉例如圖7。

圖7 某項目虛擬驗證發現問題舉例

5 結束語

本文從汽車工程設計階段的整車數據入手，在車身設計和質量評審中成功運用VR技術，實現了整車數據的高度輕量化，并通過對輕量化數據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據階段時發現具體問題并及時進行整改，減少不可關閉的問題數量，大大降低后期實體零部件的更改幾率以及財、人、時的損失。

由于產品設計和質量評審的主觀性特點，評審人員、模型數據所在階段、評審環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、快節奏特點，快速響應、即時可調、成本低廉也是項目研發過程的數據評審需求[11]。因此，在后續項目的不斷優化中，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、優化交互體驗以及擴展更廣泛的汽車研發驗證場景。

在探索虛擬評審過程中，基于傳統實車的評價標準，逐步建立虛擬評審機制，形成虛擬評審標準，規范虛擬評審過程，最終形成統一的虛擬樣車制作、評審流程。為車型研發項目快速構建虛擬樣車、快速發現問題、快速整改提供有力保障。