基于實(shí)時(shí)圖像軟件的動(dòng)態(tài)仿真平臺(tái)在汽車背光的探索

張 享，鄭道松，付文剛，孟 銳

（奇瑞汽車股份有限公司，上海 200000）

1 前言

汽車按鍵、屏幕等人機(jī)交互設(shè)備的背光與指示燈，通常用于夜間的可視性操作和反饋性操作。一般基于傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)實(shí)踐進(jìn)行定義，設(shè)置硬旋鈕或軟開關(guān)進(jìn)行可調(diào)整操作，指示燈多由紅、綠、黃、藍(lán)等色彩組成［1］。以上定義被釋放至零部件開發(fā)規(guī)范，經(jīng)過數(shù)月開發(fā)周期，零件級首模件被安裝到車上，再進(jìn)行整車背光評審，篩查統(tǒng)一性，通常會(huì)出現(xiàn)背光不統(tǒng)一、系統(tǒng)邏輯不合理、色彩不一致等相關(guān)問題，反復(fù)幾次評審，并進(jìn)行定義微調(diào)，達(dá)到理想目標(biāo)，完成V型開發(fā)［2］。

然而，隨著汽車內(nèi)飾材料種類、自帶LED燈光的零部件的增多，同時(shí)，這些零部件過去多由車身控制器BCM硬線驅(qū)動(dòng)，變?yōu)槎鄠€(gè)自帶芯片零件自驅(qū)動(dòng)和硬線驅(qū)動(dòng)共存，且智能座艙、智能氛圍環(huán)境燈和主動(dòng)安全技術(shù)逐漸成熟，乘客對車內(nèi)視覺環(huán)境的要求也隨之提高。傳統(tǒng)背光定義、測試、評審流程中高頻率發(fā)生的各類問題高度放大，自帶芯片驅(qū)動(dòng)燈光的按鍵與色彩種類更復(fù)雜的屏幕在駕駛員同一視野中，統(tǒng)一性較難保證。

虛幻4引擎為代表的實(shí)時(shí)圖像軟件已在汽車內(nèi)外飾、建筑展示上獲得很多實(shí)踐性經(jīng)驗(yàn)，在該平臺(tái)上進(jìn)行演算的無人駕駛動(dòng)態(tài)仿真項(xiàng)目也已初見成效［3］。早期造型軟件已經(jīng)可以做到靜態(tài)仿真渲染，汽車、飛行器等行業(yè)的工程級計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)仿真早已成熟［4］。結(jié)合上述三者的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)仿真、工程模擬、靜態(tài)渲染，以及專業(yè)的物理引擎，在相較以往更短的時(shí)間內(nèi)完成動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)的仿真模型，減少大量重復(fù)工作，增強(qiáng)初始設(shè)計(jì)與交付結(jié)果的一致性。

整車背光可以利用上述搭建的基于實(shí)時(shí)圖像軟件的動(dòng)態(tài)仿真平臺(tái)進(jìn)行先期定義，并進(jìn)行即時(shí)調(diào)整。最大程度提高最終用戶在車內(nèi)環(huán)境中人機(jī)交互的舒適性、準(zhǔn)確性。

2 動(dòng)態(tài)仿真平臺(tái)搭建

2.1 項(xiàng)目建立

在虛幻4引擎中建立高級車輛模板項(xiàng)目，或直接采用公司內(nèi)外部的現(xiàn)有項(xiàng)目資源。該項(xiàng)目中存在已有的藍(lán)圖類靜態(tài)網(wǎng)格體和較多的場景資源，包含運(yùn)動(dòng)的汽車模型、運(yùn)動(dòng)框架、帶有邊界的跑道、可視的路標(biāo)與交通指示線等，本文并不過多討論輔助駕駛對應(yīng)的復(fù)雜路況，而關(guān)注與場景邏輯與光線對人的影響；在該項(xiàng)目中可選擇無需編程的藍(lán)圖或C++編程環(huán)境，鑒于背光邏輯并非十分復(fù)雜，本文采用藍(lán)圖定義邏輯。由于本文主要探討關(guān)于背光的定義的方法，且受制于計(jì)算工作站性能，所以選擇不帶光線追蹤類型。

2.2 汽車靜態(tài)網(wǎng)格體與骨骼網(wǎng)格體模型建立

在24月整車交付流程中，P3節(jié)點(diǎn)的交付物之一的CAD M2數(shù)據(jù)作為較為成熟的開模數(shù)據(jù)，采用M2前的基線數(shù)據(jù)作為汽車零部件的數(shù)據(jù)模型，已經(jīng)可以較為真實(shí)地反映整車結(jié)構(gòu)與空間環(huán)境特征。因此，將整車CATIA數(shù)據(jù)通過虛幻4引擎自帶的Datasmith導(dǎo)入器導(dǎo)入到建立的框架項(xiàng)目中，自動(dòng)生成靜態(tài)網(wǎng)格體。該步驟搭建起基本的汽車空間模型。導(dǎo)入結(jié)果如圖1所示。

導(dǎo)入的汽車靜態(tài)網(wǎng)格體模型，渲染屬性較弱，需要對可能影響背光定義的數(shù)據(jù)進(jìn)行逐個(gè)或批量調(diào)整。前擋風(fēng)玻璃，對汽車內(nèi)部光線有較大影響，所以要較為細(xì)致地調(diào)節(jié)透明度、反射角等屬性還原玻璃特性；儀表板、副儀表臺(tái)表面工藝處理直接影響光線色彩亮度與對比，因此在材質(zhì)屬性中選擇投射光線追蹤陰影。由于默認(rèn)材質(zhì)種類較少，如果選用較高級材質(zhì)，可以更加趨近于真實(shí)材料反射，本文選用免費(fèi)高級汽車材質(zhì)。

如果想把汽車作為行動(dòng)主體，那么需要把數(shù)模從CATIA轉(zhuǎn)為igs，在動(dòng)畫類軟件中進(jìn)行編輯處理后，導(dǎo)出為fbx文件，再導(dǎo)入到虛幻4項(xiàng)目中作為骨骼網(wǎng)格體，并進(jìn)行細(xì)化。

圖1 整車框架靜態(tài)網(wǎng)格體

2.3 外部環(huán)境模型建立

外部環(huán)境較車輛內(nèi)部環(huán)境更為復(fù)雜，涉及到氣流、雨雪、雷電、溫度等物理環(huán)境。采用公司自研天氣地形模型，或采用其他來源的Airsim、Carsim等成熟仿真平臺(tái)進(jìn)行聯(lián)合模擬仿真。本文采用部門級的外部運(yùn)動(dòng)模型設(shè)定。

3 環(huán)境光源設(shè)定

3.1 車內(nèi)背光假想定義

白色背光：將點(diǎn)光源放至面板、按鍵等單一字符發(fā)光體，將矩形光源放至儀表屏、中控屏、頂燈等有寬高類發(fā)光體。具體假設(shè)定義見表1。

表1 車內(nèi)背光假想定義

工作指示燈：多由紅、綠、黃、藍(lán)等色彩用作指示窗口設(shè)定，具體軟件內(nèi)指示燈假想定義見表2。實(shí)際在軟件中需轉(zhuǎn)化為RGB值進(jìn)行設(shè)置。

表2 車內(nèi)指示燈假想定義

3.2 外部環(huán)境光設(shè)定

自身車前照燈：15000cd；對面來車前照燈：15000cd；黑夜：0.001～0.02lux；月夜：0.02～0.3lux；陰天室內(nèi)：5～50lux；陰天室外：50～500lux；太陽光下采用UE4自帶的天光。實(shí)際在設(shè)定中可根據(jù)光源的特點(diǎn)，使用點(diǎn)光源、直射光、矩形光等不同類型光源。

內(nèi)外部燈光模擬設(shè)定如圖2所示。

3.3 藍(lán)圖定義

圖2 內(nèi)外部燈光模擬設(shè)定

全局藍(lán)圖：非車場景、通用類網(wǎng)格體。光線隨時(shí)間變化。

藍(lán)圖類：交互類零部件、車內(nèi)外燈光，藍(lán)圖函數(shù)根據(jù)系統(tǒng)定義進(jìn)行設(shè)定。背光邏輯見表3。指示燈邏輯見表4。

白色背光亮度調(diào)節(jié)擋位亮度設(shè)為10擋，具體比例的高亮度與低亮度見表5。

表3 背光邏輯表

表4 指示燈邏輯

表5 10擋具體比例的高亮度與低亮度

3.4 攝像機(jī)視角設(shè)定

通常設(shè)置多個(gè)視角的攝像機(jī)，包括但不限于：駕駛員視角、其他各個(gè)乘客視角、車輛上方視角、行人視角。以方便直觀獲取車內(nèi)燈光對車內(nèi)外不同觀察者的反饋效果。

4 背光主觀驗(yàn)證

4.1 靜態(tài)仿真驗(yàn)證

夜晚模式：背光整體較協(xié)調(diào)，與預(yù)定義一致。

白天模式：中控臺(tái)區(qū)域較亮。

4.2 動(dòng)態(tài)仿真驗(yàn)證

夜晚模式：背光整體較協(xié)調(diào)，與預(yù)定義一致。當(dāng)對面有預(yù)設(shè)車燈時(shí)，整體環(huán)境較亮。

白天模式：背光整體較協(xié)調(diào)，與預(yù)定義一致。

4.3 場景邏輯驗(yàn)證

小燈模式：變?yōu)橐雇砟Ｊ剑艺w亮度符合預(yù)期。

前照燈模式：變?yōu)橐雇砟Ｊ剑艺w亮度符合預(yù)期。

Auto模式：白天進(jìn)入隧道類場景，變?yōu)橐雇砟Ｊ剑艺w亮度符合預(yù)期。

4.4 實(shí)車背光主觀驗(yàn)證

夜晚模式：背光整體較協(xié)調(diào)，與預(yù)定義一致，但中部IML工藝位置與啞光電鍍鐳雕字符有一定亮度差。

白天模式：太陽直射在中控位置，中部位置較亮，啞光電鍍鐳雕白天看不清字符，太陽直射在白色I(xiàn)ML字符位置，看不清指示燈。

4.5 評審總結(jié)

實(shí)時(shí)圖像軟件的動(dòng)態(tài)仿真平臺(tái)模擬所得結(jié)果，基本可以仿真實(shí)際燈光效果，且實(shí)際效果與最終實(shí)車結(jié)果一致。由于各國法規(guī)存在差異，軟件中可以迅速調(diào)整邏輯，即時(shí)可見最終場景效果。每增加一個(gè)發(fā)光設(shè)備，即可以直接加入軟件的模擬環(huán)境，不必過多重復(fù)評審。

然而，材料透光部分較難模擬。IML工藝字符需要采用透明材質(zhì)，且白天常亮，才可以保證白天與夜晚都可以保證駕駛者觀測舒適。同時(shí)，一個(gè)區(qū)域盡量保持字符與背景基材一致，背光邏輯與功能應(yīng)用場景保持一致。

5 結(jié)束語

針對主機(jī)廠現(xiàn)有的車內(nèi)環(huán)境光難以提前準(zhǔn)確定義的現(xiàn)狀，本文對各類工況、外部環(huán)境下的車內(nèi)環(huán)境光的亮度定義、邏輯規(guī)范開展研究，設(shè)計(jì)了一套實(shí)時(shí)渲染的模擬仿真方法流程。該方法流程利用基于實(shí)時(shí)圖像軟件的動(dòng)態(tài)仿真平臺(tái)對默認(rèn)背光亮度定義、指示燈顏色定義、亮度調(diào)節(jié)方法、白天夜晚模式切換方法進(jìn)行了方法論的梳理。驗(yàn)證結(jié)果表明，零部件數(shù)據(jù)凍結(jié)前，提前對車輛內(nèi)部環(huán)境光進(jìn)行模擬仿真校核，有助于最終結(jié)果與初始預(yù)期定義的一致性。

但是仍存在模擬環(huán)境與實(shí)際環(huán)境不完全相符，基線源數(shù)模數(shù)據(jù)不夠準(zhǔn)確，多種色彩定義下驗(yàn)證較慢，零件本身的透光漏光較難在虛擬環(huán)境中呈現(xiàn)等問題。

然而，瑕不掩瑜，在軟件定義汽車的趨勢下，全方位的模擬仿真在汽車各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用與探索應(yīng)當(dāng)繼續(xù)下去。