基于虛幻引擎UE5的汽車造型虛擬評審系統

張曉蕾 莊翠萍 謝耀儀

（一汽-大眾汽車有限公司，長春 130013）

縮略語

GPU Graphics Processing Unit

VR Virtual Reality

UI User Interface

DVR Data Virtual Review

HMI Human Machine Interface

AR Augmented Reality

PC Personal Computer

UE5 Unreal Engine 5

0 引言

汽車是人類社會中最為重要的交通工具之一。隨著社會的發展，人們對于汽車的要求也越來越高。汽車外觀設計是吸引消費者注意力的重要因素之一，因此，汽車制造企業需要投入大量研發資源來進行汽車造型的設計和評估。然而，傳統汽車造型油泥模型評審存在著效率低、研發成本高的問題，針對這些問題，虛擬現實（Virtual Reality,VR）技術應運而生，并且被廣泛應用于汽車制造行業[1]。

本文開發一套全新的汽車虛擬數據評審系統，既徹底擺脫傳統陰影預烘焙渲染技術，實時提供高度現實逼真的動態評審畫質，又具備數據處理靈活、評審流程完整的功能，大幅度提高汽車造型虛擬數據評審效率與質量，并已經逐步應用于新產品造型評審。

1 陰影預烘焙渲染技術

汽車造型設計3D可視化數據評審依托陰影預烘焙渲染技術[2]，可以保證較高的虛擬評審交互流暢度。然而，陰影預烘焙渲染技術需要設計師提前花費大量時間計算虛擬場景內的燈光信息，并以貼圖的方式疊加到三維模型上，給評審專家一種視覺上的真實感。和光線追蹤實時渲染技術相比[3]，陰影預烘焙渲染技術存在如下缺點。

（1）陰影烘焙渲染在每次更新數據后需要重新計算燈光信息，而造型研發過程中數據迭代頻繁，不斷重復計算需占用大量人力及時間資源。

（2）陰影烘焙渲染只適用于靜態場景，對于動態場景需要進行實時渲染，因此陰影預烘焙渲染技術難以應對動態場景。

（3）相對于實時渲染來說，陰影烘焙渲染真實度較低，難以達到高度真實的效果。

目前，虛擬技術廣泛應用在全生命周期汽車產品和制造流程中（圖1），可以實現快速對設計方案進行修改和調整。在汽車產業不斷縮短研發周期，快速實現產品迭代的大背景下，陰影烘焙渲染對提高研發效率和提升渲染質量方面，無法滿足汽車產品和制造全生命周期虛擬性能開發和提升市場競爭力的要求。

圖1 虛擬技術在產品開發中的應用[1]

此外，隨著元宇宙[4]時代的到來，汽車造型虛擬評審的要求也會越來越高。未來，陰影預烘焙渲染技術將無法滿足汽車產品和制造全生命周期高效、高質量虛擬性能開發需求。

2 虛幻引擎介紹

虛幻引擎（UE5）是一款由Epic Games公司開發的游戲引擎[5]，用于創建各種類型游戲、虛擬現實（Virtual Reality,VR）和增強現實（Augmented Reality,AR）應用程序，以及用于影視和建筑可視化。

虛幻引擎提供了一套強大的工具和編輯器，使開發人員可以創建高品質圖形和物理效果，獲得更好的交互性和沉浸式游戲體驗，支持多個平臺，包括PC、主機游戲機、移動設備和虛擬現實頭戴設備。虛幻引擎還具有開放性，使開發人員能夠自定義功能和擴展引擎功能，以滿足特定項目需要。最近幾年，虛幻引擎也逐漸被運用到汽車行業不同的細分領域（圖2）。

圖2 虛幻引擎在汽車行業應用[6]

2.1 UE5汽車評審優勢

（1）更好的可視化效果

首先，UE5憑借其先進的Lumen 全局光照算法[7]，使得企業無需為圖像處理單元（Graphics Processing Unit，GPU）串聯工作站投入巨資，便可運行實時光線追蹤技術，徹底擺脫傳統的陰影預烘焙渲染技術，動態計算全局光照，模擬光線在場景中的傳播和反射，從而實現更加真實的光影效果。其次，UE5支持一種全新技術Nanite。Nanite 可以同時渲染擁有數十億個三角面[8]的高精度模型，并且不會影響渲染速度和性能，這項技術能力是其它離線渲染軟件遠遠無法比擬的，高精度模型保證了超高質量細節，對于提高汽車造型評審真實度至關重要。

（2）更高的可定制性

UE5作為一款強大的游戲開發引擎，具有高度的可定制性[9]。通過獨特的藍圖編程系統，汽車設計師可快速創建自定義汽車造型評審用戶界面（User Interface,UI）和邏輯功能與造型評審流程。同時，C++藍圖系統類似于流程圖的圖形化界面，使用簡單，使得造型設計師可以更直觀地設計和修改評審交互邏輯，從而實現提高汽車虛擬評審前期開發效率和可定制性（圖3）。

圖3 UE5藍圖編程界面

（3）豐富的多平臺支持

UE5是一種支持多平臺的游戲引擎，可用于創建游戲和其它互動應用程序。支持多平臺意味著UE5可以創建在多種不同類型設備和操作系統上運行的應用程序，比如2022 年虛幻引擎與高合HiPhi Z 的跨界融合[10]，將“真3D”應用于高合HiPhi Z 數字座艙人機交互（Human Machine Interface, HMI），通過實時渲染技術獲得周圍環境的實時感知，以“一鏡到底”和“數字孿生”的特點實現人機自由交互（圖4）。因此，可基于虛幻引擎開發虛擬現實(Virtual Reality,VR)、增強現實（Augmented Reality, AR）和個人計算機（Personal Computer, PC）汽車虛擬評審應用程序，并可在不同平臺上隨時隨地開展汽車造型虛擬評審工作。

圖4 高合HiPhi Z人機交互界面首次搭載Unreal 虛幻引擎[10]

傳統離線渲染器和當前流行的實時游戲開發引擎UE5 優劣勢分析見表1。從表1 可以看出，隨著實時光線追蹤技術的普及，同時考慮到企業研發成本，未來UE5將會更多地應用于汽車研發造型評審工作。

表1 傳統離線渲染器與UE5對比

2.2 虛幻引擎應用案例

帕加尼汽車公司用虛幻引擎打造了視覺逼真的銷售配置器[11]。帕加尼高端客戶群體能夠挑選不同的選裝件和定制功能，包括豐富多彩的配色、不同飾面和材料，然后以前所未有的精細程度呈現顧客心儀的配置。這款實時配置器還允許帕加尼客戶在各種環境和情境中看到未來超跑風采，例如沿著濱海公路奔馳或者在演播室或博物館中展覽，體驗各種可能的光線反射效果，每一次環境切換都可以通過點擊一個按鈕來實現（圖5）。

圖5 帕加尼虛幻引擎銷售配置[11]

寶馬集團[12]在2014 年首次開始研究使用虛幻引擎實時工作流程。在3年內，寶馬集團每一個汽車研發項目都用上了虛幻引擎技術。該公司在規劃、設計、生產和銷售領域全面應用虛幻引擎技術，寶馬集團對虛幻引擎技術應用在全球著名汽車制造商中處于領先地位。在虛擬環境中，寶馬集團造型設計師和工程師現在可以一起進行詳細的汽車造型設計與造型評審。在世界上的任何角落，不同職能和不同地點設計師和工程師都可以進行協同造型設計與造型評審，參與成員就像玩聯機游戲一樣進行交互與協同工作（圖6）。

圖6 基于虛幻引擎的寶馬汽車造型評審[12]

2016 年，全球著名汽車廣告商The Mill[13]開始使用實時渲染虛幻引擎，幫助汽車制造商將其產品可視化，用于快速原型設計和高端廣告視頻設計評審。

The Mill 團隊利用虛化引擎，將視頻效果預覽推高到全新水平，展示了高質量視覺效果，從而大大改善最終視頻或創作內容表現力。因為可以實時獲得反饋，所以團隊能夠即時、精準更改攝像機角度或光照參數，然后自動填充到剪輯中，從而實現視頻更快速迭代，最終使視頻達到較高質量水平（圖7）。

圖7 The Mill虛幻引擎汽車造型[13]

3 UE5汽車造型評審系統設計

通過上述虛幻引擎應用案例可以看出，虛幻引擎UE5可以為汽車行業帶來逼真、互動和沉浸式的視覺體驗，同時還可以實現汽車虛擬數據可視化評審和演示功能，對汽車造型研發及銷售方面都有很大幫助。本文進一步深入分析汽車造型評審功能需求，依托UE5 C++藍圖編程系統，搭建一款數據處理靈活、評審流程完整的汽車造型評審系統。結合多年汽車虛擬評審工作經驗，一套優秀的汽車造型虛擬評審系統應該滿足如下需求。

（1）實時渲染

隨著GPU 硬件設備的發展和實時光線追蹤渲染技術的普及，未來汽車造型設計評審將會逐漸擺脫傳統的費時費力、渲染效果較差的光影預烘焙技術，充分利用實時光線追蹤技術，展現出逼真的汽車反射、折射及實時光影效果，為汽車造型設計決策者提供最佳的汽車造型視覺化評審體驗。

（2）高幀速率

幀速率[14]（Frame rate）是指1 s內連續播放圖像幀數。在電影制作中，常用的幀速率為24 幀/s。這是因為24 幀/s 的幀速率已經能夠達到人眼無法分辨的視覺效果，即所謂的“視覺暫留現象”[15]。如果幀速率過低，人眼就會感受到圖像卡頓和不流暢，影響觀影體驗。在汽車造型虛擬評審中，低幀速率的實時渲染可能會產生視覺錯覺，例如抖動、模糊等，導致造型評審人員無法準確地判斷虛擬汽車的真實外觀和細節。因此，對于汽車虛擬評審交互幀速率也不應該低于視覺極限值，即采用幀速率為24 幀/s。

（3）功能齊全

對于汽車造型虛擬評審，常用的虛擬評審功能包括變量集管理器、車門開閉動畫、車燈燈效評審、評審視角切換功能。其中最核心功能就是變量集管理器，可以快速切換不同造型和內飾色彩（Color Trim）方案，以及實現虛擬評審環境切換，以進行高質量造型虛擬評審、比較和分析，這對于造型設計師和工程師及造型評審專家非常重要。

（4）高效使用

一款全新汽車造型評審系統必須具備操作簡單、高效、快捷和流程自動化的優點。UE5屬于開源游戲引擎平臺，所有數據評審功能都需要設計師通過C++藍圖自行編程構建，因此，在設計整個評審系統的邏輯框架時，必須要考慮到如何提升虛擬數據評審（DVR）前期準備效率。

3.1 造型評審系統用戶界面（UI）設計

利用UE5 的UI 界面編輯器，搭建造型評審系統UI界面，如圖8所示。

圖8 造型虛擬評審系統UI界面

圖8中UI界面1級菜單從上到下對應功能分別是車漆切換，車門開閉、車輪切換、燈效播放、環境切換、視角切換和參數設置。單擊一級菜單上的按鈕后將會彈出對應的綠色、紫色、黃色2級菜單，讓數據評審人員可以快速定位并執行相應操作。其中綠色2級菜單包括評審畫面曝光調節、屏幕分辨率調節和景深開閉功能。紫色2級菜單可以實現汽車高配、中配、低配造型方案及內飾Color Trim 方案切換。通過點擊1 級菜單里面的不同按鈕，都會調用并執行系統后臺對應的藍圖程序。

3.2 造型評審系統藍圖功能程序編寫

虛幻引擎藍圖程序是一種基于可視化編程的C++腳本語言[16]，可以讓開發者通過將預定義的C++節點拖拽連接來創建游戲邏輯，幫助開發者快速制作游戲、動畫和交互式應用程序，而無需編寫C++代碼，是一種易學、易用的編程工具，為開發者提供了更大自由度，為開發者發揮最大創造力提供便利。

變量集管理器是VR 設計師在數據評審之前需要頻繁使用的方案渲染設計工具，比如將不同的輪胎造型方案、不同的內飾色彩搭配方案提前進行歸類整理，在數據評審過程中通過點擊不同的UI 按鈕，去調用變量管理器中的藍圖代碼，以實現不同的造型方案切換功能。由于造型研發過程中前期需要決策者評審的方案數量眾多，因此在搭建變量管理器時需要特別注意其使用邏輯及流程，簡潔高效是第一準則，否則會嚴重增加評審工作前期準備的時間成本。考慮到大部分VR 評審專家多使用傳統離線渲染器，同時滿足簡潔、高效的系統設計原則，因此本文通過藍圖程序實現了傳統離線渲染器變量集管理器功能的藍圖程序復制，以保證新開發的UE5 汽車評審系統使用習慣和傳統離線渲染器使用習慣保持一致（圖9）。

圖9 UE5變量集管理器使用界面

在完成汽車變量集管理器搭建工作之后，需要對其它評審功能分別編寫藍圖程序（圖10），評審功能包括車門開閉功能、評審環境切換功能、燈效展示功能、攝像機切換功能等一系列將近20個評審輔助功能。由于虛幻引擎是一款游戲引擎，在搭建應用程序時需要用到游戲關卡思維，比如關卡A用于車型A評審，關卡B用于車型B評審。如果在評審車型A時，將各輔助功能藍圖直接寫在關卡A里，那么在評審車型B時，還需要重復在關卡B里編寫相同的功能藍圖。如此龐大的重復工作量將會讓整個評審系統無法達到簡潔、高效的搭建目標，因此本文創新性地提出了藍圖模塊化思維，以車門開閉功能為例進行闡述，詳見圖11。

圖10 變量管理器部分藍圖程序示意

圖11 車門開閉藍圖模塊程序示意

在資源管理器里新建一個不屬于任何關卡的空白藍圖模塊（actor），并命名為“車門開閉模塊”。根據實際需要編寫車門開閉藍圖，并暴露出便于后續方便調用的變量，比如前后左右車門數據選擇、車門打開度數、車門打開音效等。后續在對不同車型虛擬評審時，如果需要車門開閉動畫展示，只需要將上述構建的車門開閉actor 從資源管理器中拖入到對應的關卡中即可（圖12），同時快速設置暴露出的變量參數便可使用車門開閉動畫功能。

圖12 具備若干不同藍圖功能模塊的關卡展示

藍圖功能模塊化思維，可以大大提高虛幻引擎汽車評審前期準備效率，當然，除了汽車造型設計以外，藍圖模塊化思維也適用于其它任何產品評審配置器搭建。

3.3 設計網頁訪問功能

傳統汽車造型虛擬數據評審，依靠專門的VR 渲染在特定的時間、特定的地點操作展示，且對電腦有很高的硬件參數要求。如果在虛擬數據評審后評審專家要求繼續討論某一個造型方案，則需要重新預約會議，這樣勢必會降低造型決策效率。為了讓汽車虛擬評審系統達到最大利用價值，真正實現隨時隨地進行汽車造型方案評審，利用虛幻引擎像素流技術[17]，實現讓用戶通過手機或者電腦網頁登錄評審系統，隨時查看方案數據，提升汽車造型設計決策效率。圖13是利用虛幻引擎UE5搭建的汽車造型數據評審系統網頁登錄端。訪問特定IP地址并用賬戶密碼驗證登錄，便可進入評審車型選擇界面（圖14），點擊車型選擇按鈕進入對應車型造型虛擬數據及方案查看界面。

圖13 汽車造型虛擬評審系統登陸界面

圖14 汽車虛擬評審系統車型選擇界面

4 總結與展望

首先，本文闡述了虛擬技術對汽車造型研發的重要性以及目前使用較多的陰影預烘焙渲染技術存在的缺點，由此引出并闡述了實時渲染游戲引擎UE5 對于汽車虛擬評審的優勢。通過列舉案例，論證了虛幻引擎UE5 用于汽車造型虛擬評審的可行性。

其次，結合多年汽車虛擬評審經驗，分析了開發汽車造型虛擬評審系統需要考慮的因素，并利用UE5藍圖編程系統搭建了汽車造型評審UI 界面及相關的輔助功能。為了讓汽車虛擬評審系統達到最大使用價值，利用虛幻引擎像素流技術搭建了在線評審登錄界面，實現通過手機或者電腦網頁登錄評審系統隨時查看造型數據，提高評審效率。

最后，隨著元宇宙時代的到來，企業對虛擬評審可視化質量要求越來越高，虛幻引擎在汽車行業使用比重也將會逐漸增大。借助AI 技術進一步提升虛幻引擎評審效率和質量。多部門協同實現數據（Data）在研發、生成和銷售全流程共享。模擬現實逼真環境并引入數字人，提升評審沉浸感及真實感，這些是汽車虛擬現實研究人員和前瞻造型設計師進一步深入探索和研究的課題。