數字孿生技術在汽車設計評審中的應用

邵景峰　唐明星

摘 要：在數字化轉型的時代，隨著整車廠競爭的加劇，如何更多的使用數字化的手段來縮短新車型的研發周期，加快新車型上市的速度，已經成為各大主機廠迫切需要解決的問題。本文介紹了將數字孿生技術引入汽車造型評審中的技術解決方案，可以有效地優化評審過程，減少對實物模型的依賴，大大縮短在造型設計階段的研發周期。同時，結合國內某整車廠公司近期全新整車造型開發中使用數字孿生技術來評審的實踐，驗證了以數字孿生模型代替實物模型的可能性。最后，展望了數字孿生技術在汽車研發中的更加廣闊的應用前景。

關鍵詞：數字孿生 汽車設計評審 虛擬現實頭盔 汽車造型設計 虛擬現實模型

1 前言

汽車造型設計是在整車開發中至關重要的一部分，這其中汽車設計方案的評審是設計流程中最重要的一環。傳統流程中汽車造型評審主要包括效果圖評審，膠帶圖評審，數據評審，模型評審等，而最終設計方案的評審選定必須依賴制作周期漫長的仿真實物模型。

隨著計算機技術和虛擬仿真技術的發展，虛擬現實頭盔和一些虛擬仿真軟件已經能夠準確模擬全新造型設計的三維數字虛擬模型，去取代傳統的人工制作的實物評審模型。

本文詳細論述了基于虛擬現實技術和虛擬現實頭盔的汽車造型設計評審方法，介紹了計算機三維虛擬仿真數據模型的制作流程，并在近期的國內某公司設計評審項目上進行了實踐應用，通過對比傳統的實物模型評審，驗證了此虛擬評審方法的有效性和可靠性。

2 汽車業內主流造型評審方法綜述

2.1 使用實物模型評審方法簡介

目前主流的使用實物油泥模型進行造型設計評審的方法，設計師繪制二維平面效果圖，油泥模型師根據效果圖來制作實物油泥模型，整車油泥模型制作周期長，一輛整車模型制作通常需要兩到三個月左右時間。油泥模型完成后，設計決策層對模型進行設計方案評審。需要注意的是，在油泥實物模型上反復推敲方案費時費力。因為全尺寸模型的制作工作量很大，首先要根據總布置圖的要求精確的制作模型骨架，留足所需的油泥加工量及修改量。成噸的油泥需要用手工將其涂抹在模型骨架上。其后由經驗豐富的油泥模型師以手工的形式把模型雕塑得成平面設計方案所表達的形態，如圖1所示，整個過程耗費了大量的人力資源和時間。

2.2 使用實物模型評審方法缺陷

這種傳統的設計評審方式，各個項目階段的容錯性很低，設計更改的代價非常高，而且對造型設計的參與人員素質和經驗要求很高，即便如此仍然不能避免重復性的工作。在傳統汽車造型設計流程中，設計和模型師的工作量都非常的大，設計開發過程中項目經常會延期以適應一些大的設計調整，最終導致研發成本非常高然而設計成果卻不一定能快速反應設計師的設計意圖。目前的設計流程大量中有大量的手工工序，是早期汽車設計發展經驗的積淀，不可避免地存在很多無法適應新時代的劣勢。一旦評審方案不通過，則需要重新制作新方案的實物油泥模型，前面數月的時間前功盡棄，因此浪費了大量的費用和項目。

3 數字化轉型給設計評審帶來的機遇

3.1 不斷縮短的整車開發周期

在工業4.0的大背景下，各行各業都在積極推動行業轉型升級，汽車行業也在發生變革，而數字化轉型正是汽車行業可持續發展和高質量發展的必然選擇。隨著汽車行業競爭的加劇，各大主機廠都在嘗試數字化轉型，以縮短新車型開發的周期，節省研發成本，也加快新車上市的速度。比如：豐田汽車從十多年前整車開發周期接近40個月逐漸縮短到目前不超過30個月。國內的整車廠為了進一步提升競爭力，整車開發周期甚至縮短到24個月。在此背景下，傳統汽車造型評審周期長、人員投入多且耗資巨大，單是一個汽車外形實物模型制作就需要近兩到三個月的時間，這種評審方法已經不能滿足快速整車開發需求。

因此，我們著手探索一些數字化創新的手段，力求通過這些創新的數字化方法和手段，去顛覆傳統的設計評審流程和方法，進而能加快汽車設計流程，快速支持造型評審的順利開展，減少對于傳統物理模型的依賴，提升對于設計優化的響應速度。

3.2 數字孿生模型代替實物模型探索

數字孿生技術作為近來的新興研究熱點，數字孿生通過數字化方式，構建計算機虛擬實體來模擬物理實體。利用虛擬現實技術突破時空限制，建立物理對象的“數字化模型”，目的是減少各種場景下對于實物模型的依賴。比如利用計算機圖形學技術、虛擬現實及增強現實技術已實現了在虛擬世界中創建數字化的虛擬工廠，來模擬生產中各環節的可實施性和生產效率的模擬計算。

本文的研究目的，是試圖將數字孿生技術引入到汽車設計評審中，使用數字孿生模型，去替代實物模型，作為設計評審的核心載體。數字孿生的本質是為現實世界中的實體對象在數字虛擬世界中構建完全一致的數字模型，如同一對孿生兄弟，其中實體模型為實體兄弟，數字模型為數字兄弟。結合汽車設計的流程，傳統的油泥模型是實體兄弟，數字虛擬模型為數字孿生兄弟。在絕大多數的設計評審中，使用數字孿生模型來評審，不再依賴實物模型。通過數字的手段，快速驗證、調整設計方案。

數字孿生整車模型的創新之處，在于將整車開發前期所有的設計方案數字化、虛擬化、模型化，將設計方案和評審決策者之間建立起一個虛擬的橋梁。決策者可以進入到一個計算機虛擬的環境中，身臨其境的去感受數字孿生模型方案。在評審的過程中，數字孿生設計方案也可根據決策者評審中提出的意見，實時的去調整數字孿生模型的的細節、觀看角度、色彩紋理方案表達等。在內飾設計評審時，也可以通過定位器去捕捉評審者的手勢，評審者可以在虛擬世界里去操作車內的娛樂大幕，實時的做到和車內娛樂屏幕等實時交互，驗證HMI設計的合理性和美觀性。

4 數字孿生模型設計構建的標準

筆者基于在汽車設計行業多年的工作經驗，在多臺全新車型研發評審中，結合傳統實物模型評審過程中的評審者對于實物模型的具體要求，提出了一套數字孿生模型構建的準則，其重要目的就是讓數字孿生模型能夠對設計方案進行全方位、多維度、多視角的展現和刻畫。最終目的是讓數字孿生模型能夠在大多數的使用場景中代替實物模型。

該設計構建準則以滿足實際項目需求和解決實際評審問題為出發點，提出了“四化”準則，即標準化、準確化、沉浸化、簡潔化。

4.1 數字孿生模型的標準化

由于研發企業里車型平臺數量眾多，我們目標是通過數字孿生模型的標準化，在模型定義、虛擬場景、開發流程、虛擬數據吞吐量、軟件平臺、運算方法等方面進行規范統一。數字孿生建模的標準化準則，是為了通過保證模型集成、模型數據交換、模型信息識別和模型維護上的一致性，實現針對不同的車型平臺，不同的車型類別構建的數字孿生模型可以在同一個虛擬平臺上進行展示，且相互兼容，進一步滿足其通用性需求。一個標準的車型數字孿生場景，包含了虛擬環境，虛擬光線、虛擬材質等等方面的信息，標準化的數字孿生場景在面向不同車型建模使用時可以有效減少模型數量和差異化的模型的產生。

4.2 數字孿生模型的準確化

汽車設計是一個非常精密的工程，尤其是在外形和內飾設計高關注區域，精準的數據控制可以有效的提升整車的設計感知質量。數字孿生建模的精準化準則，是為了保證構建的數字孿生模型精準，以千分之一毫米的量級，去控制零件本身的光順程度，以及零件和零件之間的匹配、間隙以及面差的要求。精準的數字孿生模型是數字孿生正確發揮功能的重要前提。以汽車內飾設計為例，由于內飾可見零件眾多，不同零件的表面處理也不同，這就要求數字孿生模型必須精準的去反映每一個零件的形態和表面材質的定義，只有精準的數字孿生模型才能夠在設計評審過程中將設計方案準確的展現給決策者。

4.3 數字孿生模型的沉浸化

數字孿生模型從來就是不是一個孤立的存在，實際應用中應該是和虛擬的場景一起，形成一個數字孿生的系統。以往評審者在評審實物模型時，和實物模型是處在同一個真實的時空空間，因此評審者可以獲得100%的“沉浸感”。因此，在數字孿生系統里，也必須盡一切可能去提升評審者的“沉浸感”。數字孿生系統在設計、構建的過程中要以能夠以直觀、可見的形式呈現給用戶為出發點，方便用戶與模型進行深度交互。數字孿生系統由多要素、多維度、多領域、多尺度模型組裝融合而成，可視化的數字孿生模型能夠以生動、形象的方式展示整車模型模型的結構、設計優化過程、零部件細節等。

4.4 數字孿生模型的簡潔化

由于當今研發的車型功能不斷增加、配置的不斷豐富、個性化的設計需求等因素帶來的整車數據量也幾何級數的在增加。然而，數字孿生模型要實現與評審者順暢的交互，則必須控制總的數據吞吐量。數字孿生模型輕量化是在滿足主要設計案細節無丟失、模型精度，交互功能等前提下，使模型在幾何描述、承載信息、構建邏輯等方面實現精簡。數字孿生建模的輕量化準則，是為了在數字孿生模型可用、通用的基礎上，通過數字孿生模型速用，進一步滿足針對復雜系統的數字孿生建模和模型運行的高效性需求。加快數字孿生模型運行速度，進而提高數字孿生模型支持實時虛擬仿真評審的響應速度。

5 整車數字孿生模型的構建

5.1 整車3D數據的精準化建模

整車3D數據建模，是構建數字孿生模型的最基礎的一環，當設計師完成了大量的方案草圖后，一般會選擇其中的幾個草圖進行數字孿生數據模型制作。為了支持多設計方案的比較，需要同時構建多個數據模型，這些數據模型會去表現刻畫設計的主要曲線和大面，但設計初期對細節不作深入，這樣可以大大加快數據構建的速度。數據完成后利用概念模型數控加工出多個油泥模型，供模型師進行方案的調整與進一步優化。當油泥模型師在油泥模型上完成方案的修改后，可以用數字3D掃描儀將油泥模型表面的數據掃描到電腦，得到模型的計算機點云數據。基于此點云數據，進一步在計算機里進行詳細的設計細節建模，比如大燈、進氣格柵、車輪等等詳細的細節數據；對于汽車內飾的孿生數據建模，繼續完善內部的零部件細節，比如按鍵、出風口、儀表、方向盤、座椅等等。最終完成的孿生數據模型，必須具備完整的可視化信息，能精準反映整車設計方案每一處的設計細節。

5.2 整車3D數據的建模人機工程學考量

在數字孿生數據建模工程中必須對人機工程進行基本的布置，根據汽車駕駛艙草圖，準備駕駛艙內參數，從設置H點開始，進而確定座艙乘員坐姿，觸及范圍，活動空間，視野等等，這一系列區域的設定有的為造型劃定了邊界，構建數字化人體模型，對汽車駕駛艙中的一些參數點進行初步設計；在所構建的汽車駕駛艙模型與數字人體模型之間進行交互時，共同構成人一機一環境系統，對數字化人體模型的駕駛姿勢進行模擬，獲得肢體關節角度；對數字人體模型姿勢進行預測，而有的需要在造型完成到一定程度后再進行校核。對于造型設計而言，每一個人機參數的確定實際上都為造型空間增加了一道限定條件，而這些條件之間并非簡單疊加，而是相互影響的。在確定坐姿后，車內空間基本成型，在縱向和橫向的人體活動范圍內便是有限的內飾造型設計空間。而之后的眼橢圓視野校核會給定區域，使得前風窗以及發動機前段面不能對前視野產生阻擋。等等這些總布置人機條件的輸入都不斷將車內外空間細化，為造型設計提供了依據與邊界條件。

5.3 3D數據轉換為虛擬孿生模型

建立好的3D數據模型是不帶有真實材質紋理信息的“素模”，這種狀態下的模型只能反映場景的物理結構，但并不具備真實性，因此需要對相應的數據模型進行相應的材質顏色調整。三維數模上僅帶有基本材質信息，有些物體是沒有辦法通過調整基礎材質來進一步的提升真實感的，特別是內飾的材質復雜程度更高，覆蓋了皮質、布料、金屬、塑料、水轉印等多種質感。如何把三維模型數據變成真實生動的現實感體驗，就需要根據真實世界的特殊圖片紋理對虛擬三維模型數據進行圖像處理。為了模擬真實化的效果，可以通過掃描材質樣板得到計算機紋理圖片，也可以通過程序化紋理，然后應用于三維虛擬模型上。

光線是物體能被人們所見的基礎，光照的強弱、顏色、布局、方向等直接影響虛擬模型的表現效果。陰影是光線跟物體發生作用后所產生的自然結果，陰影直接決定了虛擬模型的真實度，所以光影是數字化虛擬仿真的基礎。同樣一個模型放在不同的環境中，最終的呈現的狀態也不一樣，因為不同的環境帶給這個模型的光影是不一樣的。在虛擬的世界也是如此，我們在決定模擬一個真實感的內飾模型時，首先需要模擬一個真實感的環境，通過環境中的光、物體帶給這個內飾模型色彩、質感和陰影。同時虛擬仿真模型需要具備實時交互性，達到所見即所得的效果，所以不能夠每更換一個角度都去運算虛擬光照所產生的陰影，這就需要把一次性運算好的光照信息轉化為陰影貼圖，賦予到模型的表面，通過跟普通材質進行混合，產生仿真的陰影效果，這樣無論看任何角度都不需要再次運算，極大的提高了虛擬模型的演示效果，這個陰影貼圖計算和賦予的過程就是光影烘焙。經過計算機運算，光影信息會以圖片方式貼附到模型表面，達到跟真實世界一樣的狀態。如圖4所示，最終的虛擬孿生模型在計算機的里效果。

6 數字孿生模型顯示平臺搭建

6.1 數字孿生模型沉浸式顯示載體

數字孿生模型顯示的載體，我們選擇了一款虛擬現實頭盔。頭盔固定在用戶的頭部，頭盔里集成的兩個液晶顯示屏分別向兩只眼睛發出數字孿生模型的圖像信號。這兩個顯示屏中的圖像由計算機里數字孿生模型數據分別驅動，屏上的兩幅圖像存在著細小的差別類似于“雙眼視差”，大腦將融合這兩個圖像獲得深度感知，產生視錯覺，評審者宛如走進了另外一個時空，和數字孿生模型一起處于一個全新的時空中，形成非常好的沉浸感，能夠對數字孿生模型方案進行非常細致的評估。虛擬現實頭盔如圖6所示。

6.2 虛擬顯示平臺設計架構原理

頭盔采用HTC VIVE Pro，是HTC公司與Valve公司聯合開發的一款虛擬現實頭戴式顯示器。該頭顯通過控制器定位系統lighthouse技術完成頭顯在空間中的定位，是目前在分辨率、視角范圍、刷新率、延遲和拓展設備這五個維度上性能均衡的頭戴式顯示器。Leap Motion是Leap開發的體感控制器，通過前方的紅外LED和灰階攝像頭采集數據，并生成3D數據。Leap Motion在使用過程中不需要佩戴追蹤手套，減少了穿脫的步驟，也不需要在使用前后對設備進行消毒。使用的硬件基于SteamVR，許多軟件都支持SteamVR，如UE4、Unity。但是根據目前汽車設計流程的需求，在軟件的平臺上本方案選擇VRED。硬件信號傳輸通路如圖7所示。

虛擬現實頭盔相關的硬件環境構成如圖8所示：

6.3 數字孿生模型與虛擬場景相互位置綁定

虛擬物體和現實物體綁定后會存在虛擬與現實的偏差，原因在于追蹤器的原點與矩陣變換中心綁定，而不是和現實中的固定位置綁定。在軟件綁定之后需要在軟件中進行調整，三維數據依據整車坐標系搭建，數據的原點就是整車坐標系的原點，可以通過整車坐標系中的原點進行定位。以整車左右中心對稱面為Y0平面，以垂直與Y0面且平行于地面的平面為Z0平面，以垂直Y0平面同時垂直Z0平面且過前輪輪心的平面為X0平面。Y0平面和Z0平面的交線為x軸，X0平面和Y0平面的交線為z軸，X0平面和Z0平面的交線為y軸，原點在三軸相交處。將追蹤器固定與Y0平面上，則可將該坐標系簡化，只取x軸和y軸兩個方向。矩陣變換中心是包含其子集所有物體的長方體尺寸中心，在本方案中可視為車輛模型的尺寸，則車輛模型的尺寸中心M0應為：

式中：

——車輛模型總長度，m；

——車輛模型總高度，m；

——車輛模型前懸長度，m；

——車輪半徑，m。

座艙依據地面進行尺寸測量和位置調整，而每輛車的輪胎直徑都不一樣，所以無法根據整車坐標系進行定位。現提出一種進行測量定位的方法。將追蹤器固定好后便可確定追蹤器相對地面的高度。在x軸上坐標可通過門板鉸鏈進行推導。在三維數據中，門板鉸鏈與數據原點在Y0平面上的距離和追蹤器距與門板鉸鏈的距離可測量出。則Vive追蹤器的位置MV應該為：

式中：

——門板鉸鏈與數據原點在Y0平面上的距離，m；

——追蹤器距與門板鉸鏈的距離，m；

——追蹤器相對地面的高度，m。

可知矩陣變換中心在x軸和y軸兩個方向上調整的位置距離為：

與在整車坐標系中的位置關系可見圖9。座艙綁定好后再以此為依據將車門和方向盤的位置進行調整、匹配，最后在虛擬場景中進行進一步的調試匹配，以確認人體的感知準確。

7 應用與實踐

在孿生數字虛擬模型設計完成后，我們在某乘用車公司最新開發的某車型進行了計算機數字孿生模型評審取代實物模型評審的首次應用。

此次應用主要在整車內外飾設計方案評審上進行，相對比汽車外形模型，內飾模型方案零部件多、不同的色彩紋理材質多，同時零件匹配以及安裝機構更為復雜，因此更能去檢驗虛擬現實評審的可行性和可靠性。

7.1 數字孿生模型的項目評審實踐

數字孿生模型評審由外形評審和內飾評審兩部分組成。外形評審時，評審者佩戴虛擬現實頭盔，手持手部控制器，在設置好的活動區域內對虛擬模型車進行自由觀察，可以用手部控制器選擇下一個觀察點的位置和初始觀察角度，圖10。

內飾評審時，評審者佩戴虛擬現實頭盔，坐在座艙中，手持手部控制器對雙手進行模擬，查看內飾設計的每一處細節，同時可以感受內飾按鍵等人機工程操作可靠性，可通過預設角度體驗各個位置的空間感和設計，圖11為內飾評審時的虛擬座艙。

7.2 評審者關注的內飾模型重點區域虛擬驗證

在汽車設計評審使用過程中，評審者在自由觀看過程中會重點關注一些區域，并表現出一定的行為習慣。針對這一問題，我們預先在傳統實物模型評審過程中對6位評審者進行了仔細觀察并記錄下評審者的行為，評審者對于方向盤、中控屏、中控臺、門板這些可觸及的地方表現出很大的興趣，會結合人機工程進行評審。評審者也會對半艙樣件模型中沒有的頂棚和后排座椅也表現出極大的興趣。

根據這些決策者的評審習慣，我們在使用虛擬現實頭盔進行虛擬評審時，重點去記錄評審者在虛擬環境下對這些重點區域的感知情況，表1是在評審過程中針對6位戴頭盔的評審者，做的實時評審感受的記錄，從反饋的情況數據來看，評審者可以通過頭盔，真實的感受到數字孿生模型95%以上的細節區域，基本上達到了和使用實物模型評審相同的效果。這就反映出采用數字孿生模型評審的可靠性和可依賴性。

7.3 數字孿生模型對于汽車顏色和材質的還原驗證

對汽車造型設計而言，汽車外形顏色也是重要的組成部分，在公司決策層的評審內容里，也包含對于不同色彩方案的選擇。每個車型都有多個色彩可以選擇，顏色的匹配度也是衡量整車感知質量的重要因素。

為了驗證虛擬現實頭盔里對于設計方案顏色的的真實表現還原情況，我們通過制作了大量的實物的色板，這些色代表了正在研發的車型上潛在或者將要嘗試使用的色彩方案，如圖12所示。

色板制作完成后通過計算機將色板模擬成不同的虛擬顏色材質庫，再江此材質庫里不同的虛擬材質映射到虛擬樣車模型上，如圖13，所示。虛擬材質最終實施到虛擬樣車模型上，做成虛擬樣車模型在虛擬頭盔里展示出來。經過多位評審者者戴上虛擬頭盔后，對于虛擬車身顏色真實的視覺感受和色板進行對比后，一致認為無法從肉眼上分辨出兩者的差別，驗證了虛擬模型從評審者的視角真實還原了顏色的信息。

8 結論與展望

本文提出一套針對汽車造型設計評審的新方法，為數字孿生技術在汽車評審中的應用建立新的思路。啟發汽車設計師使用全數字化虛擬的手段去展示自己的設計方案供領導層決策，對汽車研發企業縮短研發周期，節省研發費用也有非常大的促進作用。結合在企業實際項目中應用的嘗試，證明了使用數字孿生模型進行評審的方法是可靠的和可以依賴的。

隨著計算機水平、圖形圖像顯示等技術進一步的發展，數字孿生技術能進一步突破現有技術的束縛，會朝著更加高包容度、更加真實化、更加順暢的方向發展。除了在設計評審領域使用外，在虛擬整車試驗、虛擬人機校核等等領域也會產生極大的應用價值。我們相信，不久的將來，數字孿生技術一定會在汽車研發的各個領域都成為主要的技術手段。

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