虛擬現實技術在汽車研發中的應用與展望

胡永杰　韓魯強　鐘昊　王雪瑩　李安寅

摘 要：虛擬現實技術發展迅速且日趨成熟，越來越多的車企將虛擬現實技術應用到整車開發流程中。一汽-大眾汽車有限公司研發部門已將虛擬現實技術應用至整車驗收工作，通過實踐可知虛擬現實技術引入整車研發可提升研發效率，降低車型開發成本。本文對虛擬現實技術在一汽-大眾研發部門應用進行介紹。

關鍵詞：虛擬現實 汽車研發 虛擬評價

1 前言

在汽車研發早期階段，整車的實物驗收必不可少。當多種開發方案面臨被選擇時，傳統方法往往通過實物模型進行評價。隨著虛擬現實技術的不斷發展，將其引入整車研發可將部分的實物評價虛擬化，虛擬現實技術在整車研發鏈條中的多個場景都可以得到很好的應用，以提高車企研發工作效率。

2 虛擬現實技術定義與現狀

虛擬現實技術廣義定義為虛擬現實（Virtual Reality，VR）及增強現實（Augmented Reality，AR）技術，是指借助近眼顯示、感知交互、渲染處理、網絡傳輸和內容制作等新一代信息通信技術，構建身臨其境與虛實融合沉浸體驗所涉及的產品和服務。

參考國際上自動駕駛汽車智能化程度分級及《虛擬（增強）現實白皮書（2018年）》中分級標準，可將虛擬現實技術發展劃分為如下五個階段，不同發展階段對應相應層次，目前處于部分沉浸期，主要表現為1.5K-2K單眼分辨率、100-120度視場角、百兆碼率、20毫秒MTP時延、4K/90幀率渲染處理能力、由內向外的追蹤定位與沉浸聲等技術指標。

虛擬現實技術最早應用于軍事領域，飛行員利用虛擬環境、飛行器進行模擬訓練。目前，虛擬現實技術已經遍及商業、醫療、娛樂、教育、通信及工程設計等諸多領域。例如，在建筑、城市規劃中，通過虛擬現實技術展示城市規化方案、裝修設計效果，設計方案論證等工作，成本低廉、方便又快捷；虛擬現實技術在娛樂行業更是普及，VR/AR類型的駕駛型游戲、作戰型游戲和智力游戲在我們生活中已經隨處可見。

3 虛擬現實技術在汽車行業中的應用

隨著虛擬技術的發展，特別是高分辨率、頭帶式的顯示設備、高精度的人體位置及動作實時追蹤設備的出現，給虛擬現實技術帶來廣闊的發展空間。AR/VR技術不再只是用于文化娛樂、教育培訓領域，在工業研發、生產中也更多的被應用。隨著汽車研發的數字化、電動化，虛擬技術的沉浸感、快速響應、成本相對低廉等特點受到越來越多車企研發部門的青睞。目前，世界上主流整車研發企業都已經將虛擬技術應用在研發流程當中。

3.1 虛擬現實技術在國外主流車企中的應用

美國福特公司的FIVE （Ford Immersive Vehicle Environment） 試驗中心利用動捕攝像頭與ST50頭盔結合渲染數據實時參與產品評價，目前該試驗中心已將機器學習和人工智能技術引入到虛擬現實工作中；VIRTTEX（VIRtual Test Track EXperiment）是福特研發中心的另一個虛擬驗收實驗室，利用環境模擬與VR模擬相結合，通過采集駕駛者遇到不同情況的反應，來逆向優化并線輔助、車道偏離預警系統、主動剎車等功能。

德國奧迪公司從2003年開始就將虛擬現實技術納入到其開發流程中。目前奧迪在測試使用的Virtual Reality Holodeck虛擬現實系統，可以在開發早期對造型數據進行同時、多人異地協同評價。通過該系統的使用，實現了不同部門之間的協同評審，每個車型研發周期縮短了6周時間。

德國大眾早在1995年就嘗試將虛擬技術應用至整車研發過程中。目前，虛擬現實技術已被充分應用至德國大眾的開發流程，整車驗收、造型數據沉浸可視化評審、光順方案對比評價、虛擬裝配等開發工作中都有虛擬現實技術的身影。此外，德國大眾還成立了虛擬工程實驗室，該實驗室有30余人的快速反應團隊，能夠根據專業科室需求實現敏捷開發用于汽車項目的解決方案，將虛擬現實技術融合并融入到大眾汽車的開發流程當中去。

3.2 虛擬現實技術在國內車企中的應用

虛擬現實技術在國內最早應用于航空航天和軌道交通領域，中國商飛和中車株洲、四方等研究所均已建立功能完善的大型CAVE系統。

虛擬現實技術在國內車企剛剛起步，大部分車企只是采用虛擬現實系統進行一些簡單的模型展示，但已有部門車企建立了虛擬現實中心，并逐步將虛擬現實技術融入開發流程。

目前，北汽研究總院、東風日產、吉利汽車、上汽大眾汽車等車企的研發部門都在近兩年規劃建設了相應的虛擬現實中心，加大虛擬現實技術在研發工作的應用比重，以實現開發工作的虛擬化。

北汽研究總院采用三折屏幕汽車設計評審可視化系統，用于數據評審；東風日產公司利用虛擬現實技術可實現虛擬制造、人機工程評價以及數據可視化評審工作；吉利汽車投資兩千多萬人民幣正在建設虛擬現實中心，配備五面CAVE顯示系統及動態座艙，能夠實現造型數據可視化虛擬評審、人機虛擬評價以及整車虛擬驗收等開發工作；上汽大眾規劃的虛擬現實中心完成建設，包含三面屏LED顯示系統、一套CAVE系統和整車虛擬驗收系統，該中心可實現造型、概念開發階段工作的虛擬化。

4 虛擬現實技術在一汽-大眾技術開發中的應用

一汽-大眾技術開發部門在2015年將虛擬現實技術列為部門重點攻堅新技術。一汽-大眾技術開發先后將AR增強現實技術、虛擬裝配、Powerwall 3D數據展示系統引入并應用至開發工作中。2021年基于VR技術搭建的整車虛擬座艙用戶評價系統的投入使用，標志著一汽-大眾技術開發在利用虛擬現實技術進行車型開發上處于同行業領先水平，面向整車開發構建的虛擬驗收技術體系也初具雛形。

4.1 整車虛擬評價驗收

整車虛擬評價驗收又稱整車虛擬座艙用戶評價，這項工作是在車型開發前期，開發人員利用VR技術，通過實物座艙與渲染數據相結合，結合人機座艙、上一代車型數據、競爭對手車輛等資源，從用戶角度對車型最新設計狀態進行調研評審。研發人員坐在真實座椅上，置身虛擬環境中對虛擬汽車的內飾布局、設計等實時評估，實現等同于坐在真實汽車內的視覺體驗，可直觀的對新車型視野、特定零件的可觸及性、空間性、交互合理性等多個方面進行驗收評價。

為實現整車虛擬評價，一汽-大眾研發部門搭建了定制化的集成系統，通過多種對比確定了ART/VIVE Pro/Powerwall相結合的技術方案。這種方案不單滿足了整車虛擬評價系統的需求，還能夠進行3D數據方案展示，在設備利用空間上達到了最優的配置。

為了使虛擬評價可以真正代替實物評價，跟蹤和對齊的精度是虛擬現實系統需要特殊關注的參數。為了較好的顯示效果，目前用于汽車虛擬評審的主要選擇為VIVE Pro2，Pimax，Varjo VR-3等。對于這幾個品牌的頭盔，默認配備的跟蹤系統為Valve Lighthouse。但是在使用過程中，會遇到原點漂移，精度不足等問題。根據德國機構Virtual Dimension Center（VDC）發布的試驗，通過機械手臂將被跟蹤設備在相距500mm距離的兩點間反復移動，其位置重復精度的測量結果顯示，基于紅外光學跟蹤的ART跟蹤系統精度遠高于Valve Lighthouse。但是主流的虛擬現實頭盔并不提供ART跟蹤系統的接口。如果通過簡單編程，將ART的跟蹤信號強制賦予頭盔，則無法利用頭盔內部的IMU獲得的加速的、角加速度、重力方向等信息，渲染系統無法進行運動補償，延遲明細，造成用戶眩暈。

針對這個問題，日本的LP-Research公司開發了LPVR-CAD插件。該插件可以將IMU（頭盔內部或外接）信號與ART光學跟蹤系統得到的位置信息進行融合。既可以應用運動補償技術，獲得接近0延遲的體驗，又可以獲得ART光學跟蹤系統的位置精度。

應用ART跟蹤系統的另一個優勢是可以集成更精確的光學跟蹤動捕技術實現手部的跟蹤。經過對比分析，ART光學跟蹤系統可實現2mm左右的精度，跟蹤誤差遠低于Leapmotion等視覺識別技術，提升了虛擬評價的精度及評價結果的可行度。

在新車型開發早期，基于該系統針對中國交通環境搭建本地化虛擬評價場景，可進行整車用戶虛擬評價。通過搭建的虛擬環境，能夠還原中國實際交通環境以及用戶駕駛情境。利用該系統評價的問題點具備較強的可參考價值，在虛擬開發階段進行更改，降低了后期因用戶抱怨產生變更的可能性，節約了開發成本。

4.2 虛擬現實技術在一汽-大眾的其他應用

為實現研發快速響應、研發數字化轉型，在一汽-大眾研發部門工程師正探究將虛擬現實技術更多的應用到整車開發過程中。研發人員在數據造型評審、光順驗收過程中，可基于Powerwall系統結合3D眼鏡查看三維數模，增強視覺觀感的同時提升了工作效率。

在整車幾何保障驗收過程中，通過AR增強現實的使用，虛實疊加使得使零件干涉分析有據可循，并且可利用AR增強現實進行零件的虛擬試裝，評價虛擬零件在實車上的裝配效果。

基于IcIdo軟件平臺與虛擬現實技術結合，可在開發前期對用戶維修相關范圍零件進行虛擬檢查，在項目早期發現工藝相關問題并進行開發調整，降低零件后期產生抱怨而更改的風險，節約了研發成本。

基于Unity 3D結合虛擬現實技術開發的數字化整車移動端可以實現360°整車模型數據離線瀏覽、技術參數查閱變得省時又省力，實時查看車型不同配置、內外飾數據，便于研發人員按需隨時隨地調用，極大的提升了工作效率。

5 虛擬現實技術應用展望

當今汽車市場競爭日益激烈，這就要求汽車企業研發部門能夠以低成本、快速度研發生產出達到用戶要求的產品，虛擬現實技術引入整車研發當中，使這一要求變為可能。因此，要求車企研發部門優化開發流程，更多的將虛擬現實技術應用到開發工作，提升研發能力，向數字化研發轉型?？深A見未來以下應用在具備一定成熟度后，將會被考量納入汽車研發流程中。

5.1 動態整車虛擬評價

基于前文介紹的虛擬座艙評價系統可進行更新升級，引入高分辨率頭盔和高性能圖形工作站，以提升整車虛擬驗收效果。同時，采用動態座艙結合相應仿真參數、動態場景，實現動態整車虛擬評價。此外，系統還可結合人體動作捕捉系統，能夠在虛擬環境中相對準確的進行人機評價。

5.2 CAVE虛擬現實系統

該系統可對造型/表面數據進行虛擬可視化評審。在產品開發前期，造型/表面數據結合高質量渲染，利用CAVE系統與3D眼鏡通過虛擬現實方式使全尺寸的汽車三維立體影像實現視覺上1：1的立體展示，通過實時的虛擬漫游，將汽車產品各個部件、內飾、外觀等在虛擬環境中真實展示，輔助研發人員在開發前期對車型數據進行評審及決策。

5.3 整車虛擬評價集成

通過將模擬計算與虛擬現實技術相結合可實現整車開發的虛擬驗收，實時感知查看車型聲學、熱力學、碰撞等仿真結果。在車型開發前期利用虛擬技術實現整車虛擬評價的集成，直觀高效的實現模擬計算結果驗收。

6 結束語

整車評價驗收在車企研發流程中是不可或缺的重要節點，利用虛擬現實技術替代實物驗收是目前大多車企的工作方向。利用虛擬現實技術的高逼真度，高沉浸感，可交互性等特點，可以較好的還原實車、實物驗收的場景，由此獲得較高置信度的評價結果，開發出滿足用戶要求的產品。通過虛擬現實技術與整車開發的結合，可以為車企研發帶來更高的經濟性，縮短研發周期。相信，隨著軟硬件技術的發展，虛擬現實技術會給使用者帶來更好的體驗，車企研發流程中中的實物評審環節也會逐步的被取代。

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