虚拟现实技术在汽车研发中的应用与展望

胡永杰　韩鲁强　钟昊　王雪莹　李安寅

摘 要：虚拟现实技术发展迅速且日趋成熟，越来越多的车企将虚拟现实技术应用到整车开发流程中。一汽-大众汽车有限公司研发部门已将虚拟现实技术应用至整车验收工作，通过实践可知虚拟现实技术引入整车研发可提升研发效率，降低车型开发成本。本文对虚拟现实技术在一汽-大众研发部门应用进行介绍。

关键词：虚拟现实 汽车研发 虚拟评价

1 前言

在汽车研发早期阶段，整车的实物验收必不可少。当多种开发方案面临被选择时，传统方法往往通过实物模型进行评价。随着虚拟现实技术的不断发展，将其引入整车研发可将部分的实物评价虚拟化，虚拟现实技术在整车研发链条中的多个场景都可以得到很好的应用，以提高车企研发工作效率。

2 虚拟现实技术定义与现状

虚拟现实技术广义定义为虚拟现实（Virtual Reality，VR）及增强现实（Augmented Reality，AR）技术，是指借助近眼显示、感知交互、渲染处理、网络传输和内容制作等新一代信息通信技术，构建身临其境与虚实融合沉浸体验所涉及的产品和服务。

參考国际上自动驾驶汽车智能化程度分级及《虚拟（增强）现实白皮书（2018年）》中分级标准，可将虚拟现实技术发展划分为如下五个阶段，不同发展阶段对应相应层次，目前处于部分沉浸期，主要表现为1.5K-2K单眼分辨率、100-120度视场角、百兆码率、20毫秒MTP时延、4K/90帧率渲染处理能力、由内向外的追踪定位与沉浸声等技术指标。

虚拟现实技术最早应用于军事领域，飞行员利用虚拟环境、飞行器进行模拟训练。目前，虚拟现实技术已经遍及商业、医疗、娱乐、教育、通信及工程设计等诸多领域。例如，在建筑、城市规划中，通过虚拟现实技术展示城市规化方案、装修设计效果，设计方案论证等工作，成本低廉、方便又快捷；虚拟现实技术在娱乐行业更是普及，VR/AR类型的驾驶型游戏、作战型游戏和智力游戏在我们生活中已经随处可见。

3 虚拟现实技术在汽车行业中的应用

随着虚拟技术的发展，特别是高分辨率、头带式的显示设备、高精度的人体位置及动作实时追踪设备的出现，给虚拟现实技术带来广阔的发展空间。AR/VR技术不再只是用于文化娱乐、教育培训领域，在工业研发、生产中也更多的被应用。随着汽车研发的数字化、电动化，虚拟技术的沉浸感、快速响应、成本相对低廉等特点受到越来越多车企研发部门的青睐。目前，世界上主流整车研发企业都已经将虚拟技术应用在研发流程当中。

3.1 虚拟现实技术在国外主流车企中的应用

美国福特公司的FIVE （Ford Immersive Vehicle Environment） 试验中心利用动捕摄像头与ST50头盔结合渲染数据实时参与产品评价，目前该试验中心已将机器学习和人工智能技术引入到虚拟现实工作中；VIRTTEX（VIRtual Test Track EXperiment）是福特研发中心的另一个虚拟验收实验室，利用环境模拟与VR模拟相结合，通过采集驾驶者遇到不同情况的反应，来逆向优化并线辅助、车道偏离预警系统、主动刹车等功能。

德国奥迪公司从2003年开始就将虚拟现实技术纳入到其开发流程中。目前奥迪在测试使用的Virtual Reality Holodeck虚拟现实系统，可以在开发早期对造型数据进行同时、多人异地协同评价。通过该系统的使用，实现了不同部门之间的协同评审，每个车型研发周期缩短了6周时间。

德国大众早在1995年就尝试将虚拟技术应用至整车研发过程中。目前，虚拟现实技术已被充分应用至德国大众的开发流程，整车验收、造型数据沉浸可视化评审、光顺方案对比评价、虚拟装配等开发工作中都有虚拟现实技术的身影。此外，德国大众还成立了虚拟工程实验室，该实验室有30余人的快速反应团队，能够根据专业科室需求实现敏捷开发用于汽车项目的解决方案，将虚拟现实技术融合并融入到大众汽车的开发流程当中去。

3.2 虚拟现实技术在国内车企中的应用

虚拟现实技术在国内最早应用于航空航天和轨道交通领域，中国商飞和中车株洲、四方等研究所均已建立功能完善的大型CAVE系统。

虚拟现实技术在国内车企刚刚起步，大部分车企只是采用虚拟现实系统进行一些简单的模型展示，但已有部门车企建立了虚拟现实中心，并逐步将虚拟现实技术融入开发流程。

目前，北汽研究总院、东风日产、吉利汽车、上汽大众汽车等车企的研发部门都在近两年规划建设了相应的虚拟现实中心，加大虚拟现实技术在研发工作的应用比重，以实现开发工作的虚拟化。

北汽研究总院采用三折屏幕汽车设计评审可视化系统，用于数据评审；东风日产公司利用虚拟现实技术可实现虚拟制造、人机工程评价以及数据可视化评审工作；吉利汽车投资两千多万人民币正在建设虚拟现实中心，配备五面CAVE显示系统及动态座舱，能够实现造型数据可视化虚拟评审、人机虚拟评价以及整车虚拟验收等开发工作；上汽大众规划的虚拟现实中心完成建设，包含三面屏LED显示系统、一套CAVE系统和整车虚拟验收系统，该中心可实现造型、概念开发阶段工作的虚拟化。

4 虚拟现实技术在一汽-大众技术开发中的应用

一汽-大众技术开发部门在2015年将虚拟现实技术列为部门重点攻坚新技术。一汽-大众技术开发先后将AR增强现实技术、虚拟装配、Powerwall 3D数据展示系统引入并应用至开发工作中。2021年基于VR技术搭建的整车虚拟座舱用户评价系统的投入使用，标志着一汽-大众技术开发在利用虚拟现实技术进行车型开发上处于同行业领先水平，面向整车开发构建的虚拟验收技术体系也初具雏形。

4.1 整车虚拟评价验收

整车虚拟评价验收又称整车虚拟座舱用户评价，这项工作是在车型开发前期，开发人员利用VR技术，通过实物座舱与渲染数据相结合，结合人机座舱、上一代车型数据、竞争对手车辆等资源，从用户角度对车型最新设计状态进行调研评审。研发人员坐在真实座椅上，置身虚拟环境中对虚拟汽车的内饰布局、设计等实时评估，实现等同于坐在真实汽车内的视觉体验，可直观的对新车型视野、特定零件的可触及性、空间性、交互合理性等多个方面进行验收评价。

为实现整车虚拟评价，一汽-大众研发部门搭建了定制化的集成系统，通过多种对比确定了ART/VIVE Pro/Powerwall相结合的技术方案。这种方案不单满足了整车虚拟评价系统的需求，还能够进行3D数据方案展示，在设备利用空间上达到了最优的配置。

为了使虚拟评价可以真正代替实物评价，跟踪和对齐的精度是虚拟现实系统需要特殊关注的参数。为了较好的显示效果，目前用于汽车虚拟评审的主要选择为VIVE Pro2，Pimax，Varjo VR-3等。对于这几个品牌的头盔，默认配备的跟踪系统为Valve Lighthouse。但是在使用过程中，会遇到原点漂移，精度不足等问题。根据德国机构Virtual Dimension Center（VDC）发布的试验，通过机械手臂将被跟踪设备在相距500mm距离的两点间反复移动，其位置重复精度的测量结果显示，基于红外光学跟踪的ART跟踪系统精度远高于Valve Lighthouse。但是主流的虚拟现实头盔并不提供ART跟踪系统的接口。如果通过简单编程，将ART的跟踪信号强制赋予头盔，则无法利用头盔内部的IMU獲得的加速的、角加速度、重力方向等信息，渲染系统无法进行运动补偿，延迟明细，造成用户眩晕。

针对这个问题，日本的LP-Research公司开发了LPVR-CAD插件。该插件可以将IMU（头盔内部或外接）信号与ART光学跟踪系统得到的位置信息进行融合。既可以应用运动补偿技术，获得接近0延迟的体验，又可以获得ART光学跟踪系统的位置精度。

应用ART跟踪系统的另一个优势是可以集成更精确的光学跟踪动捕技术实现手部的跟踪。经过对比分析，ART光学跟踪系统可实现2mm左右的精度，跟踪误差远低于Leapmotion等视觉识别技术，提升了虚拟评价的精度及评价结果的可行度。

在新车型开发早期，基于该系统针对中国交通环境搭建本地化虚拟评价场景，可进行整车用户虚拟评价。通过搭建的虚拟环境，能够还原中国实际交通环境以及用户驾驶情境。利用该系统评价的问题点具备较强的可参考价值，在虚拟开发阶段进行更改，降低了后期因用户抱怨产生变更的可能性，节约了开发成本。

4.2 虚拟现实技术在一汽-大众的其他应用

为实现研发快速响应、研发数字化转型，在一汽-大众研发部门工程师正探究将虚拟现实技术更多的应用到整车开发过程中。研发人员在数据造型评审、光顺验收过程中，可基于Powerwall系统结合3D眼镜查看三维数模，增强视觉观感的同时提升了工作效率。

在整车几何保障验收过程中，通过AR增强现实的使用，虚实叠加使得使零件干涉分析有据可循，并且可利用AR增强现实进行零件的虚拟试装，评价虚拟零件在实车上的装配效果。

基于IcIdo软件平台与虚拟现实技术结合，可在开发前期对用户维修相关范围零件进行虚拟检查，在项目早期发现工艺相关问题并进行开发调整，降低零件后期产生抱怨而更改的风险，节约了研发成本。

基于Unity 3D结合虚拟现实技术开发的数字化整车移动端可以实现360°整车模型数据离线浏览、技术参数查阅变得省时又省力，实时查看车型不同配置、内外饰数据，便于研发人员按需随时随地调用，极大的提升了工作效率。

5 虚拟现实技术应用展望

当今汽车市场竞争日益激烈，这就要求汽车企业研发部门能够以低成本、快速度研发生产出达到用户要求的产品，虚拟现实技术引入整车研发当中，使这一要求变为可能。因此，要求车企研发部门优化开发流程，更多的将虚拟现实技术应用到开发工作，提升研发能力，向数字化研发转型。可预见未来以下应用在具备一定成熟度后，将会被考量纳入汽车研发流程中。

5.1 动态整车虚拟评价

基于前文介绍的虚拟座舱评价系统可进行更新升级，引入高分辨率头盔和高性能图形工作站，以提升整车虚拟验收效果。同时，采用动态座舱结合相应仿真参数、动态场景，实现动态整车虚拟评价。此外，系统还可结合人体动作捕捉系统，能够在虚拟环境中相对准确的进行人机评价。

5.2 CAVE虚拟现实系统

该系统可对造型/表面数据进行虚拟可视化评审。在产品开发前期，造型/表面数据结合高质量渲染，利用CAVE系统与3D眼镜通过虚拟现实方式使全尺寸的汽车三维立体影像实现视觉上1：1的立体展示，通过实时的虚拟漫游，将汽车产品各个部件、内饰、外观等在虚拟环境中真实展示，辅助研发人员在开发前期对车型数据进行评审及决策。

5.3 整车虚拟评价集成

通过将模拟计算与虚拟现实技术相结合可实现整车开发的虚拟验收，实时感知查看车型声学、热力学、碰撞等仿真结果。在车型开发前期利用虚拟技术实现整车虚拟评价的集成，直观高效的实现模拟计算结果验收。

6 结束语

整车评价验收在车企研发流程中是不可或缺的重要节点，利用虚拟现实技术替代实物验收是目前大多车企的工作方向。利用虚拟现实技术的高逼真度，高沉浸感，可交互性等特点，可以较好的还原实车、实物验收的场景，由此获得较高置信度的评价结果，开发出满足用户要求的产品。通过虚拟现实技术与整车开发的结合，可以为车企研发带来更高的经济性，缩短研发周期。相信，随着软硬件技术的发展，虚拟现实技术会给使用者带来更好的体验，车企研发流程中中的实物评审环节也会逐步的被取代。

参考文献：

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