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虚拟现实在整车光顺评审中的应用

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  摘 要:光顺是整车开发的重要环节,对汽车车身质量和开发周期有着重要的影响,引出了利用虚拟现实进行整车光顺评审的重要性,以及利用虚拟现实进行整车光顺评审的具体流程及实际应用。
  关键词:虚拟现实;光顺;整车光顺评审
  中图分类号:U463.8  文献标识码:B  文章编号:1671-7988(2019)08-261-04
  前言
  在汽车整个研发过程中,光顺是整车开发的关键环节之一,对车身质量和研发周期都有非常重要的影响,光顺是汽车所有可见表面的几何生成,也是连接造型与技术的桥梁,评审通过的光顺数据才可以用于模具开模。虚拟现实可以非常真实地模拟零件的材质,皮纹,阴影以及三维环境,光照信息,眼点信息等,所以虚拟现实被广泛地应用于国内外各大车企的整车光顺验收评审中,它将大大地提升工作效率,缩短研发周期,降低研发成本。
  1 虚拟现实技术
  虚拟现实技术是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机仿真系统,它利用计算机生成一种模拟环境,是一种多源信息融合的、交互式的三维动态视景和实体行为的系统仿真,使用户沉浸到该环境中。虚拟现实最大的优点就是高度逼真化,在合理正确地应用好虚拟现实软件中的场景,三维数据的阴影,光照等信息后,会让人感觉有一台真实的汽车摆在面前,从感官上直观地评价整车的内外饰光顺质量,造型方案,材质,零件匹配性,反光等。目前,国内外各大车企普遍应用Vred和RTT软件进行整车光顺评审。
  2 利用虚拟现实进行整车光顺评审的流程
  三维场景信息及三维模型信息是利用虚拟现实进行整车评审的前提和必要条件。首先要制作接近于真实的三维场景,一般运用全景图拍摄或者三维场景建模的形式表现,目前全景图拍摄效率高,成本低而被广泛运用于虚拟现实展示中。360°全景图的拍摄需要使用超广角镜头以及云台来配合拍摄。以节点为中心,对周围环境进行360度全方位的内容拍摄,最终合并成一张高精度的带有光照信息的HDR图片,并在后期的虚拟现实软件中对场景图片进行饱和度,对比度等调整,然后将此场景作用于三维的车型数据。而三维场景建模通常使用Maya,3dmax或Alias等软件,在虚拟现实软件中对建立好的场景模型进行相应的材质调整,最后模拟真实的场景光源并融入场景;整车光顺评审时需要将整车放在不同的虚拟场景下进行对比评审。
  虚拟现实中的三维数据原始输入是wire或者catia格式的光顺数据。当光顺数据导入软件后,需要对零件的网格进行细分,法线调整,材质色彩等进行设定,最后要进行零件的烘焙,来计算零件自身在环境下的阴影以及零件与零件间的阴影,在计算机硬件条件允许的情况下可以使用RT(光线追踪渲染),阴影效果会好很多,更加融入环境。
  三维场景及三维数据建立好后,在虚拟现实系统中设置好客户评价视角,配置切换,材质切换,场景切换等,然后将这套虚拟现实系统逼真地展现在评审者面前,为了检验光顺数据的质量及技术可行性,会在长6m的大屏幕上做1:1的虚拟现实展示,考虑到虚拟现实软件会模拟人眼透视的效果,目前在外形评审时普遍采用FOV为25左右,内饰评审时FOV为45左右,具体根据整车尺寸及屏幕大小做适当地调整。全尺寸的车身及内外饰的三维立体影像能逼真地呈现在设计者眼前,评审人员能从不同位置实时查看整车的不同角度,可以直观地对整车光顺数据,造型方案,零件匹配性等进行全方位地评价。
  3 利用虚拟现实进行整车反光检测
  在整车光顺评审中,借助虚拟现实进行反光检测也是光顺评审的一个重要环节。
  光线追踪是一种用来根据一定的场景描述生成计算机合成图像的技术,他模拟自然界光的传输过程,但与之相反的是,它通过以摄像机为起點,朝着屏幕每个像素点的方向发射光线,这些光线在场景中与表面进行交互与传播,最终击中一个光源或发光体。尽管光线在场景中会按照光学规律经过多次反弹才会与光源或发光体相遇,然而早期限于计算机硬件性能以及光照算法的发展,我们并不能模拟完整的光照传输。最早的光线追踪技术称为光线投射,它首先从摄像机发出一条可视光线以找到场景中每个像素的可视点,然后从这个可视点向光源发射一条阴影光线以求出该可视点的颜色,光线投射技术是对渲染方程的以下近似:
  光线追踪都在光线投射的基础上,让光线沿反射或折射方向继续递归地传播,直到遇到光源为止。在该算法中,当一个光线击中一个表面时,它随机产生3条光线,即反射光,折射光和阴影光线。
  所以在模拟更加真实的虚拟现实内容时,光线跟踪经常被用到,比如传统的汽车反光问题通常在汽车设计阶段不会被发现,要在制作出实体模型后结合实际的光照环境才会发现问题,利用虚拟现实中光线追踪功能可以模拟真实的光照环境,从而在汽车前期开发阶段就尽早地发现问题。在整车评审中,利用光线追踪进行整车反光检测也是必不可少的环节。
  比如利用光线追踪来检查缝道的均匀性,如下两图所示分别是在未利用光线追踪和利用光线追踪技术后模拟前盖在上格栅高亮镀铬边框上的反光效果,黑色阴影的宽度均匀性同时也反应了缝道的均匀程度。
  同样,仪表板上的反光件也会不同程度地在前门玻璃上产生投影,在驾驶员看后视镜的时候会不同程度的影响视野,造成潜在危险。通过虚拟现实光线追踪技术可以在汽车前期设计阶段直观地展现仪表板反光件对驾驶员的影响程度。评审人员甚至可以通过虚拟现实软件结合3D头盔的形式身临其境地感受到反光效果以及对驾驶的影响程度。
  利用光线追踪进行虚拟现实数据渲染及实时展示对于计算机硬件的要求非常高,在单机情况下会花费很多时间等待实时光线追踪结果,特别是在完整的全局照明情况下需要多节点的集群同时参与渲染。渲染速度主要和虚拟现实数据多边形数量以及材质,光照等有关,数量越多越耗时。同一数据模型,在不同的场景情况下,渲染速度也是不同的。室内的场景会消耗更多的CPU资源,因为在室外光子仅仅被计算一到两次,但是在室内,光子会不停地反射和折射,会被计算很多次。在光顺评审中,目前少数整车企业已开始采用多节点方式对虚拟现实数据进行实时展示。   4 3D头盔结合虚拟现实进行整车沉浸式评价
  除了利用虚拟现实系统在大屏幕上进行1:1的整车光顺评审外,目前越来越多的车企开始利用3D头盔与虚拟现实软件项结合,给评审者提供“身临其境”的三维体验,眼睛看到的数据模型和实物模型有非常高的吻合度。戴上头戴显示器后不仅可以围绕着虚拟整车进行外饰评价,还可以结合虚拟座舱进行内饰和人机评价。通过这种评审方式,工作效率不仅得到了有效提升,还可以在有限的时间内对多种设计方案进行快速高效评审,在一定程度上也减少了实体模型的制作。如HTC公司的HTC VIVE,整款产品包含一个头戴显示器、两个手持控制器和定位系统,通过尝试将上述硬件与VR软件在Steam VR平台上整合为沉浸式虚拟现实评审系统,为整车研发提供虚拟的评审、交互平台,软硬件具有较好的兼容性,评审者可以通过手柄操作来改变交互的内容,如截面剪切,开关门等。但目前体验下来,该套头盔分辨率还是不够高,在体验过程中颗粒感明显,还不能够完全满足光顺数字模型的评审,所以部分车企目前开始尝试工业化头盔以达到更高的分辨率,相信随着产品的不断更新换代,以上硬件方面的问题也会很快会得到解决。
  5 基于虚拟现实的360°整车离线评价系统
  基于虚拟现实技术和数字化研发手段而开发的360°整车离线评价系统,可以随时随地离线地在电脑端,移动端随意浏览整车内外饰光顺数据,并在整车光顺实物模型评价,以及整车试车过程中,可以随意进行模型实物状态与光顺理论状态的对比。大大降低了人工成本和研发效率。同时这套虚拟现实展示系统还可以作为汽车销售的辅助手段,并可望在很大程度上降低汽车及其配件的销售成本,从而为汽车及其配件的可销售性提供支持。
  6 結论
  整车光顺评审的质量和周期直接决定了整车的开发周期以及量产车客户可见表面的质量,利用虚拟现实进行整车光顺评审和整车虚拟开发已是众多车企的发展趋势,虚拟现实所具备的高度逼真性,高度沉浸感,交互性等特点为整车研发带来了非常可观的经济性与时效性,相信随着未来软硬件的不断升级,虚拟现实必将会给评审者带来更好的体验,也必将会取代更多的实物模型。
  参考文献
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