XR 技术解析与汽车行业运用前景分析

肖晟

（东风柳州汽车有限公司，柳州 545005）

0 引言

随着芯片技术的发展，高算力的支持使得AR 和MR技术在近几年进步迅速，出现了多种计算机仿真技术混合使用的场景，扩展现实的手段不再仅限于传统意义的VR虚拟现实，于是行业内将VR、AR和MR这3种技术统称为XR。本文首先对3种技术路线上的特点和优劣进行解析，就不同的应用场景提出技术路线的选择建议，然后分析XR技术在汽车研发设计、辅助驾驶和广告营销等方面的运用前景。

1 VR、AR 和MR技术路线的区别

硬件设备只是一种载体，某一台设备在不同的运用场景下，可是VR，也可能是AR 或者MR，这些技术的集合可以统称为“XR”（图1），因此这里主要针对技术的差异，而不是设备的差异。

图1 VR、AR和MR 的相互关系

1.1 VR虚拟现实

VR虚拟现实技术即Virtual Reality，是指完全由计算机建模的三维虚拟世界，通过封闭的头戴显示器，以及其他动作追踪设备，尽可能的将使用者的感官带入到虚拟的世界中，追求完全沉浸和融入[1]。

VR的特点有，全封闭的视觉设备、完全虚拟的世界，以及尽可能的脱离现实。

1.1.1 VR虚拟现实的技术手段

根据仿真模拟的程度，可以分为以下3个级别。

（1）初级VR虚拟现实。初级的VR 即基于视觉的体验，人类最容易获得沉浸感的感官就是视觉，只需要一部手机或其他显示设备，通过屏幕播放左右眼视差的视频，隔离左右眼视野，即可实现3D视频的播放，在此基础上如果利用陀螺仪，在转动头部的同时，画面也同步转动，也可实现全景视频的播放。

这种初级的VR效果，多用于视频信息的观看，仅支持头部沿X、Y、Z轴3个自由度的旋转运动（3DOF），人体无法在这些视频场景中进行平移。

（2）中级VR 虚拟现实。中级的VR，是基于视觉、位移和双手互动性的体验，所看到的内容也并非录制好的视频，而是可以在其中移动的三维空间，通过手柄、动作追踪器等设备，操作者可以在虚拟的世界中产生位移，触摸和操作虚拟物品，这也是目前最成熟，运用范围最广的一种VR，支持沿X、Y、Z轴6个自由度的旋转、平移运动（6DOF）。

（3）高级VR虚拟现实。高级VR需要人体全感官带入。虽然中级的VR已经实现了6DOF，但在使用手柄在虚拟世界中移动时，人的身体在现实中是静止的，会给人带来眩晕感，为了解决脚部的运动同步，市面上出现了一种万向跑步机来控制VR中的移动，使人体现实与虚拟世界的运动同步，最大程度把所有感官带入虚拟世界。

1.1.2 VR 的发展方向和技术难点

VR技术难点在于，追求媲美现实的仿真程度。首先，计算机要有极高的算力来实时渲染照片级的高分辨率画面。其次，需要能捕捉人体所有动作的设备，以及触觉反馈设备。但由于人的身体并不能完全脱离现实，即使芯片演算能力提高能接解决画面拟真度的问题，肢体的运动依然会受到真实世界的束缚，这是VR 的技术瓶颈。因此可以说VR技术的门槛很低，但上限却非常高。

1.1.3 VR 技术的运用场景

VR作为目前技术成熟度最高的仿真手段，软件开发简单、成本低，在各领域已经有广泛运用。随着芯片算力的提高和体积的缩小，高集成度的设备陆续出现，价格也从上万元下探到3千元级别，VR设备正在逐渐走进人们的生活和工作，其用途也从游戏扩展到了工业、教育军事等方面。其适用领域包括：①需要创建完全虚拟场景，有多人互动要求；②需要1∶1立体展示现实中不存在的场景；③需要完全沉浸，脱离现实的场景。

1.2 AR 增强现实

AR 增强现实即Augmented Reality，指在视觉上对现实世界进行画面叠加及扩展，使人眼看到的现实世界带有丰富的图像信息[2]。这种技术不一定是穿戴设备，只要能将信息叠加到现实并能被人获取到，都可以被定义为AR。AR 的特点有：开放性的视觉设备和基于现实的世界叠加信息，但难以实现三维遮挡和空间互动。

1.2.1 AR增强现实的技术手段

根据不同的观测介质，可以分为3种类别。

（1）基于观测结果的增强现实。这类AR 技术需要借助摄像头和显示设备来实现，如智能手机、平板电脑或独立的摄像机和显示器。其特点是将叠加完成的视频结果进行展示，可以实现多人观看。主要类型如下。

图形识别类：指通过手机、平板电脑的摄像头，拍摄提前定义好的图案或者二维码进行识别，识别后会自动触发预设好的虚拟的物体在屏幕上呈现，并使其坐标与图案绑定。

定位服务类：是指使用智能设备中的GPS来提供位置数据，基于定位提供对应的AR信息，多用于地图导航类应用。例如，打开手机应用开启摄像头对着街道拍照，屏幕上可以显示附近的商家名称、评价等信息，以及实景导航等。

场景类：通过相机拍摄场景并将虚拟物品合成到场景，再由显示器展示。该类型可用于购物软件，比如网购平台APP的AR摆放功能，通过手机将商品虚拟的摆放到家里看看效果；或者用于各类表演、晚会和展览的直播合成，展示实时特效。

（2）基于被观测物体的增强现实。这类AR技术通常是通过投影设备将信息直接投影到物体的表面来呈现信息。因此普通投影仪其实就可以理解为简单的AR设备，由于是在被观测物体上覆盖信息，可以多人同时观看。通过一定程度的编程，投影机也可以实现很多非常真实的现实叠加视觉效果，比如在特定物体表面、建筑、地面、水幕和烟雾，甚至人体表面进行投影。

（3）基于观测路径的增强现实。这类设备是通过在某些透明介质上显示信息，来将信息叠加到现实中，比如玻璃、眼镜等，利用光线折射原理在透明介质上成像。由于叠加物是观测路径，其特点是只能单人使用。这类AR产品是独立AR硬件产品最常用的技术，例如AR眼镜和汽车上的HUD等。

1.2.2 AR的发展方向和技术难点

AR 的技术难点在于如何与现实融合，并将叠加的信息或虚拟物品与现实发生交互关系，这同时也是AR的发展方向，实现这种关系需要有强大的空间算法。将投影设备、显示设备和动作捕捉设备，才能使叠加的信息出现层次和交互性，同时要解决AR显示内容叠加多数为半透明效果的问题。

1.2.3 AR技术的运用场景

AR 技术其实已经很早就在我们的生活中有运用，只是当时还没有出现AR这样的理解。前文说到投影仪其实就是增强现实，如果在一块透明底片上的投影，就形成了AR技术的雏形。直到近几年出现了基于摄像头叠加算法的AR技术，才逐渐认为是AR技术的发展方向。 其适用领域包括：①需要在现实世界叠加信息；②需要在现实场景展示虚拟的物品；③不需要完全沉浸，脱离现实的场景；④便携性，使用过程中不影响正常生活；⑤不需要触摸虚拟物品、多人互动的场景。

1.3 混合现实

MR 混合现实即Mixed Reality，是一个相对比较新的概念，顾名思义就是将虚拟与现实进行混合。如果说AR是把虚拟的东西叠加到真实世界是通过图层遮盖的原理，显示的内容图层关系相对固定，MR则是把现实与虚拟物品融合在一起，虚拟物品与现实产生物理碰撞及遮挡关系。MR与VR、AR的效果差异如图2所示。其特点有：①封闭式的视觉设备；②基于现实的世界的三维叠加和互动；③看到的是经过摄像头算法处理后的视频信息。

图2 VR、AR 和MR 的效果差异

1.3.1 MR 混合现实的技术手段

MR 目前只有一种技术路线，首先使用摄像头或者激光雷达来扫描现实世界，获得现实世界的3D信息，然后在捕获的3D数据中建立虚拟物品，使虚拟物品与现实的遮挡关系、物理关系一致，再与摄像头拍摄的画面进行混合，通过显示器将画面播放给人眼[3]。也就是说MR与AR的不同，在于MR 看到的是视频画面，而AR看到的是现实。

1.3.2 MR 的技术难点

目前市面上的产品需要提前将场景扫描建模后才能使用。如果使用过程中，房间的物品发生移动，那么三维空间的遮挡关系就无法准确实现。因此MR要做到现实与虚拟的实时无缝对接，这需要高分辨率、低延迟的视频画面，高仿真度的三维建模，以及深度信息实时采集演算。这些技术都需要芯片算力的提高来实现，同时设备还要做到可随身穿戴的便携性。但相比AR和VR的难度，MR技术集成度高，芯片算力本身进步速度很快，所以MR会在更短的时间内取得突破进展，运用前景也更加广阔。

1.3.3 MR 技术的发展方向及运用前景

MR 技术是基于VR和AR技术的不断成熟后，才在近几年出现的一种新的发展方向。综合了前面两者的技术优势，实现了在现实世界中与虚拟物品进行交互，也就是说VR和AR 的功能，MR都可以实现。而且由于现实世界可以被录制为虚拟现实，因此可以实现多人实时共享和交互，大大拓宽了运用领域。其适用领域包括：①需要同时兼顾现实世界和虚拟世界，可以在不摘下设备的情况下无缝切换；②需要虚拟的物品能够完全融合现实，实现遮挡关系、触摸互动；③便携性，穿戴过程中可以自由移动不影响正常生活。

2 汽车行业中的运用场景

2.1 VR技术在汽车设计中的运用

汽车外观造型设计过程中，在CAS曲面或者A 级曲面设计阶段，需要1：1验证3D数模状态。传统的做法是制作多个等比例的油泥模型或者实物验证模型，但制作实物模型费用高，而且时间周期长，所以汽车行业现在普遍使用虚拟样车来做设计阶段验证以减少开发时间（图3）。

图3 VR 虚拟现实评审

设计就是从虚拟到现实，从无到有的过程，如何在这个“无”的阶段找到现实的感觉，就是提高设计效率的关键。VR技术成熟，目前已成为汽车企业的一个常用评审辅助手段。其主要用途有：①在没有实车的阶段，使用VR虚拟样车评审可以帮助设计师和决策层快速的看到样车1：1的真实效果，感知整车的空间、CMF、人机设计品质等，便于发现和整改问题[4]；②通过VR虚拟装配，可以判断生产制造过程中的操作便利性，和干涉情况。

随着市场竞争越来越激烈，唯有缩短开发周期，才能快速抢占市场。很多汽车企业正尝试将造型开发的周期从常规10个月缩短至8个月甚至6个月，这就需要虚拟仿真技术能够真实到取代实物模型的效果，将数字样车的短周期优势发挥到最大化。

2.2 MR 技术在汽车设计中的运用

近年来MR技术目前已成为VR技术的升级换代方向，在各大汽车厂中开始尝试运用推广，可以实现VR无法实现的功能。

（1）将虚拟的车辆合成在现实场景中，也可以将虚拟的模型合成到现实的车辆上，可以做到多人实时围绕模型进行评审和观察（图4）。比如用于车型的改款设计，或模型的局部改型，只需将更改的部分合成到实车上就可以看到效果。

图4 MR 混合现实评审

（2）可以与现实世界发生交互，可以实现某些场景下的教学和演示。比如教会新员工如何维修部件，展示模型评审时，将方案讲解结合到实车模型上。

2.3 AR 技术在汽车行业的运用场景

AR 技术作为一种侧重信息显示的技术，主要用于汽车HUD信息显示，以及汽车销售和宣传方面。

2.3.1 汽车辅助驾驶运用

（1）基于透明介质折射技术，最常见的就是用于前挡风玻璃的AR-HUD（Head-up Display），可以直接将汽车行驶的速度、导航等信息直接投影到前挡风玻璃以外5 m 左右的位置（图5）。该应用不需要驾驶员低头去看仪表或手机，提高驾驶安全性。未来AR-HUD 的发展方向是将显示内容准确的贴合到现实世界，例如将导航路线映射到路面，实时显示目的地坐标和方向等，让驾驶信息更加直观[5]。

图5 汽车AR-HUD效果

另一种概念性的方案，是取消汽车内的仪表，将所有驾驶信息通过一个便携的AR眼镜来实现，可以获得更加丰富的显示内容，而且不受实体屏幕的限制。

（2）基于投影的AR 辅助驾驶，是通过带有投影功能的汽车前大灯，将信息投影到地面，实现路面导航、驾驶安全信息显示。由于灯光可以被其他交通参与者观测，也可以实现和他人的信息交互，例如提醒其他车辆、行人避让或礼让。这项技术目前处于起步阶段，未来随芯片技术和灯光投影技术发展，可以实现更高精度的彩色投影。

2.3.2 汽车营销手段运用

营销方面运用较多的是基于显示设备的AR。比如用于汽车评测APP，通过AR技术可以将3D的车辆模型合成到手机摄像头拍摄的画面中，用户可以通过移动手机来观察虚拟的车辆。车展展台可以通过合成视频画面，将虚拟的车辆或者特效合成在现实场景中，展示在大屏幕，提升营销效果。

3 结束语

XR技术在不断的追求虚拟世界的仿真程度，以及虚拟与现实结合的准确度，对于汽车行业目前激烈的竞争环境，一旦有企业在XR技术能力上取得重大突破，整车研发周期可以大幅缩短以迅速抢占市场，汽车设计流程将受到革命性的影响，另外在辅助驾驶、汽车营销及选购产品方面，也会给客户带来全新的体验，所以汽车企业应当做好XR技术预研和储备，以应对XR技术带来的变革。