虚拟现实技术在汽车行业的应用

冯　锐

（北京卓众出版有限公司，北京 100083 ）

虚拟现实技术在汽车行业的应用

冯锐

（北京卓众出版有限公司，北京 100083 ）

本文介绍了虚拟现实技术的基本情况，列举了虚拟现实技术在汽车行业取得的成果及应用，并对如何充分利用虚拟现实技术提出了观点。文章最后对虚拟现实技术的发展情况、应用前景和研究热点做了展望。

虚拟现实；汽车；应用

1　什么是虚拟现实

近年来，“虚拟现实”概念成为人们关注的热点。虽然虚拟现实技术是最近几年才开始被普通消费者所熟悉，但是其实这项技术的发展已经有几十年了。在20世纪50年代，就已经有第一个将座位震动、嗅觉和3D技术结合到一起的电影了。这种可以让自己逃离到另外一个虚拟现实世界的身临其境体验，让许多人都感到非常兴奋，虚拟现实可以让你进入到一个纯虚拟的空间，在虚拟的空间里面去进行体验。

图1　虚拟现实设备Oculus Rift

虚拟现实（Virtual Reality，缩写为VR），也称虚拟环境，是利用电脑模拟产生一个三维空间的虚拟世界，提供用户关于视觉等感官的模拟，让用户感觉仿佛身历其境，可以及时、没有限制地观察三维空间内的事物。用户进行位置移动时，电脑可以立即进行复杂的运算，将精确的三维世界视频传回产生临场感。该技术集成了计算机图形、计算机仿真、人工智能、感应、显示及网络并行处理等技术的最新发展成果，是一种由计算机技术辅助生成的高技术模拟系统。

2　虚拟现实技术现状

2016年被称作虚拟现实的元年，VR时代即将到来，Oculus Rift、HTC Vive、PS VR等新一波主流虚拟现实产品也陆续上市。虚拟现实技术不再仅仅是科研实验室中的产品，越来越多的民众将接触到虚拟现实技术。值得一提的是为了更好的宣传虚拟现实技术，HTC以各大网吧为切入，在全国20家网吧中设置了虚拟现实体验馆，使得普通民众能更加容易接触到虚拟现实技术。

根据美国IT研究与顾问咨询公司Gartner预计，2018年底VR设备销量将达2 500万台。市场普遍认为，伴随面向消费市场的硬件和内容的批量上市，2016年VR行业有望迎来爆发。多家巨头在CES和MWC中屡出新品就是一个特别的信号。预计到2020年，全球头戴VR设备年销量将达4 000万台左右，市场规模约400亿元，加上内容服务和企业级应用，市场容量超过千亿元。

3　汽车行业中的虚拟现实技术

3.1模拟零部件装配

虚拟装配是在产品的设计过程中，运用3D技术对零部件及其装配体进行建模仿真分析，发现零部件之间装配关系是否存在问题。在虚拟装配时，我们应该对装配体进行装配规划，对装配顺序、装配方案、所用工具、夹具及装配线等相关问题进行分析和决策。然而，现在采用的3D软件由于技术的限制，对产品的装配设计和工艺设计不能完整地描述，产品装配的最终质量需要利用相同大小的几何模型去检测和评价，导致产品开发周期过长、产品开发成本颇高。虚拟现实技术在机械制造方面的应用为上述有关问题提供了一种全新的、低成本的研究前景。基于虚拟现实技术，操作者如同身临其境地“沉浸”于模拟环境中，对虚拟现实世界中的物体进行操作。虚拟装配是以产品装配设计为基础，运用虚拟现实仿真平台，结合虚拟外设的应用，设计者可以在虚拟现实环境中人机交互地对机械产品进行一系列的操作，最终设计出符合工程实际应用的装配方案。［1］

3.2车辆运动仿真

把虚拟现实技术用于车辆运动仿真中，以立体图像的形式输出车辆运动的仿真结果，参与者能交互控制仿真过程，改进了人们利用计算机对车辆运动仿真数据的处理方式，使人们对车辆运动仿真的分析、理解变得更为容易。［2］

汽车运动仿真通常运用在交通事故的模拟再现上，交通事故处理部门根据经验和在交通事故现场测得原始数据得出事故车辆在整个事故过程中的运动情况后，为便于分析判断，使用交通事故动画模拟系统以三维动画的形式再现交通事故的发生过程。由于现实世界中事故形态多种多样，车辆形状各不相同，要求演示程序能够演示典型事故形态及典型车辆类型的事故。对于不同类型的车辆，需要制作相应的三维车身演示模型，为了增加演示的真实感，需要根据实际现场的情况，调节演示的背景元素。同时为了观察方便，需要调节视点及视角。

图2　福特工厂模拟装配

图3　福特工厂模拟装配

交通事故动画模拟系统是计算机虚拟现实技术在交通事故分析与处理中的具体运用。虚拟现实技术的核心就是建模与仿真，动画模拟系统的核心功能是对交通事故中车辆、行人、道路、天气等元素进行三维建模，然后通过对模型的控制来对交通事故的场景进行仿真。

当车辆在虚拟环境中运动时，要产生真实的两车碰撞场景，必须对参与碰撞的车辆进行实时的碰撞检测和响应。两车发生碰撞时，车辆应对碰撞发生响应。车辆碰撞模拟中的实时碰撞检测，主要用于对车辆之间的碰撞进行实时检测，并做出响应。根据上述模拟方法，将虚拟方法应用于两车碰撞事故上，交通事故三维动画模拟系统中的运动控制模块必须能实时检测出汽车三维模型的碰撞，并根据汽车的质量、碰撞后的速度等参数模拟出交通事故的发生过程，如果过程与真实现场不符，则需要检验输入参数、速度模型的计算、碰撞检测的结果以便重新进行仿真模拟。［3］

3.3车辆安全模拟

车辆操纵稳定性一般采用实车试验方法以及理论分析与数值仿真方法进行研究。实车试验方法受约束条件很多，如测量仪器、道路、驾驶员、天气等，而且周期长，需要花费大量的人力、物力和财力；理论分析与数值仿真的方法可以克服上述问题，因此得到快速发展，但此类方法在数据处理时一般采用曲线的方式表示，无法对人车环境闭环系统进行主观评价。

虚拟样机以及虚拟现实技术的出现，使车辆性能的研究方法有了很大飞跃。将车辆的参数化模型与复杂的虚拟试验环境相结合，用真实驾驶员进行仿真驾驶，以视、听、触觉等作用于用户，使之产生身临其境的感觉，体验汽车的振动、倾斜、噪声等效果，在设计早期可及时发现问题，进行调整优化，具有节省资金、可重复性强等优点。［4］

3.4模拟驾驶

汽车驾驶模拟器是一种基于虚拟现实技术，能正确模拟汽车驾驶动作，获得实车驾驶感觉的仿真设备，而其视觉系统又是驾驶模拟器的关键系统之一，因为它是使操作者能否产生沉浸感交互感和身临其境的关键。

在国外，汽车驾驶模拟器的研究开发较早汽车驾驶模拟器作为培训工具在发达国家早已普遍运用，日本政府在1970年就以正式法律规定，汽车驾驶学校必须装备汽车驾驶模拟器。美国在20世纪70年代中期就有500多所汽车驾驶学校装备了汽车驾驶模拟训练器。大多数欧洲国家也相继制定了使用汽车驾驶训练模拟器的法规。德国、瑞典、日本、美国的各大汽车厂都分别建立了开发型汽车驾驶模拟器。［5］

3.5城市交通仿真

虚拟现实技术具有沉浸感强、人机互动良好等特点，这些特点决定了虚拟现实技术尤其适合于城市交通模拟研究和应用。将虚拟现实技术应用在城市交通仿真中，以现实的城市道路为基本，三维虚拟城市的每个街区，用户将真实感受周围的各种建筑，路边的花草、树木，交通流运行情况。还可以通过相应的感官设备置身于虚拟城市交通之中，驾驶虚拟车辆穿行于城市交通干道，亲自体验虚拟城市交通的通行能力及各个交通路口的管理和控制情况。

图4　模拟驾驶系统

图5　交通仿真技术

除了提供用户感官体验外，城市规划者可以直接在三维虚拟城市中进行道路规划与设计。通过直观了解道路周边环境，可以更全面的考虑道路与周边环境的协调性关系以及对交通安全的影响，从而更好的优化道路设计。［6］

4　虚拟现实技术的应用展望

虚拟现实技术是一项发展中的、具有深远的潜在应用方向的新技术，它正朝着满足人类不同需要的方向发展。虚拟现实技术又是一门富有挑战性的交叉技术、前沿学科和研究领域，从某种意义上讲它将改变人们的思维方式，甚至会改变人们对世界、自己、空间和时间的看法。虚拟现实技术还有着广阔的应用前景，并且随着传感器技术、仿真技术、多媒体技术、信息处理技术等相关技术的发展，虚拟现实技术将不断取得进步，它必将为我们开辟一个崭新的天地。

虚拟环境下产品的研究与开发能提高企业的创新能力，提高设计制造速度，减少开发人员、开发费用、硬件资源。使企业降低成本降低。虚拟环境下的产品研究与开发未来要解决的关键问题是开发过程中的知识熔合（Knowledge Fusion），将不同领域的知识嵌入产品开发过程中，使企业获最大利益。［7］

［1］ 白姗姗.基于虚拟现实的发动机曲柄连杆机构装配关键技术研究.长春工业大学.2015

［2］ 尹念东 余群.基于桌面虚拟现实系统车辆运动仿真的立体视觉实现.农业机械学报.第33卷第1期.2002

［3］ 高凤玲 熊静. 基于虚拟现实技术的汽车安全控制及三维仿真研究.北京汽车.2007

［4］ 王树凤 余群 柴山 刚宪约.基于虚拟技术的车辆操纵稳定性评价系统.农业机械学报.第38卷第7期.2007

［5］ 陈定方 李勋祥 李文锋 尹念东.基于分布式虚拟现实技术的汽车驾驶模拟器的研究.系统仿真学报.Vol.17 No.2 2005

［6］ 刘薇 费娜 党增明.基于Vega Prime的虚拟现实城市交通仿真系统研究.城市建设理论研究.2014

［7］ 邹湘军 孙健 何汉武 郑德涛 陈新.虚拟现实技术的演变发展与展望.系统仿真学报.2004