基于密封式移动结构的环视CAVE技术显示构架

王妍 黄晓延 张宇飞

摘要：汽车造型评审是整车研发流程的重要控制节点，评审的进度和质量将直接影响整车开发进度。传统汽车造型评审主要采用制作油泥模型的方式，研发和时间成本高。近年来，随着虚拟现实技术的发展，CAVE逐渐在汽车造型设计评审中得以应用。本文提出一种基于密封式移动结构的环视CAVE技术显示构架，其相比传统装置具有方便移动、快速布置与收纳等特点，有助于虚拟现实技术在整车研发领域的推广应用。

Abstract： Automobile modeling review is an important control node of the whole vehicle R & D process. The progress and quality of the review will directly affect the development progress of the whole vehicle model. The traditional automobile modeling evaluation in automobile enterprises mainly adopts the way of making sludge model， which has high R & D and time cost. In recent years， With the development of virtual reality technology， CAVE is gradually applied in the review of automotive styling design. In this paper， a surround cave technology display framework based on sealed mobile structure is proposed. Compared with traditional display devices， it has the characteristics of convenient movement， rapid layout and storage， which contribute to the promotion and application of virtual reality technology in the field of vehicle research and development.

关键词：CAVE;虚拟现实;汽车研发设计

Key words： CAVE;virtual reality;automobile R & D design

中图分类号：U463.62                                   文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2021）21-0234-02

0  引言

汽车造型评审是整车研发流程的重要控制节点，评审的进度和质量将直接影响整个车型的开发进度。传统汽车造型评审阶段主要采用制作不同比例的油泥模型，制作周期长且投入成本高。近年来，虚拟现实作为融合计算机图形学、数字图像处理等的综合性技术，逐渐引入到整车开发阶段，以满足车企缩短研发周期和降低研发成本的迫切需求。CAVE作为一种高度沉浸式虚拟现实系统，配合虚拟引擎模型，可以让实在整车造型在沉浸化环境中交互评审。但传统CAVE系统由于结构复杂、装调难度大、投入成本高等问题，难以实现大规模推广和应用。本文提出一种基于密封式移动结构的环视CAVE技术显示构架，具有方便移动、快速布置与收纳等特点，对于虚拟现实技术在汽车研发设计阶段的应用发展具有一定的实际意义。

1  虚拟现实技术

虚拟现实技术是一项融合计算机圖形学、数字图像处理等的综合性高新实用技术[1]，其发展始于20世纪发展起来的一项全新的实用技术。2016年至今，我国政府和各部门发布了诸多专项行动、创新规划等，为虚拟现实技术在文化娱乐、信息通信、教育教学、医疗健康等领域的落地应用提供政策保障[2]。

对于传统汽车行业，随着软件技术和硬件产品成熟度的提高，虚拟现实逐渐贯穿从汽车研发、生产制造、宣传销售及售后维修等汽车产品的全过程，以满足车企缩短研发周期和降低研发成本的迫切需求。

2  CAVE技术

虚拟现实系统一般分为三种类型，即头盔式虚拟现实系统、单屏式虚拟现实系统和洞穴式虚拟现实系统。其中洞穴式虚拟现实系统（Cave Automotic Virtual Environment，CAVE）是一种基于投影的高度沉浸式系统，其特点是分辨率高、沉浸感强、交互性好。CAVE系统通常由三个及以上投影面组成，形成立方体投影空间，多名参与者配合VR眼镜则可以完全沉浸在虚拟仿真环境中[3]。国外主机厂较早将CAVE系统引入到了造型评审、空间评估、方案对比等汽车研发环节。如福特汽车、雷诺汽车、戴姆勒公司等[4]。

当前的CAVE显示装置多是基于投影仪，其结构复杂、体积巨大，一些技术方案中提出将投影显示替换为LED显示，以此大大减少系统的复杂性。然而，由于CAVE系统组成的立体显示空间较大，因此LED显示屏的面积也相应的较大，重量较重，这给CAVE显示的快速布置和收纳造成了难题，并且不方便移动，由此一定程度上限制了CAVE系统的推广应用。

3  基于密封式移动结构的环视CAVE技术显示构架介绍

基于密封式移动结构的环视CAVE技术显示安装构架，包括底板，所述底板上设有密封式移动结构，所述密封式移动结构包括矩形腔、缺口、空腔、电机A、转动通孔、延伸板、豁槽、螺纹通孔A、固定块、滑轮A、螺杆A、凹槽A、电机B、转动板、凹槽B、环形滑道、转动槽、滑轮B、顶罩、支撑块、侧板、显示屏、连接块、螺纹槽、嵌装槽、沉头孔以及螺栓，所述矩形腔由底板侧壁向内开入，所述缺口开在所述矩形腔内相对两侧壁，所述空腔开在所述底板内，所述显示屏通过所述连接块嵌装在所述嵌装槽内，所述螺栓穿过沉头孔旋拧连接在所述螺纹槽内。其结构组成如图1所示。

一种环视CAVE技术显示安装构架由设有密封式移动结构的底板（1）作为底层支撑。

密封式移动结构包括矩形腔（2）、缺口（3）、空腔（4）、电机A（5）、转动通孔（6）、延伸板（7）、豁槽（8）、螺纹通孔A（9）、固定块（10）、滑轮A（11）、螺杆A（12）、凹槽A（13）、电机B（14）、转动板（15）、凹槽B（16）、环形滑道（17）、转动槽（18）、滑轮B（19）、顶罩（20）、支撑块（21）、侧板（22）、显示屏（23）、连接块（24）、螺纹槽（25）、嵌装槽（26）、沉头孔（27）以及螺栓（28）。其中，矩形腔（2）由底板（1）侧壁向内开入，缺口（3）开在矩形腔（2）内相对两侧壁，空腔（4）开在底板（1）内，转动通孔（6）开在空腔（4）与矩形腔（2）之间且相连通，电机A（5）设置在空腔（4）内，延伸板（7）嵌装在矩形腔（2）内，豁槽（8）开在延伸板（7）底面，螺纹通孔A（9）开在豁槽（8）内侧壁，固定块（10）设置在豁槽（8）底面，滑轮A（11）活动连接在固定块（10）侧壁，螺杆A（12）活动套装在转动通孔（6）内与电机A（5）相连接且一端旋拧连接在螺纹通孔A（9）内，凹槽A（13）开在底板（1）正面，凹槽B（16）开在转动板（15）底面，电机B（14）设置在凹槽B（16）内，转动板（15）通过凹槽B（16）与电机B（14）输出端相连接，环形滑道（17）开在底板（1）正面，转动槽（18）开在转动板（15）底面，滚轮B活动连接在转动槽（18）内，顶罩（20）设置在底板（1）正面，支撑块（21）设置在延伸板（7）正面，侧板（22）设置在支撑块（21）顶面，连接块（24）设置在显示屏（23）侧壁，螺纹槽（25）开在连接块（24）侧壁，嵌装槽（26）分别开在侧板（22）与顶罩（20）侧壁，沉头孔（27）分别开在顶罩（20）与侧板（22）侧壁且与嵌装槽（26）相连通，显示屏（23）通过连接块（24）嵌装在嵌装槽（26）内，螺栓（28）穿过沉头孔（27）旋拧连接在螺纹槽（25）内。所述底板（1）底面开有一对的让位槽（29），所述延伸板（7）底面与所述让位槽（29）内均设有万向轮（30）。

4  基于密封式移动结构的环视CAVE技术显示构架使用方法

整体构架可以通过万向轮进行移动，移动到展示地点后，转动螺杆，使螺杆在螺纹通孔内转动，使下端的顶块接触地面起到固定作用，然后启动电机，电机输出端带动螺杆，使通过螺纹通孔连接在螺杆上的延伸板在矩形腔内向外移动，延伸板在移动过程中，豁槽内的滑轮能够起到辅助滑动作用，移动到最大距离后，参观的人员可以进入到顶罩内，然后再启动电机将延伸板收回，参观人员通过内部的四面显示屏来体验，顶部的通气网孔透气不透光，显示屏的分辨率也高于投影效果，这样能让体验效果更好，完全沉浸在之中，底板上表面的转动杆也就是体验人员站在的位置上，可以通过电机带动进行转动来配合体验，转动时底面的滑轮在环形滑道内辅助转动，显示屏通过连接块与嵌装槽处进行插装，然后通过螺栓与螺纹槽来配合进行固定，这样让四个面的显示屏之间的间隙更小。

基于密封式移动结构的环视CAVE技术显示构架方便移动、布置和收纳，且内部形成密封式，提高虚拟环境的体验效果和沉浸感。图2为三折式CAVE系统显示方案，硬件设备结合交叉融合与拼接融合的技术，实现对汽车整车设计流程中的虚拟评审、虚拟装配等环节的方案优化。

5  结束语

汽车造型评审是整车研发流程的重要控制节点，评审的进度和质量将直接影响整个车型的开发进度。目前车企传统研发流程中存在研发成本高、周期长、生产与研发脱节等痛点问题。CAVE作为一种高度沉浸式虚拟现实系统，可以为整车企业传统造型设计评审提供多样化的解决方案。本文提出的基于密封式移动结构的环视CAVE技术显示构架，其相比传统显示装置具有方便移动、快速布置与收纳等特点，真正地高效地辅助汽车设计、缩短研发周期，有助于虚拟现实技术在整车研发领域的推广应用。

参考文献：

[1]胡小强.虚拟现实技术与应用[M].高等教育出版社，2004.

[2]2020年全国及各省市虚拟现实（VR）行业相关政策梳理 [EB/OL].http：//zhengce.chinabaogao.com/it/2020/0R151232H020.html，

2020.

[3]张善立，施芬.虚拟现實概论[M].北京：北京理工大小出版社，2017.

[4]唐辉，王国锋，朱凌，等.汽车虚拟现实CAVE系统技术研究与应用[C]//第十五届中国CAE工程分析技术年会.