数字孪生技术在汽车设计评审中的应用

邵景峰　唐明星

摘 要：在数字化转型的时代，随着整车厂竞争的加剧，如何更多的使用数字化的手段来缩短新车型的研发周期，加快新车型上市的速度，已经成为各大主机厂迫切需要解决的问题。本文介绍了将数字孪生技术引入汽车造型评审中的技术解决方案，可以有效地优化评审过程，减少对实物模型的依赖，大大缩短在造型设计阶段的研发周期。同时，结合国内某整车厂公司近期全新整车造型开发中使用数字孪生技术来评审的实践，验证了以数字孪生模型代替实物模型的可能性。最后，展望了数字孪生技术在汽车研发中的更加广阔的应用前景。

关键词：数字孪生 汽车设计评审 虚拟现实头盔 汽车造型设计 虚拟现实模型

1 前言

汽车造型设计是在整车开发中至关重要的一部分，这其中汽车设计方案的评审是设计流程中最重要的一环。传统流程中汽车造型评审主要包括效果图评审，胶带图评审，数据评审，模型评审等，而最终设计方案的评审选定必须依赖制作周期漫长的仿真实物模型。

随着计算机技术和虚拟仿真技术的发展，虚拟现实头盔和一些虚拟仿真软件已经能够准确模拟全新造型设计的三维数字虚拟模型，去取代传统的人工制作的实物评审模型。

本文详细论述了基于虚拟现实技术和虚拟现实头盔的汽车造型设计评审方法，介绍了计算机三维虚拟仿真数据模型的制作流程，并在近期的国内某公司设计评审项目上进行了实践应用，通过对比传统的实物模型评审，验证了此虚拟评审方法的有效性和可靠性。

2 汽车业内主流造型评审方法综述

2.1 使用实物模型评审方法简介

目前主流的使用实物油泥模型进行造型设计评审的方法，设计师绘制二维平面效果图，油泥模型师根据效果图来制作实物油泥模型，整车油泥模型制作周期长，一辆整车模型制作通常需要两到三个月左右时间。油泥模型完成后，設计决策层对模型进行设计方案评审。需要注意的是，在油泥实物模型上反复推敲方案费时费力。因为全尺寸模型的制作工作量很大，首先要根据总布置图的要求精确的制作模型骨架，留足所需的油泥加工量及修改量。成吨的油泥需要用手工将其涂抹在模型骨架上。其后由经验丰富的油泥模型师以手工的形式把模型雕塑得成平面设计方案所表达的形态，如图1所示，整个过程耗费了大量的人力资源和时间。

2.2 使用实物模型评审方法缺陷

这种传统的设计评审方式，各个项目阶段的容错性很低，设计更改的代价非常高，而且对造型设计的参与人员素质和经验要求很高，即便如此仍然不能避免重复性的工作。在传统汽车造型设计流程中，设计和模型师的工作量都非常的大，设计开发过程中项目经常会延期以适应一些大的设计调整，最终导致研发成本非常高然而设计成果却不一定能快速反应设计师的设计意图。目前的设计流程大量中有大量的手工工序，是早期汽车设计发展经验的积淀，不可避免地存在很多无法适应新时代的劣势。一旦评审方案不通过，则需要重新制作新方案的实物油泥模型，前面数月的时间前功尽弃，因此浪费了大量的费用和项目。

3 数字化转型给设计评审带来的机遇

3.1 不断缩短的整车开发周期

在工业4.0的大背景下，各行各业都在积极推动行业转型升级，汽车行业也在发生变革，而数字化转型正是汽车行业可持续发展和高质量发展的必然选择。随着汽车行业竞争的加剧，各大主机厂都在尝试数字化转型，以缩短新车型开发的周期，节省研发成本，也加快新车上市的速度。比如：丰田汽车从十多年前整车开发周期接近40个月逐渐缩短到目前不超过30个月。国内的整车厂为了进一步提升竞争力，整车开发周期甚至缩短到24个月。在此背景下，传统汽车造型评审周期长、人员投入多且耗资巨大，单是一个汽车外形实物模型制作就需要近两到三个月的时间，这种评审方法已经不能满足快速整车开发需求。

因此，我们着手探索一些数字化创新的手段，力求通过这些创新的数字化方法和手段，去颠覆传统的设计评审流程和方法，进而能加快汽车设计流程，快速支持造型评审的顺利开展，减少对于传统物理模型的依赖，提升对于设计优化的响应速度。

3.2 数字孪生模型代替实物模型探索

数字孪生技术作为近来的新兴研究热点，数字孪生通过数字化方式，构建计算机虚拟实体来模拟物理实体。利用虚拟现实技术突破时空限制，建立物理对象的“数字化模型”，目的是减少各种场景下对于实物模型的依赖。比如利用计算机图形学技术、虚拟现实及增强现实技术已实现了在虚拟世界中创建数字化的虚拟工厂，来模拟生产中各环节的可实施性和生产效率的模拟计算。

本文的研究目的，是试图将数字孪生技术引入到汽车设计评审中，使用数字孪生模型，去替代实物模型，作为设计评审的核心载体。数字孪生的本质是为现实世界中的实体对象在数字虚拟世界中构建完全一致的数字模型，如同一对孪生兄弟，其中实体模型为实体兄弟，数字模型为数字兄弟。结合汽车设计的流程，传统的油泥模型是实体兄弟，数字虚拟模型为数字孪生兄弟。在绝大多数的设计评审中，使用数字孪生模型来评审，不再依赖实物模型。通过数字的手段，快速验证、调整设计方案。

数字孪生整车模型的创新之处，在于将整车开发前期所有的设计方案数字化、虚拟化、模型化，将设计方案和评审决策者之间建立起一个虚拟的桥梁。决策者可以进入到一个计算机虚拟的环境中，身临其境的去感受数字孪生模型方案。在评审的过程中，数字孪生设计方案也可根据决策者评审中提出的意见，实时的去调整数字孪生模型的的细节、观看角度、色彩纹理方案表达等。在内饰设计评审时，也可以通过定位器去捕捉评审者的手势，评审者可以在虚拟世界里去操作车内的娱乐大幕，实时的做到和车内娱乐屏幕等实时交互，验证HMI设计的合理性和美观性。

4 数字孪生模型设计构建的标准

笔者基于在汽车设计行业多年的工作经验，在多台全新车型研发评审中，结合传统实物模型评审过程中的评审者对于实物模型的具体要求，提出了一套数字孪生模型构建的准则，其重要目的就是让数字孪生模型能够对设计方案进行全方位、多维度、多视角的展现和刻画。最终目的是让数字孪生模型能够在大多数的使用场景中代替实物模型。

该设计构建准则以满足实际项目需求和解决实际评审问题为出发点，提出了“四化”准则，即标准化、准确化、沉浸化、简洁化。

4.1 数字孪生模型的标准化

由于研发企业里车型平台数量众多，我们目标是通过数字孪生模型的标准化，在模型定义、虚拟场景、开发流程、虚拟数据吞吐量、软件平台、运算方法等方面进行规范统一。数字孪生建模的标准化准则，是为了通过保证模型集成、模型数据交换、模型信息识别和模型维护上的一致性，实现针对不同的车型平台，不同的车型类别构建的数字孪生模型可以在同一个虚拟平台上进行展示，且相互兼容，进一步满足其通用性需求。一个标准的车型数字孪生场景，包含了虚拟环境，虚拟光线、虚拟材质等等方面的信息，标准化的数字孪生场景在面向不同车型建模使用时可以有效减少模型数量和差异化的模型的产生。

4.2 数字孪生模型的准确化

汽车设计是一个非常精密的工程，尤其是在外形和内饰设计高关注区域，精准的数据控制可以有效的提升整车的设计感知质量。数字孪生建模的精准化准则，是为了保证构建的数字孪生模型精准，以千分之一毫米的量级，去控制零件本身的光顺程度，以及零件和零件之间的匹配、间隙以及面差的要求。精准的数字孪生模型是数字孪生正确发挥功能的重要前提。以汽车内饰设计为例，由于内饰可见零件众多，不同零件的表面处理也不同，这就要求数字孪生模型必须精准的去反映每一个零件的形态和表面材质的定义，只有精准的数字孪生模型才能够在设计评审过程中将设计方案准确的展现给决策者。

4.3 数字孪生模型的沉浸化

数字孪生模型从来就是不是一个孤立的存在，实际应用中应该是和虚拟的场景一起，形成一个数字孪生的系统。以往评审者在评审实物模型时，和实物模型是处在同一个真实的时空空间，因此评审者可以获得100%的“沉浸感”。因此，在数字孪生系统里，也必须尽一切可能去提升评审者的“沉浸感”。数字孪生系统在设计、构建的过程中要以能够以直观、可见的形式呈现给用户为出发点，方便用户与模型进行深度交互。数字孪生系统由多要素、多维度、多领域、多尺度模型组装融合而成，可视化的数字孪生模型能够以生动、形象的方式展示整车模型模型的结构、设计优化过程、零部件细节等。

4.4 数字孪生模型的简洁化

由于当今研发的车型功能不断增加、配置的不断丰富、个性化的设计需求等因素带来的整车数据量也几何级数的在增加。然而，数字孪生模型要实现与评审者顺畅的交互，则必须控制总的数据吞吐量。数字孪生模型轻量化是在满足主要设计案细节无丢失、模型精度，交互功能等前提下，使模型在几何描述、承载信息、构建逻辑等方面实现精简。数字孪生建模的轻量化准则，是为了在数字孪生模型可用、通用的基础上，通过数字孪生模型速用，进一步满足针对复杂系统的数字孪生建模和模型运行的高效性需求。加快数字孪生模型运行速度，进而提高数字孪生模型支持实时虚拟仿真评审的响应速度。

5 整车数字孪生模型的构建

5.1 整车3D数据的精准化建模

整车3D数据建模，是构建数字孪生模型的最基础的一环，当设计师完成了大量的方案草图后，一般会选择其中的几个草图进行数字孪生数据模型制作。为了支持多设计方案的比较，需要同时构建多个数据模型，这些数据模型会去表现刻画设计的主要曲线和大面，但设计初期对细节不作深入，这样可以大大加快数据构建的速度。数据完成后利用概念模型数控加工出多个油泥模型，供模型师进行方案的调整与进一步优化。当油泥模型师在油泥模型上完成方案的修改后，可以用数字3D扫描仪将油泥模型表面的数据扫描到电脑，得到模型的计算机点云数据。基于此点云数据，进一步在计算机里进行详细的设计细节建模，比如大灯、进气格栅、车轮等等详细的细节数据；对于汽车内饰的孪生数据建模，继续完善内部的零部件细节，比如按键、出风口、仪表、方向盘、座椅等等。最终完成的孪生数据模型，必须具备完整的可视化信息，能精准反映整车设计方案每一处的设计细节。

5.2 整车3D数据的建模人机工程学考量

在数字孪生数据建模工程中必须对人机工程进行基本的布置，根据汽车驾驶舱草图，准备驾驶舱内参数，从设置H点开始，进而确定座舱乘员坐姿，触及范围，活动空间，视野等等，这一系列区域的设定有的为造型划定了边界，构建数字化人体模型，对汽车驾驶舱中的一些参数点进行初步设计；在所构建的汽车驾驶舱模型与数字人体模型之间进行交互时，共同构成人一机一环境系统，对数字化人体模型的驾驶姿势进行模拟，获得肢体关节角度；对數字人体模型姿势进行预测，而有的需要在造型完成到一定程度后再进行校核。对于造型设计而言，每一个人机参数的确定实际上都为造型空间增加了一道限定条件，而这些条件之间并非简单叠加，而是相互影响的。在确定坐姿后，车内空间基本成型，在纵向和横向的人体活动范围内便是有限的内饰造型设计空间。而之后的眼椭圆视野校核会给定区域，使得前风窗以及发动机前段面不能对前视野产生阻挡。等等这些总布置人机条件的输入都不断将车内外空间细化，为造型设计提供了依据与边界条件。

5.3 3D数据转换为虚拟孪生模型

建立好的3D数据模型是不带有真实材质纹理信息的“素模”，这种状态下的模型只能反映场景的物理结构，但并不具备真实性，因此需要对相应的数据模型进行相应的材质颜色调整。三维数模上仅带有基本材质信息，有些物体是没有办法通过调整基础材质来进一步的提升真实感的，特别是内饰的材质复杂程度更高，覆盖了皮质、布料、金属、塑料、水转印等多种质感。如何把三维模型数据变成真实生动的现实感体验，就需要根据真实世界的特殊图片纹理对虚拟三维模型数据进行图像处理。为了模拟真实化的效果，可以通过扫描材质样板得到计算机纹理图片，也可以通过程序化纹理，然后应用于三维虚拟模型上。

光线是物体能被人们所见的基础，光照的强弱、颜色、布局、方向等直接影响虚拟模型的表现效果。阴影是光线跟物体发生作用后所产生的自然结果，阴影直接决定了虚拟模型的真实度，所以光影是数字化虚拟仿真的基础。同样一个模型放在不同的环境中，最终的呈现的状态也不一样，因为不同的环境带给这个模型的光影是不一样的。在虚拟的世界也是如此，我们在决定模拟一个真实感的内饰模型时，首先需要模拟一个真实感的环境，通过环境中的光、物体带给这个内饰模型色彩、质感和阴影。同时虚拟仿真模型需要具备实时交互性，达到所见即所得的效果，所以不能够每更换一个角度都去运算虚拟光照所产生的阴影，这就需要把一次性运算好的光照信息转化为阴影贴图，赋予到模型的表面，通过跟普通材质进行混合，产生仿真的阴影效果，这样无论看任何角度都不需要再次运算，极大的提高了虚拟模型的演示效果，这个阴影贴图计算和赋予的过程就是光影烘焙。经过计算机运算，光影信息会以图片方式贴附到模型表面，达到跟真实世界一样的状态。如图4所示，最终的虚拟孪生模型在计算机的里效果。

6 数字孪生模型显示平台搭建

6.1 数字孪生模型沉浸式显示载体

数字孪生模型显示的载体，我们选择了一款虚拟现实头盔。头盔固定在用户的头部，头盔里集成的两个液晶显示屏分别向两只眼睛发出数字孪生模型的图像信号。这两个显示屏中的图像由计算机里数字孪生模型数据分别驱动，屏上的两幅图像存在着细小的差别类似于“双眼视差”，大脑将融合这两个图像获得深度感知，产生视错觉，评审者宛如走进了另外一个时空，和数字孪生模型一起处于一个全新的时空中，形成非常好的沉浸感，能够对数字孪生模型方案进行非常细致的评估。虚拟现实头盔如图6所示。

6.2 虚拟显示平台设计架构原理

头盔采用HTC VIVE Pro，是HTC公司与Valve公司联合开发的一款虚拟现实头戴式显示器。该头显通过控制器定位系统lighthouse技术完成头显在空间中的定位，是目前在分辨率、视角范围、刷新率、延迟和拓展设备这五个维度上性能均衡的头戴式显示器。Leap Motion是Leap开发的体感控制器，通过前方的红外LED和灰阶摄像头采集数据，并生成3D数据。Leap Motion在使用过程中不需要佩戴追踪手套，减少了穿脱的步骤，也不需要在使用前后对设备进行消毒。使用的硬件基于SteamVR，许多软件都支持SteamVR，如UE4、Unity。但是根据目前汽车设计流程的需求，在软件的平台上本方案选择VRED。硬件信号传输通路如图7所示。

虚拟现实头盔相关的硬件环境构成如图8所示：

6.3 数字孪生模型与虚拟场景相互位置绑定

虚拟物体和现实物体绑定后会存在虚拟与现实的偏差，原因在于追踪器的原点与矩阵变换中心绑定，而不是和现实中的固定位置绑定。在软件绑定之后需要在软件中进行调整，三维数据依据整车坐标系搭建，数据的原点就是整车坐标系的原点，可以通过整车坐标系中的原点进行定位。以整车左右中心对称面为Y0平面，以垂直与Y0面且平行于地面的平面为Z0平面，以垂直Y0平面同时垂直Z0平面且过前轮轮心的平面为X0平面。Y0平面和Z0平面的交线为x轴，X0平面和Y0平面的交线为z轴，X0平面和Z0平面的交线为y轴，原点在三轴相交处。将追踪器固定与Y0平面上，则可将该坐标系简化，只取x轴和y轴两个方向。矩阵变换中心是包含其子集所有物体的长方体尺寸中心，在本方案中可视为车辆模型的尺寸，则车辆模型的尺寸中心M0应为：

式中：

——车辆模型总长度，m；

——车辆模型总高度，m；

——车辆模型前悬长度，m；

——车轮半径，m。

座舱依据地面进行尺寸测量和位置调整，而每辆车的轮胎直径都不一样，所以无法根据整车坐标系进行定位。现提出一种进行测量定位的方法。将追踪器固定好后便可确定追踪器相对地面的高度。在x轴上坐标可通过门板铰链进行推导。在三维数据中，门板铰链与数据原点在Y0平面上的距离和追踪器距与门板铰链的距离可测量出。则Vive追踪器的位置MV应该为：

式中：

——门板铰链与数据原点在Y0平面上的距离，m；

——追踪器距与门板铰链的距离，m；

——追踪器相对地面的高度，m。

可知矩阵变换中心在x轴和y轴两个方向上调整的位置距离为：

与在整车坐标系中的位置关系可见图9。座舱绑定好后再以此为依据将车门和方向盘的位置进行调整、匹配，最后在虚拟场景中进行进一步的调试匹配，以确认人体的感知准确。

7 应用与实践

在孪生数字虚拟模型设计完成后，我们在某乘用车公司最新开发的某车型进行了计算机数字孪生模型评审取代实物模型评审的首次应用。

此次应用主要在整车内外饰设计方案评审上进行，相对比汽车外形模型，内饰模型方案零部件多、不同的色彩紋理材质多，同时零件匹配以及安装机构更为复杂，因此更能去检验虚拟现实评审的可行性和可靠性。

7.1 数字孪生模型的项目评审实践

数字孪生模型评审由外形评审和内饰评审两部分组成。外形评审时，评审者佩戴虚拟现实头盔，手持手部控制器，在设置好的活动区域内对虚拟模型车进行自由观察，可以用手部控制器选择下一个观察点的位置和初始观察角度，图10。

内饰评审时，评审者佩戴虚拟现实头盔，坐在座舱中，手持手部控制器对双手进行模拟，查看内饰设计的每一处细节，同时可以感受内饰按键等人机工程操作可靠性，可通过预设角度体验各个位置的空间感和设计，图11为内饰评审时的虚拟座舱。

7.2 评审者关注的内饰模型重点区域虚拟验证

在汽车设计评审使用过程中，评审者在自由观看过程中会重点关注一些区域，并表现出一定的行为习惯。针对这一问题，我们预先在传统实物模型评审过程中对6位评审者进行了仔细观察并记录下评审者的行为，评审者对于方向盘、中控屏、中控台、门板这些可触及的地方表现出很大的兴趣，会结合人机工程进行评审。评审者也会对半舱样件模型中没有的顶棚和后排座椅也表现出极大的兴趣。

根据这些决策者的评审习惯，我们在使用虚拟现实头盔进行虚拟评审时，重点去记录评审者在虚拟环境下对这些重点区域的感知情况，表1是在评审过程中针对6位戴头盔的评审者，做的实时评审感受的记录，从反馈的情况数据来看，评审者可以通过头盔，真实的感受到数字孪生模型95%以上的细节区域，基本上达到了和使用实物模型评审相同的效果。这就反映出采用数字孪生模型评审的可靠性和可依赖性。

7.3 数字孪生模型对于汽车颜色和材质的还原验证

对汽车造型设计而言，汽车外形颜色也是重要的组成部分，在公司决策层的评审内容里，也包含对于不同色彩方案的选择。每个车型都有多个色彩可以选择，颜色的匹配度也是衡量整车感知质量的重要因素。

为了验证虚拟现实头盔里对于设计方案颜色的的真实表现还原情况，我们通过制作了大量的实物的色板，这些色代表了正在研发的车型上潜在或者将要尝试使用的色彩方案，如图12所示。

色板制作完成后通过计算机将色板模拟成不同的虚拟颜色材质库，再江此材质库里不同的虚拟材质映射到虚拟样车模型上，如图13，所示。虚拟材质最终实施到虚拟样车模型上，做成虚拟样车模型在虚拟头盔里展示出来。经过多位评审者者戴上虚拟头盔后，对于虚拟车身颜色真实的视觉感受和色板进行对比后，一致认为无法从肉眼上分辨出两者的差别，验证了虚拟模型从评审者的视角真实还原了颜色的信息。

8 结论与展望

本文提出一套针对汽车造型设计评审的新方法，为数字孪生技术在汽车评审中的应用建立新的思路。启发汽车设计师使用全数字化虚拟的手段去展示自己的设计方案供领导层决策，对汽车研发企业缩短研发周期，节省研发费用也有非常大的促进作用。结合在企业实际项目中应用的尝试，证明了使用数字孪生模型进行评审的方法是可靠的和可以依赖的。

随着计算机水平、图形图像显示等技术进一步的发展，数字孪生技术能进一步突破现有技术的束缚，会朝着更加高包容度、更加真实化、更加顺畅的方向发展。除了在设计评审领域使用外，在虚拟整车试验、虚拟人机校核等等领域也会产生极大的应用价值。我们相信，不久的将来，数字孪生技术一定会在汽车研发的各个领域都成为主要的技术手段。

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