探讨汽车造型及工程分析中的虚拟现实技术的应用

　　摘要：介绍了虚拟现实在可视化、CAE工程计算结果处理方面中的相关技术， 探讨了它在汽车造型评审、汽车试验、工程分析等设计过程中的应用及技术发展。

　　关键词：虚拟现实； 可视化； 工程分析

Abstract:

　　The related technologies of virtual reality in visualization and the post-processing of CAE are presented, and its application in vehicle development process including styling evaluation, testing and engineering analysis and its technical trend are investigated.

　　Keyword:Virtual reality;Visualization;Engineering Analysis;

目录

　　前言…………………………………………………………………………1

　　1虚拟现实技术基础…………………………………………………………………………2

　　1.1虚拟现实技术特征…………………………………………………………………………3

　　1.2虚拟现实相关技术…………………………………………………………………………3

　　2虚拟现实技术在汽车造型中的应用…………………………………………………………………………4

　　3虚拟技术在汽车试验及CAE工程计算中的应用…………………………………………………………………………5

　　4汽车虚拟现实技术未来发展…………………………………………………………………………6

　　5结束语…………………………………………………………………………7

　　文内图表…………………………………………………………………………8

　　图1汽车虚拟试验…………………………………………………………………………9

　　参考文献…………………………………………………………………………10

　　前言

　　现代汽车造型设计中， 车型的效果图是设计工程师常用的非常重要的表现手法之一。它形象直观， 一目了然， 不仅表现汽车设计的形态， 而且能表现色彩、机理及材料质感。在高品质可视化的基础上， 可对汽车CAE仿真计算的后处理与结果进行查看、理解和交流， 这对设计的评审、决策非常有效。

　　虚拟现实 （virtual reality, VR） 技术通过集成各种计算机技术并充分发挥其应用潜能， 使汽车开发设计能够可靠地在计算机内部虚拟实现和完成。虚拟技术有助于决策层及早对设计方案进行决策和跟踪管理；加强异地的合作， 共同解决技术难题；在制造样车前进行反复验证和校核， 从而及早发现和避免设计错误；在产品投产前及早获取产品信息以进行市场调查。贯穿于产品开发全过程的虚拟技术可使产品性能得到全面系统的优化， 能大大缩短开发周期， 提高企业在市场中的竞争力[1].

　　1 虚拟现实技术基础

　　虚拟现实技术采用以计算机技术为核心的现代高科技生成逼真的视、听、触觉等一体化的虚拟环境， 用户借助必要的设备以自然的方式与虚拟世界中的物体进行交互， 互相影响， 从而产生亲临真实环境的感受和体验。

　　1.1 虚拟现实技术特征[2]

　　（1） 沉浸性

　　虚拟现实的沉浸性就是让用户觉得自己是计算机系统所创建的虚拟世界中的一部分， 使用户由被动的观察者变为主动的参与者， 沉浸于虚拟世界中， 参与虚拟世界的各种活动。这种沉浸性来源于对虚拟世界的多感知性， 除了常见的视觉感知、听觉感知外， 还有力觉感知、触觉感知、运动感知、嗅觉感知、身体感知等。随着技术的不断进步， 味觉等感知也将变成可能。

　　（2） 交互性

　　虚拟现实系统的交互性强调人与虚拟世界之间要以自然的方式交互， 如人的走动、头的转动， 手的移动等， 通过这些， 用户与虚拟世界进行交互， 并且借助与虚拟现实系统中特殊的硬件设备 （如数据手套， 力反馈设备等） , 实时产生在真实世界中一样的感知， 甚至连用户本人都意识不到计算机的存在。

　　（3） 想象性

　　虚拟的环境是人想象出来的， 同时这种想象体现出设计者相应的思想， 因而可以用来实现一定的目标， 虚拟现实技术不仅仅是一个媒体或一个高级用户界面， 它同时还是可以为解决工程、医学、军事等方面的问题而由开发者设计出来的应用软件， 通常它以夸大的形式反映设计者的思想， 虚拟现实系统的开发是虚拟现实技术与设计者并行操作， 为发挥它们的创造性而设计的。例如在设计一辆汽车之前， 传统的方法就是画各种图纸， 而现在可以采用虚拟现实系统来进行设计与仿真。它的功能远比图纸生动强大得多， 制作的虚拟现实作品反映的是设计者的思想， 有些学者称虚拟现实为放大人们心灵的工具。

　　1.2 虚拟现实相关技术

　　1.2.1 造型评审中的虚拟现实技术

　　汽车造型评审需要对汽车外形和内饰有一个全面的观察和了解， 包括对汽车覆盖件材质及光照、反射等效果都有非常详细真实的显示， 虚拟技术为设计者和评审专家提供了一个非常方便的数字化模型， 而且所提供的数字化模型具有以下强大功能。

　　（1） 照片级逼真的实时渲染功能

　　虚拟现实造型可视化所提供的图像质量可以和标准的照相设备或传统的CAID系统通过光线跟踪算法所提供的图像质量媲美， 同时是实时的、交互的， 并且任何改变或变化可以立即看到并回应的。

　　（2） 整体光照功能

　　光线追踪、辐射度计算等图形生成技术、实现渲染过程中， 考虑整个环境的总体光照效果和各个景物模型间的光照互相影响， 除了考虑光源直接照射引起的反射光之外， 还考虑从场景中其他物体折射或投射来的光亮度， 最终形成真实感光照效果， 生成逼真的模型间自然柔和的光影效果。

　　（3） 360°真实场景反射效果

　　在支持OpenGL渲染语言的平台上， 用户可以将立体空间环境场景真实地、无扭曲地反射在模型表面， 更加真实逼真。

　　（4） 通过Web的协同设计

　　通过Web的方式输出及发布所设计的模型， 并保持与原设计一样的图像质量。因此， 设计项目的不同部门可以进行及时准确的交流。

　　（5） 灵活的变量概念

　　允许设计者快速创建材质变量， 以及为任意指定的几何模型定义几何变量， 在展示过程中， 可通过按动按钮来随意前后切换不同的变量效果， 并且可使用多触发器， 设置一键切换多种设计效果。

　　（6） 强大灵活的材质处理功能

　　提供大量材质模板， 允许用户创建企业材质库与用户自定义材质库， 材质库中包括颜色、光亮度、反射度、透明度、多方式纹理映射等多种材质信息， 用户可方便完成所有材质设置， 并迅速将所有材质信息整体赋予模型表面， 更加方便高效。

　　1.2.2 汽车CAE工程计算处理中的虚拟现实技术

　　在汽车工程分析的后处理与计算结果的可视化中， 虚拟技术不仅提供查看、理解和交流各种计算机处理数据结果的工具， 而且具有进行并行处理与渲染的优势。基于虚拟现实技术的汽车CAE工程计算数据处理功能如下。

　　（1） 可视化能力

　　曲面上动态显示等高线， 并对其进行标注， 建立等值面；可创建流线、径线、烟线以及受限曲面的流动轨迹， 并进行交互计算和显示， 用向量箭头显示部件的向量大小与方向；进行非稳态流动可视化时， 对每一个流体发生点均可指定发射与再发射时间。

　　（2） 动态仿真

　　建立追踪动画仿真， 建立平面切削或等值面移动， 加载动画， 录制动画， 创建关键帧动画来表现模型自动漫游与缩放。

　　（3） 瞬态分析

　　处理结构、非结构、混合和重叠等多种网格， 形成一维、二维及三维线性与二次单元。支持非稳态结果数据、结点位置以及结构， 可获知任意点、结点、单元与部件的信息， 生成动态图表。

　　（4） 并行处理能力

　　支持集群计算机， 在多CPU的对称处理系统上并行处理多流水线、等值面抽取、等值体抽取、网格横截面抽取、边界盒计算、部件剖切等功能的并行处理能力。

　　（5） 结果数据与变量灵活显示

　　用户可同时加载查看多个标量与向量数据， 支持各种类型的瞬态或常态变量；同时计算变量到过渡数据中；显示点数据以及附加的标量与变量加载显示， 对变量进行选择性加载；允许多用户同时查看并控制同一会话内容， 共享VR环境中的可视化内容。

　　2 虚拟现实技术在汽车造型中的应用

　　汽车造型设计是汽车的一个极为重要的方面， 是工程技术和造型艺术在汽车产品上的有机结合， 汽车造型必须满足实用的物质功能和审美的精神功能两个方面的基本要求。现代汽车造型设计的一般流程如下[3]: （1） 市场调查； （2） 创意阶段； （3） 比例模型制作； （4） 数字模型制造。在造型设计流程的数字模型制造中， 利用虚拟现实技术可以对汽车的1∶1外形模型和1∶1内部模型进行可视化设计， 虚拟样机可视化软件包Opus Realizer根据设计者的实际工作过程提供了直观、交互、实时的设计手段， 通过Opus Realizer所提供的友好界面， 设计人员可以很容易地改变光照、纹理、材质等属性， 并可以对最终的结果进行快速浏览， 同时它所提供的照片般逼真的效果可以用来在设计小组内对设计概念进行评估和交流。

　　美国通用公司是全球汽车界最早利用虚拟现实技术的公司之一。它采用的虚拟现实软件具有3个图形流水线部件， 可分别投影在设计师的左边、前面和地面上的大屏幕上， 另外一台单独的桌面系统有时用做右面的第4面墙， 设计师借助于该软件就能设计一辆惟妙惟肖的汽车。

　　我国一汽在国内第一个建成了VR中心， 可以通过虚拟技术， 让汽车造型设计的成果自然、真实地展现出来。根据一汽的实践， 在汽车造型设计中， 虚拟现实技术主要应用于以下几个方面： （1） 造型效果评审， 虚拟现实技术用计算机数据经投影设备产生虚拟模型， 模拟质感、色彩、机理、阴影等1∶1的模型效果， 并可以旋转和修改， 供设计人员与主管领导观察、检验、评审； （2） 样车设计校核， 利用虚拟样机 （DMU） 可以事先查得设计方案中存在的错误和缺陷， 也可以事先得知所设计的零部件之间的尺寸空间是否相互干涉或相互碰撞， 也可以检测、确定汽车零部件是否能在生产线上装配， 节省了整车的设计时间和成本， 也节省了原型零部件生产的时间和成本； （3） 三维效果演示， 可以对其他模拟计算 （如碰撞或流场计算） 的结果进行三维效果演示， 获得直观效果； （4） 利用虚拟现实中产品的数据， 同步进行产品的工程设计和生产准备， 实现真正意义上的"同步工程", 这对于加快开发进度、节省投资成本、提高产品工艺精度， 缩短设计周期都具有重要意义。

　　泛亚公司把虚拟现实技术应用于汽车的造型评审： （1） 造型设计评审， 包括建立外饰方案的虚拟模型、制作内饰方案的渲染、管理产品图册等， 将虚拟模型以高清晰度的方式立体地显示在大屏幕上， 进行1∶1比例的展示； （2） 开发数字化设计流程及工具， 为适应数字化设计开发方法， 开发全新工作流程； （3） 设计方案展示， 制作高质量效果图、进行方案展示； （4） 虚拟样车和工程总布置评审， 进行整车CAD数据的数字装配， 提供全尺寸的投影， 便于整车工程和总布置方案评审。

　　3 虚拟技术在汽车试验及CAE工程计算中的应用

　　虚拟试验技术作为虚拟制造技术的一个环节， 在汽车工程分析、汽车空气动力学及汽车被动安全性研究中正得到越来越广泛的应用。设计师设计出的新型汽车是否合理， 往往需要经过分析、计算、碰撞、风洞等测试加以检验。最初检验新型汽车性能的方法不仅存在着较大的误差， 而且需先把样车做出来， 费事费力。而采用虚拟试验方法， 则只需先用木材、黏土或陶土做一辆汽车模型， 在风洞中测定其空气动力学数据， 再把模型扫描进虚拟环境系统， 把它放大成与真车一样的大小。通过虚拟环境系统模拟撞车， 可以精确地把假人的手或脚的受力情况反映出来， 采用这个系统， 可以减少约一半的设计费用及时间。

　　汽车CAE工程分析的核心是有限元法和多刚体动力学的数值方法， 它通过一定的前后处理程序和数据转换模板， 以CAD文件为输入， 在计算机中模拟出与实际试验一样的环境。通过计算， 得到试验及分析结果， 并利用虚拟现实强大的立体显示功能对其进行全方位、多角度显示和察看 （图1） .

　　图1 汽车虚拟试验 

　　泛亚公司的虚拟现实中心与通用汽车遍布全球的19个研发中心连接在同一平台上， 能够与其他设计中心形成一个统一的同步开发平台--泛亚虚拟现实中心。泛亚引进虚拟现实技术， 是在成熟的CAS/CAD/CAE应用的基础上的一次应用发展， 也是尝试用新技术改进设计流程的努力。

　　目前运用虚拟现实技术已成功地实现了汽车虚拟碰撞和虚拟试验的可视化， 虚拟装配技术日渐成熟， 在不少项目中已发挥作用。

　　4 汽车虚拟现实技术未来发展

　　虚拟现实技术是高度集成的技术， 涵盖计算机软硬件、传感器技术、立体显示技术等。VR技术的研究主要分为VR技术本身的研究和VR技术应用的研究两大类， VR技术的未来研究仍将遵循"低成本、高性能"的原则发展[4].

　　（1） 动态环境建模技术将增强， 虚拟环境的建立是VR技术的核心内容， 动态环境建模技术的目的就是为了快速获取实际环境的三维技术， 并根据需要建立相应的虚拟环境模型。

　　（2） 智能化语音虚拟现实建模， 虚拟现实建模是一个比较繁杂的过程， 需要大量的时间和精力。如果将VR技术与智能技术、语音识别技术结合起来可以很好地解决这个问题。对模型的属性、方法和一般特点的描述通过语音识别技术转化成建模所需的数据然后利用计算机的图形处理技术和人工智能技术进行设计、导航和评价， 将基本模型用对象表示出来， 并将各种基本模型静态或动态地连接起来， 最后形成系统模型， 在各种模型形成后进行评价并给出结果， 由人直接通过语言来进行编辑和确认。

　　（3） 网络分布式虚拟现实将分散的虚拟现实系统或仿真器通过网络联结起来， 采用协调一致的结构、标准、协议和数据库， 形成一个在时间和空间上互相耦合的虚拟/合成环境， 参与者可自由地进行交互作用， 目前， 分布式虚拟交互仿真已成为国际上的研究热点， 相继推出了DIS .HLA等相关标准[5].

　　虚拟现实被越来越广泛地应用在汽车虚拟产品开发技术中。借助虚拟现实技术建立的三维汽车模型， 可显示汽车的内饰、悬挂、底盘直至每一个焊接点， 设计者可确定每个部件的质量， 了解各个部件的运行性能。这种三维模型准确性很高， 汽车制造商可按得到的计算机数据直接进行大规模生产。同时， 汽车道路环境快速建模， 汽车碰撞场景模拟将在汽车事故重现等汽车碰撞安全事故分析中起到举足轻重的作用。

　　5 结束语

　　汽车产业技术综合、工艺复杂， 而且更新换代快。无论是造型设计、设计测试、工程分析、虚拟装配还是用户体验， 都有虚拟现实应用的广泛空间。我国汽车工业的发展给虚拟现实技术的应用提供了广阔空间。当前国内各大汽车制造商对三维数字化设计的认识已趋成熟， 数字化开发中积累的电子数据都可以直接输入到虚拟现实环境中。这些都是引入虚拟现实的有利条件。

　　参考文献
　　[1]丁袆， 尹伟， 胡平。应用虚拟技术加快汽车开发进程[J].吉林大学学报， 2002, 32 （3） :91-94.
　　[2]张志鹏， 劳奇成。虚拟现实技术的概况及应用[J].制造业信息化， 2005, 4 （8） :79-81.
　　[3]陈柏卿。现代造型设计的一般流程[J].车界论坛， 2006 （3） :8-11.
　　[4]李志文， 韩晓玲。虚拟现实技术研究现状及未来发展[J].信息技术与信息化， 2005 （3） :94-96.
　　[5]马利民。虚拟现实技术及其应用展望[J].计算机时代， 2005 （2） :1-2.