头戴式虚拟现实系统在汽车设计中的应用研究

摘 要：介绍了虚拟现实技术、头戴式虚拟现实系统的组成、分类和特征，阐述了头戴式虚拟现实系统在汽车设计中的应用，并通过和汽车设计领域传统虚拟现实技术相比较，分析头戴式虚拟现实系统的优势以及不足，并针对相应问题，提出相应解决方案。

关键词：虚拟现实；头戴式虚拟系统；汽车设计；应用

中图分类号：TP391.44 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）06-0022-02

Abstract：This paper introduces the composition， classification and characteristics of virtual reality technology and head mounted virtual reality system， described the application of head mounted virtual reality system in automobile design， compared with the traditional virtual reality techniques in the area of automotive design， the head-mounted virtual reality system has both advantages and disadvantages. According to the corresponding problems， the corresponding solutions are put forward.

Key words：Virtual Reality； head-mounted virtual reality system； automotive design； adhibition

随着汽车产业的快速发展，各个汽车制造公司的竞争也日趋激烈，这就要求在汽车研发及生产的各个环节都能够保持高效快速应变，以适应市场环境的快速变化。汽车造型设计作为汽车研发的重要一环，面对外部市场环境快速变化的严峻挑战，对新科学技术的应用就更为迫切。

虚拟现实技术作为近年来发展最为迅猛的技术手段，将可能成为改变人类生活方式的一种新技术，而作为虚拟现实技术最重要的其中一种形式存在的头戴式虚拟现实技术自然是重中之重。

1 概述

虚拟现实的实质是“造个世界任我行”，它是以现代科学计算机技术为发展核心，融合相关学科技术，生成在视觉、听觉、触觉等方面逼近人类在真实世界中的感官感触的数字化虚拟世界，使用者借助相应设备，可以走进生成的数字化虚拟世界，并且可以与虚拟世界中的对象进行交互作用，产生身临其境的真实体验和感受。

（1）桌面式虚拟现实，这类型的虚拟技术要求相对较低，他只需要利用工作站作为运行设备，将计算机显示器作为用户观看虚拟数字世界的一个窗口，再通过鼠标等输入设备实现与虚拟数字世界的交互，用户可以通过输入设备对虚拟世界进行指令操作，通过显示设备进行对虚拟世界的观察。

（2）沉浸式虚拟现实，这一类型虚拟现实技术对虚拟现实硬件设备的要求较高，他是利用一种中间设备，例如头戴显示器，触觉手套等，将用户的视觉、听觉、触觉等感官感觉封锁起来，并通过中间传输设备，给用户提供一种全新的虚拟感觉，让用户沉浸其中。

（3）增强现实型虚拟现实，这一类型的虚拟现实能给用户提供平时或者是正常情况下难以观察到难以感受到的状态给呈现出来，是真实世界和虚拟世界的叠加，即“实中有虚”。

（4）分布式虚拟现实，他需要通过多个计算机设备连接在一起，共同建立一个虚拟世界，这时候的虚拟现实世界是一个真正意义上的多元世界，多个使用者可以对同一个虚拟世界进行操作。

1.1 什么是头戴式虚拟现实

头戴式虚拟现实是将数字化虚拟世界呈现给用户的一个窗口，用户可以通过头戴式虚拟现实设备将其对现实世界的视觉、听觉隔离起来，这时候就完全置身于虚拟世界了。头戴式虚拟现实显示根据人眼视觉原理左右眼成像不同，分别显示相应的左右眼图像，能让人感觉到虚拟世界的物体时有立体有深度信息的，从而传递给大脑一个真实的信息，在视觉层面上达到以假乱真的目的。

1.2 构成

一套完整的头戴式虚拟现实系统通常由以下几方面组成[1～2]：

（1）计算机硬件设备，它必须能承载庞大的数据量运转，快速生成图形图像并且能支持实时高速处理，高性能计算机设备是头戴式虚拟现实系统构成的基础也是关键。

（2）头戴式虚拟现实设备，它是人机交互的接口，使用者通过它可以对虚拟世界进行操作，虚拟世界也可以根据使用者的各项指令进行反馈，借助头戴式虚拟显示器，使用者可以看得见虚拟世界，并且^戴虚拟显示器中安装有定位器，当使用者行走的位置或者方向进行改变的时候，虚拟世界会相应变化。

（3）虚拟现实生成软件，它是虚拟世界得以实现的基础，你可以利用它构建真实世界场景的再现或是你所构想的虚拟世界，现阶段相关的虚拟现实生成软件游戏领域运用的比较多的是Virtools、Quest 3D等，在汽车设计领域用的比较多的有Alias、RTT等。

（4）虚拟现实三维数字模型。它是虚拟现实的内容也是载体，他可以是现实世界的再造，也可以是人们虚构的世界，它的状态决定是使用者所看到的内容。

1.3 成像原理

人们在观察周边世界的时候，能感受到物体的立体、远近、景深等效果主要是依靠于人眼强大的成像原理，人们由于两只眼睛的不同位置而产生眼距，在看同一件物体的时候得到两幅略微不同的图像，这两幅图像经过人的大脑的融合，形成一幅带有空间立体、距离远近等信息的景象，而头戴式虚拟现实显示器正是模仿人眼双目立体成像原理进行设计，头戴显示器有两个显示镜分别用来模拟人的左右眼，工作站根据后台数据输入指令，分别将左右眼画面输送给左右眼显示器，用户佩戴上头戴式虚拟显示器，就可以体验到虚拟的真实。

2 头戴式虚拟现实技术在汽车设计领域的影响

虚拟现实技术作为能够准确体现汽车造型设计、加快汽车研发进程的一种有效手段，自诞生以来就受到了各大主流汽车公司的广泛关注与应用，并且其带来的巨大效益也得到了行业内的广泛认可[3]。放眼国外主流的汽车厂商像奔驰、保时捷等，都建立有自己的虚拟现实实验室。在近两年头戴式虚拟现实技术风潮疯狂席卷全球态势下，很多汽车公司都纷纷加入了头戴式虚拟现实技术的研究，在美国通用公司的虚拟现实中心的虚拟现实设计实验室里，当用户进入该实验室，佩戴上头戴式虚拟现实显示器，预先设置好的虚拟现实世界就会呈现在用户身边，用户可以看到和真实汽车一样的包括尺寸大小、颜色、纹理一样的虚拟汽车，用户可以像实际观察汽车一样前后来回观察，可以查看车体的造型轮廓及线条流畅性，也可以坐到汽车座椅上观察仪表、方向盘、娱乐面板等细节的效果，以及模拟驾驶员视野的观察。

3 头戴式虚拟现实系统在汽车设计中的应用探索

头戴式虚拟现实技术的出现，对汽车设计领域的原有设计流程及验证方法有了很大改进，在汽车研发过程中，汽车造型设计是很重要一环，汽车设计师的造型构想如何快速的让用户看得见并且喜爱是决定造型设计成败的关键。一个产品的设计流程往往需要经过几轮甚至十几轮反复推敲，时间成本比较高，难以跟上快速变化的市场环境，因此在设计过程中如何简化设计流程并且客观真实的反应汽车造型状态尤为重要，而头戴式虚拟现实系统能够在造型效果图之后就迅速加入设计流程，并且用虚拟的环境客观真实的还原实际状态，让用户所看即所得，而完成一套虚拟现实系统不仅需要硬件系统的支持，也需要软件的配合，而所观察到的内容则需要设计师前期虚拟现实数据的制作。

4 面临的问题与发展方向

头戴式虚拟现实技术在汽车设计领域中的运用，让使用者能够以比较真实自然的方式与虚拟世界进行交互，提高了人机交互的真实性，但受限于当下科技水平、计算机仿真技术、人机交互技术等各方面的影响，仍存在一定程度上的虚拟世界不真实、人机交互程度不够以及用户共享性不足等题[4]。目前来看，一套头戴式虚拟现实设备同时只能支持一位用户观察使用，因此在用户共享体验上不够。

在将来科学技术水平、计算机仿真技术等各方面技术发展越来越成熟的时候，头戴式虚拟现实技术可以朝分布式虚拟现实技术发展，通过多个计算机设备共同建立一个虚拟现实世界，多个使用者可以对同一个虚拟世界进行操作，这时候的虚拟现实世界是一个真正意义上的多元世界。

5 结语

随着科技水平的发展，虚拟现实技术的发展也随之日渐成熟，并且由于其为人类生活生产方面带来的巨大效益越来越被接受，头戴式虚拟现实技术在汽车设计领域的运用作为即Powerwall桌面式虚拟现实之后的另一先进技术，能极大的优化汽车设计流程、缩短研发时间、有效提高汽车设计水平 ，给使用者提供真实的用户反馈，也越来越被汽车设计公司所青睐，虽然受限于当下科技发展水平等各方面因素的影响，头戴式虚拟现实技术在使用体验上仍有些不足，但随着科技的进步以及巨大市场资金的投入必定能推动这一技术的长足发展。

参考文献

[1]周忠，周颐，肖江剑.虚拟现实增强技术综述[J].信息科学，2015，45（2）：157～180.

[2]孟俊焕，王卫东.基于虚拟现实技术的汽车开发应用研究[J].农业装备与车辆工程，2006，2：11～14.

[3]邱世广，荆旭，范秀敏.增强现实环境下的汽车A立柱视野评估方法[J].计算机辅助设计与图形学学报，2012，24（1）：128～136.

[4]包海涛.虚拟现实技术在汽车造型及工程分析中的应用研究[J].北京汽车，2009，6（11）：27～30.