MR混合现实技术在汽车设计的应用

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摘要：随着汽车工业的进步，国内汽车设计与美德日韩等汽车设计的差距逐渐缩小，而汽车设计更新迭代速度之快离不开计算机辅助设计的发展。汽车造型设计作为汽车研发中重要的一环，其作用不容忽视。本文旨在探讨汽车产品迭代过程中如何应用mr混合现实技术提高汽车设计的效率，优化传统的汽车设计流程，缩短造型设计的周期，为汽车设计提供更多的可能性。

关键词：MR混合现实；汽车造型；实时交互；汽车设计

1传统的汽车设计流程

汽车整车的研发是一项复杂的工程，往往需要根据市场需求确定设计内容、产品定位、初期总布置、造型设计规划书，还要作经济性分析、成本分析等。（如图1所示）其中的造型设计阶段，则是根据前期的规划书确定产品的初期外部尺寸、整体技术参数、造型风格和整车的配置方式等，然后分析研究市场车型，找到对标车型的优势和不足，结合市场方向确定整车的造型设计定位。首先要解读汽车造型设计任务书，分析过程以草图形式展现设计理念与造型的初期方案，通过反复评审修改确定效果图方案，同时进入整车细节设计阶段。造型设计对队伍的要求是极高的，涉及了材料学、流体学、人机工程、环境保护众多方面。在根据评审修改调整设计的过程中，三维造型与油泥模型这两个环节起到了相当重要的作用。通过三维造型我们能更真实地看到二维图纸的立体化的效果，可以将更多的工程设计问题通过电脑进行模拟评估，同时市场部根据此阶段对产品作出判断与分析。为了更加真实地展现设计，可以通过油泥制作1∶1车体模型，然后进行二次评审。油泥确定后，利用三维扫描技术将油泥模型进行逆向a面制作，完成车身数据后与工程对接，最终完成整车造型设计与制造。

2传统设计流程的利弊

早期汽车设计是根据手工绘制二维图纸，传统工匠通过手工制作车体外壳完成设计工作，效率低下且质量不高。受制于当时的工艺技术，设计师的想法不能得到准确的表达。现在汽车设计分工明确，汽车造型的2D与3D制作成为设计师的必备技能，并且随着数字化科技产品的丰富，设计师的发挥空间越来越大。传统的造型设计包括草图设计、CAS模型的构建、油泥推敲、逆向建模，都需要较长时间，并且前期工作冻结之后返回再次修改过程烦琐，设计师能力的强弱对设计工作的推进与本身设计的合理性有很大的影响。虽然目前各类汽车设计辅助类软件使用越来越方便，比如前期CAS造型阶段可以通过subdive细分的方式构建模型，然后通过铣油泥的方式将大型模型制作出来，能极大地缩短设计周期，但是整个环节还是以传统的方式进行，设计师需要和油泥师充分地沟通才能将设计表达到位。因此，如何使2D转化成3D的过程不受油泥师的造型思路影响，将不确定的二维图纸具象化，是一项亟待解决的问题。

3MR混合现实技术在汽车设计流程中的优势体现

3.1VR、AR、MR三种技术的设计应用。目前VR设备已经在各大主流汽车厂商中被应用于汽车设计，通过接入VRED渲染场景，带上头戴式显示器与感应手套，人们可以通过虚拟现实技术感受汽车设计方案在真实环境下的体量。相比传统的油泥评审，在数字化场景中使用VR技术具有方案修改与比较的即时性的优势，同时在设计感官上的体验更加丰富。比如可以更换虚拟场景，模拟车型在不同的环境下车体表面的真实反射，造型形态与环境的融合。VR设备的引入，节省了全尺寸模型制作的时间，而VR、AR、MR三种不同的技术方式在汽车设计中的应用也各有优势，因此可以根据其技术不同的属性，给相应的设计环节提供帮助。AR增强现实技术是将虚拟信息与真实世界结合在一起的3D新技术，是把虚拟的信息直接叠加在真实环境中，对于增强现实有三个特性：实时交互性，无缝结合真实信息与虚拟信息，能在真实空间中添加虚拟信息。而VR虚拟现实则完全是由计算机模拟真实世界产生的一个虚拟的场景，所有的交互是人与虚拟物体的交互，是计算机图形学、多媒体技术、网络学科的集合，用户可通过虚拟环境模拟真实环境的感受产生交互。VR虚拟现实用户沉浸度高，同时还能模拟视觉感官以外的其他感官。而MR技术则是将两者的优势结合起来，使用MR眼镜（如图2所示），通过MR混合现实技术将虚拟图像与现实世界融合形成实时交互，使人既能够抛开VR繁重的头盔设备，又能体验到比AR更加真实的立体交互场景。3.2MR技术在汽车人机交互中的应用。汽车设计效果图确定之后，由数模师根据效果图完成三维模型创建，利用虚拟现实技术可以将设计模型置入虚拟场景，设计师能够观察车体在真实环境中的感受，有利于设计师对整体造型的把握。VR沉浸式技术只能让使用者观察到虚拟环境，其他设计人员不能与VR用户直接交流，而MR混合现实技术则避免了这种情况的发生。首先MR混合现实通过手势识别，模拟自然的操作方式，展现高清的全息影像，通过MR透明显示器，使用者可以无障碍观察外部世界，同时与多名显示器眼镜佩戴者针对虚拟的设计展开直接交流。图3图4不同于VR的头戴沉浸式体验，MR的交互方式体验更加直接。在物联网时期，人车交互不再是电气化机械操作，更多的是通过图形、语音指令来控制，并且随着物联网人工智能、语音手势控制等技术的加入，人们对人车的交互要求越来越高，又希望使用者的学习成本降低。汽车造型设计中的人机交互是虚拟信息交互的基础，在设计阶段，可以通过MR混合现实技术真实模拟人车交互方式，设计者可以最大程度模拟用户的真实感受并与其他体验者实时交流探讨交互方式与内容，极大提高设计更新迭代的效率与真实性。混合现实技术不仅可以模拟传统的机械按键或者触屏式操作方式，也可以通过全息投影技术将信息展现在真实环境中。（如图3、图4所示）相比传统的图片展示或者动画演示，这种模拟更加真实高效，且方便修改调整，评审者能快速比较不同的设计方案，确定最终方案。3.3MR技术在车身造型设计中的应用。车身造型设计的推敲在后期上离不开油泥师的雕琢，这是由油泥的特性决定的。在造型设计环节中，油泥可以展现汽车在真实环境中的体量，同时由于油泥的材料特性，它可以反复多次修改。因此好的设计能否精准地展现出来，油泥师起到了很大的作用。对设计的解读就需要依靠设计师与油泥师之间的磨合，同时也需要设计师将形体表达得精准到位，才能保证实际造型不会偏离设计意图。由于当下汽车造型语言越来越丰富，油泥已经很难真实模拟参数化表皮造型等复杂形态，而MR混合现实技术能够给予计算机模型三维渲染，将设计模型直接呈现在设计师与评审者眼前，不仅表达真实，而且省去了油泥制作的时间。设计师在模型上作出调整，马上就能观测到车体在环境中的真实变化，同时可以快速切换多种效果和状态，仅需要在计算机中切换不同的参数。这样可以避免设计图纸到油泥展现过程中细节的缺失，使设计表达更加准确直接。3.4MR技术在汽车曲面工程验证中的应用。汽车曲面作为设计的重要环节，不仅要体现设计，更需要配合汽车工程，因此曲面质量与连续性是相当重要的。在计算机中能模拟汽车的外壳表面，但局限于显示器大小与二维展示，无法使人更好地观测曲面的曲率反射的真实感。MR混合现实相比传统的计算机检测汽车造型曲面，它的表现更加直接。比如汽车曲面表面连续性检测，通过曲率梳工具检查曲面衔接流畅度，虽然能在计算机上直观地看到检测结果，但是对曲率现需的流畅度所检测的曲率梳则更多的是通过肉眼判断。而MR混合现实的虚拟现实展现，人们不仅可以看到表面各个角度的投射形成的表面曲面效果，而且对整车造型的细节观测更加清晰，比如各部件之间的间隙，面与面的落差，翻边倒角等。同时还可以通过计算机模拟检测开闭件、运动件与外壳表面是否有干涉，通过混合现实将结果实时展现，现场模拟各类设计与工程对接遇到的问题，充分判断曲面设计的合理性，减少因工程问题反复协调曲面造型的时间，为设计与工程对接提供有力的支持。

4结语

未来汽车的发展方向将朝着人工智能、低碳环保迈进，汽车设计也随着科技的进步不断更新。MR混合现实技术在当下流行的AR虚拟现实技术的基础上，进一步通过技术优化了现有的汽车设计流程，通过技术进步不断刺激新的设计语言的迸发。作者希望通过MR技术的应用，为汽车设计的发展提供一些思路。

作者:黄楚峰 单位:广东第二师范学院