BMW：汽车中的虚拟现实技术 - 文章

BMW：汽车中的虚拟现实技术

作者：顾秋健译

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运用高性能电脑，汽车制造商在利用昂贵测试平台建立详细模型之前可以在屏幕上实际地模拟开发过程中的许多环节。而且这种利用计算机仿真的方法不仅仅局限于常规的屏幕显示设备。宝马汽车研发团队从最初概念设计的展开直至产品生产过程规划所运用的虚拟现实技术是一种最有效、最具有创新性的仿真技术。

虚拟现实简称VR也泛指“计算机模拟仿真”或者“虚拟世界”。为了建立这个虚拟环境，高性能计算机将大量的数据转化为立体的三维图像，给观察者像在现实世界中同样的视觉感受 —— 虚拟世界看上去是真的。实际上这样的虚拟环境可以独特地取代许多领域和运用的现实环境，如果它适用于模拟一个详细定义的现实环境。

汽车的虚拟未来已经起步

网络世界已经从简单的程序发展到十分严谨、意义重大的工业化工具。使用者可以在虚拟环境中漫游，实时交互甚至可以改变他周围的虚拟世界。现代虚拟现实视觉系统有通常被称为自动沉浸式虚拟环境或简称为CAVE —— 一个电子化沉浸式环境，在这个环境中观察者被最多六面实时投影画面的墙体包围。使用者戴上特殊的立体眼镜后就可以看到一个他所处虚拟环境的空间三维影像。

从初步概念到系列产品 —— 前所未有的快速和高效

虚拟仿真在当今的汽车工业是不可或缺的。当原来建立的一些原型样机进行组件高级测试时，现在规划师、设计师和工程师在同一个数字模型上工作，在屏幕上优化这个模型，如果有必要，将模型数据通过数据线同时传输到全世界各地。这样减少了研发成本，特别加速了研发过程，提供了更快的市场化时间。虚拟现实更深远的优势在于使用者可以在最初的时间点上及时评估不同变量 — 甚至是最初为表达一个设计新概念的参数可以在虚拟现实中显示出来，为虚拟仿真提供了数据。牢固地掌握这种计算机辅助仿真技术是宝马设计团队将原来开发新车型所需的6年时间缩短为现在2年半的先决技术条件之一。

汽车成为虚拟事物

为了测试新车的设计和概念，虚拟现实工程师将计算机中保存的数据收集起来，并在这个基础上构建初步3D模型。在这个过程中，计算机将整车数据细分为三角面体也就是多边形体。也就是说，计算机向虚拟网络中添加了描述汽车设计和布置几何元素的网格体。然后特定的色彩和表面特征根据它们实际特征和属性被赋予各个单独的部件。最后，向观察者实时地从各个视图和透视方向展示高度真实的设计结果。

虚拟仿真的高超之处

生成虚拟环境运用的复杂方法符合明确的意图：提供一个清晰的蓝图替代一大串繁杂的数据，创造一种人们易于感受的视觉形式。如果这些数据全部以数字和图表的方式作为列表印在纸上，没有人将对自己所见的东西有所概念。所以数据只有转化为三维展示模型，它能够整合人类大脑独特的能力来利用大型、高性能计算机的计算能力直观地处理图片。

然而在很多领域，单纯的视觉表达是不充分的—例如评估汽车的声学、控制功能和安全性方面或者其单个组件。在这种情况下，一切依赖于组件所使用的材料及其属性。在彻底的分析之后，计算机提供了大量的具有高标准精度的描述未来汽车的信息。

工程师可以在虚拟环境中从各个角度观察考虑汽车，解剖汽车任何他想要观察的部位，行为测量，在汽车中漫游，放大或缩小图像的大小。运用相应的软件，他甚至可以在虚拟现实中驾驶汽车，检查这个过程中产生的噪音和声响。另外（这实际上是VR的高超之处）他甚至可以直接在虚拟环境中驾驶虚拟车或者说是一个驾驶模拟器，从而在虚拟道路上测试特定技术部件的质量和特征却不危及其他的道路使用者。最后，至少包括整车的破坏性试验现在也能在虚拟环境中实施。

超级计算机和公司

为了利用全部的设备，成熟、高度专业的软件是必需的。实际上宝马研发创新中心的虚拟现实技术中心（VRC）有极其庞大的具有特殊功能的玻璃显示墙，其中又隐藏着极强能力的计算机：一台计算机并联了几个处理器来处理庞大的数据集群，大型投影仪以投影到投影墙毫米以下的精度来传输图像。

戴上特殊的立体眼镜，使用者驾驶进入这个的投影的环境，那样的立体眼镜只能让右眼看到右面的立体图像，让左眼看到左面的立体图像。这两个通道的图像随着观察者不同的位置和观察角度即时变化。使用3D鼠标或者3D操纵杆，使用者可以在虚拟环境中漫游，传感器捕捉他的每一个动作并立即形成正确的透视图像。这个过程是实时的，计算机的功能使使用者与图像交互，对他所观察的一切做出直觉的反应。

华丽的外表，实在的内部

正如许多部门运作的一些较小的虚拟现实视觉系统，宝马虚拟现实技术中心提供了一系列完整的不同方案：设计师评估特定部件的尺寸，总装部工程师从投影墙来检查他们如何利用汽车内部甚至最后一毫米的空间，人类的空间需求在汽车的内部空间模拟中应该特别重视的。坐在虚拟车中，人们可以测试驾驶舱的最佳布置，人们能否在各种光照条件下很方便地阅读（或者他们是否可能对光线的反应）。发动机部门的专家可以在一个平台上进行的交互仿真过程中检测出发动机中的薄弱点，而发动机本身仅是以一组数据形式存在。声学专家最后利用数字化的汽车模型在虚拟风洞中进行震荡和空气动力学试验，力求最小风阻系数的情况下优化汽车的造型和设计。

虚拟人体可以保护生命

虚拟现实技术在安全性研究中具有特殊的重要意义，允许使用者模拟现实中极昂贵或极危险的一些过程。甚至在宝马制造出第一批新车之前，汽车已经在虚拟环境中用各种不同的方法被碰撞了至少100次。计算机花2- 4天的时间来模拟迎头撞墙的过程，日夜不停地运行，将现实中十分之一秒的冲击增量细分为千分之一秒内持续的增量。这形成了一种以毫米为单位的汽车碰撞的无声影像，汽车在这个过程中犹如塑料制成的被轻轻地揉碎。这个程序节省了很多时间，因为一个真实原型车价值75万欧元。相比之下，同样效果的计算机模拟碰撞只花费400 欧元，尽管需要很长的计算时间。虽然研发工程师建立一个新模型需要1000个虚拟检测过程，这个过程仍然明显比一个单独的现实测试便宜。仿真测试的更大优势在于工程师可以在不伤人或不损坏材料的情况下检测出各种变量。现实的安全测试不过仍然是法定的，以此来检验计算机运算的可靠性和精确度。

虚拟工厂

不仅单独的汽车是信息技术的一个理想事物。相反，宝马公司的制造专家正在虚拟环境中设计整个冲压车间和涂装设备，以原始尺寸来展示并评估每一块面板包括产品所需的工具。

规划、研发和制造部门的工程师们利用虚拟现实技术观察金属薄片如何通过虚拟工具来实现拉拔和成形。这样的仿真模型是分析过程中真正理想的，不需要详细模型的车身薄板的改进方案。不同的颜色用以标明被测试薄板的厚度，使工程师逐步地找到可能的临界点。

计算机中的交通拥阻

计算机仿真现阶段甚至可以用来模拟交通问题并在道路运用之前找出解决问题的对策。使用仿真模型，测试人员可以测试现实世界不能检测或要花大力气才能完成检测的系统。宝马公司将这些进行广泛的运用-从驾驶员考试全程辅助系统到交通信息通讯业务。

从观察到触摸

虚拟现实的视觉表达是现在所有VR技术的主要特征。但是在某些领域这是不够的。所以将来计算机和数据手套甚至可以让VR使用者有真实的把握感，使他能虚拟的触摸相关的物体。这将会实现现实的汽车单独组件的测试和安装以及制造中的各要素的可行性分析。不久甚至连整车的制造过程也能通过虚拟现实技术模拟，其结果会被立即反馈到计算机中的设定参数。这又将提供一系列新的运用领域：现今主要的目的就是设计汽车的特定特性和功能，使用者能够参与到实际的设计和制造过程。这将加深从设计到制造这一过程的交互性。

Training for installation and repair: Using augmented reality, the computer feeds in instructions
and additional information for precise planning and execution of even the most intricate manual operations.

更广的仿真

更广的仿真会是这一发展过程的更进一步：利用这种人机交互方法，使用者看到就在他眼前的研究事物的一系列相关信息。一个工人戴上立体眼镜就可以看到协助其工作的信息。可以是维护和修理说明，也可以是相关重要数据的比较情况。如果工人需要旋紧一颗螺栓，眼前的鼠标箭头就会在正确的位置旋转。整个过程通过麦克风和语音识别器控制，使用者眼镜架上的小型摄像头可以在装配过程中观察部件的正确位置。摄像头提供的图像也可以传输到相隔很远的专家那儿，为本地用户提供他工作过程所需的咨询。

现实和虚拟仿真是创新性的技术，在宝马的研发部门的研发过程中发挥了决定性作用并贯穿始终。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (11/30/2006)


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