虛擬現實技術在高速列車造型評審中的應用

龐世俊，張春曄，胡亞鋒

（中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東 青島 266111）

作為高速列車車型研發過程中的重要管控節點，高速列車造型評審推進設計流程并解決設計問題，其進度和質量影響整個車型研發進展。虛擬現實技術作為近年來快速發展的一門新技術，能夠為高速列車的造型設計評審提供有效且多樣化的解決方案。自上世紀九十年代至今，虛擬現實技術從硬件設備、創作平臺的軟件技術易用性、虛擬現實內容的視覺化仿真效果及水平都有了長足的發展[1]。如何在現階段技術水平條件下創造出更具真實效果的虛擬現實內容，讓虛擬現實技術更高效地輔助高速列車設計、支撐快速評審和縮短研發周期是當前虛擬現實技術應用于高速列車造型評審的一個重要研究課題。

1 虛擬現實技術基礎

虛擬現實（Virtual Reality，VR）是基于計算機仿真系統生成的一種模擬環境[2]。其集成計算機圖形技術、計算機仿真技術、心理學和人工智能等多方面前沿技術的發展成果，通過實時立體的三維圖形與聲音、自然的人機交互界面模擬現實世界中的事件或場景，使用戶產生身臨其境的真實感覺[3]。隨著技術的發展，虛擬現實技術在軍事、醫療、教育、藝術和娛樂等領域得到了廣泛應用[4]。

1.1 CAVE 虛擬現實顯示系統

CAVE（Cave Automatic Virtual Environment）即“洞穴狀自動虛擬系統”，是一種基于投影的沉浸式虛擬現實顯示系統，具有畫面完整、分辨率高、沉浸式互動體驗和多通道技術沉浸感等優點[5]。如圖1 所示，CAVE 沉浸式虛擬現實顯示系統以計算機圖形學為基礎，將高分辨率的立體投影顯示技術、多通道視景同步技術、視角動態跟蹤及捕捉技術、音響技術和傳感器技術等完美融合，可多方位覆蓋用戶視野，消除用戶視覺盲點，為用戶帶來更真實的體驗感[6]。從投影平面數量上可將CAVE 系統分為4 個投影平面（3 個墻面和1個地板）、5 個投影平面和全封閉式的6 個投影平面3 類。

圖1 CAVE 系統示意圖

建立包含4 個投影面的CAVE 虛擬現實顯示系統，如圖2 所示。該系統是由4 個硬質背投影墻組成的、基于多通道視景同步技術和立體顯示技術的房間式投影可視協同環境，其中3 個墻面采用背投方式，地面采用正投方式。該CAVE 系統提供了1 個立方體投影顯示空間，供多人參與，所有參與者均完全沉浸在1 個被立體投影畫面包圍的高級虛擬仿真環境中，借助相應虛擬現實交互設備（如數據手套、位置跟蹤器等），獲得一種身臨其境的三維立體視聽影像和交互感受。觀察者戴上液晶立體眼鏡和一種有6 個自由度的頭部跟蹤設備后，其視點位置可實時反饋到計算機系統。當觀察者在CAVE 中走動時，系統將自動計算每個投影面正確的立體透視影像，為觀察者提供身臨其境的體驗感。

圖2 CAVE 系統實物圖

1.2 虛擬現實技術在造型評審中的應用

在工業設計領域，虛擬現實技術可應用于產品造型評審階段[7]。運用虛擬現實技術能幫助瀏覽者在虛擬場景中實時查看造型設計整體和細節，并給出可靠評價，從而有效消除產品設計溝通障礙，降低設計盲目性，改善產品設計效率[8]。目前造型虛擬沉浸式評審在汽車領域得到了良好應用。中國一汽在國內建成了第一個VR 中心，利用虛擬現實技術生成1∶1 虛擬汽車造型模型，供設計師和主管人員檢驗評審[9]。有研究提出利用VR 技術可對汽車三維虛擬造型進行多角度全面觀察，并實時進行調整，從而使評審過程簡單明了[10]。還有研究指出通過虛擬樣車評審，能有效減少模具更改次數及耗材，提高產品自主開發能力，從而提升市場競爭力[11]。

此外，虛擬現實技術也常應用于其他大型產品的造型設計評審階段。南京康尼機電股份有限公司建立虛擬現實系統，集成三維模型庫、材質處理渲染模塊、動畫模塊和操作模塊等功能，在技術評審、產品展示等方面發揮著重要作用[12]。有研究將VR 仿真技術應用于農業機器人造型設計評價階段，并結合熵權理論完成量化評價，篩選出最優方案[13]。還有研究將虛擬現實技術融入感性工學理論，提出一種農業裝備形態設計方法，縮短了產品開發周期，減少了人力物力投入，提高了企業研發進度和效率[14]。

高速列車作為一種大型交通裝備，具有研發周期長，研發成本巨大等特點，利用虛擬現實技術對高速列車造型方案進行虛擬沉浸式評審，可有效縮短研發周期，降低列車研發成本，提升整車研發進度和效率。

2 高速列車造型虛擬評審系統

2.1 面向高速列車設計評估的虛擬評審

高速列車開發流程主要可分為概念設計、方案設計、技術設計、施工設計和試制驗證共5 個階段，造型設計在每個階段都有階段對應的評審。在傳統的高速列車設計評審中，前期概念階段方案評審主要借助二維效果圖進行，完成施工設計則需要通過模型車制造來進行設計方案評審，通常需要三四個月完成模型車制造工作，時間、經濟成本高且效率偏低。采用虛擬CAVE 顯示系統評審后，虛擬現實技術以直觀三維的方式展示產品的造型、色彩，為用戶呈現更加真實立體的產品效果，使用戶對產品有更直接地觀察和更好地理解，對設計方案會有更多的思考，更容易發現設計方案存在的問題和不足，有助于為產品設計改進提出可靠意見，節省設計時間，降低設計成本，也能幫助設計者更準確清晰地表達設計理念和設計思想。在產品投入生產和交付前，通過虛擬現實技術讓業主參與列車造型評審，可有效消除雙方設計溝通障礙，減少模型車的制作投入，提高企業的經濟效益。

2.2 高速列車采用虛擬現實造型評審的功能

基于虛擬現實技術的造型評審可應用于高速列車開發全流程，根據各階段開發進度的不同，其具體功能有所不同。

（1）工業設計方案評審。真實再現車輛物理視覺狀態，提供沉浸式的人機交互體驗和身臨其境的視覺仿真效果。通過CAVE 系統對造型方案進行虛擬展示評價，工業設計師和工程設計人員可以對重難點設計方案細節進行評價探討，發現設計方案中存在的錯誤和缺陷，部分設計問題可以現場修改、比對，更快地確認最終設計方案，從而實現高自由度的設計評審。

（2）工程設計方案評審。工程師對其負責的系統設計方案成果有清晰明確地了解和認識，通過將工程設計方案三維立體化、視覺真實化，更直觀地對三維數據模型進行校驗，并對零部件及其系統進行評審，從而避免后續施工過程出現缺漏和偏差。

（3）部件功能動態演示。動態演示數字化效果樣車中的部件，可使技術人員提前得知所設計的產品功能效果，更直觀地進行部件功能人機分析和空間分析，進行標準性及可靠性驗證。

（4）降低開發成本。引入虛擬現實評審后，可極大減少樣車生產數量，縮短開發周期。此外，虛擬數字化效果樣車可以持續更新修改，對于所有數據均可進行回溯跟蹤，有效降低高速列車設計開發成本。

（5）跨界溝通橋梁。為設計師、工程師、市場部門及最終客戶進行方案及設計思想交流提供了一種全新、直觀和動態的方式，全面直觀展現解決方案，有效消除不同角色之間的設計溝通障礙。

（6）輔助項目投標及產品交付評審。一方面運用虛擬現實技術，實現用戶高自由度的實時交互體驗，通過逼真的虛擬環境，讓用戶“身臨其境”地體驗公司的產品設計，塑造競爭優勢，增強用戶體驗；另一方面利用虛擬現實技術向用戶形象地、高品質地展示公司高速列車造型設計優勢，對公司產品進行高水平宣傳及呈現，讓業主直觀感受施工進展及下階段施工概況，給公司科技品牌、商務關系帶來直接效益。

3 數字化虛擬樣車開發流程

對高速列車造型進行虛擬評審之前，需要進行高速列車數字化虛擬樣車開發，開發流程包括模型優化、光影關系烘焙、材質編輯、整體場景優化和動態展示制作6 個階段，如圖3 所示。

圖3 數字化虛擬樣車開發流程

3.1 模型優化

將高速列車三維模型原始數據在AliasTM 軟件中進行模型檢查、修補和刪除重面等操作，再導入RTT虛擬軟件中進行模型整理優化，模型優化共包括5 個步驟。①反轉法線。所有可視面的法線統一翻轉為正向法線，即朝向視角的方向；②曲面分組。為使模型輕量化并提高烘焙質量，需要進行面的分組，以設備部件為單元將相同材質的面進行合并整理；③分層處理。將合并后的面按照設備部件分類并分層處理，形成條理清晰的樹狀層級關系；④細分、拓撲。將整理后的模型進行細分優化，使模型無缺損、無漏縫，達到最佳質量；⑤整車模型搭建。將優化后的各部件進行整車模型搭建，最終形成完整的車輛外觀及內裝場景模型。

3.2 光影關系烘焙

光影關系烘焙分為燈光設置、光影烘焙2 個階段。外觀及內裝因場景特點不同，需分別以不同文件進行燈光設置、光影烘焙。

3.2.1 燈光設置

在進行外觀場景燈光設置時，遵循照明原理設置主燈、輔助燈和背光燈等，合理設置燈光參數，使光影關系自然真實，柔和不生硬，如圖4 所示。①主燈。應設置在車輛主體正前方左側，由上向下大約45°角傾斜照向車輛主體，模擬陽光；②輔助燈。從頂視圖角度應與主體光相反方向布置，且略低于主燈，主要作用為模擬環境光，補充車輛側面方向光照；③背光燈（輪廓燈）。應位于車輛主體的背面，由下向上適當角度射向車輛，主要作用為勾勒出車輛輪廓，使車輛從背景中分離出來。

圖4 外觀場景燈光設置

在進行內裝場景燈光設置時，遵循照明原理設置太陽光、室內主光源和室內輔助燈光等。①太陽光。應放置在內裝模型外側左上方（以車頭方向為準），呈45°~60°向下照射模型，以模擬上午9 點至11 點的光照效果；②室內主光源。將頂部主照明燈模型作為主光源以模擬實際頂燈效果。為減少文件大小，提高烘焙速度，縮短烘焙時間，通常將頂部主照明燈模型設置為自發光材質；③室內輔助燈光。將客室模型中除頂燈外的全部頂板模型設置為自發光材質，作為輔助光源輔助主光源照亮整個室內空間，并將全部顯示屏、電子地圖和TV 電視等實際能發光的設備模型設置成自發光材質，模擬人造環境光照作為補光。

3.2.2 光影烘焙

烘焙是指把光照信息渲染成貼圖，然后將貼圖重新貼回到場景中的技術。由于烘焙技術把光照計算的結果提前寫入到了貼圖中，因此在實時渲染時無須進行耗時的光照計算，提高了實時渲染效率[15]。烘焙分為臨時烘焙和最終烘焙。臨時烘焙是在燈光設置過程中烘焙出陰影關系，模型以白模呈現，便于查看陰影效果和燈光布置情況。在調整好燈光參數后可進行最終烘焙，烘焙參數通常選擇高質量，值越大烘焙質量越高，但烘焙速度越慢?？蛇M行全場景烘焙，也可選擇某一模型物體單獨進行烘焙。在烘焙過程中，場景中如有隱藏的物體，這一物體將不被烘焙，不產生陰影關系，對周圍物體沒有影響。

3.3 材質編輯

根據設計方案的材質貼圖文件、效果圖及相關圖片資料，對烘焙好光影關系的模型進行材質賦予。根據部件表面特征設置材質參數，將提供的材質貼圖賦到相應部件模型中，調節UV 坐標及比例，使貼圖紋理和物體表面實際紋理相匹配，材質設置符合設計方案的CMF 設計要求。

3.4 整體場景優化

如圖5 所示，為使高速列車模型表現更為真實，提升視覺效果，需要進行整體場景優化，共包括4 個步驟。①合并模型。將制作完成的外觀模型和內裝模型進行合并，合并在同一文件場景內，按平面編組圖對準并調整外觀及內裝各部分模型位置；②環境場景添加。在完成高速列車虛擬現實數字樣車數據后，還需要制作高速列車虛擬環境數據。虛擬環境主要為與高速列車主題相關的車站場景、城市場景或鐵路線路場景等，環境場景搭建可以使虛擬樣車展示更真實，提高視覺效果，烘托環境氣氛。在選擇合適虛擬環境場景后，將場景復制到合并后的模型文件中，并將其與車輛模型位置相匹配；③HDR 設置。HDR 即高動態范圍貼圖，其超越普通光照顏色和強度的光照，主要用來實現場景照明和模擬反射折射，從而使物體表現更加真實。外觀及內裝因場景環境不同需分別設置相應HDR 貼圖；④燈光效果設置。模擬真實環境中燈光的發光、光暈和眩光效果，使燈光效果更逼真，烘托場景真實氛圍。

圖5 虛擬現實數字樣車的整體場景優化

3.5 動態展示制作

動態展示制作包括邏輯變量設置和動畫制作2 個步驟。邏輯變量設置主要包含外觀視角的切換、外觀配色方案的切換、外觀模型方案的切換、內裝視角的切換、內裝配色的切換、內飾模型方案的切換和內飾電子地圖及電視智能車窗交互顯示的切換等；動畫制作包含外觀預覽動畫、開關門動畫、動態智能屏動畫、內部預覽動畫、電視動態展示、燈光顏色變化的動態展示、桌椅及其他內部設施的動態展示等。通過動態展示，可以形象展示各方案，方便專家全面清晰了解各方案優缺點，從而實現快速決策，提升評審效率，加快設計研發進程。

此外，在虛擬現實造型評審中，還需對場景中相機的視角高度、遠近距離等進行初始化設定，從而實現對實體模型的真實模擬。通過對大量造型評審中評審人員觀看方式及綜合平均視點高度統計分析得出，視點高度在1.6 m 左右時，可得到同實體模型評審更為相近的視覺感受。

4 高速列車造型虛擬現實評審流程

目前高速列車領域的造型評審主要用于展示整體設計方案，重點為外觀及內飾造型的評審。通過將設計師的理念轉變為具象的、身臨其境的和可供現場評價的對象，來模擬真實的看車體驗，如圖6 所示。

圖6 CAVE 系統列車外觀評審現場

為更好地進行高速列車造型虛擬評審，首先需要根據高速列車的造型尺寸，以高清晰1∶1 比例進行建模。并通過虛擬現實技術，對模型材質、燈光、場景、噴涂、整潔和穩定性等進行渲染，真實重現高速列車設計方案的造型特點，方便專家依據產品要求對其進行準確評審，通過CAVE 環境投射，實現沉浸式的“真實樣機”般的評價。由于高速列車造型設計既要滿足技術及功能尺寸需求，還要具備一定審美與外在精神風貌[16]。因此評價內容主要包括2 方面：①對產品的外觀設計造型、涂裝方案、內飾造型和色彩等及人機關系、總體結構、功能原理和接口等進行評價；②對工程結構設計進行細節設計評審，主要包括零件尺寸、裝配連接和工藝等。高速列車設計方案的評審環節包括以下6 個步驟。

（1）對造型設計方案的評審。設計師通過虛擬現實軟件展示高鐵設計方案的數字化效果樣車，整體講解產品的設計構思、外觀、內飾造型及配色等，通過造型方案切換、角度切換、配色切換和功能演示等操作，對方案進行全方位展示。

（2）對關鍵技術的評審。工程師講解系統或零部件三維模型，使用交互手柄互動操作，通過剖切、測量、縮放、顯隱和透明等操作，進行功能、尺寸、結構組成和裝配關系等的講解。

（3）專家提問。專家指出存在疑問的設計方案或工程零部件，設計師通過快捷菜單對三維數據進行縮放、旋轉、剖切和移動等操作，充分形象展示方案細節，便于專家再結合討論給出審核意見。

（4）疑問解答。設計師對專家的問題進行答復，通過三維軟件操作，結合仿真分析等進行解答。

（5）模型修改。專家的部分意見若可以簡單實現，可現場直接修改模型，以替換現有方案，便于后續探討。

（6）評審結果總結。設計師、工程師對專家的意見進行匯總、記錄，評審會后進行詳細總結并修改方案。

5 結束語

造型評審是高速列車研發過程中不可或缺的重要環節，將虛擬現實技術應用于高速列車造型評審過程中，可免去實體模型樣車的制作過程，有效降低人力物力成本，縮短產品開發周期，同時能夠幫助設計師與業主之間更好溝通，有效提升企業競爭力。本文闡釋了基于CAVE 虛擬現實系統的高速列車數字化虛擬樣車的開發及造型評審流程，可為軌道列車進行虛擬現實評估提供參考。