XR技術解析與汽車行業運用前景分析

摘要：XR 指的是虛擬現實（VR）、增強現實（AR）和混合現實（MR）3 種技術路線統稱。隨著技術進步，這3 種仿真技術逐漸運用到了社會各行業，它們有各自擅長的領域，也有相應的技術難度限制。針對不同運用場景需求來選擇正確的技術路線，才能提升客戶體驗，減少研發時間和成本。本文深入解析了這3 種技術路線的特點和未來的發展趨勢，并分析XR 技術如何幫助汽車企業提高產品設計效率，提升產品競爭力。

關鍵詞：虛擬現實；增強現實；混合現實；汽車造型設計

中圖分類號： TP391.9 文獻標識碼：A

0 引言

隨著芯片技術的發展，高算力的支持使得AR 和MR 技術在近幾年進步迅速，出現了多種計算機仿真技術混合使用的場景，擴展現實的手段不再僅限于傳統意義的VR 虛擬現實，于是行業內將VR、AR 和MR 這3 種技術統稱為XR。本文首先對3 種技術路線上的特點和優劣進行解析，就不同的應用場景提出技術路線的選擇建議，然后分析XR 技術在汽車研發設計、輔助駕駛和廣告營銷等方面的運用前景。

1 VR、AR 和MR 技術路線的區別

硬件設備只是一種載體，某一臺設備在不同的運用場景下，可是VR，也可能是AR 或者MR，這些技術的集合可以統稱為“XR”（圖1），因此這里主要針對技術的差異，而不是設備的差異。

1.1 VR 虛擬現實

VR 虛擬現實技術即VirtualReality，是指完全由計算機建模的三維虛擬世界，通過封閉的頭戴顯示器，以及其他動作追蹤設備，盡可能的將使用者的感官帶入到虛擬的世界中，追求完全沉浸和融入[1]。

VR 的特點有，全封閉的視覺設備、完全虛擬的世界，以及盡可能的脫離現實。

1.1.1 VR 虛擬現實的技術手段

根據仿真模擬的程度，可以分為以下3 個級別。

（1）初級VR 虛擬現實。初級的VR 即基于視覺的體驗，人類最容易獲得沉浸感的感官就是視覺，只需要一部手機或其他顯示設備，通過屏幕播放左右眼視差的視頻，隔離左右眼視野，即可實現3D 視頻的播放，在此基礎上如果利用陀螺儀，在轉動頭部的同時，畫面也同步轉動，也可實現全景視頻的播放。這種初級的VR 效果，多用于視頻信息的觀看，僅支持頭部沿X、Y、Z 軸3 個自由度的旋轉運動（3DOF），人體無法在這些視頻場景中進行平移。

（2）中級VR 虛擬現實。中級的VR，是基于視覺、位移和雙手互動性的體驗，所看到的內容也并非錄制好的視頻，而是可以在其中移動的三維空間，通過手柄、動作追蹤器等設備，操作者可以在虛擬的世界中產生位移，觸摸和操作虛擬物品，這也是目前最成熟，運用范圍最廣的一種VR，支持沿X、Y、Z 軸6 個自由度的旋轉、平移運動（6DOF）。

（3）高級VR 虛擬現實。高級VR 需要人體全感官帶入。雖然中級的VR 已經實現了6DOF，但在使用手柄在虛擬世界中移動時，人的身體在現實中是靜止的，會給人帶來眩暈感，為了解決腳部的運動同步，市面上出現了一種萬向跑步機來控制VR 中的移動，使人體現實與虛擬世界的運動同步，最大程度把所有感官帶入虛擬世界。

1.1.2 VR 的發展方向和技術難點

VR 技術難點在于，追求媲美現實的仿真程度。首先，計算機要有極高的算力來實時渲染照片級的高分辨率畫面。其次，需要能捕捉人體所有動作的設備，以及觸覺反饋設備。但由于人的身體并不能完全脫離現實，即使芯片演算能力提高能接解決畫面擬真度的問題，肢體的運動依然會受到真實世界的束縛，這是VR 的技術瓶頸。因此可以說VR 技術的門檻很低，但上限卻非常高。

1.1.3 VR 技術的運用場景

VR 作為目前技術成熟度最高的仿真手段，軟件開發簡單、成本低，在各領域已經有廣泛運用。隨著芯片算力的提高和體積的縮小，高集成度的設備陸續出現，價格也從上萬元下探到3 千元級別，VR 設備正在逐漸走進人們的生活和工作，其用途也從游戲擴展到了工業、教育軍事等方面。其適用領域包括：①需要創建完全虛擬場景，有多人互動要求；②需要1 ∶ 1 立體展示現實中不存在的場景；③需要完全沉浸，脫離現實的場景。

1.2 AR 增強現實

AR 增強現實即Augmented Reality，指在視覺上對現實世界進行畫面疊加及擴展，使人眼看到的現實世界帶有豐富的圖像信息[2]。這種技術不一定是穿戴設備，只要能將信息疊加到現實并能被人獲取到，都可以被定義為AR。AR 的特點有：開放性的視覺設備和基于現實的世界疊加信息，但難以實現三維遮擋和空間互動。

1.2.1 AR 增強現實的技術手段

根據不同的觀測介質，可以分為3 種類別。

（1）基于觀測結果的增強現實。這類AR 技術需要借助攝像頭和顯示設備來實現，如智能手機、平板電腦或獨立的攝像機和顯示器。其特點是將疊加完成的視頻結果進行展示，可以實現多人觀看。主要類型如下。

圖形識別類：指通過手機、平板電腦的攝像頭，拍攝提前定義好的圖案或者二維碼進行識別，識別后會自動觸發預設好的虛擬的物體在屏幕上呈現，并使其坐標與圖案綁定。

定位服務類：是指使用智能設備中的GPS 來提供位置數據，基于定位提供對應的AR 信息，多用于地圖導航類應用。例如，打開手機應用開啟攝像頭對著街道拍照，屏幕上可以顯示附近的商家名稱、評價等信息，以及實景導航等。

場景類：通過相機拍攝場景并將虛擬物品合成到場景，再由顯示器展示。該類型可用于購物軟件，比如網購平臺APP 的AR擺放功能，通過手機將商品虛擬的擺放到家里看看效果；或者用于各類表演、晚會和展覽的直播合成，展示實時特效。

（2）基于被觀測物體的增強現實。這類AR 技術通常是通過投影設備將信息直接投影到物體的表面來呈現信息。因此普通投影儀其實就可以理解為簡單的AR 設備，由于是在被觀測物體上覆蓋信息，可以多人同時觀看。通過一定程度的編程，投影機也可以實現很多非常真實的現實疊加視覺效果，比如在特定物體表面、建筑、地面、水幕和煙霧，甚至人體表面進行投影。

（3）基于觀測路徑的增強現實。這類設備是通過在某些透明介質上顯示信息，來將信息疊加到現實中，比如玻璃、眼鏡等，利用光線折射原理在透明介質上成像。由于疊加物是觀測路徑，其特點是只能單人使用。這類AR 產品是獨立AR 硬件產品最常用的技術，例如AR 眼鏡和汽車上的HUD 等。

1.2.2 AR 的發展方向和技術難點

AR 的技術難點在于如何與現實融合，并將疊加的信息或虛擬物品與現實發生交互關系，這同時也是AR 的發展方向，實現這種關系需要有強大的空間算法。將投影設備、顯示設備和動作捕捉設備，才能使疊加的信息出現層次和交互性，同時要解決AR 顯示內容疊加多數為半透明效果的問題。

1.2.3 AR 技術的運用場景

AR 技術其實已經很早就在我們的生活中有運用，只是當時還沒有出現AR 這樣的理解。前文說到投影儀其實就是增強現實，如果在一塊透明底片上的投影，就形成了AR 技術的雛形。直到近幾年出現了基于攝像頭疊加算法的AR 技術，才逐漸認為是AR技術的發展方向。 其適用領域包括：①需要在現實世界疊加信息；②需要在現實場景展示虛擬的物品；③不需要完全沉浸，脫離現實的場景；④便攜性，使用過程中不影響正常生活；⑤不需要觸摸虛擬物品、多人互動的場景。

1.3 混合現實

MR 混合現實即Mixed Reality，是一個相對比較新的概念，顧名思義就是將虛擬與現實進行混合。如果說AR 是把虛擬的東西疊加到真實世界是通過圖層遮蓋的原理，顯示的內容圖層關系相對固定，MR 則是把現實與虛擬物品融合在一起，虛擬物品與現實產生物理碰撞及遮擋關系。MR 與VR、AR 的效果差異如圖2所示。其特點有：①封閉式的視覺設備；②基于現實的世界的三維疊加和互動；③看到的是經過攝像頭算法處理后的視頻信息。

1.3.1 MR 混合現實的技術手段

MR 目前只有一種技術路線，首先使用攝像頭或者激光雷達來掃描現實世界，獲得現實世界的3D 信息，然后在捕獲的3D 數據中建立虛擬物品，使虛擬物品與現實的遮擋關系、物理關系一致，再與攝像頭拍攝的畫面進行混合，通過顯示器將畫面播放給人眼[3]。也就是說MR 與AR 的不同，在于MR 看到的是視頻畫面，而AR 看到的是現實。

1.3.2 MR 的技術難點

目前市面上的產品需要提前將場景掃描建模后才能使用。如果使用過程中，房間的物品發生移動，那么三維空間的遮擋關系就無法準確實現。因此MR 要做到現實與虛擬的實時無縫對接，這需要高分辨率、低延遲的視頻畫面，高仿真度的三維建模，以及深度信息實時采集演算。這些技術都需要芯片算力的提高來實現，同時設備還要做到可隨身穿戴的便攜性。但相比AR 和VR 的難度，MR 技術集成度高，芯片算力本身進步速度很快，所以MR會在更短的時間內取得突破進展，運用前景也更加廣闊。

1.3.3 MR 技術的發展方向及運用前景

MR 技術是基于VR 和AR 技術的不斷成熟后，才在近幾年出現的一種新的發展方向。綜合了前面兩者的技術優勢，實現了在現實世界中與虛擬物品進行交互，也就是說VR 和AR 的功能，MR 都可以實現。而且由于現實世界可以被錄制為虛擬現實，因此可以實現多人實時共享和交互，大大拓寬了運用領域。其適用領域包括：①需要同時兼顧現實世界和虛擬世界，可以在不摘下設備的情況下無縫切換；②需要虛擬的物品能夠完全融合現實，實現遮擋關系、觸摸互動；③便攜性，穿戴過程中可以自由移動不影響正常生活。

2 汽車行業中的運用場景

2.1 VR 技術在汽車設計中的運用

汽車外觀造型設計過程中，在CAS 曲面或者A 級曲面設計階段，需要1 ：1 驗證3D 數模狀態。傳統的做法是制作多個等比例的油泥模型或者實物驗證模型，但制作實物模型費用高，而且時間周期長，所以汽車行業現在普遍使用虛擬樣車來做設計階段驗證以減少開發時間（圖3）。

設計就是從虛擬到現實，從無到有的過程，如何在這個“無”的階段找到現實的感覺，就是提高設計效率的關鍵。VR 技術成熟，目前已成為汽車企業的一個常用評審輔助手段。其主要用途有：①在沒有實車的階段，使用VR 虛擬樣車評審可以幫助設計師和決策層快速的看到樣車1 ：1 的真實效果，感知整車的空間、CMF、人機設計品質等，便于發現和整改問題[4] ；②通過VR 虛擬裝配，可以判斷生產制造過程中的操作便利性，和干涉情況。隨著市場競爭越來越激烈，唯有縮短開發周期，才能快速搶占市場。很多汽車企業正嘗試將造型開發的周期從常規10 個月縮短至8 個月甚至6 個月，這就需要虛擬仿真技術能夠真實到取代實物模型的效果，將數字樣車的短周期優勢發揮到最大化。

2.2 MR 技術在汽車設計中的運用

近年來MR 技術目前已成為VR 技術的升級換代方向，在各大汽車廠中開始嘗試運用推廣，可以實現VR 無法實現的功能。

（1）將虛擬的車輛合成在現實場景中，也可以將虛擬的模型合成到現實的車輛上，可以做到多人實時圍繞模型進行評審和觀察（圖4）。比如用于車型的改款設計，或模型的局部改型，只需將更改的部分合成到實車上就可以看到效果。

（2）可以與現實世界

發生交互，可以實現某些場景下的教學和演示。比如教會新員工如何維修部件，展示模型評審時，將方案講解結合到實車模型上。

2.3 AR 技術在汽車行業的運用場景

AR 技術作為一種側重信息顯示的技術，主要用于汽車HUD信息顯示，以及汽車銷售和宣傳方面。

2.3.1 汽車輔助駕駛運用

（1）基于透明介質折射技術，最常見的就是用于前擋風玻璃的AR-HUD（Head-up Display），可以直接將汽車行駛的速度、導航等信息直接投影到前擋風玻璃以外5 m 左右的位置（圖5）。該應用不需要駕駛員低頭去看儀表或手機，提高駕駛安全性。未來AR-HUD 的發展方向是將顯示內容準確的貼合到現實世界，例如將導航路線映射到路面，實時顯示目的地坐標和方向等，讓駕駛信息更加直觀[5]。

另一種概念性的方案，是取消汽車內的儀表，將所有駕駛信息通過一個便攜的AR 眼鏡來實現，可以獲得更加豐富的顯示內容，而且不受實體屏幕的限制。

（2）基于投影的AR 輔助駕駛，是通過帶有投影功能的汽車前大燈，將信息投影到地面，實現路面導航、駕駛安全信息顯示。由于燈光可以被其他交通參與者觀測，也可以實現和他人的信息交互，例如提醒其他車輛、行人避讓或禮讓。這項技術目前處于起步階段，未來隨芯片技術和燈光投影技術發展，可以實現更高精度的彩色投影。

2.3.2 汽車營銷手段運用

營銷方面運用較多的是基于顯示設備的AR。比如用于汽車評測APP，通過AR 技術可以將3D 的車輛模型合成到手機攝像頭拍攝的畫面中，用戶可以通過移動手機來觀察虛擬的車輛。車展展臺可以通過合成視頻畫面，將虛擬的車輛或者特效合成在現實場景中，展示在大屏幕，提升營銷效果。

3 結束語

XR 技術在不斷的追求虛擬世界的仿真程度，以及虛擬與現實結合的準確度，對于汽車行業目前激烈的競爭環境，一旦有企業在XR 技術能力上取得重大突破，整車研發周期可以大幅縮短以迅速搶占市場，汽車設計流程將受到革命性的影響，另外在輔助駕駛、汽車營銷及選購產品方面，也會給客戶帶來全新的體驗，所以汽車企業應當做好XR 技術預研和儲備，以應對XR 技術帶來的變革。

【參考文獻】

[1] 張占龍， 羅辭勇， 何為. 虛擬現實技術概述[J]. 計算機仿真，2005（03）：1-3+7.

[2] 朱淼良， 姚遠， 蔣云良. 增強現實綜述[J]. 中國圖象圖形學報，2004（07）：3-10.

[3] 黃進， 韓冬奇， 陳毅能，， 等. 混合現實中的人機交互綜述[J]. 計算機輔助設計與圖形學學報，2016，28（06）：869-880.

[4] 楊鴻旭. 一種基于VR 技術的汽車CMF 模型評價系統及評價方法： 中國，11623002.2[P].2022-04-26.

[5] 葛昌明. 淺談汽車座艙電子AR-HUD 抬頭顯示系統技術[J]. 汽車博覽，2020（01）：46-46.

作者簡介：

肖晟，本科，工程師，研究方向為汽車數字模型設計、汽車造型設計和設計質量等。