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設計論文 ->  設計品牌篇 ->  《 BMW虛擬現實技術 》 論文類別

 

BMW虛擬現實技術

顧秋健     譯  《 Virtual Reality in Car Production 》

        運用高性能電腦,汽車制造商在利用昂貴測試平臺建立詳細模型之前可以在屏幕上實際地模擬開發過程中的許多環節。而且這種利用計算機仿真的方法不僅僅局限于常規的屏幕顯示設備。寶馬汽車研發團隊從最初概念設計的展開直至產品生產過程規劃所運用的虛擬現實技術是一種最有效、最具有創新性的仿真技術。
        虛擬現實簡稱VR也泛指“計算機模擬仿真”或者“虛擬世界”。為了建立這個虛擬環境,高性能計算機將大量的數據轉化為立體的三維圖像,給觀察者像在現實世界中同樣的視覺感受——虛擬世界看上去是真的。實際上這樣的虛擬環境可以獨特地取代許多領域和運用的現實環境,如果它適用于模擬一個詳細定義的現實環境。

汽車的虛擬未來已經起步
        網絡世界已經從簡單的程序發展到十分嚴謹、意義重大的工業化工具。使用者可以在虛擬環境中漫游,實時交互甚至可以改變他周圍的虛擬世界,F代虛擬現實視覺系統有通常被稱為自動沉浸式虛擬環境或簡稱為CAVE —— 一個電子化沉浸式 環境,在這個環境中觀察者被最多六面實時投影畫面的墻體包圍。使用者戴上特殊的立體眼鏡后就可以看到一個他所處虛擬環境的空間三維影像。

BMW虛擬現實技術

從初步概念到系列產品——前所未有的快速和高效
        虛擬仿真在當今的汽車工業是不可或缺的。當原來建立的一些原型樣機進行組件高級測試時,現在規劃師、設計師和工程師在同一個數字模型上工作,在屏幕上優化這個模型,如果有必要,將模型數據通過數據線 同時傳輸到全世界各地。這樣減少了研發成本,特別加速了研發過程,提供了更快的市場化時間。虛擬現實更深遠的優勢在于使用者可以在最初的時間點上及時評估不同變量——甚至是最初為表達一個設計新概念的參數可以在虛擬現實中顯示出來,為虛擬仿真提供了數據。牢固地掌握這種計算機輔助仿真技術是寶馬設計團隊將原來開發新車型所需的6年時間縮短為現在2年半的先決技術條件之一。

汽車成為虛擬事物
        為了測試新車的設計和概念,虛擬現實工程師將計算機中保存的數據收集起來,并在這個基礎上構建初步3D模型。在這個過程中,計算機將整車數據細分為三角面體也就是多邊形體。也就是說,計算機向虛擬網絡中添加了描述汽車設計和布置幾何元素的網格體。然后特定的色彩和表面特征根據它們實際特征和屬性被賦予各個單獨的部件。最后,向觀察者實時地從各個視圖和透視方向展示高度真實的設計結果。

Bmw 三維設計技術

虛擬仿真的高超之處
        生成虛擬環境運用的復雜方法符合明確的意圖:提供一個清晰的藍圖替代一大串繁雜的數據,創造一種人們易于感受的視覺形式。如果這些數據全部以數字和圖表的方式作為列表印在紙上,沒有人將對自己所見的東西有所概念。所以數據只有轉化為三維展示模型,它能夠整合人類大腦獨特的能力來利用大型、高性能計算機的計算能力直觀地處理圖片。
        然而在很多領域,單純的視覺表達是不充分的—例如評估汽車的聲學、控制功能和安全性方面或者其單個組件。在這種情況下,一切依賴于組件所使用的材料及其屬性。在徹底的分析之后,計算機提供了大量的具有高標準精度的描述未來汽車的信息。
        工程師可以在虛擬環境中從各個角度觀察考慮汽車,解剖汽車任何他想要觀察的部位,行為測量,在汽車中漫游,放大或縮小圖像的大小。運用相應的軟件,他甚至可以在虛擬現實中駕駛汽車,檢查這個過程中產生的噪音和聲響。另外(這實際上是VR的高超之處)他甚至可以直接在虛擬環境中駕駛虛擬車或者說是一個駕駛模擬器,從而在虛擬道路上測試特定技術部件的質量和特征卻不危及其他的道路使用者。最后,至少包括整車的破壞性試驗現在也能在虛擬環境中實施。

超級計算機和公司
        為了利用全部的設備,成熟、高度專業的軟件是必需的。實際上寶馬研發創新中心的虛擬現實技術中心(VRC)有極其龐大的具有特殊功能的玻璃顯示墻,其中又隱藏著極強能力的計算機:一臺計算機并聯了幾個處理器來處理龐大的數據集群,大型投影儀以投影到投影墻毫米以下的精度來傳輸圖像。
        戴上特殊的立體眼鏡,使用者駕駛進入這個的投影的環境,那樣的立體眼鏡只能 讓右眼 看到右面的立體圖像,讓左眼 看到左面的立體圖像。這兩個通道的圖像隨著觀察者不同的位置和觀察角度即時變化。使用3D鼠標或者3D操縱桿,使用者可以在虛擬環境中漫游,傳感器捕捉他的每一個動作并立即形成正確的透視圖像。這個過程是實時的,計算機的功能使使用者與圖像交互,對他所觀察的一切做出直覺反應。

華麗的外表,實在的內部
        正如許多部門運作的一些較小的虛擬現實視覺系統,寶馬虛擬現實技術中心提供了一系列完整的不同方案:設計師評估特定部件的尺寸,總裝部工程師從投影墻來檢查他們如何利用汽車內部甚至最后一毫米的空間,人類的空間需求在汽車的內部空間模擬中應該特別重視的。坐在虛擬車中,人們可以測試駕駛艙的最佳布置,人們能否在各種光照條件下很方便地閱讀(或者他們是否可能對光線的反應)。發動機部門的專家可以在一個平臺上進行的交互仿真過程中檢測出發動機中的薄弱點,而發動機本身僅是以一組數據形式存在。聲學專家最后利用數字化的汽車模型在虛擬風洞中進行震蕩和空氣動力學試驗,力求最小風阻系數的情況下優化汽車的造型和設計。

虛擬人體可以保護生命
        擬現實技術在安全性研究中具有特殊的重要意義,允許使用者模擬現實中極昂貴或極危險的一些過程。甚至在寶馬制造出第一批新車之前,汽車已經在虛擬環境中用各種不同的方法被碰撞了至少100次。計算機花2- 4天的時間來模擬迎頭撞墻的過程,日夜不停地運行,將現實中十分之一秒的沖擊增量細分為千分之一秒內持續的增量。這形成了一種以毫米為單位的汽車碰撞的無聲影像,汽車在這個過程中猶如塑料制成的被輕輕地揉碎。這個程序節省了很多時間,因為一個真實原型車價值75萬歐元。相比之下,同樣效果的計算機模擬碰撞只花費400歐元,盡管需要很長的計算時間。雖然研發工程師建立一個新模型需要1000個虛擬檢測過程。
        這個過程仍然明顯比一個單獨的現實測試便宜。仿真測試的更大優勢在于工程師可以在不傷人或不損壞材料的情況下檢測出各種變量,F實的安全測試不過仍然是法定的,以此來檢驗計算機運算的可靠性和精確度。

Bmw 設計流程

虛擬工廠
        不僅單獨的汽車是信息技術的一個理想事物。相反,寶馬公司的制造專家正在虛擬環境中設計整個沖壓車間和涂裝設備,以原始尺寸來展示并評估每一塊面板包括產品所需的工具。
        規劃、研發和制造部門的工程師們利用虛擬現實技術觀察金屬薄片如何通過虛擬工具來實現拉拔和成形。這樣的仿真模型是分析過程中真正理想的,不需要詳細模型的車身薄板的改進方案。不同的顏色用以標明被測試薄板的厚度,使工程師逐步地找到可能的臨界點。

計算機中的交通擁阻
        計算機仿真現階段甚至可以用來模擬交通問題并在道路運用之前找出解決問題的對策。使用仿真模型,測試人員可以測試現實世界不能檢測或要花大力氣才能完成檢測的系統。寶馬公司將這些進行廣泛的運用-從駕駛員考試全程輔助系統到交通信息通訊業務。

從觀察到觸摸
        虛擬現實的視覺表達是現在所有VR技術的主要特征。但是在某些領域這是不夠的。所以將來計算機和數據手套甚至可以讓VR使用者有真實的把握感,使他能虛擬的觸摸相關的物體。這將會實現現實的汽車單獨組件的測試和安裝以及制造中的各要素的可行性分析。不久甚至連整車的制造過程也能通過虛擬現實技術模擬,其結果會被立即反饋到計算機中的設定參數。這又將提供一系列新的運用領域:現今主要的目的就是設計汽車的特定特性和功能,使用者能夠參與到實際的設計和制造過程。這將加深從設計到制造這一過程的交互性。

更廣的仿真
        更廣的仿真會是這一發展過程的更進一步:利用這種人機交互方法,使用者看到就在他眼前的研究事物的一系列相關信息。一個工人戴上立體眼鏡就可以看到協助其工作的信息?梢允蔷S護和修理說明,也可以是相關重要數據的比較情況。如果工人需要旋緊一顆螺栓,眼前的鼠標箭頭就會在正確的位置旋轉。整個過程通過麥克風和語音識別器控制,使用者眼鏡架上的小型攝像頭可以在裝配過程中觀察部件的正確位置。攝像頭提供的圖像也可以傳輸到相隔很遠的專家那兒,為本地用戶提供他工作過程所需的咨詢。
        現實和虛擬仿真是創新性的技術,在寶馬的研發部門的研發過程中發揮了決定性作用并貫穿始終。

        英文原文 選自《 Virtual Reality in Car Production 》
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