虚拟现实技术在高速列车造型评审中的应用

庞世俊，张春晔，胡亚锋

（中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东 青岛 266111）

作为高速列车车型研发过程中的重要管控节点，高速列车造型评审推进设计流程并解决设计问题，其进度和质量影响整个车型研发进展。虚拟现实技术作为近年来快速发展的一门新技术，能够为高速列车的造型设计评审提供有效且多样化的解决方案。自上世纪九十年代至今，虚拟现实技术从硬件设备、创作平台的软件技术易用性、虚拟现实内容的视觉化仿真效果及水平都有了长足的发展[1]。如何在现阶段技术水平条件下创造出更具真实效果的虚拟现实内容，让虚拟现实技术更高效地辅助高速列车设计、支撑快速评审和缩短研发周期是当前虚拟现实技术应用于高速列车造型评审的一个重要研究课题。

1 虚拟现实技术基础

虚拟现实（Virtual Reality，VR）是基于计算机仿真系统生成的一种模拟环境[2]。其集成计算机图形技术、计算机仿真技术、心理学和人工智能等多方面前沿技术的发展成果，通过实时立体的三维图形与声音、自然的人机交互界面模拟现实世界中的事件或场景，使用户产生身临其境的真实感觉[3]。随着技术的发展，虚拟现实技术在军事、医疗、教育、艺术和娱乐等领域得到了广泛应用[4]。

1.1 CAVE 虚拟现实显示系统

CAVE（Cave Automatic Virtual Environment）即“洞穴状自动虚拟系统”，是一种基于投影的沉浸式虚拟现实显示系统，具有画面完整、分辨率高、沉浸式互动体验和多通道技术沉浸感等优点[5]。如图1 所示，CAVE 沉浸式虚拟现实显示系统以计算机图形学为基础，将高分辨率的立体投影显示技术、多通道视景同步技术、视角动态跟踪及捕捉技术、音响技术和传感器技术等完美融合，可多方位覆盖用户视野，消除用户视觉盲点，为用户带来更真实的体验感[6]。从投影平面数量上可将CAVE 系统分为4 个投影平面（3 个墙面和1个地板）、5 个投影平面和全封闭式的6 个投影平面3 类。

图1 CAVE 系统示意图

建立包含4 个投影面的CAVE 虚拟现实显示系统，如图2 所示。该系统是由4 个硬质背投影墙组成的、基于多通道视景同步技术和立体显示技术的房间式投影可视协同环境，其中3 个墙面采用背投方式，地面采用正投方式。该CAVE 系统提供了1 个立方体投影显示空间，供多人参与，所有参与者均完全沉浸在1 个被立体投影画面包围的高级虚拟仿真环境中，借助相应虚拟现实交互设备（如数据手套、位置跟踪器等），获得一种身临其境的三维立体视听影像和交互感受。观察者戴上液晶立体眼镜和一种有6 个自由度的头部跟踪设备后，其视点位置可实时反馈到计算机系统。当观察者在CAVE 中走动时，系统将自动计算每个投影面正确的立体透视影像，为观察者提供身临其境的体验感。

图2 CAVE 系统实物图

1.2 虚拟现实技术在造型评审中的应用

在工业设计领域，虚拟现实技术可应用于产品造型评审阶段[7]。运用虚拟现实技术能帮助浏览者在虚拟场景中实时查看造型设计整体和细节，并给出可靠评价，从而有效消除产品设计沟通障碍，降低设计盲目性，改善产品设计效率[8]。目前造型虚拟沉浸式评审在汽车领域得到了良好应用。中国一汽在国内建成了第一个VR 中心，利用虚拟现实技术生成1∶1 虚拟汽车造型模型，供设计师和主管人员检验评审[9]。有研究提出利用VR 技术可对汽车三维虚拟造型进行多角度全面观察，并实时进行调整，从而使评审过程简单明了[10]。还有研究指出通过虚拟样车评审，能有效减少模具更改次数及耗材，提高产品自主开发能力，从而提升市场竞争力[11]。

此外，虚拟现实技术也常应用于其他大型产品的造型设计评审阶段。南京康尼机电股份有限公司建立虚拟现实系统，集成三维模型库、材质处理渲染模块、动画模块和操作模块等功能，在技术评审、产品展示等方面发挥着重要作用[12]。有研究将VR 仿真技术应用于农业机器人造型设计评价阶段，并结合熵权理论完成量化评价，筛选出最优方案[13]。还有研究将虚拟现实技术融入感性工学理论，提出一种农业装备形态设计方法，缩短了产品开发周期，减少了人力物力投入，提高了企业研发进度和效率[14]。

高速列车作为一种大型交通装备，具有研发周期长，研发成本巨大等特点，利用虚拟现实技术对高速列车造型方案进行虚拟沉浸式评审，可有效缩短研发周期，降低列车研发成本，提升整车研发进度和效率。

2 高速列车造型虚拟评审系统

2.1 面向高速列车设计评估的虚拟评审

高速列车开发流程主要可分为概念设计、方案设计、技术设计、施工设计和试制验证共5 个阶段，造型设计在每个阶段都有阶段对应的评审。在传统的高速列车设计评审中，前期概念阶段方案评审主要借助二维效果图进行，完成施工设计则需要通过模型车制造来进行设计方案评审，通常需要三四个月完成模型车制造工作，时间、经济成本高且效率偏低。采用虚拟CAVE 显示系统评审后，虚拟现实技术以直观三维的方式展示产品的造型、色彩，为用户呈现更加真实立体的产品效果，使用户对产品有更直接地观察和更好地理解，对设计方案会有更多的思考，更容易发现设计方案存在的问题和不足，有助于为产品设计改进提出可靠意见，节省设计时间，降低设计成本，也能帮助设计者更准确清晰地表达设计理念和设计思想。在产品投入生产和交付前，通过虚拟现实技术让业主参与列车造型评审，可有效消除双方设计沟通障碍，减少模型车的制作投入，提高企业的经济效益。

2.2 高速列车采用虚拟现实造型评审的功能

基于虚拟现实技术的造型评审可应用于高速列车开发全流程，根据各阶段开发进度的不同，其具体功能有所不同。

（1）工业设计方案评审。真实再现车辆物理视觉状态，提供沉浸式的人机交互体验和身临其境的视觉仿真效果。通过CAVE 系统对造型方案进行虚拟展示评价，工业设计师和工程设计人员可以对重难点设计方案细节进行评价探讨，发现设计方案中存在的错误和缺陷，部分设计问题可以现场修改、比对，更快地确认最终设计方案，从而实现高自由度的设计评审。

（2）工程设计方案评审。工程师对其负责的系统设计方案成果有清晰明确地了解和认识，通过将工程设计方案三维立体化、视觉真实化，更直观地对三维数据模型进行校验，并对零部件及其系统进行评审，从而避免后续施工过程出现缺漏和偏差。

（3）部件功能动态演示。动态演示数字化效果样车中的部件，可使技术人员提前得知所设计的产品功能效果，更直观地进行部件功能人机分析和空间分析，进行标准性及可靠性验证。

（4）降低开发成本。引入虚拟现实评审后，可极大减少样车生产数量，缩短开发周期。此外，虚拟数字化效果样车可以持续更新修改，对于所有数据均可进行回溯跟踪，有效降低高速列车设计开发成本。

（5）跨界沟通桥梁。为设计师、工程师、市场部门及最终客户进行方案及设计思想交流提供了一种全新、直观和动态的方式，全面直观展现解决方案，有效消除不同角色之间的设计沟通障碍。

（6）辅助项目投标及产品交付评审。一方面运用虚拟现实技术，实现用户高自由度的实时交互体验，通过逼真的虚拟环境，让用户“身临其境”地体验公司的产品设计，塑造竞争优势，增强用户体验；另一方面利用虚拟现实技术向用户形象地、高品质地展示公司高速列车造型设计优势，对公司产品进行高水平宣传及呈现，让业主直观感受施工进展及下阶段施工概况，给公司科技品牌、商务关系带来直接效益。

3 数字化虚拟样车开发流程

对高速列车造型进行虚拟评审之前，需要进行高速列车数字化虚拟样车开发，开发流程包括模型优化、光影关系烘焙、材质编辑、整体场景优化和动态展示制作6 个阶段，如图3 所示。

图3 数字化虚拟样车开发流程

3.1 模型优化

将高速列车三维模型原始数据在AliasTM 软件中进行模型检查、修补和删除重面等操作，再导入RTT虚拟软件中进行模型整理优化，模型优化共包括5 个步骤。①反转法线。所有可视面的法线统一翻转为正向法线，即朝向视角的方向；②曲面分组。为使模型轻量化并提高烘焙质量，需要进行面的分组，以设备部件为单元将相同材质的面进行合并整理；③分层处理。将合并后的面按照设备部件分类并分层处理，形成条理清晰的树状层级关系；④细分、拓扑。将整理后的模型进行细分优化，使模型无缺损、无漏缝，达到最佳质量；⑤整车模型搭建。将优化后的各部件进行整车模型搭建，最终形成完整的车辆外观及内装场景模型。

3.2 光影关系烘焙

光影关系烘焙分为灯光设置、光影烘焙2 个阶段。外观及内装因场景特点不同，需分别以不同文件进行灯光设置、光影烘焙。

3.2.1 灯光设置

在进行外观场景灯光设置时，遵循照明原理设置主灯、辅助灯和背光灯等，合理设置灯光参数，使光影关系自然真实，柔和不生硬，如图4 所示。①主灯。应设置在车辆主体正前方左侧，由上向下大约45°角倾斜照向车辆主体，模拟阳光；②辅助灯。从顶视图角度应与主体光相反方向布置，且略低于主灯，主要作用为模拟环境光，补充车辆侧面方向光照；③背光灯（轮廓灯）。应位于车辆主体的背面，由下向上适当角度射向车辆，主要作用为勾勒出车辆轮廓，使车辆从背景中分离出来。

图4 外观场景灯光设置

在进行内装场景灯光设置时，遵循照明原理设置太阳光、室内主光源和室内辅助灯光等。①太阳光。应放置在内装模型外侧左上方（以车头方向为准），呈45°~60°向下照射模型，以模拟上午9 点至11 点的光照效果；②室内主光源。将顶部主照明灯模型作为主光源以模拟实际顶灯效果。为减少文件大小，提高烘焙速度，缩短烘焙时间，通常将顶部主照明灯模型设置为自发光材质；③室内辅助灯光。将客室模型中除顶灯外的全部顶板模型设置为自发光材质，作为辅助光源辅助主光源照亮整个室内空间，并将全部显示屏、电子地图和TV 电视等实际能发光的设备模型设置成自发光材质，模拟人造环境光照作为补光。

3.2.2 光影烘焙

烘焙是指把光照信息渲染成贴图，然后将贴图重新贴回到场景中的技术。由于烘焙技术把光照计算的结果提前写入到了贴图中，因此在实时渲染时无须进行耗时的光照计算，提高了实时渲染效率[15]。烘焙分为临时烘焙和最终烘焙。临时烘焙是在灯光设置过程中烘焙出阴影关系，模型以白模呈现，便于查看阴影效果和灯光布置情况。在调整好灯光参数后可进行最终烘焙，烘焙参数通常选择高质量，值越大烘焙质量越高，但烘焙速度越慢。可进行全场景烘焙，也可选择某一模型物体单独进行烘焙。在烘焙过程中，场景中如有隐藏的物体，这一物体将不被烘焙，不产生阴影关系，对周围物体没有影响。

3.3 材质编辑

根据设计方案的材质贴图文件、效果图及相关图片资料，对烘焙好光影关系的模型进行材质赋予。根据部件表面特征设置材质参数，将提供的材质贴图赋到相应部件模型中，调节UV 坐标及比例，使贴图纹理和物体表面实际纹理相匹配，材质设置符合设计方案的CMF 设计要求。

3.4 整体场景优化

如图5 所示，为使高速列车模型表现更为真实，提升视觉效果，需要进行整体场景优化，共包括4 个步骤。①合并模型。将制作完成的外观模型和内装模型进行合并，合并在同一文件场景内，按平面编组图对准并调整外观及内装各部分模型位置；②环境场景添加。在完成高速列车虚拟现实数字样车数据后，还需要制作高速列车虚拟环境数据。虚拟环境主要为与高速列车主题相关的车站场景、城市场景或铁路线路场景等，环境场景搭建可以使虚拟样车展示更真实，提高视觉效果，烘托环境气氛。在选择合适虚拟环境场景后，将场景复制到合并后的模型文件中，并将其与车辆模型位置相匹配；③HDR 设置。HDR 即高动态范围贴图，其超越普通光照颜色和强度的光照，主要用来实现场景照明和模拟反射折射，从而使物体表现更加真实。外观及内装因场景环境不同需分别设置相应HDR 贴图；④灯光效果设置。模拟真实环境中灯光的发光、光晕和眩光效果，使灯光效果更逼真，烘托场景真实氛围。

图5 虚拟现实数字样车的整体场景优化

3.5 动态展示制作

动态展示制作包括逻辑变量设置和动画制作2 个步骤。逻辑变量设置主要包含外观视角的切换、外观配色方案的切换、外观模型方案的切换、内装视角的切换、内装配色的切换、内饰模型方案的切换和内饰电子地图及电视智能车窗交互显示的切换等；动画制作包含外观预览动画、开关门动画、动态智能屏动画、内部预览动画、电视动态展示、灯光颜色变化的动态展示、桌椅及其他内部设施的动态展示等。通过动态展示，可以形象展示各方案，方便专家全面清晰了解各方案优缺点，从而实现快速决策，提升评审效率，加快设计研发进程。

此外，在虚拟现实造型评审中，还需对场景中相机的视角高度、远近距离等进行初始化设定，从而实现对实体模型的真实模拟。通过对大量造型评审中评审人员观看方式及综合平均视点高度统计分析得出，视点高度在1.6 m 左右时，可得到同实体模型评审更为相近的视觉感受。

4 高速列车造型虚拟现实评审流程

目前高速列车领域的造型评审主要用于展示整体设计方案，重点为外观及内饰造型的评审。通过将设计师的理念转变为具象的、身临其境的和可供现场评价的对象，来模拟真实的看车体验，如图6 所示。

图6 CAVE 系统列车外观评审现场

为更好地进行高速列车造型虚拟评审，首先需要根据高速列车的造型尺寸，以高清晰1∶1 比例进行建模。并通过虚拟现实技术，对模型材质、灯光、场景、喷涂、整洁和稳定性等进行渲染，真实重现高速列车设计方案的造型特点，方便专家依据产品要求对其进行准确评审，通过CAVE 环境投射，实现沉浸式的“真实样机”般的评价。由于高速列车造型设计既要满足技术及功能尺寸需求，还要具备一定审美与外在精神风貌[16]。因此评价内容主要包括2 方面：①对产品的外观设计造型、涂装方案、内饰造型和色彩等及人机关系、总体结构、功能原理和接口等进行评价；②对工程结构设计进行细节设计评审，主要包括零件尺寸、装配连接和工艺等。高速列车设计方案的评审环节包括以下6 个步骤。

（1）对造型设计方案的评审。设计师通过虚拟现实软件展示高铁设计方案的数字化效果样车，整体讲解产品的设计构思、外观、内饰造型及配色等，通过造型方案切换、角度切换、配色切换和功能演示等操作，对方案进行全方位展示。

（2）对关键技术的评审。工程师讲解系统或零部件三维模型，使用交互手柄互动操作，通过剖切、测量、缩放、显隐和透明等操作，进行功能、尺寸、结构组成和装配关系等的讲解。

（3）专家提问。专家指出存在疑问的设计方案或工程零部件，设计师通过快捷菜单对三维数据进行缩放、旋转、剖切和移动等操作，充分形象展示方案细节，便于专家再结合讨论给出审核意见。

（4）疑问解答。设计师对专家的问题进行答复，通过三维软件操作，结合仿真分析等进行解答。

（5）模型修改。专家的部分意见若可以简单实现，可现场直接修改模型，以替换现有方案，便于后续探讨。

（6）评审结果总结。设计师、工程师对专家的意见进行汇总、记录，评审会后进行详细总结并修改方案。

5 结束语

造型评审是高速列车研发过程中不可或缺的重要环节，将虚拟现实技术应用于高速列车造型评审过程中，可免去实体模型样车的制作过程，有效降低人力物力成本，缩短产品开发周期，同时能够帮助设计师与业主之间更好沟通，有效提升企业竞争力。本文阐释了基于CAVE 虚拟现实系统的高速列车数字化虚拟样车的开发及造型评审流程，可为轨道列车进行虚拟现实评估提供参考。