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摘要：虚拟现实技术通过计算机技术模拟现实世界的三维实景，并可与使用者进行实时交互。文章介绍了虚拟现实技术的原理、特点、应用，综合阐述了虚拟现实技术在汽车行业的研究进展并展望了虚拟现实技术的发展趋势。
关键词：虚拟现实（VR）;汽车领域
中图分类号：TP 文献标识码：A 文章编号：1005-2550（2019）05-0020-04
田岩
毕业于吉林大学，学士学位，从事汽车研发领域工作6年，主要负责汽车CAE仿真技术研究。
1 研究现状
虚拟现实（Virtual Reality，简称VR）技术是一种应用计算机图形与仿真技术构建虚拟空间的技术，通过各种控制及现实等接口设备，实现受众与虚拟环境的交流。VR技术具备沉浸性、交互性和构想性等特点[1-2]。
虚拟现实概念由Jaron Lanier在1989年提出[3]。80至90年代，美国国家航空航天局推出了初级的VR设备。2014年微软公司进军虚拟现实领域，2015年脸书、谷歌及苹果公司进入该领域，并开发相应设备[4]。随着计算机技术的发展，中国的科研人员对VR技术进行了系统的研究，并取得了一系列研究成果[5]。目前，我国虚拟现实技术在城市规划、医疗、房地产等领域得到了广泛的应用[6]。
2 应用场景
VR技术，作为跨时代的终端计算平台，凭借其跨时代的交互性、想象性和沉浸感，最直接也是最具有开发价值的应用就是在游戏领域。VR技术能够直接提升游戏的观感和体验[7]。直播也是VR技术的核心应用之一，包括体育赛事直播，娱乐演唱会直播及其他事件直播[8]。VR技术应用于房地产领域，最主要的价值是重塑了传统的依靠房产中介带领消费者看房的老旧模式，使消费者可以异地同时看房，极大提升了房产销售效率[9]。VR技术在教育领域的使用，主要体现在其可以更为直观，高效的展示书本难以完全展现的信息，特别是在物理学，动植物学，天文学等领域[10]。
如上图所示为VR技术在各领域的发展情况。除此之外，VR技术还在旅游、工程、醫疗、艺术设计等领域有着广阔的应用和发展前景，其对重塑各领域产业链及深化技术升级及创新存在重要作用。
3 VR技术在汽车领域的发展
随着全球虚拟现实技术的蓬勃发展，汽车行业的VR技术也由萌芽阶段逐步走向成熟。针对虚拟现实技术在汽车领域的发展，我国在“十三五”开局之年大力推动VR科技的研发和应用[11]。
3.1 汽车设计及研发
在传统汽车的设计中，从等比油泥模型到样车试制，都需要大量的人力物力及时间。当设计人员利用VR技术进行汽车设计时，可以在等比例的空间中把控每一处设计细节，更加直观快速地看到不同参数及结构导致的不同结果，从而可以及时调整车辆构造参数，评估和优化产品结构，最大程度避免设计失误[12]。
同时，由于VR技术能使模拟场景接近现实，所以可以利用虚拟车型进行一系列试验，如碰撞、风动、路试等[13]。通过仿真软件的后处理可视化模块，可以大大加强仿真技术人员的沟通便利性，对技术的成熟及发展有着重要的作用。如图4所示为应用Meta仿真后处理模块的VR应用场景。
3.2 汽车生产及维修教学
汽车、物流和服务等领域，可以利用VRR术建立数字化工厂，将所有资源、信息进行整合，建立虚拟加工生产线装配线，模拟实车的生产装配。工程师及流水线工人通过虚拟的生产装配对实际产品的生产装配进行预估和校准，调试来降低生产误差，降低成本[14]。
高校教学中，由于实训拆装零部件少，特别是精密的汽车零部件较少，导致教学中的内容比较抽象，学生学习的积极性不高[15]。三维虚拟技术逐步应用现代化的教学中，成为解决上述传统汽车维修教学缺点的有效途径[16]。利用三维虚拟仿真技术在汽车维修专业教学中进行应用，可以提高学生的积极性、主动性及降低实训成本。在维修方面，也可以通过VR进行远程指导[17]。
3.3 汽车营销及服务
在汽车营销与服务方面，VR技术的应用可以吸引更多的用户。在车展、新车发布会等大型活动中，VR技术可以让更多的用户在家“亲临”现场，即用户可以坐在“家”中完成看车、选车及试驾的过程。例如奥迪和Oculus合作推出的基于VR技术的选车服务，极大的提升了用户体验[18]。
四 实现方法
虚拟现实包括硬件和软件两个部分，硬件包括电脑服务器、显示器、环绕屏幕、数据手套、数据鼠标等一系列设备。软件是指操作这些硬件设备具体实现虚拟环境的机器语言编码[19]。
4.1 硬件
虚拟现实设备一般包含计算单元，显示设备及交互设备三个基本模块[20]。计算单元用来进行大规模运算，实时输出虚拟环境的模拟信号，包括视频，音频及其他交互设备的反馈信号等。显示设备用来输出虚拟的环境。交互设备是用户实现与虚拟环境进行沟通交流的媒介，通过视觉捕捉技术，体感技术，以及其他直接触摸的设备进行。
4.2 软件
计算机图形学是完成虚拟现实的技术的主要支撑。为了虚拟现实技术的沉浸式场景感受，计算机图形学需要达到高质量、实时的图像生成及高分辨率三个指标[21]。虚拟现实软件有环境内容软件Vega Prime;虚拟现实系统高级跨平台开发环境WTK;具备丰富互动行为模块的实时3D环境编辑软件Virtools;多平台综合型游戏开发工具Unity3D及我国具有完全知识产权的三维虚拟现实平台软件Converse3D等。在汽车行业，应用于仿真分析后处理的可视化软件Meta也较流行[22]。
5 VR技术发展展望
5.1 智慧化
VR技术是适应信息社会发展需求而出现的一种高端人机接口，可实现虚拟化感受，并实时模拟和交互。VR技术的智慧化发展，可使参与者超越时间与空间的限制，改变人们传统的创新意念。结合人工智能技术的发展，VR技术会更具有智慧性。未来随着5G技术的发展，VR技术将会更加真实地与现实世界联系起来[23]。 5.2 普适化
随着计算机科学的不断发展与进步，VR技术正朝着满足人类不同需要的方向发展，比如日常购物，学习深造等。随着VR技术的发展，越来越多的普通人也将会受到虚拟现实技术的影响，也会在该技术的影响下受益。
5.3 生态化
生态化是指多个生产体系或环节之间通过系统的耦合和物质、能量的多级利用，实现高效的产出和资源环境的持续利用L2a1。虚拟现实的生态化是指VR技术可以在各行各业中得到越来越广泛地应用，并将各关联产业耦合与高效利用。运用VR技术进行智能网联系统的研发与制作，不仅使各行业的生产效率迅速提高、成本降低，也能够满足消费者个性化的需求。
参考文献：
[1]余华鸿.虚拟现实技木的应用现状及发展[J].今日科苑，2009：182-182.
[2]王海荣.虚拟现实技术研究与系统实现[J].微计算机信息，2011（5）：210-212.
[3]"Virtual reality：Meet founding father jaronLanier".New Scientist.Retrieved 2017-06-13.
[4]梁德福.三维虚拟仿真技术在汽车维修教学中的应用[D].;T-JJII大学.2017.
[5]赵沁平，周彬，李甲，等.虚拟现实技术研究进展[J].科技导报，2016，34（14）：71-75.
[6]王斌等.VR ：融合与创新.机械工业出版社，2016.
[7]施佳.VR/AR技術的机遇和挑战——以游戏产业为例[J].计算机产品与流通，2018（11）：93-94.
[8]徐火顺，叶剑章，尹海生.大视频VR直播业务及其技术[J].中兴通讯技术，2017，23（06）：24-27.
[9]李洪刚.浅析虚拟现实（VR）技术在房地产领域中的应用与发展[J].中外建筑，2017（12）：148-150.
[10]郭汉，宋耀伟，张森木.基于计算机视觉的虚巧现实技术在体育教学中的应用研究[J].西北工业大学学报.2016，36（2）：92-96.
[11]刘丽鸣.走进汽车产业的虚拟现实世界一一陈光祖：VR助力汽车产业智能化发展[J].汽车纵横，2016（7）：52-55.
[12]周晓雨，倪小波.汽车仿真VR开发过程浅述[J].电子世界，2018.
[13]马宁.VR中的汽车设计[J].产品可靠性报告，2016（4）：118-121.
[14]刘迪.浅谈VR虚拟仿真在汽车检测维修教学中的应用[J].湖北农机化，2018（07）：37.
[15]林朝辉.基于“VR”的现代汽车电子系统故障诊断仿真实训系统开发[D].吉林大学，2010.
[16]赵海宾.仿真技术在汽车维修教学中的应用[J].科技风，2015（15）：187.
[17]张晓亮，王炳恺基于移动终端的VR技术在汽车检测与维修专业中的应用[J].时代农机，2018，45（11）：210.
[18]"Audi partners with Somo to create fanexperiences using Google Glass and Oculus Riftat Goodwood Festival of Speed".The Drum.June26，2014.Retrieved September 7，2015.
[19]匡艳，聂磊，肖贵平，王海.铁路运输安全虚拟现实模拟培训系统研究[J].铁路计算机应用，2005（01）：48-49.
[20]任天猛.交互式虚拟装配平台关键技术的研究[D].长春工业大学，2016.
[21]高美真，黄娇青.OpenGL中的图形变换[J].焦作师范高等专科学校学报，2006（02）：51-53.
[22]The high performance multi-disciplinaryCAE post-processor：https：//www.beta-cae.com/meta.htm
[23]傅一平.深入浅出的理解5G在垂直行业的重要作用[J].计算机与网络，2018，44（24）：44-47.
[24]王栋，侯秀芳.论产业结构生态化的路径选择——以河北沿海经济隆起带为例叶商业时代，2013（31）：120-121.
关键词：虚拟现实（VR）;汽车领域
中图分类号：TP 文献标识码：A 文章编号：1005-2550（2019）05-0020-04
田岩
毕业于吉林大学，学士学位，从事汽车研发领域工作6年，主要负责汽车CAE仿真技术研究。
1 研究现状
虚拟现实（Virtual Reality，简称VR）技术是一种应用计算机图形与仿真技术构建虚拟空间的技术，通过各种控制及现实等接口设备，实现受众与虚拟环境的交流。VR技术具备沉浸性、交互性和构想性等特点[1-2]。
虚拟现实概念由Jaron Lanier在1989年提出[3]。80至90年代，美国国家航空航天局推出了初级的VR设备。2014年微软公司进军虚拟现实领域，2015年脸书、谷歌及苹果公司进入该领域，并开发相应设备[4]。随着计算机技术的发展，中国的科研人员对VR技术进行了系统的研究，并取得了一系列研究成果[5]。目前，我国虚拟现实技术在城市规划、医疗、房地产等领域得到了广泛的应用[6]。
2 应用场景
VR技术，作为跨时代的终端计算平台，凭借其跨时代的交互性、想象性和沉浸感，最直接也是最具有开发价值的应用就是在游戏领域。VR技术能够直接提升游戏的观感和体验[7]。直播也是VR技术的核心应用之一，包括体育赛事直播，娱乐演唱会直播及其他事件直播[8]。VR技术应用于房地产领域，最主要的价值是重塑了传统的依靠房产中介带领消费者看房的老旧模式，使消费者可以异地同时看房，极大提升了房产销售效率[9]。VR技术在教育领域的使用，主要体现在其可以更为直观，高效的展示书本难以完全展现的信息，特别是在物理学，动植物学，天文学等领域[10]。
如上图所示为VR技术在各领域的发展情况。除此之外，VR技术还在旅游、工程、醫疗、艺术设计等领域有着广阔的应用和发展前景，其对重塑各领域产业链及深化技术升级及创新存在重要作用。
3 VR技术在汽车领域的发展
随着全球虚拟现实技术的蓬勃发展，汽车行业的VR技术也由萌芽阶段逐步走向成熟。针对虚拟现实技术在汽车领域的发展，我国在“十三五”开局之年大力推动VR科技的研发和应用[11]。
3.1 汽车设计及研发
在传统汽车的设计中，从等比油泥模型到样车试制，都需要大量的人力物力及时间。当设计人员利用VR技术进行汽车设计时，可以在等比例的空间中把控每一处设计细节，更加直观快速地看到不同参数及结构导致的不同结果，从而可以及时调整车辆构造参数，评估和优化产品结构，最大程度避免设计失误[12]。
同时，由于VR技术能使模拟场景接近现实，所以可以利用虚拟车型进行一系列试验，如碰撞、风动、路试等[13]。通过仿真软件的后处理可视化模块，可以大大加强仿真技术人员的沟通便利性，对技术的成熟及发展有着重要的作用。如图4所示为应用Meta仿真后处理模块的VR应用场景。
3.2 汽车生产及维修教学
汽车、物流和服务等领域，可以利用VRR术建立数字化工厂，将所有资源、信息进行整合，建立虚拟加工生产线装配线，模拟实车的生产装配。工程师及流水线工人通过虚拟的生产装配对实际产品的生产装配进行预估和校准，调试来降低生产误差，降低成本[14]。
高校教学中，由于实训拆装零部件少，特别是精密的汽车零部件较少，导致教学中的内容比较抽象，学生学习的积极性不高[15]。三维虚拟技术逐步应用现代化的教学中，成为解决上述传统汽车维修教学缺点的有效途径[16]。利用三维虚拟仿真技术在汽车维修专业教学中进行应用，可以提高学生的积极性、主动性及降低实训成本。在维修方面，也可以通过VR进行远程指导[17]。
3.3 汽车营销及服务
在汽车营销与服务方面，VR技术的应用可以吸引更多的用户。在车展、新车发布会等大型活动中，VR技术可以让更多的用户在家“亲临”现场，即用户可以坐在“家”中完成看车、选车及试驾的过程。例如奥迪和Oculus合作推出的基于VR技术的选车服务，极大的提升了用户体验[18]。
四 实现方法
虚拟现实包括硬件和软件两个部分，硬件包括电脑服务器、显示器、环绕屏幕、数据手套、数据鼠标等一系列设备。软件是指操作这些硬件设备具体实现虚拟环境的机器语言编码[19]。
4.1 硬件
虚拟现实设备一般包含计算单元，显示设备及交互设备三个基本模块[20]。计算单元用来进行大规模运算，实时输出虚拟环境的模拟信号，包括视频，音频及其他交互设备的反馈信号等。显示设备用来输出虚拟的环境。交互设备是用户实现与虚拟环境进行沟通交流的媒介，通过视觉捕捉技术，体感技术，以及其他直接触摸的设备进行。
4.2 软件
计算机图形学是完成虚拟现实的技术的主要支撑。为了虚拟现实技术的沉浸式场景感受，计算机图形学需要达到高质量、实时的图像生成及高分辨率三个指标[21]。虚拟现实软件有环境内容软件Vega Prime;虚拟现实系统高级跨平台开发环境WTK;具备丰富互动行为模块的实时3D环境编辑软件Virtools;多平台综合型游戏开发工具Unity3D及我国具有完全知识产权的三维虚拟现实平台软件Converse3D等。在汽车行业，应用于仿真分析后处理的可视化软件Meta也较流行[22]。
5 VR技术发展展望
5.1 智慧化
VR技术是适应信息社会发展需求而出现的一种高端人机接口，可实现虚拟化感受，并实时模拟和交互。VR技术的智慧化发展，可使参与者超越时间与空间的限制，改变人们传统的创新意念。结合人工智能技术的发展，VR技术会更具有智慧性。未来随着5G技术的发展，VR技术将会更加真实地与现实世界联系起来[23]。 5.2 普适化
随着计算机科学的不断发展与进步，VR技术正朝着满足人类不同需要的方向发展，比如日常购物，学习深造等。随着VR技术的发展，越来越多的普通人也将会受到虚拟现实技术的影响，也会在该技术的影响下受益。
5.3 生态化
生态化是指多个生产体系或环节之间通过系统的耦合和物质、能量的多级利用，实现高效的产出和资源环境的持续利用L2a1。虚拟现实的生态化是指VR技术可以在各行各业中得到越来越广泛地应用，并将各关联产业耦合与高效利用。运用VR技术进行智能网联系统的研发与制作，不仅使各行业的生产效率迅速提高、成本降低，也能够满足消费者个性化的需求。
参考文献：
[1]余华鸿.虚拟现实技木的应用现状及发展[J].今日科苑，2009：182-182.
[2]王海荣.虚拟现实技术研究与系统实现[J].微计算机信息，2011（5）：210-212.
[3]"Virtual reality：Meet founding father jaronLanier".New Scientist.Retrieved 2017-06-13.
[4]梁德福.三维虚拟仿真技术在汽车维修教学中的应用[D].;T-JJII大学.2017.
[5]赵沁平，周彬，李甲，等.虚拟现实技术研究进展[J].科技导报，2016，34（14）：71-75.
[6]王斌等.VR ：融合与创新.机械工业出版社，2016.
[7]施佳.VR/AR技術的机遇和挑战——以游戏产业为例[J].计算机产品与流通，2018（11）：93-94.
[8]徐火顺，叶剑章，尹海生.大视频VR直播业务及其技术[J].中兴通讯技术，2017，23（06）：24-27.
[9]李洪刚.浅析虚拟现实（VR）技术在房地产领域中的应用与发展[J].中外建筑，2017（12）：148-150.
[10]郭汉，宋耀伟，张森木.基于计算机视觉的虚巧现实技术在体育教学中的应用研究[J].西北工业大学学报.2016，36（2）：92-96.
[11]刘丽鸣.走进汽车产业的虚拟现实世界一一陈光祖：VR助力汽车产业智能化发展[J].汽车纵横，2016（7）：52-55.
[12]周晓雨，倪小波.汽车仿真VR开发过程浅述[J].电子世界，2018.
[13]马宁.VR中的汽车设计[J].产品可靠性报告，2016（4）：118-121.
[14]刘迪.浅谈VR虚拟仿真在汽车检测维修教学中的应用[J].湖北农机化，2018（07）：37.
[15]林朝辉.基于“VR”的现代汽车电子系统故障诊断仿真实训系统开发[D].吉林大学，2010.
[16]赵海宾.仿真技术在汽车维修教学中的应用[J].科技风，2015（15）：187.
[17]张晓亮，王炳恺基于移动终端的VR技术在汽车检测与维修专业中的应用[J].时代农机，2018，45（11）：210.
[18]"Audi partners with Somo to create fanexperiences using Google Glass and Oculus Riftat Goodwood Festival of Speed".The Drum.June26，2014.Retrieved September 7，2015.
[19]匡艳，聂磊，肖贵平，王海.铁路运输安全虚拟现实模拟培训系统研究[J].铁路计算机应用，2005（01）：48-49.
[20]任天猛.交互式虚拟装配平台关键技术的研究[D].长春工业大学，2016.
[21]高美真，黄娇青.OpenGL中的图形变换[J].焦作师范高等专科学校学报，2006（02）：51-53.
[22]The high performance multi-disciplinaryCAE post-processor：https：//www.beta-cae.com/meta.htm
[23]傅一平.深入浅出的理解5G在垂直行业的重要作用[J].计算机与网络，2018，44（24）：44-47.
[24]王栋，侯秀芳.论产业结构生态化的路径选择——以河北沿海经济隆起带为例叶商业时代，2013（31）：120-121.