VR技術(shù)在汽車行業(yè)的應(yīng)用與展望

宋瑞升 薛南南 王斌

（中國汽車技術(shù)研究中心有限公司, 天津 300300）

0 引言

虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，VR）技術(shù)指利用計(jì)算機(jī)及相關(guān)傳感技術(shù)，模擬現(xiàn)實(shí)世界的三維環(huán)境、場景及其交互方式。用戶可以通過VR 技術(shù)身臨其境地體驗(yàn)、感知、控制其中的物體或事件，并產(chǎn)生一種身臨其境的感覺。用戶能夠在虛擬環(huán)境中執(zhí)行虛擬世界中的任務(wù)，產(chǎn)生更真實(shí)、更具想象力的體驗(yàn)。

VR 技術(shù)在游戲、教育、醫(yī)療等行業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用，如虛擬體驗(yàn)、虛擬商業(yè)、虛擬教育、虛擬娛樂和虛擬旅游等。汽車行業(yè)作為VR 技術(shù)應(yīng)用的一個(gè)重要領(lǐng)域，主要應(yīng)用在汽車設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、銷售和維修等多方面。本文主要探討VR 技術(shù)在各行業(yè)的應(yīng)用情況，并針對汽車行業(yè)的應(yīng)用做了具體分析。首先，闡述VR的概念、關(guān)鍵技術(shù)以及市場預(yù)測情況，總結(jié)了VR 技術(shù)在各行業(yè)的應(yīng)用現(xiàn)狀，闡述了VR 在汽車行業(yè)應(yīng)用現(xiàn)狀，最后分析了VR 技術(shù)在汽車行業(yè)中的未來發(fā)展與挑戰(zhàn)。

1 VR技術(shù)概述

VR 技術(shù)在1980 年由Jaron Lanier 提出[1]，VR 技術(shù)所創(chuàng)造的環(huán)境是一個(gè)計(jì)算機(jī)模擬的、人為設(shè)計(jì)的虛擬環(huán)境，使觀眾能夠以全新的、身臨其境的方式去體驗(yàn)和交互。VR 除了能夠?qū)σ曈X進(jìn)行模擬外，還可以對聽覺、嗅覺、觸覺進(jìn)行模擬，更接近人類的真實(shí)感覺[2]。

VR 技術(shù)的實(shí)現(xiàn)需要軟件和硬件部分共同完成，如圖1。軟件部分包括三維建模軟件、操作系統(tǒng)和開放平臺(tái)，負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)生成動(dòng)態(tài)圖像展示給用戶，并捕捉用戶的動(dòng)作，將它們轉(zhuǎn)換為虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的變化[3-4]。硬件部分包括輸入設(shè)備與輸出設(shè)備，如芯片、光學(xué)顯示、跟蹤器、交互設(shè)備等[5]。據(jù)Wellsenn XR 的XR 硬件拆解報(bào)告VR 設(shè)備中芯片、屏幕和光學(xué)顯示模塊占據(jù)了大部分成本，共占設(shè)備總成本的65%左右。在芯片方面，高通驍龍的XR2芯片是現(xiàn)在VR的主力芯片[6]。光學(xué)顯示模塊方面，以菲涅爾透鏡方案為主流，而Micro LCD因其自身的亮度高、厚度低，將是未來應(yīng)用的趨勢。

圖1 虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)組成

VR關(guān)鍵核心技術(shù)包括以下4個(gè)方面。

（1）三維建模和圖形生成

三維建模是通過計(jì)算機(jī)模擬三維場景，生成可視化的虛擬場景[7]。計(jì)算機(jī)圖形生成技術(shù)是三維建模的基礎(chǔ)，是數(shù)學(xué)、物理學(xué)、計(jì)算機(jī)視覺等多學(xué)科的綜合應(yīng)用。三維建模和計(jì)算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)的復(fù)雜性不僅在于繪制出逼真的場景，還在于如何實(shí)現(xiàn)場景中的互動(dòng)和動(dòng)態(tài)效果[8]，如碰撞檢測、動(dòng)畫制作、物理仿真等。

（2）復(fù)雜場景快速渲染

VR 場景對于用戶的體驗(yàn)至關(guān)重要，但是復(fù)雜的場景渲染往往需要耗費(fèi)大量的計(jì)算資源。如何實(shí)現(xiàn)復(fù)雜場景的高效渲染，是VR 技術(shù)實(shí)現(xiàn)過程中的難點(diǎn)之一[9]。為了解決這個(gè)問題，研究人員一直在嘗試使用更高效圖形渲染算法，如基于圖形處理器（Graphic Processing Unit,GPU）的渲染技術(shù)、光線追蹤技術(shù)和實(shí)時(shí)追蹤技術(shù)等。

（3）身體感知與運(yùn)動(dòng)跟蹤

身體感知和運(yùn)動(dòng)跟蹤技術(shù)[10-11]是VR 中最重要的技術(shù)之一。通過感知用戶的身體動(dòng)作和位置信息，VR 系統(tǒng)可以根據(jù)用戶的動(dòng)作和位置來實(shí)時(shí)生成對應(yīng)的虛擬畫面。目前使用的技術(shù)包括紅外光學(xué)跟蹤技術(shù)、慣性導(dǎo)航技術(shù)和機(jī)械式跟蹤技術(shù)。

（4）交互感知

VR 的最終目的是為用戶創(chuàng)造具有沉浸感的虛擬場景，通過真實(shí)的身體移動(dòng)和手勢來觸發(fā)與場景的交互。如何讓用戶更自然地交互、更容易進(jìn)入虛擬場景，一直是VR 技術(shù)研究的重點(diǎn)之一[12]。目前常用的交互方式包括手柄、光學(xué)手勢、頭部追蹤和語音命令[13]。

據(jù)維深信息（Wellsenn XR）統(tǒng)計(jì)和預(yù)測，2022 年全球VR 出貨量為986 萬臺(tái)，國內(nèi)VR 整體出貨量為121 萬臺(tái)，較2021 年增長218%。預(yù)計(jì)未來VR 設(shè)備出貨量將保持穩(wěn)定增長趨勢，2025 年全球出貨量預(yù)計(jì)增長至3 000 萬臺(tái)，2027 年預(yù)計(jì)達(dá)到12 000 萬臺(tái)（圖2）。

隨著人們生活水平與消費(fèi)能力的提高，汽車不僅作為一個(gè)交通工具，更成為了一種生活方式，以滿足人們多樣化的需求。隨著VR 軟硬件的協(xié)同發(fā)展，以及生態(tài)建設(shè)不斷完善，如主流產(chǎn)品的畫面分辨率、刷新率不斷升級、頭戴設(shè)備的逐漸輕量化、軟件內(nèi)容的多元化，VR 技術(shù)在汽車行業(yè)擁有廣闊的發(fā)展前景。

2 VR技術(shù)在各行業(yè)的應(yīng)用

2.1 旅游行業(yè)

VR技術(shù)被廣泛應(yīng)用于旅游領(lǐng)域[14]，為人們提供了更加豐富的旅游體驗(yàn)。通過使用VR 技術(shù)，游客可以在現(xiàn)實(shí)中無法接觸的地方進(jìn)行虛擬游覽，也能夠親身體驗(yàn)一些危險(xiǎn)環(huán)境（如暴雪環(huán)境、海洋深處）。同時(shí)，它還能夠提供歷史的虛擬漫游和旅游過程中的互動(dòng)式導(dǎo)覽。

2.2 游戲領(lǐng)域

VR 技術(shù)在游戲領(lǐng)域的應(yīng)用廣泛。VR 游戲可以給用戶更為真實(shí)的感覺，也可以設(shè)計(jì)出更加完美的游戲場景[15]，并使用戶更加純熟地參與其中。目前虛擬現(xiàn)實(shí)游戲業(yè)已經(jīng)成為了一種飽受歡迎的游戲品類，VR游戲在未來還有巨大的發(fā)展空間。

2.3 航天領(lǐng)域

VR 技術(shù)對于航天領(lǐng)域的應(yīng)用也具有很高的價(jià)值[16-17]。如宇航員在進(jìn)行受害演練時(shí)，使用VR技術(shù)可以使航天員身體感受更加真實(shí)并能使其在最短的時(shí)間內(nèi)掌握如何應(yīng)對各種異常情況的技能。VR 在航天領(lǐng)域尚處于萌芽狀態(tài)，預(yù)計(jì)會(huì)在未來得到更加廣泛的應(yīng)用。

2.4 醫(yī)療行業(yè)

在醫(yī)療領(lǐng)域，VR技術(shù)可以用于手術(shù)操作后的訓(xùn)練，通過VR技術(shù)來重現(xiàn)手術(shù)現(xiàn)場，可以使醫(yī)生更好地學(xué)習(xí)和掌握手術(shù)技巧，減少醫(yī)療事故發(fā)生的概率。此外，在疼痛緩解和心理治療等方面也有廣泛的應(yīng)用[18-20]。

2.5 教育行業(yè)

在教育行業(yè)，VR 技術(shù)可以模擬真實(shí)的教學(xué)環(huán)境，讓學(xué)生在虛擬場景中學(xué)習(xí)和實(shí)踐[21-23]。例如學(xué)生可以通過VR 技術(shù)實(shí)現(xiàn)人體結(jié)構(gòu)的3D 模擬，進(jìn)一步學(xué)習(xí)人體肌肉、骨骼結(jié)構(gòu)等。此外，VR 有助于歷史課程的教學(xué)演示，可以基于虛擬現(xiàn)實(shí)的技術(shù)為學(xué)生呈現(xiàn)各個(gè)歷史時(shí)期的情境真實(shí)資料。

2.6 軍事領(lǐng)域

VR 技術(shù)在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用也相對廣泛，比如針對戰(zhàn)場上的情況進(jìn)行訓(xùn)練，通過模擬情境判斷準(zhǔn)確性和敏捷性等，使訓(xùn)練效果更加真實(shí)[24-25]。此外還可以模擬各種槍械和飛行器操作等，提高士兵和飛行員的操作技巧和反應(yīng)能力。

2.7 元宇宙領(lǐng)域

元宇宙指建立一個(gè)完全虛擬的世界，其中所有人具備唯一的數(shù)字身份[26]。人們可以在這個(gè)超越現(xiàn)實(shí)的空間中進(jìn)行活動(dòng)和交流并獲得沉浸式體驗(yàn)。元宇宙實(shí)現(xiàn)需要的核心技術(shù)支撐包括VR、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（Augmented Reality, AR）[27]和腦機(jī)[28]技術(shù)，其中VR 則是元宇宙的第一流量入口。VR 設(shè)備制造商紛紛推出新的產(chǎn)品，提高用戶在虛擬空間中的交互體驗(yàn)，為元宇宙的發(fā)展提供更好的支持。

3 VR技術(shù)在汽車行業(yè)上的應(yīng)用

VR 技術(shù)在汽車領(lǐng)域獲得了不斷發(fā)展，如奧迪在2018年的兩款車型通過引入了VR技術(shù)給用戶帶來全新的體驗(yàn)[29]，蔚來在2021 年推出的ET5 上也安裝了基于VR 技術(shù)的智能座艙設(shè)備。下面本文對VR 技術(shù)在汽車行業(yè)的應(yīng)用做具體的闡述。

3.1 汽車設(shè)計(jì)

VR 技術(shù)提供了更好的視覺效果和用戶體驗(yàn)，從而使設(shè)計(jì)師們更能夠設(shè)計(jì)出滿足消費(fèi)者需求的汽車（圖3），可以提前體驗(yàn)并改善汽車外觀的各個(gè)細(xì)節(jié)[30-32]。

圖3 VR技術(shù)應(yīng)用于汽車設(shè)計(jì)[32]

在汽車外觀設(shè)計(jì)上，設(shè)計(jì)師通過VR 技術(shù)構(gòu)建出汽車的外觀、顏色和內(nèi)飾三維模型，然后在虛擬環(huán)境中直接操作設(shè)計(jì)，可大大縮短汽車設(shè)計(jì)周期，將汽車的創(chuàng)新點(diǎn)和特色提前呈現(xiàn)[33]，以便更好地調(diào)整設(shè)計(jì)方案。除了外觀造型設(shè)計(jì)，VR 還被廣泛應(yīng)用于汽車零部件的設(shè)計(jì)過程[34-35]。設(shè)計(jì)師們可以使用VR 技術(shù)來測試各種設(shè)計(jì)選項(xiàng)的效果，以便優(yōu)化零部件性能并提高設(shè)計(jì)效率。這些技術(shù)還可以模擬零部件生產(chǎn)、儲(chǔ)存和運(yùn)輸過程，從而優(yōu)化生產(chǎn)流程和降低成本。

3.2 汽車生產(chǎn)

在汽車生產(chǎn)階段，VR 技術(shù)可以幫助企業(yè)提高生產(chǎn)線效率和生產(chǎn)質(zhì)量。比如，在設(shè)計(jì)各種零部件時(shí)，進(jìn)行各種情況下的模擬測試并找出問題提前解決，提高汽車的可靠性和穩(wěn)定性[36]。

在制造汽車零部件時(shí)VR 技術(shù)可以優(yōu)化制造流程。在汽車組裝過程中，VR 技術(shù)不僅可以提高碰撞測試以及操作流程的準(zhǔn)確性，還可以增強(qiáng)工作人員與車輛之間的互動(dòng)（圖4）。工程師們可以使用VR 技術(shù)來模擬車輛組裝過程[37-38]，預(yù)先檢驗(yàn)設(shè)計(jì)的合理性。VR 技術(shù)還可以為操作工人提供更好的指導(dǎo)，幫助他們更好地理解如何組裝部件，進(jìn)一步增強(qiáng)組裝流程效率。

圖4 VR技術(shù)應(yīng)用于虛擬裝配[37]

VR 技術(shù)可以快速生成各種虛擬車型生產(chǎn)線，并在虛擬環(huán)境中進(jìn)行驗(yàn)證與優(yōu)化，提高整個(gè)生產(chǎn)線效率與性能[39]。VR 技術(shù)還可以幫助廠商在汽車制造中進(jìn)行更好的協(xié)作，被應(yīng)用于汽車零部件的追溯和維護(hù)[40]。

3.3 汽車銷售

在汽車銷售方面，VR 技術(shù)可以應(yīng)用于汽車銷售展廳的在線展示和線上選車[41-42]。通過應(yīng)用VR 技術(shù)，企業(yè)可以在虛擬環(huán)境中模擬汽車銷售場景，或創(chuàng)建立體全息圖形式（Hologram）直觀、生動(dòng)地展現(xiàn)汽車性能和特點(diǎn)信息（圖5），給消費(fèi)者提供直觀的真實(shí)感受，對汽車購買決策有很大的幫助[43]。許多線上的汽車信息瀏覽軟件如懂車帝、汽車之家等也廣泛利用VR 技術(shù)提供給用戶真實(shí)的看車體驗(yàn)，輔助用戶選車與購車。

圖5 VR技術(shù)應(yīng)用于汽車銷售[42]

VR 技術(shù)在汽車銷售和服務(wù)領(lǐng)域的應(yīng)用，可以提升消費(fèi)者的購車體驗(yàn)和滿意度，幫助其更好地理解汽車功能和體驗(yàn)。VR 還可以在汽車營銷中提供增強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)感，幫助消費(fèi)者更便捷地選購商品以提升消費(fèi)者滿意度，提升汽車品牌影響力。

3.4 模擬駕駛與安全培訓(xùn)

VR 技術(shù)可以為試駕者提供更加真實(shí)和沉浸式的體驗(yàn)，試駕者不會(huì)面對風(fēng)險(xiǎn)，不會(huì)遭受身體損傷。試駕者駕駛車輛模擬各種行駛狀態(tài)和環(huán)境場景，并能夠快速切換車輛參數(shù)、駕駛模式，也可以模擬不同車型來進(jìn)行比較和體驗(yàn)[44]。在保證試駕者使用安全的同時(shí)，通過反復(fù)練習(xí)來習(xí)慣多種駕乘方式和不同的駕駛環(huán)境。

VR 技術(shù)應(yīng)用于汽車試駕中，試駕者可以在虛擬環(huán)境中體驗(yàn)不同地區(qū)、不同路況和不同場景的駕駛體驗(yàn)，比如高速駕駛、山地駕駛等場景，以及不同天氣條件下駕駛場景模擬。VR 技術(shù)還可以用于員工安全培訓(xùn)。這些技術(shù)可以在安全環(huán)境中模擬危險(xiǎn)情況，從而幫助員工更好地理解工作安全規(guī)范，并“親身”體驗(yàn)危險(xiǎn)情況。對于新員工，VR 技術(shù)可以提供更好的培訓(xùn)體驗(yàn)[45-47]，加快他們熟悉工作流程以及安全操作規(guī)范的速度。

3.5 車載娛樂

VR 技術(shù)也被應(yīng)用于車載娛樂，能夠?yàn)轳{駛者和乘客帶來更好的出行娛樂體驗(yàn)[48-49]。借助VR 技術(shù)駕駛者和乘客可以享受沉浸式的娛樂服務(wù)，比如虛擬景點(diǎn)導(dǎo)航和虛擬游戲等。VR 技術(shù)在車載娛樂功能的應(yīng)用能夠填充長途旅行中舟車勞頓的乏味時(shí)光，提升出行樂趣和體驗(yàn)。

目前對VR 車載娛樂的應(yīng)用是借助車載設(shè)備進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，乘客通過佩戴輕便的抬頭顯示（Head-Up-Display, HUD）眼鏡實(shí)現(xiàn)在車內(nèi)沉浸式游戲[50]。VR 車載游戲還可以與車輛自身的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)結(jié)合，通過網(wǎng)關(guān)將車輛的加速、減速、轉(zhuǎn)彎反饋給游戲場景，給用戶帶來沉浸式的娛樂體驗(yàn)，還能在一定程度上減少眩暈感[51]。

3.6 智能座艙

智能座艙指利用先進(jìn)的電子技術(shù)和人工智能技術(shù)對駕駛艙進(jìn)行升級，包括狀態(tài)控制、環(huán)境控制和多模態(tài)交互[52]功能。智能座艙還可以更好地理解駕駛員和乘客的需求，進(jìn)行主動(dòng)性和個(gè)性化服務(wù)。在尋求汽車差異化的路上，智能座艙成為汽車企業(yè)爭相競逐的焦點(diǎn)[53]。

在如今屏幕交互、語音交互和手勢交互已經(jīng)成熟應(yīng)用落地的大背景下[54]，未來汽車企業(yè)將會(huì)在交互方式方面加大創(chuàng)新力度，AR、VR和全息顯示將成為汽車企業(yè)探索的新方向[55]。例如，集成更高清晰度和更完整的顯示系統(tǒng)，提供更多的信息推薦、辦公、影音娛樂內(nèi)容。實(shí)時(shí)跟蹤并呈現(xiàn)行程路線與周邊生態(tài)，以實(shí)現(xiàn)更優(yōu)的用戶體驗(yàn)。

4 未來展望

VR 技術(shù)在汽車行業(yè)中的應(yīng)用也已經(jīng)開始顯現(xiàn)出巨大的潛力，未來將會(huì)呈現(xiàn)出如下發(fā)展趨勢。

（1）VR技術(shù)將更加普及

隨著VR 技術(shù)的發(fā)展和普及，更多企業(yè)將開始采用VR 技術(shù)實(shí)現(xiàn)在汽車的設(shè)計(jì)研發(fā)、模擬試駕、售前展示和售后維修環(huán)節(jié)，憑借其沉浸感、互動(dòng)性和實(shí)時(shí)性的優(yōu)勢，為汽車行業(yè)帶來更多的機(jī)遇和發(fā)展。

（2）VR設(shè)備將更加便攜

隨著VR 設(shè)備的不斷更新?lián)Q代，移動(dòng)式VR、一體式VR、外接式設(shè)備將更加便攜，更適合直接和車輛進(jìn)行聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)汽車高效可視化設(shè)計(jì)、測量、維修和車載娛樂領(lǐng)域中的應(yīng)用。

（3）與人工智能、大數(shù)據(jù)技術(shù)結(jié)合

隨著人工智能、大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展，VR 技術(shù)將更多的與這些技術(shù)相結(jié)合，更好地完成汽車交互、預(yù)測保養(yǎng)、數(shù)據(jù)采集和處理方面的任務(wù)，人工智能借助VR技術(shù)的廣闊視野為駕駛員提供更準(zhǔn)確清晰的駕駛服務(wù)，進(jìn)一步提高汽車行業(yè)生產(chǎn)效率和質(zhì)量。

（4）與車聯(lián)網(wǎng)、智能駕駛和無人駕駛結(jié)合

隨著VR 技術(shù)廣泛應(yīng)用和不斷完善，VR 技術(shù)將會(huì)更多的與車聯(lián)網(wǎng)、智能駕駛和無人駕駛車輛模擬相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對安全性、舒適性等多個(gè)維度的評估，以及自動(dòng)駕駛場景下的各種功能模擬與駕駛安全行為的分析體驗(yàn)?；谲嚶?lián)網(wǎng)的“端、管、云”基礎(chǔ)，VR 技術(shù)創(chuàng)造出一個(gè)非常真實(shí)和完美的駕駛場景，實(shí)現(xiàn)在不同的環(huán)境轉(zhuǎn)換不同類別的駕駛場景，體驗(yàn)未來無人駕駛汽車體系的人工智能模式。

VR 技術(shù)在未來發(fā)展也面臨著一些挑戰(zhàn)。如VR技術(shù)需要更好的硬件設(shè)施支持，如更高的帶寬、更高的傳輸速度和更高的顯示分辨率等硬件設(shè)備。此外，VR 技術(shù)在體驗(yàn)方面還需要更好的用戶接口、更好的人機(jī)交互和更好的模擬技術(shù)。同時(shí)，由于一些用戶在使用VR 產(chǎn)品時(shí)會(huì)出現(xiàn)暈眩和眼疲勞問題，這也是VR技術(shù)發(fā)展過程中需要克服的挑戰(zhàn)之一。

5 結(jié)束語

隨著VR 自身技術(shù)的不斷更新與迭代，預(yù)計(jì)未來將與人工智能、大數(shù)據(jù)技術(shù)充分結(jié)合，不斷拓展市場規(guī)模和在各行業(yè)的應(yīng)用方向。通過VR 技術(shù)的應(yīng)用，汽車設(shè)計(jì)效率、制造的精度、銷售真實(shí)性和駕乘體驗(yàn)都將得到提升。汽車廠商將繼續(xù)借助VR 技術(shù)持續(xù)創(chuàng)新，以滿足消費(fèi)者日益挑剔的多樣化需求，并推動(dòng)汽車行業(yè)向更高質(zhì)量和更高效率發(fā)展。