1虚拟仿真技术概述
1.1虚拟仿真的定义
虚拟仿真（Virtual Reality，简称VR），也成为虚拟现实，是实现数字孪生关键技术的一部分。VR技术是将计算机图形学、仿真技术和人工智能技术相结合，来模拟人类听觉、触觉、视觉等感知能力，让使用者置身于电脑产生的虚拟世界，并通过语言、手势等自然的互动与其交互，以实现真正意义上的“人机交互”。利用VR技术用户不仅能够在虚拟世界中体验到现实世界的真实感受，还能够突破空间、时间等限制，体验到在现实生活中无法感受到的体验[1]。美国是最早开始研究VR技术的国家，并且其以所拥有的Intel、NVIDIA、IMB等许多计算机领域的高级硬件厂商和在游戏、互联网、算法多年来积累的研究经验，在众多研究VR技术的国家中脱颖而出。而后欧洲、日本等国家相继开始研究VR技术[2]。相比之下，我国对VR技术的研究发展比较慢，无论是硬件还是算法与发达国家相比仍然存在一定的差距。不过近年来随着中国九五计划、高新技术研究发展计划等相关政策的出台，我国已经开始大力推展VR技术的发展并取得了一系列进展。目前VR技术已广泛应用到十余种重要的行业中。
1.2虚拟仿真技术的发展历程
物理仿真阶段（20-30年代）：在此期间，虚拟仿真技术是实物仿真和物理效应仿真方法。仿真技术在航天领域中得到了很好的应用。一般是以航天飞行器运行情况为研究对象的，并且仿真取得了一定的效益。
模拟仿真阶段（40-50年代）：在这期间，虚拟仿真技术采用模拟计算机仿真技术：到50年代末期采用模拟/数字混合仿真方法。
数字仿真阶段（60-80年代）：在这二十年间，虚拟仿真技术大踏步地向前进了一步。进了60年代，数字计算机的迅速发展和广泛应用使仿真技术由模拟计算机仿真转向数字计算机仿真。数字计算机仿真首先在航天航空中得到了应用。
虚拟仿真阶段（80年代至今）：虚拟仿真技术得到了质的飞跃，虚拟技术诞生了。虚拟技术的出现并没有异味着仿真技术趋向淘汰，而恰恰有力的说明仿真和虚拟技术都随着计算机图形技术而迅速发展，在系统仿真、方法论和计算机仿真软件设计技术在交互性、生动性、直观性等方面取得了比较大的进步。
2汽车行业虚拟仿真技术的应用
VR因为具有强大的数据可视化和交互性、沉浸性的特点而被誉为是一种可以拓展人类感知能力、改变产品形态和服务模式的新兴技术。对制造业而言，其改变了产品研发过程中的信息流；为制造过程提供可视化、辅助和扩展空间；有助于在开发过程的早期阶段发现并避免设计错误；减少了物理原型的数量，并为企业节省了时间和成本[3]。目前基于虚拟产品体验的定制设计已经在汽车企业进行初步探索应用，VR等相关技术的应用为实现以客户为中心的研发、协同设计、满足大规模定制化需求等提供了重要的技术支撑。我国在“十三五”开局之年大力推广了VR技术的研发和应用[4]。汽车行业的虚拟仿真技术也由最初的芽时期正逐步走向成熟。VR技术贯穿了汽车设计、制造、试验、营销与服务的每个阶段[5]。目前已经有一些国内外汽车制造商将VR技术应用到了汽车生产过程中，如表1所示为各大汽车企业应用VR技术的情况。
表1VR技术在国内外企业的应用
2.1汽车设计阶段的虚拟仿真技术
汽车的设计制造阶段分为汽车设计、汽车性能实验、汽车制造生产线三个阶段。在汽车设计阶段，设计师可以利用VR技术将汽车按照1：1的比例显示在VR设备中，让设计人员全方位了解每一处设计细节，从而避免设计和生产失误，减少人力成本和资源浪费[6]。同时借用 VR平台，能够直观而又真实地对外观和造型的设计效果进行评审。福特汽车早在几年前就推出了VR虚拟实验室。实验室是一个虚拟汽车原型房间，其中有一辆汽车、一个80英寸的4K显示器和计算机平台，汽车只有一个座位和方向盘。使用者戴上VR眼镜和一只手套，遍布墙壁的19个运动跟踪摄像头就会对其进行监测，以获得佩戴者头部的精确位置和方向。戴上眼镜后，用户可以加载车辆CAD模型，将它们置于不同的环境中，在汽车周围走动就好像自己身处陈列室一样。
2.2汽车制造阶段的虚拟仿真技术
生产制造阶段的仿真包括：装配工艺仿真、生产线性能仿真、人机工程仿真、机器人编程仿真等。通过仿真发现虚拟生产过程可能会出现的问题和缺陷是生产制造阶段的主要任务。在产品生产制造阶段，VR技术虚拟仿真为基础，对生产线生产的整个过程进行建模，实现加工、装配、检验等全部过程的虚拟场景可视化。过程中，各总成工程师都可以共同参与汽车的设计，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，最大程度地降低设计风险和提高效率.。在对汽车零件进行装配时，设计师利用VR技术可以进行产品模拟装配过程，在虚拟装配过程中检查零部件的设计，装配过程是否产生干涉情况，对零部件设计图进行修改。总的来说，VR技术应用在汽车产品生产中，能够提高设计水平，提升企业生产效率，缩短生产周期，降低生产成本。
2.3汽车试验阶段的虚拟仿真技术
在汽车性能试验方面，利用 VR 技术构建的虚拟环境，配合环境模拟数据，得到准确可靠的试验结果。如上海智能网联汽车技术中心有限公司（sicv）自主研发的一项名为“全栈自动驾驶仿真测试”的新技术，将其应用在自动驾驶测试车辆性能问题上。该技术只要给测试车辆戴上vr眼镜，它就能在上万种仿真测试场景中驾驶。这项技术的新奇地方就在于车辆在测试设备上，车轮时而加速、时而减速，车身却不动。而轿车正前方，环形幕布上播放的动画正模拟着路况场景。将虚拟仿真技术应用在自动驾驶仿真测试平台上，能够有效对危险或者不常见的场景进行测试，助力自动驾驶测试的发展，加速智能汽车的发展[7]。
2.4汽车营销与服务阶段的虚拟仿真技术
汽车在进行营销时，最多的就是以车展的形式向消费者展现汽车性能、外观等各方面的信息。将来在车展上利用VR技术作为一个辅助销售工具，能够给消费者带来不一样的体验价值。它可以把车虚拟地展现在消费者的眼前，同时它可以用游戏或者驾驶体验的方式，以标准的流程为客户做详细的性能和外观介绍[8]。目前已经有部分企业已经研发了虚拟驾驶技术。如：奥迪在2015年底开始，奥迪的顾客坐在汽车销售店里就可以戴上Oculus Rift设备为自己的爱车选购配置，可以浏览奥迪旗下所有系列的所有车型。戴上VR头显之后，用户的汽车配置选购体验将会大大增强。此外，丰田和Oculus联手推出了一个面向青少年的虚拟现实驾驶模拟器“TeenDrive 365”。使用者只需要坐在驾驶舱内，戴上VR头盔，即可进入“真实驾驶时刻”。虽然现实路况会更加复杂，但通过在静止的真车上模拟各种交通场景，这套系统有望帮助青少年安全地锻炼出一些必要的驾驶技能。结合VR技术进行营销，不仅能够直观的为消费者展示汽车性能等方面的信息，还可以为消费者减少选车的烦恼，为消费者选取更合适更满意的商品，达到精准营销。
3VR技术未来发展愿景
中国汽车行业整体规模持续稳固，但大而不强的问题依旧明显。一方面，中国汽车产业发展规模持续稳固。2020年，中国汽车产销量分别为2522.5万辆和2531.1万辆，连续12年蝉联全球第一；同时，产业发展速度有所放缓，2020年，中国汽车行业面临较大压力，行业主要经济效益指标增速趋缓，汽车产销量比上年同期分别下降2%和1.9%；另一方面，中国汽车产业集中度依旧相对较低，虽然主要的整车生产企业多达几十家，行业集中度相对较低，CR3不足60%，而欧美、日本等发达工业强国CR3基本均达到90%以上。
为了振兴我国实体经济、推动汽车制造企业向中高端迈进，加快工业转型升级，促进虚拟仿真技术的进一步落实，现将2025至2035年间汽车企业在VR技术领域的发展愿景进行规划。当前阶段，随着自动驾驶进程的不断推进，汽车与驾驶员之间的交互能力也越来越重要，即人机交互。目前，车内的人机交互多为触控、语音、生物识别、AR技术等多方式组合，集成于汽车座舱内的显示系统、智能座椅、内饰等区域，以提高人机交互的效率和便捷性。虽然人机交互已经取得了巨大进展,但是仍存在许多瓶颈，传感器精度有限、网络传输速度限制影响着用户体验感，相信随着“中国智造”的实现和5G通信网络的应用，VR技术的软硬件需求终将得到满足。
人机交互技术到2025年将实现由多个智能设备共同形成的智能设备生态系统，就像一台设备一样为用户服务。处于物联网的多模态交互网络下的智能设备将不再各自为政，各设备间共享信息，无需进行重复的信息计算和信息推送；到2030年实现智能化，即在人机交互中，使计算机更好地自动捕捉人的姿态、手势、语音和上下文等信息，了解人的意图，并做出合适的反馈或动作，提高交互活动的自然性和高效性，使人-机之间的交互像人-人交互一样自然、方便；到2035年实现去屏幕化或超屏幕化，将“屏幕”融于环境。好的交互应该是自然且无形的，最好的用户界面就是没有界面。实现终极人机交互的智能化，就是使“人-机”互动变得像“人-人”互动一样自然、流畅。具体规划如表2所示。
表2VR技术在人机交互上的未来发展愿景
参考文献：
[1] 余华鸿.虚拟现实技术的应用现状及发展[J].今日科苑,2009(04):182.
[2] 余诗曼,许奕玲,麦筹璋,李诗霖.虚拟现实技术的应用现状及发展研究[J].大众标准化,2021(21):35-37.
[3] 王学文,谢嘉成,李素华,李娟莉.VR/AR技术在智能化综采工作面建设中的应用现状与展望[J].智能矿山,2020,1(01):132-136.
[4] 刘丽鸣.走进汽车产业的虚拟现实世界——陈光祖:VR助力汽车产业智能化发展[J].汽车纵横,2016(07):52-55.
[5] 苏德,林琛,陆镱升,韦港依,黄祖朋,张亮.VR技术在汽车领域的应用[J].时代汽车,2021(06):39-40.
[6] 方小晖.虚拟现实技术在汽车造型设计中的运用[J].南方农机,2017,48(19):142.
[7] 编辑部.虚拟仿真技术助力自动驾驶测试降本增效，加速智能汽车产业发展[J].汽车与配件,2021(15):46-47.
[8] 付凤华.虚拟现实技术在汽车驾驶体验中的应用[J].数码世界,2019(07):11．