基于实时图像软件的动态仿真平台在汽车背光的探索

张 享，郑道松，付文刚，孟 锐

（奇瑞汽车股份有限公司，上海 200000）

1 前言

汽车按键、屏幕等人机交互设备的背光与指示灯，通常用于夜间的可视性操作和反馈性操作。一般基于传统经验实践进行定义，设置硬旋钮或软开关进行可调整操作，指示灯多由红、绿、黄、蓝等色彩组成［1］。以上定义被释放至零部件开发规范，经过数月开发周期，零件级首模件被安装到车上，再进行整车背光评审，筛查统一性，通常会出现背光不统一、系统逻辑不合理、色彩不一致等相关问题，反复几次评审，并进行定义微调，达到理想目标，完成V型开发［2］。

然而，随着汽车内饰材料种类、自带LED灯光的零部件的增多，同时，这些零部件过去多由车身控制器BCM硬线驱动，变为多个自带芯片零件自驱动和硬线驱动共存，且智能座舱、智能氛围环境灯和主动安全技术逐渐成熟，乘客对车内视觉环境的要求也随之提高。传统背光定义、测试、评审流程中高频率发生的各类问题高度放大，自带芯片驱动灯光的按键与色彩种类更复杂的屏幕在驾驶员同一视野中，统一性较难保证。

虚幻4引擎为代表的实时图像软件已在汽车内外饰、建筑展示上获得很多实践性经验，在该平台上进行演算的无人驾驶动态仿真项目也已初见成效［3］。早期造型软件已经可以做到静态仿真渲染，汽车、飞行器等行业的工程级计算机辅助设计仿真早已成熟［4］。结合上述三者的实时动态仿真、工程模拟、静态渲染，以及专业的物理引擎，在相较以往更短的时间内完成动态实时的仿真模型，减少大量重复工作，增强初始设计与交付结果的一致性。

整车背光可以利用上述搭建的基于实时图像软件的动态仿真平台进行先期定义，并进行即时调整。最大程度提高最终用户在车内环境中人机交互的舒适性、准确性。

2 动态仿真平台搭建

2.1 项目建立

在虚幻4引擎中建立高级车辆模板项目，或直接采用公司内外部的现有项目资源。该项目中存在已有的蓝图类静态网格体和较多的场景资源，包含运动的汽车模型、运动框架、带有边界的跑道、可视的路标与交通指示线等，本文并不过多讨论辅助驾驶对应的复杂路况，而关注与场景逻辑与光线对人的影响；在该项目中可选择无需编程的蓝图或C++编程环境，鉴于背光逻辑并非十分复杂，本文采用蓝图定义逻辑。由于本文主要探讨关于背光的定义的方法，且受制于计算工作站性能，所以选择不带光线追踪类型。

2.2 汽车静态网格体与骨骼网格体模型建立

在24月整车交付流程中，P3节点的交付物之一的CAD M2数据作为较为成熟的开模数据，采用M2前的基线数据作为汽车零部件的数据模型，已经可以较为真实地反映整车结构与空间环境特征。因此，将整车CATIA数据通过虚幻4引擎自带的Datasmith导入器导入到建立的框架项目中，自动生成静态网格体。该步骤搭建起基本的汽车空间模型。导入结果如图1所示。

导入的汽车静态网格体模型，渲染属性较弱，需要对可能影响背光定义的数据进行逐个或批量调整。前挡风玻璃，对汽车内部光线有较大影响，所以要较为细致地调节透明度、反射角等属性还原玻璃特性；仪表板、副仪表台表面工艺处理直接影响光线色彩亮度与对比，因此在材质属性中选择投射光线追踪阴影。由于默认材质种类较少，如果选用较高级材质，可以更加趋近于真实材料反射，本文选用免费高级汽车材质。

如果想把汽车作为行动主体，那么需要把数模从CATIA转为igs，在动画类软件中进行编辑处理后，导出为fbx文件，再导入到虚幻4项目中作为骨骼网格体，并进行细化。

图1 整车框架静态网格体

2.3 外部环境模型建立

外部环境较车辆内部环境更为复杂，涉及到气流、雨雪、雷电、温度等物理环境。采用公司自研天气地形模型，或采用其他来源的Airsim、Carsim等成熟仿真平台进行联合模拟仿真。本文采用部门级的外部运动模型设定。

3 环境光源设定

3.1 车内背光假想定义

白色背光：将点光源放至面板、按键等单一字符发光体，将矩形光源放至仪表屏、中控屏、顶灯等有宽高类发光体。具体假设定义见表1。

表1 车内背光假想定义

工作指示灯：多由红、绿、黄、蓝等色彩用作指示窗口设定，具体软件内指示灯假想定义见表2。实际在软件中需转化为RGB值进行设置。

表2 车内指示灯假想定义

3.2 外部环境光设定

自身车前照灯：15000cd；对面来车前照灯：15000cd；黑夜：0.001～0.02lux；月夜：0.02～0.3lux；阴天室内：5～50lux；阴天室外：50～500lux；太阳光下采用UE4自带的天光。实际在设定中可根据光源的特点，使用点光源、直射光、矩形光等不同类型光源。

内外部灯光模拟设定如图2所示。

3.3 蓝图定义

图2 内外部灯光模拟设定

全局蓝图：非车场景、通用类网格体。光线随时间变化。

蓝图类：交互类零部件、车内外灯光，蓝图函数根据系统定义进行设定。背光逻辑见表3。指示灯逻辑见表4。

白色背光亮度调节挡位亮度设为10挡，具体比例的高亮度与低亮度见表5。

表3 背光逻辑表

表4 指示灯逻辑

表5 10挡具体比例的高亮度与低亮度

3.4 摄像机视角设定

通常设置多个视角的摄像机，包括但不限于：驾驶员视角、其他各个乘客视角、车辆上方视角、行人视角。以方便直观获取车内灯光对车内外不同观察者的反馈效果。

4 背光主观验证

4.1 静态仿真验证

夜晚模式：背光整体较协调，与预定义一致。

白天模式：中控台区域较亮。

4.2 动态仿真验证

夜晚模式：背光整体较协调，与预定义一致。当对面有预设车灯时，整体环境较亮。

白天模式：背光整体较协调，与预定义一致。

4.3 场景逻辑验证

小灯模式：变为夜晚模式，且整体亮度符合预期。

前照灯模式：变为夜晚模式，且整体亮度符合预期。

Auto模式：白天进入隧道类场景，变为夜晚模式，且整体亮度符合预期。

4.4 实车背光主观验证

夜晚模式：背光整体较协调，与预定义一致，但中部IML工艺位置与哑光电镀镭雕字符有一定亮度差。

白天模式：太阳直射在中控位置，中部位置较亮，哑光电镀镭雕白天看不清字符，太阳直射在白色IML字符位置，看不清指示灯。

4.5 评审总结

实时图像软件的动态仿真平台模拟所得结果，基本可以仿真实际灯光效果，且实际效果与最终实车结果一致。由于各国法规存在差异，软件中可以迅速调整逻辑，即时可见最终场景效果。每增加一个发光设备，即可以直接加入软件的模拟环境，不必过多重复评审。

然而，材料透光部分较难模拟。IML工艺字符需要采用透明材质，且白天常亮，才可以保证白天与夜晚都可以保证驾驶者观测舒适。同时，一个区域尽量保持字符与背景基材一致，背光逻辑与功能应用场景保持一致。

5 结束语

针对主机厂现有的车内环境光难以提前准确定义的现状，本文对各类工况、外部环境下的车内环境光的亮度定义、逻辑规范开展研究，设计了一套实时渲染的模拟仿真方法流程。该方法流程利用基于实时图像软件的动态仿真平台对默认背光亮度定义、指示灯颜色定义、亮度调节方法、白天夜晚模式切换方法进行了方法论的梳理。验证结果表明，零部件数据冻结前，提前对车辆内部环境光进行模拟仿真校核，有助于最终结果与初始预期定义的一致性。

但是仍存在模拟环境与实际环境不完全相符，基线源数模数据不够准确，多种色彩定义下验证较慢，零件本身的透光漏光较难在虚拟环境中呈现等问题。

然而，瑕不掩瑜，在软件定义汽车的趋势下，全方位的模拟仿真在汽车各个领域的应用与探索应当继续下去。