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摘 要：针对目前行业内对汽车A柱视野遮挡的问题，仅根据法规计算评估方法已不能满足客户对前方视野的实际需求。本文研究并设计开发了一种虚拟现实可视化评估方法，直接对设计开发数据进行可视化渲染后，通过座椅及视点定位，虚实结合的方式，更加全面并直观评估A柱的视野遮挡，将A柱主观评估与客观评估结合起来，快速迭代。在设计开发的早期就能通过可视化评估方法，并且不依赖于实物模型的验证，从而深度优化A柱方案，满足市场需求。
关键词：可视化渲染 座椅定位 视野遮挡 虚实结合
Research on a New Method of Auxiliary Vehicle A-pillar Visual Field Evaluation
Sun Haiqing，Liang Qinglin
Abstract：For A pillar obscuration in auto industry， the traditional calculation based on regulation cannot totally meet the actual requirements from customer. This paper develops a virtual assessment way with visualized rendering 3D math data， combined with high accuracy seat H point orientation and main viewpoint tracking system， to achieve a comprehensive physical and virtual mixed reality review for A pillar vision intrusion both in objective and subjective. So it can help engineers for depth optimizing A pillar obscuration without physical mockup at the early stage of program.
Key words：visualized rendering， seat orientation， vision intrusion， physical and virtual mixed reality
1 引言
汽车A柱是前风挡玻璃两边的重要支柱，出于车身整体刚度的考虑，A柱的宽窄和角度对整车正碰能量传递有显著的影响，但 A 柱会直接遮挡驾驶员前方视野，尤其是当汽车出道路口转弯时对车辆侧前方物体判断的影响最为明显，也就是A柱障碍角，对驾驶安全有较大影响，驾驶员在行车过程中有80%的交通信息通过视觉获得，良好的驾驶员视野是保证主动安全性的必要条件。因此针对汽车A柱视野的优化和评估是汽车总布置开发工作中最重要的组成部分.
针对汽车A柱视野优化，各大汽车厂商也提出了很多优化研究方案，针对各种优化方案的评估也提出了不同的概念，除了本身造型及工程布置优化后，对最终的A柱障碍角的评估以外，还提出了很多有关视野遮挡的评估方案，如虚实叠加的A柱视野评估，虚拟模型评估等，本文也重点推出了一种新的A柱障碍角评估方法，也即主观与客观相结合的虚拟模型A柱视野优劣评估方法。
2 传统A柱视野评估方法
针对各车型的A柱视野现状，国标委也提出了相关的测量方法以及标准，目前國内主要采用GB 11562-2014《汽车驾驶员前方视野要求及测量方法》，《GB 11562—2014汽车驾驶员前方视野要求及测量方法》对A柱障碍角的测量方法定义如下（见图2）。主要有两个A柱障碍角的测量，即A柱双目障碍角和GCIE A柱障碍角。
2.1 A柱双目障碍角
（1）从Pm点向前作与水平面向上呈2。的平面，过此平面与A柱相交的最前点作水平S1。（2）从Pm点向前作与水平面向下呈5。的平面，过此平面与A柱相交的最前点作水平截面S2。（3）将S1，S2两截面投影在P点所在的水平面内。（4）将E1和E2的连接线绕P1旋转，使E1点至左A柱的S2截面外侧的切线与E1，E2连线成直角，从E1向S2截面外侧作切线，从E2向S1，截面内测作切线，从E1点作前一切线平行线，与后切线所成的平面视野角度即为驾驶员侧的GB A 柱障碍角（A柱双目障碍角）。国标定义了每根A柱双目障碍角不得超过6°的技术要求。如图1所示。
2.2 GCIE A柱障碍角
GCIE A柱障碍角仅仅定义了测量方法，并没有规定限值。GCIE A柱障碍角的测量方法如下（见图2）。
（1）驾驶员设计H点往上635mm高度作GCIE眼点，通过GCIE眼点作一垂直于Z轴平面S。（2）通过S平面作出A柱截面，内侧通过 GCIE眼点作直线与A柱内侧前风挡玻璃黑边相连，外侧通过GCIE眼点作直线与A柱外侧（包含A柱，门密封条等）相切。（3）内侧直线与外侧直线之间的夹角（锐角）即为GCIE障碍角。
因此，各大汽车厂商基本都是基于以上两种双目障碍角的测量基础上，对A柱进行优化，传统的评估方法也是基于这两个A柱障碍角的度数进行对比后得出 A柱视野的优劣，在一些相对成熟的评估体系下，可能会形成整车视野的综合评估积分表，如通用体系下的整车视野综合评估方案，也是在测量不同区域的尺寸，如A柱障碍角，A柱根部与外后视镜之间的宽度，前下视野，门板水切高度等数据，通过一个相对复杂的权值记分后形成了一个综合打分表，在这样的综合评分表中，A柱障碍角的占比最大。
传统的评估方法多数情况下只能进行数值的比较，最多在实物验证模型基础上进行视野的主观评价，而一辆车的开发周期中，尤其在早期的设计开发上，制作的实物模型数量非常有限，而实物模型的制作周期又相对较长，常常是能实际评估到的A柱方案以及视野都是5个月以前的设计开发方案，等到实际物理模型评估时，A柱开发方案可能相比制作出的实物模型，又做了很大的调整或者更新，因此设计状态滞后，我们只能依靠测量数据，而对测量数据的实际视野表现并没有太大的把握，往往造成的一个结果就是，同样的A柱障碍角，到客户使用时，发现对视野的抱怨会有很大差异，甚至有些A柱障碍角小的反而抱怨更大。 因此，我们需找到一种可以及时反应A柱视野，更加全面的综合评价方法，因此本人提出了一种基于投影算法的A柱视野虚拟评估方法。
3 A柱视野虚拟评估
3.1 传统A柱障碍视野评估
针对A柱视野的评估，目前行业内主要有两种评估方法，一种是客观评估，一种是主观评估，客观评估主要按照GB 和GCIE 的标准进行测量，确保测量出的A柱障碍角满足GB 要求，同时针对GCIE的测量方法尽量让A柱障碍角变小，同时各汽车公司也会有一些内部的BP或者LL 等要求，来保证自己的视野要求。这种评估方式的主要目的有两个，一是确保满足国标要求，一是可以基于测量的角度对比下，评估各车型造型特征下的A柱好坏，设置综合评分目标，如下图3所示。但这只是在数据层面，这种评估方式的缺陷就是不直观，工程师只有一个数字大小的概念，并没有对A柱视野的一个直观感受。主观评估就是基于设计数据基础上，加工出1：1的实物验证模型，项目开发人员直接在实物模型上对A柱视野进行主观评估和打分，从而对A柱的整体方案，A柱对视野的影响进行一个更为全面，直观的评估。
以上是传统的汽车A柱视野评估方式，不管是主观评估还是客观评估，都存在一定的缺陷，基于测量数据的客观评估方法不直觀，较难把握。而通过主观评估的实物模型加工周期较长成本也相对较高。因此本文提出了采用虚拟现实技术的方法，将主观评估与客观评估结合起来，让开发人员快速掌握A柱的设计状态。
3.2 虚拟模型A柱视野评估
随着虚拟现实技术，以及计算机技术的不断发展和进步，虚拟现实技术应用于工程领域的广度和深度也不断加强，汽车行业内用于虚拟评估的多屏幕虚拟现实系统，以及头戴式VR设备，很好的为早期汽车设计开发提供了稳定可靠的虚拟评估平台。本文提出的虚拟A柱视野评估方法，具体过程如下：
3.2.1 数据准备
汽车开发早期阶段，基于3D设计和工程开发数据，利用渲染软件VRED/UE进行可视化渲染，将设计及工程的三维数据渲染得跟真实车型一样，基于真实材质的评估，更能为评估者提供真实有效的主观评价，从而做出更准确的评估结论。同时渲染软件也支持VR及CAVE外设。
首先将3D数据按照定义的材质进行可视化渲染，如车漆，玻璃，皮纹，金属，塑料，反射等材质定义，配套相关的动画制作，如车门，引擎盖，尾门打开，不同方案部件切换，不同方案标签等。
其次添加评估应用场景，选择需要评估的A柱障碍角场景，可以选取十字路口，或者转弯路口等，针对A柱视野评估比较关键的场景位置。将场景与车辆模型匹配，车辆模型配套地面线与场景地面匹配。
3.2.2 虚实叠加定位
针对A柱视野评估，评估者一般是在坐姿状态下评估，因此，我们需配套相关的简易台架进行视野评估，确保评估者能在正常坐姿状态下进行评估，因此配套了简易的座椅，方向盘以及踏板，为评估者提供实物支撑，进一步增强评估的可靠性和有效性。
因此本文利用摄像机定位的方式，将实物座椅的位置与虚拟车辆中的座椅位置进行匹配，确保评估者能在准确的位置上进行视野评估。本文的定位方式有两种，（1）视点定位，将外设VR 设备与工作站连接后，设置摄像机视点位置，根据可视化软件中的视点坐标信息，在摄像机位置处进行初始位置定位后，评估人员戴上头盔，便可以基于初始位置的头盔，按照每个人的视点位置进行自由评估。如下图6如所示。
（2）H点定位，增加实际座椅中的H点追踪器，本文采用HTC的Tracker追踪器。设置车辆H点位置，可将3D工程软件中的一二三排车辆标准假人H点位置导入车辆模型中，可将渲染软件中的坐标信息与3D工程软件中设置一致后，直接在渲染软件中查找H点的坐标信息。
并将H点的位置信息与tracker 的定位信息匹配，便可以将实际座椅及评估人员一键准确定位到虚拟场景中的H点位置，从而保证评估人员的位置准确。如图7所示。
3.2.3 A柱虚拟评估
以上数据准备及虚实叠加定位完成后，评估人员便可坐在实物台架上，戴上头盔，在虚拟环境中进行评估，由于A柱视野评估的主观性非常强，也非常容易评估出不同方案的好坏，以往我们在数据测量中的角度信息都可以在虚拟车辆模型上进行展示，不同的读障碍角角度，对不同身高的评估人员来说，就有了一个非常直观的视觉感受，因此，很快就能评出不同A柱方案对视野的影响，已经客户的可接受度，如下图所示，开发人员设计了3个不同的A柱方案，有不同A柱障碍角的，也有相同障碍角，但A柱造型特征线位置不一样的情况下，评估出最优的一组方案。
4 A柱视野评估主观与客观标准结合
A柱视野客观评估，目前已有相对成熟的方法以及国标的测量方法，通过数值比对和打分可以进行初步的判断，并且通过国标的测量方法，确保设计方案能满足国标的要求。在满足国标前提下，与其他竞争车型对比，提升车型产品竞争力，就需要从的设计和差别去考虑优化产品，并且不断深入优化测评工具，尤其虚拟评估在这一块的优势。
因此，在本项目中，提出了A柱视野上2下5度的国标测量方法以后，也提出了更为贴合实际的虚拟视野评估方法，也即在眼点位置往A柱进行上2下5度的位置裁切后，形成上2 下5度的空间投影面积，从而更准确体现A柱障碍角遮挡视野的大小，本文采用投影算法，将从驾驶员眼点位置处，往A柱上2下5度的裁切后，形成A柱裁切后的边框投影线，将投影线投影在车辆前方的球体上，用均匀打点的方式明确A柱投影遮挡面积，如下图9所示，从而更精确了A柱视野遮挡大小，从而在主观评估过程中，增加了客观数据支持，为评估人员及客户提供了更为精确的客观依据。
5 结论：A柱视野评估多元化的重要意义
在整车开发过程中，A柱涉及到很多重要方面，如造型特征，视野，安全等，因此在整车总布置的工作中占的比重非常大，尤其在提升客户满意度，主动安全等方面，因此，对A柱的测量及评估显得尤为重要。简单的数据测量及对比，满足国标要求已经不是现代汽车开发的主要目标，寻求更为贴合实际的评估方法和评估手段，对整车总布置开发来说，是一项非常重要的任务，本文正是创新性地尝试了A柱视野虚拟评估方法，将主观评估与客观评估数据结合起来，为设计开发人员提供了一套有效的评估工具，并且这样的评估方式可进行多次迭代，快速方案评估和对比，也减少了绝大部分实物模型的加工，节省成本的同时也极大地提升了效率和精准度。
参考文献：
[1]吴传红.《汽车A柱视野研究与优化》[J].上海汽车.2017，（9）.
[2]毛婷婷.《一种 4通道沉浸式CAVE可视化系统》[J].汽车工程师.2020，（1）.
关键词：可视化渲染 座椅定位 视野遮挡 虚实结合
Research on a New Method of Auxiliary Vehicle A-pillar Visual Field Evaluation
Sun Haiqing，Liang Qinglin
Abstract：For A pillar obscuration in auto industry， the traditional calculation based on regulation cannot totally meet the actual requirements from customer. This paper develops a virtual assessment way with visualized rendering 3D math data， combined with high accuracy seat H point orientation and main viewpoint tracking system， to achieve a comprehensive physical and virtual mixed reality review for A pillar vision intrusion both in objective and subjective. So it can help engineers for depth optimizing A pillar obscuration without physical mockup at the early stage of program.
Key words：visualized rendering， seat orientation， vision intrusion， physical and virtual mixed reality
1 引言
汽车A柱是前风挡玻璃两边的重要支柱，出于车身整体刚度的考虑，A柱的宽窄和角度对整车正碰能量传递有显著的影响，但 A 柱会直接遮挡驾驶员前方视野，尤其是当汽车出道路口转弯时对车辆侧前方物体判断的影响最为明显，也就是A柱障碍角，对驾驶安全有较大影响，驾驶员在行车过程中有80%的交通信息通过视觉获得，良好的驾驶员视野是保证主动安全性的必要条件。因此针对汽车A柱视野的优化和评估是汽车总布置开发工作中最重要的组成部分.
针对汽车A柱视野优化，各大汽车厂商也提出了很多优化研究方案，针对各种优化方案的评估也提出了不同的概念，除了本身造型及工程布置优化后，对最终的A柱障碍角的评估以外，还提出了很多有关视野遮挡的评估方案，如虚实叠加的A柱视野评估，虚拟模型评估等，本文也重点推出了一种新的A柱障碍角评估方法，也即主观与客观相结合的虚拟模型A柱视野优劣评估方法。
2 传统A柱视野评估方法
针对各车型的A柱视野现状，国标委也提出了相关的测量方法以及标准，目前國内主要采用GB 11562-2014《汽车驾驶员前方视野要求及测量方法》，《GB 11562—2014汽车驾驶员前方视野要求及测量方法》对A柱障碍角的测量方法定义如下（见图2）。主要有两个A柱障碍角的测量，即A柱双目障碍角和GCIE A柱障碍角。
2.1 A柱双目障碍角
（1）从Pm点向前作与水平面向上呈2。的平面，过此平面与A柱相交的最前点作水平S1。（2）从Pm点向前作与水平面向下呈5。的平面，过此平面与A柱相交的最前点作水平截面S2。（3）将S1，S2两截面投影在P点所在的水平面内。（4）将E1和E2的连接线绕P1旋转，使E1点至左A柱的S2截面外侧的切线与E1，E2连线成直角，从E1向S2截面外侧作切线，从E2向S1，截面内测作切线，从E1点作前一切线平行线，与后切线所成的平面视野角度即为驾驶员侧的GB A 柱障碍角（A柱双目障碍角）。国标定义了每根A柱双目障碍角不得超过6°的技术要求。如图1所示。
2.2 GCIE A柱障碍角
GCIE A柱障碍角仅仅定义了测量方法，并没有规定限值。GCIE A柱障碍角的测量方法如下（见图2）。
（1）驾驶员设计H点往上635mm高度作GCIE眼点，通过GCIE眼点作一垂直于Z轴平面S。（2）通过S平面作出A柱截面，内侧通过 GCIE眼点作直线与A柱内侧前风挡玻璃黑边相连，外侧通过GCIE眼点作直线与A柱外侧（包含A柱，门密封条等）相切。（3）内侧直线与外侧直线之间的夹角（锐角）即为GCIE障碍角。
因此，各大汽车厂商基本都是基于以上两种双目障碍角的测量基础上，对A柱进行优化，传统的评估方法也是基于这两个A柱障碍角的度数进行对比后得出 A柱视野的优劣，在一些相对成熟的评估体系下，可能会形成整车视野的综合评估积分表，如通用体系下的整车视野综合评估方案，也是在测量不同区域的尺寸，如A柱障碍角，A柱根部与外后视镜之间的宽度，前下视野，门板水切高度等数据，通过一个相对复杂的权值记分后形成了一个综合打分表，在这样的综合评分表中，A柱障碍角的占比最大。
传统的评估方法多数情况下只能进行数值的比较，最多在实物验证模型基础上进行视野的主观评价，而一辆车的开发周期中，尤其在早期的设计开发上，制作的实物模型数量非常有限，而实物模型的制作周期又相对较长，常常是能实际评估到的A柱方案以及视野都是5个月以前的设计开发方案，等到实际物理模型评估时，A柱开发方案可能相比制作出的实物模型，又做了很大的调整或者更新，因此设计状态滞后，我们只能依靠测量数据，而对测量数据的实际视野表现并没有太大的把握，往往造成的一个结果就是，同样的A柱障碍角，到客户使用时，发现对视野的抱怨会有很大差异，甚至有些A柱障碍角小的反而抱怨更大。 因此，我们需找到一种可以及时反应A柱视野，更加全面的综合评价方法，因此本人提出了一种基于投影算法的A柱视野虚拟评估方法。
3 A柱视野虚拟评估
3.1 传统A柱障碍视野评估
针对A柱视野的评估，目前行业内主要有两种评估方法，一种是客观评估，一种是主观评估，客观评估主要按照GB 和GCIE 的标准进行测量，确保测量出的A柱障碍角满足GB 要求，同时针对GCIE的测量方法尽量让A柱障碍角变小，同时各汽车公司也会有一些内部的BP或者LL 等要求，来保证自己的视野要求。这种评估方式的主要目的有两个，一是确保满足国标要求，一是可以基于测量的角度对比下，评估各车型造型特征下的A柱好坏，设置综合评分目标，如下图3所示。但这只是在数据层面，这种评估方式的缺陷就是不直观，工程师只有一个数字大小的概念，并没有对A柱视野的一个直观感受。主观评估就是基于设计数据基础上，加工出1：1的实物验证模型，项目开发人员直接在实物模型上对A柱视野进行主观评估和打分，从而对A柱的整体方案，A柱对视野的影响进行一个更为全面，直观的评估。
以上是传统的汽车A柱视野评估方式，不管是主观评估还是客观评估，都存在一定的缺陷，基于测量数据的客观评估方法不直觀，较难把握。而通过主观评估的实物模型加工周期较长成本也相对较高。因此本文提出了采用虚拟现实技术的方法，将主观评估与客观评估结合起来，让开发人员快速掌握A柱的设计状态。
3.2 虚拟模型A柱视野评估
随着虚拟现实技术，以及计算机技术的不断发展和进步，虚拟现实技术应用于工程领域的广度和深度也不断加强，汽车行业内用于虚拟评估的多屏幕虚拟现实系统，以及头戴式VR设备，很好的为早期汽车设计开发提供了稳定可靠的虚拟评估平台。本文提出的虚拟A柱视野评估方法，具体过程如下：
3.2.1 数据准备
汽车开发早期阶段，基于3D设计和工程开发数据，利用渲染软件VRED/UE进行可视化渲染，将设计及工程的三维数据渲染得跟真实车型一样，基于真实材质的评估，更能为评估者提供真实有效的主观评价，从而做出更准确的评估结论。同时渲染软件也支持VR及CAVE外设。
首先将3D数据按照定义的材质进行可视化渲染，如车漆，玻璃，皮纹，金属，塑料，反射等材质定义，配套相关的动画制作，如车门，引擎盖，尾门打开，不同方案部件切换，不同方案标签等。
其次添加评估应用场景，选择需要评估的A柱障碍角场景，可以选取十字路口，或者转弯路口等，针对A柱视野评估比较关键的场景位置。将场景与车辆模型匹配，车辆模型配套地面线与场景地面匹配。
3.2.2 虚实叠加定位
针对A柱视野评估，评估者一般是在坐姿状态下评估，因此，我们需配套相关的简易台架进行视野评估，确保评估者能在正常坐姿状态下进行评估，因此配套了简易的座椅，方向盘以及踏板，为评估者提供实物支撑，进一步增强评估的可靠性和有效性。
因此本文利用摄像机定位的方式，将实物座椅的位置与虚拟车辆中的座椅位置进行匹配，确保评估者能在准确的位置上进行视野评估。本文的定位方式有两种，（1）视点定位，将外设VR 设备与工作站连接后，设置摄像机视点位置，根据可视化软件中的视点坐标信息，在摄像机位置处进行初始位置定位后，评估人员戴上头盔，便可以基于初始位置的头盔，按照每个人的视点位置进行自由评估。如下图6如所示。
（2）H点定位，增加实际座椅中的H点追踪器，本文采用HTC的Tracker追踪器。设置车辆H点位置，可将3D工程软件中的一二三排车辆标准假人H点位置导入车辆模型中，可将渲染软件中的坐标信息与3D工程软件中设置一致后，直接在渲染软件中查找H点的坐标信息。
并将H点的位置信息与tracker 的定位信息匹配，便可以将实际座椅及评估人员一键准确定位到虚拟场景中的H点位置，从而保证评估人员的位置准确。如图7所示。
3.2.3 A柱虚拟评估
以上数据准备及虚实叠加定位完成后，评估人员便可坐在实物台架上，戴上头盔，在虚拟环境中进行评估，由于A柱视野评估的主观性非常强，也非常容易评估出不同方案的好坏，以往我们在数据测量中的角度信息都可以在虚拟车辆模型上进行展示，不同的读障碍角角度，对不同身高的评估人员来说，就有了一个非常直观的视觉感受，因此，很快就能评出不同A柱方案对视野的影响，已经客户的可接受度，如下图所示，开发人员设计了3个不同的A柱方案，有不同A柱障碍角的，也有相同障碍角，但A柱造型特征线位置不一样的情况下，评估出最优的一组方案。
4 A柱视野评估主观与客观标准结合
A柱视野客观评估，目前已有相对成熟的方法以及国标的测量方法，通过数值比对和打分可以进行初步的判断，并且通过国标的测量方法，确保设计方案能满足国标的要求。在满足国标前提下，与其他竞争车型对比，提升车型产品竞争力，就需要从的设计和差别去考虑优化产品，并且不断深入优化测评工具，尤其虚拟评估在这一块的优势。
因此，在本项目中，提出了A柱视野上2下5度的国标测量方法以后，也提出了更为贴合实际的虚拟视野评估方法，也即在眼点位置往A柱进行上2下5度的位置裁切后，形成上2 下5度的空间投影面积，从而更准确体现A柱障碍角遮挡视野的大小，本文采用投影算法，将从驾驶员眼点位置处，往A柱上2下5度的裁切后，形成A柱裁切后的边框投影线，将投影线投影在车辆前方的球体上，用均匀打点的方式明确A柱投影遮挡面积，如下图9所示，从而更精确了A柱视野遮挡大小，从而在主观评估过程中，增加了客观数据支持，为评估人员及客户提供了更为精确的客观依据。
5 结论：A柱视野评估多元化的重要意义
在整车开发过程中，A柱涉及到很多重要方面，如造型特征，视野，安全等，因此在整车总布置的工作中占的比重非常大，尤其在提升客户满意度，主动安全等方面，因此，对A柱的测量及评估显得尤为重要。简单的数据测量及对比，满足国标要求已经不是现代汽车开发的主要目标，寻求更为贴合实际的评估方法和评估手段，对整车总布置开发来说，是一项非常重要的任务，本文正是创新性地尝试了A柱视野虚拟评估方法，将主观评估与客观评估数据结合起来，为设计开发人员提供了一套有效的评估工具，并且这样的评估方式可进行多次迭代，快速方案评估和对比，也减少了绝大部分实物模型的加工，节省成本的同时也极大地提升了效率和精准度。
参考文献：
[1]吴传红.《汽车A柱视野研究与优化》[J].上海汽车.2017，（9）.
[2]毛婷婷.《一种 4通道沉浸式CAVE可视化系统》[J].汽车工程师.2020，（1）.