游戏软件正在推进车辆开发

游戏引擎正在让电脑游戏变得栩栩如生,并且它们还有助于开发新的驾驶功能,比如用合成传感器数据训练驾驶辅助系统。保时捷工程公司阐述了它们在汽车开发中的实际作用。

Tobias Watzl 下班回家后,偶尔会坐在 Playstation 游戏机前玩游戏放松一下。不过,28 岁的他看待游戏的视角与大多数玩家并不相同。“有时候我会在打游戏时琢磨游戏开发者如何制作出反光效果和精细纹理这样的问题,而不是一心想着击败对手。” Watzl 笑着说。他观察地如此仔细是有原因的:作为保时捷工程集团的研发工程师,创造虚拟世界也是他的日常工作。举例来说,Watzl 可使用计算机模拟高速公路的部分路段,以训练驾驶辅助系统。

数字化道路看起来和电脑游戏中的并无二致,而这并非巧合。因为 Watzl 在模拟中使用了“虚幻引擎”(Unreal)等软件,这是一种所谓的“游戏引擎”,例如电脑游戏“最终幻想”中的图像就是由它生成
的。别人用来将虚拟世界里的战斗搬到屏幕上的软件,在保时捷工程集团却是日常使用的工具:游戏引擎能够训练驾驶辅助系统,或帮助设计师将组件可视化。凭借这一游戏技术,客户能在刚刚订购的汽车下线前就早早地坐上其内部的虚拟座位。

Software experts Porsche Engineering Cluj, 2021, Porsche AG
全新的研发者类型:位于克卢日的保时捷工程集团聘请了具有游戏背景并了解汽车行业的软件专家。

“游戏引擎提供了符合标准的技术,为驾驶辅助系统的模拟创造了必要的环境。”保时捷工程虚拟汽车开发专业负责人 Frank Sayer 解释道。他这样说的原因在于:高级驾驶辅助系统(ADAS)的算法需要大量的训练和验证。例如,它必须在若干测试里程内,学会如何利用各种传感器迅速探测交通状况并作出适当的反应。这原本需要大量真实的试驾,而且并非每个训练所需的事件都会恰巧发生。

模拟一切可能的情况

保时捷工程集团之所以将训练搬进虚拟世界,是因为游戏引擎可以模拟用来训练算法的试驾。它会悉数模拟每一个场景以及每一种可能的情况,包括那些出于安全考虑无法在现实生活中演练的场景:前方车辆突然刹车、有动物跳到路面上、阳光照射导致车载摄像头产生眩光。另外,通过游戏引擎也可以使用虚实结合的方法:真实的车辆会对虚拟的物体做出反应。

Frank Sayer, Senior Manager Virtual Vehicle Development at Porsche Engineering, 2021, Porsche AG
Frank Sayer

一些虚拟的测试车道在现实世界中存在原型,例如斯图加特机场附近的 A8 高速公路。“我的同事们熟悉那里的每一个出口和每一个标志,尽管他们从来没有去过那里。”保时捷工程罗马尼亚(克卢日)有限公司的 Ionut Tripon 笑着说。作为数字测试车道建设团队的一员,他是进入汽车行业的新型开发者之一:具有游戏开发背景且了解汽车行业的软件研发人员与人工智能专家和机械工程师通力合作,共同塑造未来的汽车出行。“在这里,对视频游戏及其开发的热情,与传统研发能力相结合,这种搭配令人干劲十足,让研发更加振奋人心,并直接关乎我们项目的进展。”在克卢日主管功能开发项目的 Tudor Ziman 确认道。

借助游戏引擎模拟驾驶的优点是可以随意重复,并能够控制最微末的细节。此外,它们的耗时也比真实试驾要少。“现实中需要几个小时完成的事情,如今可以缩减至几秒钟。” Tripon 说。这里唯一的限制因素是所用硬件的运算能力。

Taycan, Virtual Highway, 2021, Porsche AG
虚拟高速公路:这幅展示斯图加特机场附近 A8 高速公路面貌的画面,是由位于克卢日的保时捷工程集团制作的模拟图。

不过如今这个限制也消失了。保时捷工程集团已经开始将虚拟开发转移到云端:驾驶模拟被外包给亚马逊网络服务等服务商的数据中心,在那里,模拟试驾可以在几十台机器上同时运行。如果成千上万的模拟汽车(称为实例)进行试驾模拟,那么研发时间就会大大缩短。

虚拟测试代替真实样车

设计部门使用游戏引擎来将还不存在的东西虚拟展示出来。举个最新的例子:在 Cayenne Coupé 的研发过程中,设计人员尝试缩小玻璃车顶上的所谓“黑边”。车窗边缘的这一区域可以遮挡遮阳卷帘下方的导轨。但“黑边”必须要有多宽呢?在这种情况下,原先采用的方法是焊接和锯切:设计人员要准备一辆车,然后尝试安装“黑边”宽度各不相同的玻璃车顶。与此相比,保时捷工程集团使用内部研发的、基于游戏引擎 Unity 的视觉工程工具(VET)进行虚拟测试,进展速度更快,成本更低。工程师利用原始 CAD 数据,模拟构造出包括玻璃车顶在内的车辆模型。几个小时后,他们就能用 VR 眼镜从四面八方观察这个模型。结果:黑边的尺寸完全正确。“如果要在真实的样车上进行修改,我们需要的时间和资金都会大大增加。”研发工程师 Watzl 总结道。

Ionut Tripon, Head of the team for the digital test tracks at Porsche Engineering Cluj, 2021, Porsche AG
Ionut Tripon

同时,游戏引擎生成的图像品质高到即使是专业人士也要仔细观察后才能发现与真车的区别。这项技术应该很快就能在销售中为客户带来全新的体验:保时捷目前正在对虚拟现实汽车配置器进行测试,随后将在各体验中心推广。这套系统由一台游戏电脑以及与之相连的 VR 眼镜组成,可以在体验中心现场为客户呈现其心仪车辆的三维模拟图。顾客所要做的就是和销售顾问一起配置出心仪的车型,包括车漆颜色、轮辋和内饰。然后,汽车配置器使用“虚幻引擎”计算出图像并先呈现在 65 英寸的4K 分辨率屏幕上。“模拟出的车辆外观比网络配置器生成的要好得多,其逼真度可与照片媲美。”保时捷股份公司数字营销专家 Sebastian Oebels 热情地说道。

“现实中需要几个小时完成的事情,如今可以缩减至几秒钟。” 保时捷工程克卢日数字测试车道团队主管 Ionut Tripon

同时,游戏引擎生成的图像品质高到即使是专业人士也要仔细观察后才能发现与真车的区别。这项技术应该很快就能在销售中为客户带来全新的体验:保时捷目前正在对虚拟现实汽车配置器进行测试,随后将在各体验中心推广。这套系统由一台游戏电脑以及与之相连的 VR 眼镜组成,可以在体验中心现场为客户呈现其心仪车辆的三维模拟图。顾客所要做的就是和销售顾问一起配置出心仪的车型,包括车漆颜色、轮辋和内饰。然后,汽车配置器使用“虚幻引擎”计算出图像并先呈现在 65 英寸的 4K 分辨率屏幕上。“模拟出的车辆外观比网络配置器生成的要好得多,其逼真度可与照片媲美。”保时捷股份公司数字营销专家 Sebastian Oebels 热情地说道。

Tobias Watzl, Frank Sayer, 2021, Porsche AG
虚拟世界的缔造者:Tobias Watzl(左)和 Frank Sayer 使用游戏引擎进行测试和可视化。

客户还可以戴上 VR 眼镜,在三维环境中观察自己心仪的车辆。游戏引擎每秒可计算 60 次,并为左右眼生成不同透视的图像,让顾客感觉车辆好像就在他的面前。他可以绕着它走一圈、近距离观察轮辋、坐在虚拟座位上、检查配置,连检查真皮座椅的线缝都不成问题。他甚至可以查看杂物箱。如果需要,还可以将场景从白天切换到夜间,这样就能查看大灯的情况。

游戏引擎以原始设计参数为原材料。当然这些参数必须进行调整。“我们正在进行多项实时细节调整。”来自 Mackevision 公司的 Lukas Kays 解释说,这是一家总部位于斯图加特的计算机生成图像(CGI)专业公司。该公司为电影和电视节目制作逼真的特效,代表作包括电视剧《权力的游戏》,并与保时捷共同开发了汽车配置器。事实上,CAD 文件之所以不能直接用于建构虚拟车辆,原因在于其超高的精确程度。设计师详细描绘了每个零件的几何形状。

 Cayenne Coupé, Virtual Reality Car Configurator, 2021, Porsche AG
比真实更真:游戏引擎可以实现增强现实应用,这些应用能通过数字信息来增强真实的图像。

在此基础上每秒进行 60 次的图像计算会让电脑不堪重负,导致显示屏发生闪烁。因此必须对模型进行简化。例如,3D 设计人员不去计算音箱格栅的所有金属线,而是使用格栅的高分辨率照片。仅仅呈现该照片需要占用的运算能力要小得多。而未经特别训练的观察者无论如何也分辨不出其中的区别。

轻松打造逼真效果

游戏引擎的决定性优势在于它不需要人们在编程上花费太多精力就能投入使用。“‘虚幻 4 引擎’让材料制造变得轻松无比。” 设计师 Kays 举例说,“比如车漆反光就不需要额外编程。”如果要专门编写一个拥有这种效果的渲染器就太复杂、太昂贵了。

Taycan, Virtual Reality Car Configurator, 2021, Porsche AG
仿佛置身于展厅:虚拟现实汽车配置器为客户呈现其心仪汽车的三维模拟图。

此外,游戏引擎的成本很低廉。像保时捷工程集团这样的企业用户可以完全免费使用“虚幻引擎”。用户甚至会收到软件的源代码,以便他们可以根据自己的要求进行调整。“我们希望尽可能多的公司使用这一引擎。”20 多年前开发“虚幻引擎”的美国游戏公司 Epic Games 的业务开发经理 Stefan Wenz 解释说。这家公司只通过间接方式实现盈利,例如通过提供有偿支持服务。

近五年来,这家游戏引擎的领军企业一直在积极争取工业客户,如机械工程师、建筑师和汽车制造商。“我们的 B2B 业务有望实现最大的增长。”Wenz 解释说。为了减轻工业用户的工作压力,Epic Games 最近整理了一个免费的材料包:它包含了从 Alcantara 面料到胡桃木的成品材料,设计师可以将这些材料与相应物体进行匹配。另外,这家游戏公司去年还推出了一项名为“MegaGrants”的资助计划,任何使用“虚幻引擎”的公司都可以从中获得资金。于是我们看到,电脑游戏和汽车的发展正在不断发生融合。就这方面而言,未来自动驾驶汽车的发展在某种程度上也要感谢游戏玩家的贡献。

电脑游戏的发动机

游戏引擎从字面上看是电脑游戏的发动机。但其实它涉及到一系列的程序。它的核心是生成实际图像的图形引擎:首先获取要展示的物体的三维模型(在原始状态下只由网格线组成),然后用数字表面进行覆盖。这种所谓的纹理看起来可能就像木头或金属一样。之后会计算出光线落在哪里、物体的哪些部位有阴影、哪里会有反射。图像的计算被称为渲染。

所谓的物理引擎确保了游戏中的事物与现实世界保持一致。例如,它可以计算出扔出的石子在地面上弹跳多少次后才停止。为了简化研发人员的工作,游戏引擎中还包括一种编辑器,有了它就可以创建新的模拟,而不必从头开始编程。从手机游戏到好莱坞动作电影,全球数百万的设计师都使用这些模块化系统来构建数字世界。

综述

游戏引擎让电脑游戏栩栩如生,同时也有助于开发新的驾驶功能,例如通过使用合成传感器数据训练驾驶辅助系统。它会悉数模拟每一个场景和每一种可能的情况。保时捷的汽车配置器可以帮助客户选择新车。

版权信息

文字:Constantin Gillies
共同撰稿:Frank Sayer、Tobias Watzl、Ionut Tripon、Sebastian Oebels

本文首次刊发于保时捷工程杂志 2021 年第 1 期

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