未來的車輛除了肩負(fù)著實(shí)現(xiàn)二氧化碳中和移動(dòng)的目標(biāo)之外，還須具備自主、電動(dòng)、互連等特性—而且車輛將透過軟體定義。本文探討3D模擬對於自動(dòng)駕駛的重要性。
由軟體定義、自主、相連、且電動(dòng)的未來車輛承諾協(xié)助實(shí)現(xiàn)共享的碳中和移動(dòng)性。企業(yè)組織正投入數(shù)位能力來推動(dòng)從設(shè)計(jì)最佳的機(jī)械至提供藝術(shù)境界的端到端移動(dòng)性與數(shù)位服務(wù)的轉(zhuǎn)換。如此的願(yuàn)景代表著使用者經(jīng)驗(yàn)將相當(dāng)大程度地透過軟體來定義。
為了實(shí)現(xiàn)這項(xiàng)願(yuàn)景，汽車產(chǎn)業(yè)正在自我重塑，將軟體視作未來價(jià)值的推手。由軟體來駕駛我們的車輛，同時(shí)在我們結(jié)束一通工作上的電話時(shí)，為我們在喜歡的餐廳訂好座位，這些動(dòng)作全在車內(nèi)完成。這樣的軟體有一個(gè)被稱為「自動(dòng)駕駛軟體（autonomous driving software；ADS）」的重要元件，它被期待能夠無瑕疵的運(yùn)作，讓搭乘者（已經(jīng)沒有所謂的駕駛者）能夠有時(shí)間從事其他活動(dòng)。
問題1：當(dāng)前的自動(dòng)駕駛團(tuán)隊(duì)面臨哪些最大的挑戰(zhàn)?
答：自動(dòng)駕駛車輛（autonomous vehicle；AV）領(lǐng)域在Level 4（L4）或Level 5（L5）自主駕駛化為可能之前有幾項(xiàng)需要被解決的挑戰(zhàn)和障礙。如同最近的IAA所示，有一部分公司已領(lǐng)先其他公司，更接近這些挑戰(zhàn)的解決方法，而且不是只有在美國，也快要開始在歐洲進(jìn)行試驗(yàn)。
這個(gè)領(lǐng)域的工程師會(huì)面臨下列幾項(xiàng)的挑戰(zhàn)：
*證明他們設(shè)計(jì)的ADS無害、安全且可靠：路上自動(dòng)駕駛車輛（AV）不會(huì)造成意外是接受自動(dòng)駕駛車輛公開運(yùn)行的首要條件。ADS應(yīng)要可靠且無害地在其操作適用範(fàn)圍（operational design domains；ODDs）運(yùn)作，才有讓AV行駛於路上的可能。如何打造無害、安全且可靠的ADS是當(dāng)今的AV團(tuán)隊(duì)所面臨的最重要的挑戰(zhàn)。
*以虛擬的方式測試車輛來涵蓋各種ODDs的大量情境：在真實(shí)世界進(jìn)行ADS性能的檢驗(yàn)，被普遍認(rèn)為是不實(shí)際的作法。因此，工程師必須轉(zhuǎn)以虛擬的方式來測試ADS，在此，他們可以拓展測試範(fàn)圍，同時(shí)進(jìn)行幾千個(gè)模擬來證明—ADS在特定ODD的所有可能情境下，皆做出正確的決定。
問題2：3D駕駛模擬解決了哪些問題?
答：根據(jù)我們與全球主要汽車企業(yè)組織的合作時(shí)的觀察，許多汽車企業(yè)組織已經(jīng)建立起解決他們的重大挑戰(zhàn)所需的能力與成熟度。這些挑戰(zhàn)卻在最近這段期間隨著科技的進(jìn)步而加重，因?yàn)榭萍嫉倪M(jìn)步帶來了新的架構(gòu)與新的功能，這些通常需要仰賴與其他功能的整合。企業(yè)組織正將嵌入式軟體大規(guī)模的虛擬測試視為關(guān)鍵。3D駕駛模擬（3D Driving Simulation）軟體可協(xié)助設(shè)計(jì)場景與情境，讓ADAS可以在其中進(jìn)行測試。這主要可以協(xié)助：
*藉由啟用早期的ADS封閉迴圈測試來縮短開發(fā)週期，包含ADS中的感知、規(guī)劃與控制軟體。
*透過虛擬測試來降低開發(fā)成本，並且提供一個(gè)無害的方式來測試所有可能的極端和危險(xiǎn)情境。
*以虛擬的方式使用與真實(shí)世界關(guān)聯(lián)的場景來檢驗(yàn)ADS，進(jìn)而達(dá)到ISO 26262和SOTIF的要求。
問題3：設(shè)置駕駛模擬需要哪些步驟呢？
答：大致上會(huì)有以下幾項(xiàng)任務(wù)需要留意：
*準(zhǔn)備一個(gè)虛擬的車輛模型。這通常會(huì)使用像是Simulink等工具。
*選擇一個(gè)正確的感測器模型並架設(shè)在虛擬車輛模型上。重要的是所選擇的感測器模型必須具備適當(dāng)?shù)谋普娴燃墸屗鼈儗?D世界的感知能夠比擬物理原型對真實(shí)世界的感知。
*使用RoadRunner等3D場景設(shè)計(jì)工具建立逼真的場景，並且確保這些場景符合自動(dòng)駕駛車輛的目標(biāo)ODD。
*依據(jù)測試策略設(shè)計(jì)駕駛情境。為了確保ADS的品質(zhì)，用來模擬的情境必須高度與真實(shí)世界的情況相關(guān)。基於這點(diǎn)，有一些公司已經(jīng)採取再刺激（restimulation）架構(gòu)，這時(shí)虛擬情境是使用真實(shí)的測試駕駛產(chǎn)生資料，接著以該情境所有可能的變異來進(jìn)行ADS和虛擬車輛的測試。
*將場景、情境與虛擬車輛模型匯入至一個(gè)駕駛模擬軟體，並進(jìn)行ADS的模擬。
重要的是，要知道建立場景、選擇合適的感測器模型與設(shè)計(jì)涵蓋所有可能情況的情境是相當(dāng)耗時(shí)的作業(yè)，通常需要幾週或幾個(gè)月的時(shí)間來執(zhí)行。當(dāng)虛擬的檢驗(yàn)不斷地需要高品質(zhì)的場景和人造物，許多現(xiàn)有的解決方案仍缺乏提供有效率的場景建立能力。
問題4：看起來正確地建立3D場景在ADS的測試扮演重要的角色，那麼現(xiàn)今的3D場景是如何建立的？
答：建立精確的3D場景是3D駕駛模擬當(dāng)中的一個(gè)關(guān)鍵步驟。真實(shí)世界的點(diǎn)雲(yún)掃描、正攝影像（Ortho imagery）和其他的向量資料可作為參考依據(jù)，在設(shè)計(jì)3D場景時(shí)給予協(xié)助。
使用如RoadRunner等工具來建立場景的大致會(huì)有以下幾個(gè)步驟：
*從OpenDRIVE road network等幾種來源匯入?yún)⒖紙鼍埃蛘呤褂肎IS資產(chǎn)從頭開始或透過現(xiàn)有虛擬場景來建立出真實(shí)世界場景。
*在匯入的場景中編輯相關(guān)區(qū)域的道路網(wǎng)路和車道，通常會(huì)以幾十或幾百公里的範(fàn)圍執(zhí)行。
*透過預(yù)先建立的3D資產(chǎn)，如建築物、植物、道路上的物體等等，讓場景更加豐富。
*使用如衛(wèi)星成像（Satellite imagery）等虛擬參考，來確保場景的正確性。
*最後是將在RoadRunner建立的場景匯出為產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的格式，包含OpenDRIVE、FBX、gITF、OpenFlight、OpenSceneGraph、OBJ和USD。
| 圖1 : 使用RoadRunner建立精確3D環(huán)境的大致流程 |
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問題5：使用RoadRunner等工具來設(shè)計(jì)場景有哪些重要的優(yōu)點(diǎn)？
答：使用道路網(wǎng)路設(shè)計(jì)和場景建立的專門工具有許多優(yōu)點(diǎn)，其中最主要的特點(diǎn)有：
*在RoadRunner建立的場景可以很輕易地匯出成常用格式，接著可以與大部分現(xiàn)成的駕駛模擬器整併。這可以使團(tuán)隊(duì)保持高度的彈性。將場景設(shè)計(jì)作為商業(yè)用途的企業(yè)組織可以透過單一工具，將多個(gè)客戶設(shè)定為目標(biāo)。RoadRunner Scene Builder可協(xié)助從HD地圖自動(dòng)產(chǎn)生3D道路模型。RoadRunner的場景可匯出至各種模擬器和遊戲引擎，包括CARLA、Vires VTD、NVIDIA DRIVE Sim、Cognata、Metamoto LGSVL、Baidu Apollo、Unity、和Unreal Engine。
*RoadRunner Asset Library可以快速地使用逼真且視覺性一致的3D模型來填充3D場景。
問題6：駕駛模擬器通常會(huì)需要哪一種類型的資料？
答：通常來說，一個(gè)場景設(shè)計(jì)工具會(huì)匯出兩大類的資料：
第一類是幾何網(wǎng)格（geometric mesh）：例如道路、路緣、地形、和場景內(nèi)的物件。這類資料由攝影機(jī)、光達(dá)、雷達(dá)等感測器模型做使用。
第二類是語意資料（semantics information）：通常會(huì)被匯出為OpenDRIVE格式。語意資料常使用於規(guī)劃演算法的設(shè)計(jì)和檢驗(yàn)。
依筆者經(jīng)驗(yàn)，單單一家企業(yè)組織內(nèi)的不同團(tuán)隊(duì)，也時(shí)常使用不同的駕駛模擬器。在這樣的情況，如果有方法可以只建立一個(gè)場景，並使用該場景作為所有模擬器的單一真實(shí)來源會(huì)有很大的幫助。
問題7：高度細(xì)緻的地圖對於此領(lǐng)域有多高的重要性？
答：當(dāng)車輛逐漸跨越SAE自動(dòng)駕駛等級的階梯，現(xiàn)今主要的自動(dòng)駕駛團(tuán)隊(duì)考量了HD地圖，作為完整自動(dòng)駕駛架構(gòu)的一部分。HD地圖（High-Definition Maps，高解析度地圖）提供了高度準(zhǔn)確的道路和車道地圖，包含環(huán)境的高逼真度，例如精確的斑馬線位置、紅綠燈、道路彎曲度（curvature of the road）、轉(zhuǎn)彎半徑（turn radius）、障礙等。這些地圖的精確程度通常可以達(dá)到以公分為單位或甚至更小。自動(dòng)駕駛車輛需要HD地圖來處理感知演算法的不一致性，就像是人類在跟隨GPS的時(shí)候一樣。
廣泛來說，HD地圖可以提供下列協(xié)助：
1.定位（localization）：作為透過感知和感測器融合演算法建立的環(huán)境模型的參考
2.規(guī)劃（planning）：HD地圖中的詳細(xì)資訊可幫助駕駛策略功能依據(jù)現(xiàn)有情境來規(guī)劃路徑
3.軟體測試（software testing）：在開發(fā)軟體時(shí)，HD地圖可協(xié)助建立代表真實(shí)世界的虛擬場景，該場景也能被用來測試ADS。
過去十年來，有一些新的機(jī)構(gòu)組織為工程團(tuán)隊(duì)和車隊(duì)業(yè)者（OEMs）開啟了HD地圖的新商業(yè)模式。但是由於HD地圖的建立和維護(hù)所涉及的成本，至今仍未普及，因?yàn)椴幌褴囕v中常見的GPS地圖只需要幾個(gè)月更新一次，HD地圖每過幾週就必須進(jìn)行更新。
問題8：是否有客戶使用案例（參考）可以分享？
答：在今年的MathWorks汽車年會(huì)（MathWorks Automotive Conference），Porsche Engineering Services談?wù)摰絇orsche Engineering ADAS Testing Centre（PEVATeC）的工程師如何整合最佳的工具、資料來源、以及車輛與ADAS的經(jīng)驗(yàn)，建立並提供一個(gè)靈活的模型化模擬平臺(tái)，以支援端到端的ADAS/AD開發(fā)。
問題9：3D模擬可如何運(yùn)用在自動(dòng)駕駛演算法訓(xùn)練？
答：使用錄製資料的限制，在於這類資料只能被使用在真正以錄製方式建立的情境。演算法開發(fā)人員除了錄製資料之外，還會(huì)需要合成資料來測試難度高、具危險(xiǎn)性或鮮少發(fā)生的案例。透過攝影機(jī)、光達(dá)、雷達(dá)或其他感測器，如IMU和GPS所適用的模型，工程師可以透過3D模擬來整合3D場景與他們的開發(fā)環(huán)境，如MATLAB與Simulink，來獲得合成資料。開發(fā)人員也可以重新產(chǎn)生錄製資料，來啟動(dòng)錄製案例變異的測試。
問題10：MathWorks在此領(lǐng)域即將提供哪些新的支援呢？
答：幾波趨勢正推推動(dòng)著MathWorks的投資。首先是對於虛擬世界的需求。為了要減少針對難以在真實(shí)世界建造或可能有害的情境進(jìn)行車輛測試與探索，產(chǎn)業(yè)對於模擬的採用持續(xù)增加。MathWorks提供工具協(xié)助進(jìn)行場景、情境、感測器和動(dòng)態(tài)的設(shè)計(jì)與模擬。
| 圖2 : MathWorks提供工具來協(xié)助環(huán)境、情境、感測器與動(dòng)態(tài)的設(shè)計(jì)和模擬。 |
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第二波推動(dòng)MathWorks投資的趨勢是對於結(jié)合多門學(xué)科的技能需求。開發(fā)包含自動(dòng)駕駛應(yīng)用需要規(guī)劃、控制和感知等規(guī)則的多項(xiàng)技能，像是偵測、定位、追蹤、與融合。MathWorks提供專門的工具箱來幫助學(xué)習(xí)及運(yùn)用這些規(guī)則。在整個(gè)開發(fā)過程中可以使用這些工具箱的指標(biāo)和分析功能。
第三波推動(dòng)投資的趨勢是對於軟體的需求。MathWorks在這方面的投資主要在於加強(qiáng)平臺(tái)的工具，幫助使用者進(jìn)行嵌入式軟體的設(shè)計(jì)、部署與測試。
（本文由鈦思科技提供；作者Gaurav Tomar任職於MathWorks公司）
