虛擬駕駛模擬系統(tǒng)特殊效果

1、業(yè)設(shè)計(jì)虛擬駕駛系統(tǒng)特殊效果機(jī)械工程學(xué)院機(jī)械工程及其自動(dòng)化機(jī)自0701徐曉卿20070403222指導(dǎo)教師王玉增二0一一年五月三十日濟(jì)南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)-26 -1.1虛擬駕駛系統(tǒng)的背景1冃IJ言隨著我國經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，越來越多的汽車作為代步工具進(jìn)入大眾化家庭,汽車的普及催生了大批的非職業(yè)化駕駛員，汽車駕駛訓(xùn)練的工作量有了很大程度的提高。駕校需要購置更多的車輛提供駕駛訓(xùn)練，并且加大教師的配備，來滿足市場(chǎng)的需求,這與資金的投入產(chǎn)生了矛盾；采用實(shí)車進(jìn)行汽車駕駛訓(xùn)練存在著污染、高成本、危險(xiǎn)性高、場(chǎng)地不足等限制，市場(chǎng)的供應(yīng)和需求的矛盾促使人們尋求新的駕駛訓(xùn)練方式。計(jì)算機(jī)性能的提高和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展， 為在

2、計(jì)算機(jī)上模擬汽車駕駛環(huán)境,行駕駛訓(xùn)練提供了可能。計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)、實(shí)時(shí)圖形圖像處理技術(shù)的飛速發(fā)展,為汽車仿真的研究提供了有力的工具和幫助。利用仿真技術(shù)可以進(jìn)行不同虛擬環(huán)境的開發(fā)和多種車輛模型的設(shè)計(jì)，為汽車駕駛訓(xùn)練開辟了新方向。利用虛擬駕駛系統(tǒng)進(jìn)行訓(xùn)練,不受時(shí)間、場(chǎng)地和氣候的限制，在達(dá)到培訓(xùn)質(zhì)量的前提下，具有經(jīng)濟(jì)、環(huán)保的優(yōu)點(diǎn),因此，利用計(jì)算機(jī)來開發(fā)汽車虛擬駕駛系統(tǒng)是一種有效的手段。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的提出和發(fā)展，為汽車虛擬駕駛系統(tǒng)的研究和開發(fā)提供了新手段。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)又稱靈境技術(shù)，是一種先進(jìn)的計(jì)算機(jī)界面技術(shù)，通過給用戶提供視覺、聽覺、觸覺的交互手段，使用戶產(chǎn)生強(qiáng)烈的沉浸感，帶有實(shí)時(shí)交互功能的操作，能減輕

3、用戶的負(fù)擔(dān)，提高系統(tǒng)的工作效率1-3。美國科學(xué)家自1989年首次提出虛擬現(xiàn)實(shí)技 術(shù)以來,這項(xiàng)技術(shù)發(fā)展十分迅速，并廣泛應(yīng)用于軍事、航空航天、自動(dòng)控制、醫(yī)療、娛樂、教育等領(lǐng)域。將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于汽車訓(xùn)練，即利用計(jì)算機(jī)構(gòu)建用于汽車駕駛訓(xùn)練的虛擬環(huán)境和用于訓(xùn)練的車輛，產(chǎn)生“人 -車-環(huán)境”閉環(huán)系統(tǒng)，在這一閉環(huán)系統(tǒng)中駕駛汽車，可根據(jù)車輛的行駛不斷變換相應(yīng)的虛擬視景、 場(chǎng)景音效和車輛的運(yùn)動(dòng)景曰仿真，使駕駛員沉浸到這一環(huán)境中，并根據(jù)虛擬環(huán)境中產(chǎn)生的觸覺，聽覺和視覺，變換相應(yīng)的駕駛動(dòng)作，使得虛擬駕駛車輛的位置在行駛環(huán)境中不斷變化， 以此產(chǎn)生駕駛員和虛擬環(huán)境的交互，達(dá)到訓(xùn)練駕駛員動(dòng)作的目的。這種能夠正確模擬汽

4、車駕駛動(dòng)作,獲得實(shí)車駕駛感覺的仿真系統(tǒng)就是汽車虛擬駕駛系統(tǒng)，它是既能進(jìn)行汽車駕駛訓(xùn)練,提高駕駛員水平，又能降低各種費(fèi)用的汽車訓(xùn)練裝置。 運(yùn)用這種裝置進(jìn)行汽車駕駛訓(xùn)練，可以減少實(shí)車訓(xùn)練帶來的意外傷害，具有節(jié)約能源和經(jīng)濟(jì)，并且不受時(shí)間、氣候 和場(chǎng)地限制?，F(xiàn)今駕校成本不斷增加，利潤逐年下降，培訓(xùn)效率低，滿意度差，必須通過提高 效率爭(zhēng)取生源，擴(kuò)大經(jīng)營降低成本的方式來改變現(xiàn)狀，模擬駕駛訓(xùn)練加實(shí)車駕駛訓(xùn)練, 是一種行之有效的現(xiàn)代汽車駕駛員培訓(xùn)模式。在各方面受限的情況下，首先采用不易 損壞、沒有危險(xiǎn)的虛擬駕駛系統(tǒng)對(duì)訓(xùn)練內(nèi)容模擬， 在學(xué)員對(duì)訓(xùn)練內(nèi)容熟練操作后再進(jìn) 行實(shí)車訓(xùn)練，避免了對(duì)實(shí)車的巨大損耗，提高了訓(xùn)練

5、效率，減低了駕駛培訓(xùn)的危險(xiǎn)性。在新的汽車駕駛培訓(xùn)大綱中將汽車駕駛模擬訓(xùn)練列入其中，證明了虛擬駕駛系統(tǒng) 的重要性。1.2國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀早在上世紀(jì)70年代，美國、西歐等一些發(fā)達(dá)國家就開始汽車虛擬駕駛系統(tǒng)的研 究。上世紀(jì)80年代以來，德國、瑞士、日本、美國的各大汽車廠家都分別建立了 開發(fā)型汽車虛擬駕駛系統(tǒng)。德國奔馳公司于1985年建成了 6自由度汽車虛擬駕駛系統(tǒng)，其性能代表當(dāng)時(shí)汽車虛擬駕駛系統(tǒng)技術(shù)的最高水平；1989年，德國大眾汽車公司則更新了原有虛擬駕駛系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和視景生成系統(tǒng)，并用于新產(chǎn)品的研制中；20世紀(jì)80年代，瑞典VDI公司也投資建成了汽車虛擬駕駛系統(tǒng)，用于瑞典車輛 和交通系統(tǒng)的研

6、究與開發(fā)；美國GM汽車公司1989年開始研制開發(fā)性虛擬駕駛系統(tǒng)， 至今為止已經(jīng)開發(fā)出第二代產(chǎn)品8-9，其性能指標(biāo)居世界領(lǐng)先水平。1993年，美國FORD汽車公司也開始研制自己的開發(fā)型虛擬駕駛系統(tǒng)； 美國阿依華車輛中心于1993 年就啟用1300萬美元來開發(fā)汽車駕駛模擬系統(tǒng)，1996年又增加投資3000萬美元由TRW公司進(jìn)行改進(jìn)，作為研究高速公路及車輛系統(tǒng)的國家研究基地的一部分，被稱之為國家先進(jìn)汽車駕駛模擬器（NDAS）； 1993年，美國交通部（DOT）招標(biāo)建立美國的大型駕駛模擬器，IOWA大學(xué)中標(biāo)。1991年日本馬自達(dá)公司興建了跑車型開發(fā)性 駕駛模擬器，1995年日本汽車研究所（JARI ）

7、也建成了帶有體感模擬系統(tǒng)的駕駛模 擬器10-13。在國內(nèi)，汽車虛擬駕駛系統(tǒng)發(fā)展較晚，一些公司開發(fā)了汽車虛擬駕駛系統(tǒng)， 但與 國際先進(jìn)水平存在一定的差距。隨著汽車駕駛訓(xùn)練需求的增長(zhǎng)，引進(jìn)的汽車虛擬駕駛系統(tǒng)價(jià)格昂貴，并且不適合我國的交通規(guī)則，使得國內(nèi)研制自己的汽車虛擬駕駛系統(tǒng) 尤為重要。19世紀(jì)20年代初期，北京航空航天大學(xué)、國防科技大學(xué)、中國航空精密機(jī)械研究所, 東南大學(xué)、吉林大學(xué)， 等單位都開展了積極的研究工作，并開發(fā)出了一些產(chǎn)品，其 中北京航空航天大學(xué)研制的MCGI-9410T計(jì)算機(jī)成像系統(tǒng)、航空精密機(jī)械研究所研制 的QM CGI汽車駕駛訓(xùn)練模擬系統(tǒng)較有代表性，吉林大學(xué)建設(shè)的具有6自由度運(yùn)動(dòng)

8、 系統(tǒng)的開發(fā)型車輛駕駛模擬器，其規(guī)模和性能居世界先進(jìn)水平 。吉林大學(xué)動(dòng)態(tài)模擬 國家實(shí)驗(yàn)室是1989年獲得批準(zhǔn)，利用世界銀行貸款建設(shè)的國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，在 1996年12月建成，1997年起正式進(jìn)入國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室隊(duì)列。該實(shí)驗(yàn)室于2006年開發(fā)了大型開發(fā)型汽車虛擬駕駛系統(tǒng)。1.3虛擬駕駛系統(tǒng)的分類早在上世紀(jì)70年代，美國、西歐等一些發(fā)達(dá)國家就開始汽車虛擬駕駛系統(tǒng)的研 究。上世紀(jì)80年代以來，德國、瑞士、日本、美國的各大汽車廠家都分別建立了 開發(fā)型汽車虛擬駕駛系統(tǒng)。德國奔馳公司于1985年建成了 6自由度汽車虛擬駕駛系統(tǒng)，其性能代表當(dāng)時(shí)汽車虛擬駕駛系統(tǒng)技術(shù)的最高水平；1989年，德國大眾汽車公司則更新

9、了原有虛擬駕駛系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和視景生成系統(tǒng)，并用于新產(chǎn)品的研制中；20世紀(jì)80年代，瑞典VDI公司也投資建成了汽車虛擬駕駛系統(tǒng)，用于瑞典車輛 和交通系統(tǒng)的研究與開發(fā)；美國GM汽車公司1989年開始研制開發(fā)性虛擬駕駛系統(tǒng), 至今為止已經(jīng)開發(fā)出第二代產(chǎn)品8-9，其性能指標(biāo)居世界領(lǐng)先水平。1993年，美國FORD汽車公司也開始研制自己的開發(fā)型虛擬駕駛系統(tǒng)； 美國阿依華車輛中心于1993 年就啟用1300萬美元來開發(fā)汽車駕駛模擬系統(tǒng)，1996年又增加投資3000萬美元由TRW公司進(jìn)行改進(jìn)，作為研究高速公路及車輛系統(tǒng)的國家研究基地的一部分，被稱之為國家先進(jìn)汽車駕駛模擬器（NDAS）； 1993年，美國

10、交通部（DOT）招標(biāo)建立美國的大型駕駛模擬器，IOWA大學(xué)中標(biāo)。1991年日本馬自達(dá)公司興建了跑車型開發(fā)性 駕駛模擬器，1995年日本汽車研究所（JARI ）也建成了帶有體感模擬系統(tǒng)的駕駛模擬器10-13 0在國內(nèi)，汽車虛擬駕駛系統(tǒng)發(fā)展較晚，一些公司開發(fā)了汽車虛擬駕駛系統(tǒng)， 但與國際先進(jìn)水平存在一定的差距。隨著汽車駕駛訓(xùn)練需求的增長(zhǎng)，引進(jìn)的汽車虛擬駕駛 系統(tǒng)價(jià)格昂貴，并且不適合我國的交通規(guī)則，使得國內(nèi)研制自己的汽車虛擬駕駛系統(tǒng) 尤為重要。19世紀(jì)20年代初期，北京航空航天大學(xué)、國防科技大學(xué)、中國航空精密機(jī)械研 究所，東南大學(xué)、吉林大學(xué)，等單位都開展了積極的研究工作，并開發(fā)出了一些產(chǎn)品，其中北京

11、航空航天大學(xué)研制的 MCGI-9410T計(jì)算機(jī)成像系統(tǒng)、航空精密機(jī)械研究 所研制的QM CGI汽車駕駛訓(xùn)練模擬系統(tǒng)較有代表性， 吉林大學(xué)建設(shè)的具有6自由 度運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的開發(fā)型車輛駕駛模擬器，其規(guī)模和性能居世界先進(jìn)水平1417。吉林大學(xué) 動(dòng)態(tài)模擬國家實(shí)驗(yàn)室是1989年獲得批準(zhǔn)，利用世界銀行貸款建設(shè)的國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 在1996年12月建成，1997年起正式進(jìn)入國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室隊(duì)列。該實(shí)驗(yàn)室于2006年開發(fā)了大型開發(fā)型汽車虛擬駕駛系統(tǒng)2虛擬駕駛系統(tǒng)VDS-1的架構(gòu)為了實(shí)現(xiàn)虛擬駕駛系統(tǒng) VDS-1能夠在個(gè)人計(jì)算機(jī)上運(yùn)行，并滿足訓(xùn)練的要求,總結(jié)了需要解決虛擬駕駛系統(tǒng)的一系列問題， 并根據(jù)現(xiàn)有的技術(shù)水平，選

12、用合理的開 發(fā)工具進(jìn)行開發(fā)。2.1虛擬駕駛系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)運(yùn)行于個(gè)人PC機(jī)上的虛擬駕駛系統(tǒng) VDS-1，在滿足訓(xùn)練要求的情況下，盡量要使系統(tǒng)逼真、降低成本，提高性價(jià)比。因此，需要解決下面的技術(shù)難題。1.海量數(shù)據(jù)的快速提取 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用對(duì)象往往數(shù)據(jù)量十分巨大，為此, 我們需要設(shè)計(jì)特殊的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法，使系統(tǒng)漫游時(shí)最大限度地節(jié)約時(shí)間，在海量數(shù)據(jù)中提取視場(chǎng)范圍內(nèi)所有“可見”要素?cái)?shù)據(jù)，以保證系統(tǒng)以一定的交互速率運(yùn)行（每秒繪制圖像幀數(shù)FramesperSeconc簡(jiǎn)稱FPS）。2.實(shí)時(shí)三維圖形生成技術(shù) 實(shí)時(shí)顯示的刷新頻率不能低于15幀/ S，而復(fù)雜場(chǎng)景的顯示存在巨大的計(jì)算量，在不降低圖形的質(zhì)量和復(fù)雜

13、度的前提下， 提高刷新頻率是 該技術(shù)的關(guān)鍵，否則，系統(tǒng)漫游時(shí)將會(huì)產(chǎn)生畫面停頓和不連續(xù)的現(xiàn)象。3. 人與場(chǎng)景的融合技術(shù) 虛擬現(xiàn)實(shí)的沉浸感和交互特征依賴于人與場(chǎng)景的融合技 術(shù)，這主要體現(xiàn)在立體顯示和傳感器技術(shù)方面。4. 立體圖像的生成和顯示 根據(jù)雙目立體視覺原理，由計(jì)算機(jī)屏幕顯示的視景系 統(tǒng)，需分別渲染出左右眼圖像，并配合立體眼鏡，使得左眼觀察左眼圖像，右眼觀察 右眼圖像，并不斷交替顯示。5. 主動(dòng)駕駛車輛的控制及虛擬場(chǎng)景中車輛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的表現(xiàn)虛擬駕駛系統(tǒng)中的主 動(dòng)駕駛車輛受駕駛員輸入的控制，能進(jìn)行基本的前進(jìn)、轉(zhuǎn)彎、倒車等駕駛運(yùn)動(dòng)。車輛 的運(yùn)動(dòng)規(guī)律應(yīng)符合實(shí)際車輛的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。6.后視鏡的實(shí)現(xiàn) 主動(dòng)駕駛

14、車輛在行駛的過程中，能控制車輛的后視鏡是否顯示, 并可通過后視鏡觀察車輛后方的場(chǎng)景。7.碰撞檢測(cè)的實(shí)現(xiàn) 虛擬場(chǎng)景中的運(yùn)動(dòng)物體當(dāng)位置上互相重疊時(shí)， 發(fā)生碰撞，車 輛的運(yùn)動(dòng)軌跡超出運(yùn)行的路面范圍，應(yīng)可以識(shí)別和報(bào)錯(cuò)。8各種天氣狀況的模擬，場(chǎng)景霧的實(shí)現(xiàn)等 對(duì)虛擬場(chǎng)景進(jìn)行霧化，增加場(chǎng)景的沉 浸感和真實(shí)感，并產(chǎn)生縱深的感覺。2.2桌面虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)及應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（Virtual Reality，簡(jiǎn)稱VR）是在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)、人機(jī)接口技術(shù)、多媒體技術(shù)以及傳感技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的交叉學(xué)科，對(duì)該技術(shù)的 研究始于20世紀(jì)60年代，直到90年代，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)作為一門比較完整的體系而 受到人們的極大

15、關(guān)注2-3。虛擬現(xiàn)實(shí)是把客觀世界中的某一局部或想像的世界用電子的方式模擬出來，并且 能夠讓你進(jìn)入這個(gè)局部世界，猶如身臨其境；而且，這種身臨其境不是靜態(tài)的，當(dāng)你 在局部世界活動(dòng)時(shí)，你會(huì)感到“境”相應(yīng)的變化。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是近十幾年來發(fā)展起 來的新技術(shù)，它結(jié)合三維圖形生成技術(shù)、多傳感交互技術(shù)以及高分辨顯示技術(shù)， 生成 逼真的三維環(huán)境。是一種模擬人在自然環(huán)境中的視覺、聽覺、觸覺等行為的高度逼真 的人機(jī)交互技術(shù)，是利用人類感知能力和操作能力的新方法。 它使計(jì)算機(jī)從一種只用 鍵盤、鼠標(biāo)進(jìn)行操作的設(shè)備變成了人處于計(jì)算機(jī)生成的環(huán)境中，通過感官、語言、手 勢(shì)等比較自然的方式進(jìn)行“交互、對(duì)話”的系統(tǒng)和環(huán)境，即虛擬

16、現(xiàn)實(shí)環(huán)境。近年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等新技術(shù)的高速發(fā)展和應(yīng)用，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)也發(fā)展相當(dāng)迅速。根據(jù)用戶參與虛擬現(xiàn)實(shí)的不同形式以及沉浸的程度不同，可以將虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)分為三類：沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)、桌面式虛擬現(xiàn)實(shí)、共享性虛擬現(xiàn)實(shí)。沉浸 性虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)是最理想的追求目標(biāo)， 他提供了一個(gè)完全沉浸式的體驗(yàn)，使用戶有置 身于真實(shí)世界之中的感覺。需要價(jià)格昂貴的硬件如頭盔、數(shù)據(jù)手套、身體部位跟蹤器 把用戶的視覺聽覺和其它感覺封閉起來， 并提供一個(gè)新的，虛擬的感覺空間。由于成 本較高，不容易得到普及。桌面虛擬現(xiàn)實(shí)(Desktop VR)也稱窗口虛擬現(xiàn)實(shí)，是利用個(gè)人計(jì)算機(jī)屏幕作為用戶觀察虛擬世界的一個(gè)窗口， 采用立體

17、圖形、自然交互等技術(shù)。在桌面虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中，計(jì)算機(jī)的屏幕是用戶觀察虛擬世界的一個(gè)窗口， 配合立體眼 鏡觀看虛擬三維場(chǎng)景的立體效果。雖然用戶處于不完全沉浸的環(huán)境，但因技術(shù)簡(jiǎn)單, 實(shí)用性強(qiáng)，需要投入的成本低，在實(shí)際中應(yīng)用廣泛。共享性虛擬現(xiàn)實(shí)是多個(gè)客戶通過 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)連接到儀器，同時(shí)進(jìn)入由服務(wù)器構(gòu)筑的虛擬空間， 在共同的虛擬環(huán)境中協(xié) 同操作。其中，桌面虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)沉浸的感覺，并且成本低的優(yōu)點(diǎn)在虛擬駕 駛系統(tǒng)中得到應(yīng)用，對(duì)開發(fā)虛擬駕駛系統(tǒng)提供了技術(shù)支持。桌面虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)具有一般虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的三個(gè)突出的特征：沉浸感(Immersion )、構(gòu)想(Imagination )和交互性(Interac

18、tivity)，即虛擬現(xiàn)實(shí)的 31特性。沉浸感是使用者作為主角存在于虛擬環(huán)境中的真實(shí)程度，指用戶感覺到好像完全 置身于虛擬世界中一樣，被虛擬世界所包圍。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的主要特征就是讓用戶覺 得自己是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)所創(chuàng)建的虛擬世界中的一部分， 是用戶由被動(dòng)的觀察者變成主動(dòng) 的參與者，沉浸于虛擬世界之中，參與虛擬世界的活動(dòng)。虛擬現(xiàn)實(shí)的沉浸性來源于對(duì) 虛擬世界多感知性，常見的感知有視覺感知、聽覺感知，還有觸覺感知、力覺感知、 運(yùn)動(dòng)感知等2。交互性即用戶對(duì)虛擬環(huán)境內(nèi)物體的可操作程度和從環(huán)境得到的反饋的自然程度。虛擬現(xiàn)實(shí)的交互性的實(shí)現(xiàn)于傳統(tǒng)的多媒體技術(shù)有所不同，在傳統(tǒng)的多媒體技術(shù)中，人機(jī)之間的交互工具主要是通

19、過鍵盤與鼠標(biāo)進(jìn)行一維、二維的交互，而虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)強(qiáng) 調(diào)人與虛擬世界之間要以自然的方式進(jìn)行交互， 并且借助虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中的特殊硬件 設(shè)備，如數(shù)據(jù)手套、方向盤等，以自然的方式與虛擬世界進(jìn)行交互，實(shí)時(shí)產(chǎn)生在真實(shí) 世界中的一樣的感覺。這中交互性具有以下特點(diǎn)：人的參與與反饋；人機(jī)交互的有效 性；人機(jī)交互的實(shí)時(shí)性。想象性強(qiáng)調(diào)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)具有廣闊的可想象空間，可拓寬人類的認(rèn)知范圍。虛 擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)不僅僅是一個(gè)媒體或者一個(gè)高級(jí)用戶界面，它可以用來實(shí)現(xiàn)一定的目標(biāo),如解決工程、醫(yī)學(xué)、軍事等方面的問題，它使人類可以突破時(shí)間與空間的限制，去體 驗(yàn)和研究世界上早已發(fā)生和尚未發(fā)生的事件， 或進(jìn)入宏觀和微觀世界進(jìn)行研究，以

20、及 復(fù)雜條件問題的研究。虛擬現(xiàn)實(shí)的沉浸性，交互性和想象性，使參與者能沉浸與虛擬世界之中， 并進(jìn)行 交互。桌面虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)是通過視、聽、觸覺等信息通道感受到設(shè)計(jì) 者思想的高級(jí)用戶界面。將桌面虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于汽車駕駛模擬系統(tǒng)的開發(fā)。首先配置開發(fā)的硬件條 件，現(xiàn)在計(jì)算機(jī)的性能有了很大的提高， 使用個(gè)人計(jì)算機(jī)來開發(fā)虛擬駕駛系統(tǒng)， 配合 方向盤和立體眼鏡交互工具，以及音響等。VDS-1軟件的開發(fā)過程為：首先構(gòu)造三維場(chǎng)景中的各種物體，如城市建筑、道路、行人、汽車等場(chǎng)景中的物體，即建立3D模型庫和汽車模型庫；然后，建立人機(jī)交互接口，讀取駕駛員駕駛過程中的各種操作參 數(shù)，并設(shè)定出人員操作過程中

21、的邏輯判斷策略； 在系統(tǒng)仿真過程中，根據(jù)駕駛員的操 作參數(shù)，利用汽車動(dòng)力學(xué)模型的計(jì)算公式，得出汽車的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，以此驅(qū)動(dòng)視點(diǎn)的運(yùn) 動(dòng)，根據(jù)視點(diǎn)的位置和方向，渲染出相應(yīng)的虛擬場(chǎng)景和音響效果， 使駕駛員沉浸到虛 擬環(huán)境中去，進(jìn)行汽車駕駛訓(xùn)練。利用開發(fā)的虛擬駕駛軟件，在個(gè)人計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)滿 足沉浸感、交互性的汽車駕駛平臺(tái)，給駕駛員提供逼真的駕駛環(huán)境， 給汽車駕駛訓(xùn)練 提供了極大的方便。3 VDS-1場(chǎng)景的霧化為了增加虛擬環(huán)境的真實(shí)感，可以在環(huán)境中模擬諸如晴天、陰天、雨天、霧天等 自然現(xiàn)象。霧化是指Direct3D程序模擬真實(shí)世界的云霧、水汽、灰塵等自然景觀。在霧氣較嚴(yán)重的地區(qū)，往往距離觀察點(diǎn)很近的物體比

22、較清晰， 而遠(yuǎn)處的物體隨著距離的增加會(huì)變得越來越模糊34。在場(chǎng)景中添加霧可以產(chǎn)生縱深感和距離感，增加三維場(chǎng) 景的真實(shí)感，也可以用來營造氣氛。在Direct3D圖形系統(tǒng)中，霧化是通過將景物的顏色和霧的顏色進(jìn)行混合來實(shí)現(xiàn) 的。影響混合比例的參數(shù)為混合因子，混合因子隨著物體和觀察點(diǎn)距離的而衰減。 距 離觀察點(diǎn)越遠(yuǎn)，混合因子越小，場(chǎng)景中物體的原色越小，霧的顏色越大，霧化效果越 明顯35。 Direct3D計(jì)算霧化的方法如下：Color = f * Colorscene +(1- f )* Colorfog其中，Color表示霧化后的場(chǎng)景顏色，f表示霧化混合因子，Colorscene場(chǎng)景原來 的顏色，C

23、olorfog程序定義的霧的顏色。Direct3D采用了 2中方法進(jìn)行霧化處理：頂點(diǎn)霧化和像素霧化36。根據(jù)Direct3D的霧化計(jì)算公式，將霧分為三種類型：線性霧、指數(shù)類型1、指數(shù)類型2,枚舉常量D3DFOGMODE定義了這三種霧化公式，其中fi end-dend -start為線性霧的混合因子的變化公式，根據(jù)這個(gè)公式，霧化效果隨距離呈線性增加，其中,end和start表示霧化起點(diǎn)和終點(diǎn)與觀察點(diǎn)的距離， d表示當(dāng)前計(jì)算點(diǎn)與觀察點(diǎn)的距 離；f2 =%d：xdensity為指數(shù)類型霧的混合因子的變化公式，根據(jù)這個(gè)公式，霧化效果隨距離按指數(shù)規(guī)律增加，其中d表示當(dāng)前計(jì)算點(diǎn)與觀察點(diǎn)的距離，densit

24、y表示霧的密度；f3=%(dxdensity)表示指數(shù)類型2霧的混合因子的變化公式，根據(jù)這個(gè)公 式，霧化效果隨距離按指數(shù)平方的規(guī)律增加。圖3.9為霧化后的場(chǎng)景運(yùn)行效果。(14總結(jié)與展望4.1主要研究工作總結(jié)通過分析汽車駕駛模擬系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀及存在的問題，目前國內(nèi)外虛擬駕駛系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀及常用方法，提出了課題的研究背景和意義，并進(jìn)行了基于桌面虛擬現(xiàn)實(shí) 技術(shù)的虛擬駕駛系統(tǒng) VDS-1的設(shè)計(jì)。和汽車實(shí)車駕駛訓(xùn)練相比較，使用虛擬駕駛系統(tǒng)可以消除初上車學(xué)員的緊張感，并且可以節(jié)省燃油，消除污染，訓(xùn)練時(shí)間靈活，硬 件配置的低成本有利于系統(tǒng)的推廣。主要進(jìn)行了以下幾個(gè)方面的工作:1 .視景子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和生成視景

25、子系統(tǒng)是利用計(jì)算機(jī)實(shí)用圖像生成子系統(tǒng)產(chǎn) 生車輛行駛過程中駕駛員所看到的虛擬環(huán)境，如道路、建筑、交通標(biāo)志、車輛、行人 等。通過應(yīng)用三維建模軟件工具3DS MAX，建立了虛擬駕駛的三維場(chǎng)景和運(yùn)動(dòng)物體,并將場(chǎng)景導(dǎo)入程序，通過設(shè)置虛擬攝像機(jī)，并進(jìn)行坐標(biāo)變換，生成了視景子系統(tǒng)。2.音響子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)音響子系統(tǒng)可以營造更加逼真的模擬環(huán)境。通過準(zhǔn)備各種聲音的素材，并配合行車過程根據(jù)駕車狀況進(jìn)行調(diào)用， 成功營造了行車過程中的各種 聲音。3. 操控子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn) 用戶可以操作方向盤、油門踏板、腳剎踏板、離合 器踏板、檔位、手剎車、點(diǎn)火開關(guān)等設(shè)備，成功的實(shí)現(xiàn)了方向盤控制車輛在虛擬場(chǎng)景 中進(jìn)行符合運(yùn)動(dòng)規(guī)律的行駛。

26、4. 雙目立體成像技術(shù)的應(yīng)用，立體成像程序的實(shí)現(xiàn)。為了形成駕駛行車中的真三維立體環(huán)境，利用雙目視覺原理，推導(dǎo)了體視變換算法，編制了立體雙目立體成像 程序，分別生成了左右眼圖像，渲染出了立體圖像對(duì)。5. 主動(dòng)駕駛車輛后視鏡的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了后視鏡渲染窗口，行車過程中，可根據(jù)駕駛需要開啟和關(guān)閉左右后視鏡。6. 運(yùn)動(dòng)物體的設(shè)計(jì) 場(chǎng)景中的運(yùn)動(dòng)物體分為沿預(yù)訂路線行駛的車輛和行人，以及 模擬行車的主動(dòng)駕駛車輛，并利用操控裝置，實(shí)現(xiàn)了在虛擬場(chǎng)景中進(jìn)行駕駛訓(xùn)練。應(yīng)用開發(fā)的虛擬駕駛系統(tǒng)進(jìn)行汽車駕駛訓(xùn)練，其中典型的運(yùn)行效果圖5.1 （虛擬 駕駛開始的地方），圖5.2 （汽車駕駛過程中開啟了后視鏡），圖5.3（對(duì)虛擬場(chǎng)

27、景進(jìn)行 了線性霧化），圖5.4 （對(duì)虛擬場(chǎng)景進(jìn)行了指數(shù)霧化），圖5.5 （更換了主動(dòng)駕駛車輛）， 圖5.6 （在霧化場(chǎng)景中開啟后視鏡）。y Fm，HI尊A科4;1誼JE ; tiDDDDHlKniti ll3S : 4 HniiiiA HrTi2 lin : ?1.D,31.E JH :1 呂MM百亍曲】fizz%nautjaj _呻t dlfrlVJj* 血圖5.1汽車出發(fā)的場(chǎng)景位置的3早HEih3J3JEui皿&血brSA ； OLDDDDHlKnin IttS : 4904nOHmi*h g T Z%S,7.3 J fl : .-LSHlifl沐圖5.2車輛的行駛過程中開啟了后視鏡Hlf

28、4電f -卜|XiiEZ?M w Oi44-an : OiHHffKKfni 如匱爐 L D.DPDDDD-mvm fiS： Mi, 1?.5 方科=516*4m DmV.圖5.3對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行了線性霧化lEA 5 ciEiDin國陽IT竹 則n : D.DDDDlHllHrnril 掙n二帀h 3.0jfli理E O輕卓髦二咲rxni圖5.4對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行了指數(shù)霧化跟躊車稠全屏9lhesjf 音 Sum一立悻效果nul圖5.5更換了主動(dòng)駕駛車輛GPRS跟晾車輛立體隈耒關(guān)閉立捧效果linei圖5.6霧化場(chǎng)景中開啟后視鏡4.2 VDS-1系統(tǒng)的創(chuàng)新點(diǎn)1.視景子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和生成 視景系統(tǒng)是利用計(jì)算機(jī)實(shí)用圖

29、像生成子系統(tǒng)產(chǎn)生車 輛行駛過程中駕駛員所看到的虛擬環(huán)境，如道路、建筑、交通標(biāo)志、車輛、行人等。通過應(yīng)用三維建模軟件工具 3DS MAX，建立了虛擬駕駛的三維場(chǎng)景和運(yùn)動(dòng)物體，并將場(chǎng)景導(dǎo)入程序，通過設(shè)置虛擬攝像機(jī)，并進(jìn)行坐標(biāo)變換，生成了視景系統(tǒng)。2.音響子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)音箱系統(tǒng)可以營造更加逼真的模擬環(huán)境。通過準(zhǔn)備各種聲音的素材，并配合行車過程根據(jù)駕車狀況進(jìn)行調(diào)用， 成功營造了行車過程中的各種聲 音;3操控子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn) 用戶可以操作方向盤、油門踏板、腳剎踏板、離合 器踏板、檔位、手剎車、點(diǎn)火開關(guān)等設(shè)備。成功的實(shí)現(xiàn)了方向盤控制車輛在虛擬場(chǎng)景 中進(jìn)行符合運(yùn)動(dòng)規(guī)律的行駛,4雙目立體成像技術(shù)的應(yīng)用，立體成

30、像程序的實(shí)現(xiàn)。為了形成駕駛行車中的真三維立體環(huán)境，利用雙目視覺原理，推導(dǎo)了提示變換算法，編制了立體雙目立體成像 程序，分別生成了左右眼圖像，渲染出了立體圖像對(duì)。5主動(dòng)駕駛車輛后視鏡的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了后視鏡渲染窗口，行車過程中，可根據(jù)駕駛需要開啟和關(guān)閉左右后視鏡。4.3 VDS-1系統(tǒng)存在的不足對(duì)于開發(fā)虛擬駕駛這樣的大型系統(tǒng)來說，需要大量的人力和物力。本人在三年的 時(shí)間里，通過系統(tǒng)的學(xué)習(xí)和不懈的努力，完成了系統(tǒng)的基本功能，但要其成為一個(gè)成 熟完善的系統(tǒng)，目前還存在許多不足之處:1交通規(guī)則還沒有很好的模擬，在一個(gè)完善的駕駛模擬系統(tǒng)當(dāng)中，無論是行人還是車輛都應(yīng)該嚴(yán)格的遵守交通規(guī)則， 例如，當(dāng)車輛闖紅燈或

31、者在轉(zhuǎn)彎時(shí)沒有打轉(zhuǎn)向 燈就應(yīng)該用聲音或文字來提示用戶，從而達(dá)到真實(shí)模擬的效果。2.使用的動(dòng)力模擬、轉(zhuǎn)向模擬、碰撞檢測(cè)和違規(guī)判別的數(shù)學(xué)模型都是最基本的,實(shí)際的模擬效果與真實(shí)數(shù)據(jù)還有一定的差距。 因?yàn)榻⑤^為復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型需要通過實(shí)物實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)和復(fù)雜的數(shù)學(xué)建模與分析，才能得到較為準(zhǔn)確的模擬算法。3.虛擬場(chǎng)景中智能物體種類只有行人和車輛，應(yīng)該增加諸如摩托車、自行車等運(yùn)動(dòng)物體。4.場(chǎng)景種類單一，需要更多的場(chǎng)景才能達(dá)到訓(xùn)練的目的。4.4展望VDS-1系統(tǒng)還需要繪制更加專業(yè)的場(chǎng)景模型，建立更加復(fù)雜和真實(shí)的虛擬場(chǎng)景;在程序中需要制作更多種類的智能物體， 模擬出更加逼真的場(chǎng)景。同時(shí)需要建立智能體管理器，對(duì)所有

32、智能物體有總體的管理，達(dá)到資源優(yōu)化的作用；通過實(shí)驗(yàn)獲取實(shí)際數(shù)據(jù)，在使用數(shù)學(xué)建模的手段，改善模擬算法，讓駕駛過程的模擬更接近實(shí)際。盡管我們開發(fā)的這個(gè)系統(tǒng)只是實(shí)現(xiàn)了虛擬駕駛的基本功能，和一個(gè)成熟的虛擬駕駛系統(tǒng)相比還有很大的差距，但我們相信，通過不懈的努力和工作積累，本系統(tǒng)一定會(huì)更加完善、更加成熟，并最終走上社會(huì)，為社會(huì)服務(wù)。參考文獻(xiàn)1尹念東，基于 OpenGL的桌面虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，黃石高等?？茖W(xué)校學(xué)報(bào),2002， 18(4): 5-72 Grigore C.Burdea, Philippe Coiffet.Virtual Reality Tech no logy ,New York:Wiley

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