畢業(yè)設(shè)計虛擬駕駛系統(tǒng)的場景設(shè)計模塊

1、畢業(yè)設(shè)計題目 虛擬駕駛系統(tǒng)-場景設(shè)計模塊23 / 241前言1.1虛擬駕駛系統(tǒng)的背景近年來祖國經(jīng)濟的發(fā)展飛速，汽車的普與造就了大批的駕駛員汽車作為一種重要的工具進入大眾社會，汽車駕駛訓(xùn)練的工作量有了很大程度的提高。相關(guān)部門需要購買更多的車輛提供駕駛訓(xùn)練，并且加大老師的配備，來滿足膨脹的市場需求，這與資金的投入產(chǎn)生了矛盾；采用實車進行汽車駕駛訓(xùn)練存在著污染、高成本、危險性高、場地不足等很多的條件的限制，市場的需求和供應(yīng)的矛盾促使人們尋求新的駕駛訓(xùn)練方式。計算機性能的提高和虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展，為在計算機上模擬汽車駕駛環(huán)境，進行駕駛訓(xùn)練提供了可能。計算機仿真技術(shù)、實時圖形圖像處理技術(shù)的飛速發(fā)展，為汽

2、車仿真的研究提供了有力的工具和幫助。利用虛擬技術(shù)可以進行不同虛擬環(huán)境的開發(fā)和多種車輛模型的設(shè)計，為汽車駕駛訓(xùn)練開辟了新方向。利用虛擬車輛駕駛系統(tǒng)進行訓(xùn)練，不受時間、氣候和場地的限制，在達到培訓(xùn)質(zhì)量的前提下，具有經(jīng)濟、環(huán)保的優(yōu)點，因此，利用計算機來開發(fā)車輛虛擬駕駛系統(tǒng)是一個很有效的手段。虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展和提出，為車輛虛擬駕駛系統(tǒng)的開發(fā)和研究提供了新方法。虛擬現(xiàn)實技術(shù)又稱靈境技術(shù)，是一種先進的電腦界面的技術(shù)，通過給用戶提供視覺、觸覺。聽覺、的交互手段，使用戶產(chǎn)生強烈的認(rèn)同感，帶有交互實時功能的操作，能減輕用戶的壓力，提高系統(tǒng)的工作效率1-3。外國科學(xué)家自19世紀(jì)年首次提出虛擬現(xiàn)實技術(shù)以來4，這項

3、技術(shù)發(fā)展十分迅速，并廣泛應(yīng)用于軍事、自動控制、航空航天、娛樂、醫(yī)療、教育這些領(lǐng)域。將虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于車輛訓(xùn)練，即利用計算機構(gòu)建用于車輛駕駛訓(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”連續(xù)系統(tǒng)，在這一閉環(huán)系統(tǒng)中駕駛汽車，可根據(jù)車輛的繼續(xù)行駛不斷生產(chǎn)的虛擬視景、場景的音效和車輛的仿真運動，使駕駛員進入這一環(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，達到相關(guān)人員動作的目的。這種能夠正確模擬汽車駕駛動作，獲得實車駕駛感覺的仿真系統(tǒng)就是汽車虛擬駕駛系統(tǒng)，它是既能提高駕駛員水平，進行汽車駕駛訓(xùn)練，

4、又能降低各種費用的汽車的訓(xùn)練裝備。運用這種裝備進行汽車駕駛訓(xùn)練，可以減少實車訓(xùn)練帶來的交通事故，具有節(jié)約能源和經(jīng)濟，并且不受時間、氣候和場地等條件的限制。現(xiàn)今駕校成本在增加，利潤卻逐年下降，培訓(xùn)效率低，滿意度不好，必須通過提高效率爭取生源，擴大經(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、沒有危險的虛擬駕駛系統(tǒng)對訓(xùn)練容模擬，在學(xué)員對訓(xùn)練容熟練操作后再進行實車訓(xùn)練，避免了對實車的巨大損耗，提高了訓(xùn)練效率，減低了駕駛培訓(xùn)的危險性。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，證明了虛擬汽車駕駛系統(tǒng)在生

5、活中的重要性。1.2國外的研究現(xiàn)狀追溯到上世紀(jì)70年代，美國等一些發(fā)達國家就開始汽車虛擬駕駛系統(tǒng)的研究。80年代后，德國，瑞士，日本的各大汽車廠家都分別建立了又關(guān)的汽車虛擬駕駛實驗室和開發(fā)系統(tǒng)。德國奔馳公司與1985年建立了6自由度汽車虛擬駕駛系統(tǒng)，1989年，德國大眾公司更新了原有的虛擬駕駛系統(tǒng)的計算機系統(tǒng)和場景生產(chǎn)系統(tǒng)。20世紀(jì)80年代，瑞典的一公司也投資建成了汽車虛擬駕駛系統(tǒng)，用于汽車和交通系統(tǒng)的研發(fā)和開發(fā)。美國GM汽車公司1989年開始嚴(yán)重開發(fā)虛擬駕駛系統(tǒng)，1993年，美國福特汽車公司也開始了相關(guān)的系統(tǒng)的研究；美國阿伊華車輛中心與1993年就啟用1300萬美元來開發(fā)汽車虛擬駕駛系統(tǒng)，1

6、996年又增加投資3000萬美元有TRW公司進行改進。在我們國家這方面的研究要比這些發(fā)達國家晚一些，19世紀(jì)初。國多所高校開始了虛擬駕駛系統(tǒng)的研究，1996年國建立了虛擬駕駛系統(tǒng)的國家重點實驗室。國也有不少公司對這方面進行研究投資，如中視典數(shù)字科技就發(fā)取得不錯的成就。1.3課題研究的意義隨著現(xiàn)代社會的進步和科技的日新月異的發(fā)展，計算機等技術(shù)的不斷成熟，利用各種技術(shù)虛擬現(xiàn)實成為了現(xiàn)代科學(xué)發(fā)展的一個方向之一。虛擬駕駛技術(shù)有著巨大的市場需求，也得到很好的發(fā)展。虛擬駕駛不受時間地點等方面的影響，具有很高的快捷方便性；虛擬駕駛還具有好高的安全性，不會產(chǎn)生交通事故造成傷害；而且能夠節(jié)約資源對環(huán)境污染很小；

7、具有很大的市場，并且這項技術(shù)還有很大的發(fā)展空間和前景。1.4論文的主要容（1）本課題為虛擬駕駛系統(tǒng)的場景設(shè)計是利用個人計算機開發(fā)的虛擬駕駛系統(tǒng)的軟件，用于虛擬駕駛訓(xùn)練。采用了visual。stdiao2010作為編輯工具，應(yīng)用3D MAX作為三維建模工具VC+作為開發(fā)語言，DirectX作為圖形、音效等多媒體引擎。（2）課題根據(jù)虛擬駕駛的要求我們有幾點項目需要解決，找出需要解決的技術(shù)要求選擇合理的開發(fā)工具；三維虛擬場景的設(shè)計，視景系統(tǒng)的開發(fā)；場景中運動車輛和行人的設(shè)計，車輛操控系統(tǒng)，聲音的設(shè)計。2虛擬駕駛系統(tǒng)的架構(gòu)2.1 虛擬駕駛系統(tǒng)所用技術(shù)運行于個人PC機上的虛擬駕駛系統(tǒng)應(yīng)該在各個做到高度仿

8、真，在各個方面如，視覺，聽覺等做到逼真。而其在滿足訓(xùn)練要求的情況下，盡量要使系統(tǒng)逼真、降低成本，提高性價比。所以，我們需要解決下面的難題。（1）大量的數(shù)據(jù)的提取  虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用的對象決對時數(shù)據(jù)量十分巨大，所以，我們需要設(shè)計特殊的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法,使系統(tǒng)最大限度地節(jié)約時間，在大量數(shù)據(jù)中提取場景圍所有“可見”要素數(shù)據(jù)，以保證系統(tǒng)以一定的交互速率運行(每秒繪制圖像幀數(shù),簡稱為FPS)。（2）三維圖形生成技術(shù)  實時顯示的刷新頻率不能低于15幀/，而復(fù)雜場景的顯示存在很大的計算量，在不降低所需圖形的質(zhì)量和復(fù)雜度的情況下，提高頻率刷新是這個技術(shù)的關(guān)鍵之一，否則，系統(tǒng)將會產(chǎn)生畫面停

9、頓和不連貫的現(xiàn)象。（3）場景于人的融合虛擬現(xiàn)實的認(rèn)同感和交互特征依賴于人與場景的融合技術(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，由計算機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）主動駕駛汽車的控制和虛擬場景中車輛運動狀態(tài)的表現(xiàn) 虛擬駕駛系統(tǒng)中的主動駕駛車輛受相關(guān)人員輸入的控制，能進行簡單的轉(zhuǎn)向；前進、倒車等駕駛運動。車輛的運動規(guī)律應(yīng)符合實際車輛的運動規(guī)律。（6）后視鏡的實現(xiàn) 主動駕駛車輛在不斷行駛的過程中，能控制車輛的后視鏡是不是顯示，并可通過后視觀察車輛后方的情況

10、。（7）各種天氣情況的模擬，場景霧的實現(xiàn)等 對虛擬場景進行霧化，增加場景的沉浸感和真實感，并產(chǎn)生真實的感覺。2.2系統(tǒng)的各項功能（1）視景子系統(tǒng) 是利用電腦利用計算機實時圖像生成的車輛行駛過程中相關(guān)人員所看到的虛擬場景，如道路、交通標(biāo)識、建筑物、行人、車輛寵物等。這是本課題研究最主要的部分之一。（2）控制操控子系統(tǒng)。在虛擬駕駛過程中我們要通過計算機輸入設(shè)備來控制車輛的各種行速動作，如前進，后退，轉(zhuǎn)彎，加速等。這就是這個系統(tǒng)的主要功能。（3）音響子系統(tǒng)。本系統(tǒng)負(fù)責(zé)模擬車輛不斷行速過程中的發(fā)出的各種聲音，如發(fā)動剎車的摩擦聲，車輛的喇叭聲音等，有了聲音才使得系統(tǒng)更加的具有真實感能達到更好的模擬效果（

11、4）車輛運動學(xué)子系統(tǒng)使得電腦軟件可以更真實的模擬車輛的運動，相關(guān)人員輸入操作信息傳入到汽車動力學(xué)模塊中，由模塊根據(jù)輸入的相關(guān)信號計算出主動駕駛車輛的運動情況。2.3虛擬系統(tǒng)的流程圖本文采用微軟的Visual C+.NET和DirectX進行的系統(tǒng)開發(fā)。三維圖形的處理是本課題的核心部分，基本結(jié)構(gòu)包括圖形設(shè)備初始化、系統(tǒng)消息處理圖形的繪制和渲染、和設(shè)備資源釋放四個部分。在編寫程序的過程中，這四個部分由以下的幾個回調(diào)函數(shù)實現(xiàn)：n IsDeviceAcceptable用于判斷圖形設(shè)備的支持方式n ModifyDeviceSettings用于修改圖形設(shè)備的設(shè)置n OnCreateDevice圖形設(shè)備創(chuàng)建

12、與初始化n OnResetDevice圖形設(shè)備的復(fù)位n OnFrameMove當(dāng)前幀改變的操作n OnFrameRender渲染當(dāng)前幀的圖像n MsgProc系統(tǒng)消息處理n KeyboardProc鍵盤消息處理n OnGUIEvent用戶界面消息的處理n OnLostDevice 圖形設(shè)備丟失處理n OnDestroyDevice圖形設(shè)備釋放處理下面是幾個回調(diào)函數(shù)的調(diào)用順序：程序啟動：InitApp MsgProc IsDeviceAcceptable ModifyDeviceSettings OnCreateDevice OnResetDevice 渲染主循環(huán)渲染主循環(huán)：OnFrameMov

13、e OnFrameRender 改變設(shè)備：ModifyDeviceSettings OnLostDevice 根據(jù)需要調(diào)用OnDestroyDevice OnResetDevice渲染主循環(huán)繪制生成虛擬駕駛系統(tǒng)虛擬駕駛系統(tǒng)建模世界坐標(biāo)系下的虛擬駕駛系統(tǒng)模型視圖坐標(biāo)系下的虛擬駕駛系統(tǒng)模型虛擬駕駛系統(tǒng)可視區(qū)域的確定可視三維區(qū)域顯示到屏幕光照處理圖形紋理世界坐標(biāo)變換取景變換投影變換視區(qū)變換紋理映射、光柵化處理圖2.8虛擬駕駛系統(tǒng)視景顯示過程3視景子系統(tǒng)的設(shè)計3.1虛擬場景的建立過程虛擬駕駛場景的的建立是本課題的主要容，虛擬駕駛需要虛擬場景，虛擬場景的建立需要一個相關(guān)的計算機技術(shù)的幫助。Microso

14、ft DirectX 是這樣一組技術(shù)：它們旨在使基于 Windows 的計算機成為運行和顯示具有豐富多媒體元素（例如全色圖形、視頻、3D 動畫和豐富音頻）的應(yīng)用程序的理想平臺。虛擬駕駛需要不斷的對場景更新，生成連續(xù)不斷的汽車駕駛場景。虛擬的實景一般包括下面幾個部分。（1）. 行駛的道路，包括直道、彎道、坡道、橋梁等。 （2）. 交通標(biāo)線和標(biāo)志，即在道路上設(shè)置的各種交通標(biāo)線和標(biāo)志牌。 （3）. 交通場景基礎(chǔ)設(shè)施，包括：道路兩旁的隔離欄、景物（樹、草、建筑等） 、天空、遠景等。 （4）. 其他車輛和行人，這是按一定交通模型設(shè)置的在由于場景非常復(fù)雜，數(shù)據(jù)量很大，所以必須對場景有一個合理的規(guī)劃和設(shè)計，

15、以達到仿真程序運行的實時性的要求。場景設(shè)計遵循以下的原則：（1）視景系統(tǒng)中的模型根據(jù)系統(tǒng)的要求進行劃分，在效率和精細程度中尋找一個平衡，不因為太細增加系統(tǒng)的工作量，也不會為太粗降低沉浸感。（2）場景中合理應(yīng)用紋理來降低系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)，并增減虛擬場景的逼真度。（3）場景中的動態(tài)模型和靜態(tài)模型分別建立。操控動態(tài)模型時不影響靜態(tài)模型，并且靜態(tài)模型之間也不相互干涉。依據(jù)場景設(shè)計相關(guān)原則，需要逐步建立場景，下面建立場景的步驟1場景規(guī)劃。首先我們要規(guī)劃建立一個什么樣的虛擬場景，包括什么樣的道路，建筑物，場景中汽車和行人的各種情況。合理的場景規(guī)劃能使人更容易沉浸到虛擬場景中去。本系統(tǒng)的建立的場景主要是城市的場景

16、，設(shè)計了各種樓房、草地、十字路口的道路、湖泊等。2紋理素材的準(zhǔn)備。紋理的質(zhì)量是否優(yōu)秀對虛擬環(huán)境的真實程度有很大的影響。在建模前，我們應(yīng)考慮好需要的紋理素材，建筑物、道路等素材是否可以使用數(shù)碼相機采集相關(guān)的物體的表面紋理照片，數(shù)碼相機的圖片一般以JPG格式來存儲，DirectX支持這種紋理格式，對于不符合要求的紋理圖片，可以使用圖像處理工具進行加工，一般可以通過Photoshop的相關(guān)軟件來完成處理過程。場景量使用了紋理，形象的樓房，樓房差異，都是用紋理來描述的，路面，草地，路面標(biāo)識等等，都采用了紋理貼圖。3建立三維模型。三維物體是實現(xiàn)空間立體和真實感的重要部分，但是計算機硬件對圖像處理能力有限

17、，為了減少系統(tǒng)的存，環(huán)境中的物體采用簡化的結(jié)構(gòu)，添加紋理貼圖來增加真實的感覺。3.2三維場景的導(dǎo)入與渲染在3DS MAX 三維圖形處理軟件中將模型建立之后，可以通過DirectX的接口插件在3DS MAX中將模型直接導(dǎo)出成為.x文件。但由于插件會將模型以三角形列的形式導(dǎo)出，模型文件數(shù)據(jù)量很大，因此我們選擇3D Exploration這個圖形轉(zhuǎn)換軟件作為3D模型的導(dǎo)出工具。3D Exploration可以將模型以三角形帶或三角形扇的形式導(dǎo)出，數(shù)據(jù)量會減少很多，便于在程序中讀取和實時顯示，導(dǎo)出后圖3.2 場景的平面效果圖3.3場景透視效果圖的場景效果如圖3.4。程序利用函數(shù)LoadMeshData

18、來完成讀取場景模型文件的功能，并應(yīng)用了優(yōu)化函數(shù)OptimizeMeshData和變換函數(shù)UpdateLocalMeshes對模型進行優(yōu)化和變換，以達到實時現(xiàn)實。其中，場景三維文件的名稱為Scene.x，設(shè)程序的全局變量g_MeshScene，用來保存場景模型的數(shù)據(jù)。將三維模型導(dǎo)入到系統(tǒng)中的程序代碼如下：/ Load scene meshLPD3DXMESH pMeshSysMem = NULL;LPD3DXBUFFER pAdjacencyBuffer = NULL;hr = LoadMeshData( pd3dDevice, L"Scene.x", &pMeshS

19、ysMem, &pAdjacencyBuffer );if( SUCCEEDED(hr) )hr = OptimizeMeshData( pMeshSysMem, pAdjacencyBuffer, D3DXMESHOPT_ATTRSORT, &g_MeshScene );SAFE_RELEASE( pMeshSysMem );SAFE_RELEASE( pAdjacencyBuffer );UpdateLocalMeshes( pd3dDevice, &g_MeshScene );圖3.4轉(zhuǎn)換為x類型文件的場景三維場景在程序運行時生成汽車駕駛模擬的視景系統(tǒng)，圖3.5、

20、圖3.6和圖3.7列出了三種視景系統(tǒng)運行效果圖。在場景中設(shè)置虛擬攝像機代表人的眼睛，將攝像機觀察到的場景渲染到二維屏幕上，表示在行車過程中人眼所看到的場景。落在可視體的場景被渲染到二維屏幕上，進行場景渲染的繪制函數(shù)DrawMeshData在IDirect3DDevice9:BeginScene()和IDirect3DDevice9:EndScene()之間進行調(diào)用，為了提高系統(tǒng)的實時性，在繪制之前還進行了場景的優(yōu)化。場景繪制的過程中，利用效果函數(shù)設(shè)置渲染技術(shù)，設(shè)置變換矩陣，然后在繪制網(wǎng)格材質(zhì)的時候設(shè)置紋理、光照等，繪制場景的子集，最后將結(jié)果顯示在二維屏幕上。圖3.5 視景系統(tǒng)運行效果圖一3.3

21、場景中行人的運動設(shè)計虛擬駕駛場景的相關(guān)人員應(yīng)用骨骼動畫技術(shù)，播放骨骼動畫應(yīng)該需要設(shè)置四方面的數(shù)據(jù)：模型的數(shù)據(jù)、骨骼數(shù)據(jù)(Frame)、頂點關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)(權(quán)重，Weight)和關(guān)鍵幀的坐標(biāo)變換數(shù)據(jù)。系統(tǒng)指行人的頂點數(shù)據(jù)，存儲在頂點中緩沖器或索引緩沖器中；骨骼中的相關(guān)數(shù)據(jù)包含骨骼對應(yīng)模型和當(dāng)前骨骼相對于骨骼的坐標(biāo)變換的矩陣；頂點的關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)包含骨骼關(guān)聯(lián)的頂點與坐標(biāo)變換對該頂點的權(quán)重。相關(guān)人員有各種不動的動作，組成動畫集，而動畫集中的每一種動畫包含動畫對應(yīng)的骨骼的名稱和一組動畫幀組成，動畫幀則包含了一組時間戳以與在對應(yīng)時間上應(yīng)用到骨骼上的平移、縮放、旋轉(zhuǎn)或復(fù)合的坐標(biāo)變換矩陣37-38。虛擬駕駛場景中我們設(shè)

22、置行人的動畫與動畫之間平滑轉(zhuǎn)換的過程分為以下5個步驟 3940：1建立一個標(biāo)準(zhǔn)的三維行人模型，這個模型具有基本的動作，場景中的行人為雙手沿著肩的方向向前方伸展，雙腳打開，而所有的后面的動作都是有這個動作變換得到的。2建立骨骼結(jié)構(gòu)，將骨骼結(jié)構(gòu)中一系列的相互關(guān)聯(lián)的頂點，與行人的人體模型的相關(guān)部位進行匹配，每個關(guān)節(jié)都會有一定數(shù)量的頂點和它關(guān)聯(lián)。3相關(guān)人員的動作有行走，閑逛等動畫序列，在動畫序列中挑選關(guān)鍵幀，將骨骼的位置與關(guān)鍵幀匹配。4保存關(guān)鍵幀骨骼的位置和變換矩陣，變換矩陣是從基本動作的位置轉(zhuǎn)換到當(dāng)前關(guān)鍵幀的旋轉(zhuǎn)、平移和縮放矩陣的組合。5最后我們進行的是動畫融合，以時間為參數(shù)，找到當(dāng)前時間相關(guān)人員處

23、于哪兩個關(guān)鍵幀之間，并以時間為參數(shù)在坐標(biāo)變換矩陣之間求插值，用插值的結(jié)果來決定骨骼的當(dāng)前位置。根據(jù)骨骼的位置可以得到和骨骼關(guān)聯(lián)的頂點的坐標(biāo)。4虛擬車輛的設(shè)計4.1車輛模型我們的系統(tǒng)中的車輛類型有很多種，包括小轎車、面包車和公交車等道路上一些常見的車輛，通常都是我們先通過3DS MAX或者其他三維造型軟件建立好汽車模型和相關(guān)的動畫信息，再通過DirectX的接口插件將所準(zhǔn)備的模型導(dǎo)出成為.x文件，其中部分模型的框架和渲染效果如下圖4.1所示。圖4.1汽車的模型框架與渲染效果圖制作精細的汽車模型包含的過多的三角形將會增加系統(tǒng)的運算負(fù)擔(dān)，因此，我們對車輛的模型進行了簡化，將會減少本系統(tǒng)的運算量，提高

24、渲染的稱度。本系統(tǒng)應(yīng)用了多動畫組合的方式，將各種物體的動畫組合在一個模型文件中，在程序中同時導(dǎo)入，這樣可以實現(xiàn)多個動畫之間的快速切換。4.2車輛的運動學(xué)模型與車輛運動車輛的運動模型設(shè)計是虛擬駕駛系統(tǒng)的一個主要問題之一。為了更加真實的模擬汽車的運動，需要建立符合車輛運動規(guī)律的數(shù)學(xué)模型，即建立汽車的運動模型。運動的建模是虛擬環(huán)境最難處理的問題之一36，基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的虛擬駕駛系統(tǒng)，應(yīng)用了簡化的數(shù)學(xué)的模型來表示復(fù)雜的車輛運動。汽車的一般運動包括汽車加速，剎車，轉(zhuǎn)向倒車等，這需要對車輛進行速度和方向的控制，假設(shè)在時刻，汽車的速率為，在坐標(biāo)系中，汽車的行駛方向與軸的正向的夾角為，汽車的位移為，那么在時

25、刻，、的計算公式為4243： (1)根據(jù)公式(1)分別建立了相應(yīng)的線性函數(shù)，根據(jù)駕駛員的信號來控制虛擬三維車輛的速率、方向和位置的變化，表現(xiàn)不同的運動狀態(tài)。車輛類的面向?qū)ο蟮脑O(shè)計中，已經(jīng)設(shè)定了變量來表示車輛的運動屬性，用全局變量m_fAcc表示加速度的大小，加速度是一個變量，當(dāng)踩下油門加速時，加速度m_fAcc逐漸增大，每秒增加一個小的增量，設(shè)為0.01，則駕駛的過程中m_fAcc+=0.01，并把這個量加到速度上，使得車輛的速度不斷增大，車輛運動加快。減速時加速度不斷變小的過程，每秒減少一個量，并把這個量作用到數(shù)度上。倒車的原理和前進的原理是一樣的，不同的是速度的方向和車輛的朝向的關(guān)系，前進

26、時車輛的行駛方向和車輛的朝向一樣，而倒車時車輛的行駛方向和車輛的朝向相反，改變速度的方向就可以了即可以實現(xiàn)倒車。車輛速度的大小改變反映的是車輛直行時的運動狀態(tài)的改變，當(dāng)車輛發(fā)生轉(zhuǎn)向時，方向也發(fā)生變化，其中變化角度決定著車輛如何進行轉(zhuǎn)彎運動。以左轉(zhuǎn)彎為例，用變量m_fAccTurnLeft表示方向變化量，也是一個不斷變化的量，當(dāng)向左加速轉(zhuǎn)彎：m_fAccTurnLeft+=0.02f，向左減速轉(zhuǎn)彎，m_fAccTurnLeft-=0.05f。車輛的運動模型決定了車輛運動的規(guī)律，車輛運動的實現(xiàn)是有變換來實現(xiàn)的，在虛擬駕駛系統(tǒng)中，動畫設(shè)計和動畫顯示都是由變換來實現(xiàn)的，應(yīng)用Direct3D中的各種變換

27、矩陣，實現(xiàn)車輛在不同的坐標(biāo)系中變換，最終顯示到二維屏幕上，利用平移變換，實現(xiàn)車輛位置的改變，連續(xù)作用的變換矩陣生成車輛位置的連續(xù)變換，表現(xiàn)為車輛在場景中不斷的運動。車輛的運動狀態(tài)是指車體和輪胎相對地面運動的情況。如果僅僅是車輛位置在場景中發(fā)生變化來實現(xiàn)車輛運動，運動感不真實，比較生硬，在車輛位置改變時配合車輛的動作，即車輛的動畫，更能表現(xiàn)車輛駕駛的真實感，如車輛轉(zhuǎn)彎時方向盤的動畫，車輛行駛中車輪的旋轉(zhuǎn)等，車輛的動畫類型有很多，當(dāng)車輛由一種動畫向另一種動畫轉(zhuǎn)變時，突兀的變化使駕駛場景變得生硬，降低場景的真實程度，為了防止這種情況發(fā)生，車輛的設(shè)計中使用了動畫混合。5 結(jié) 論（1）經(jīng)過分析汽車輛駕駛

28、模擬系統(tǒng)的發(fā)展與存在的各種問題，提出了課題的研究背景和意義，目前國外虛擬駕駛系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀與常用方法，并進行了桌面虛擬現(xiàn)實技術(shù)的虛擬駕駛系統(tǒng)的設(shè)計。和汽車實車訓(xùn)練相比較，當(dāng)使用虛擬駕駛系統(tǒng)時可以解除初上車學(xué)員的緊感，并且可以節(jié)約經(jīng)濟，訓(xùn)練時間靈活，消除污染，硬件配置的低成本有利于系統(tǒng)的推廣。主要進行了以下幾個方面的工作：1視景子系統(tǒng)的設(shè)計和生成視景子系統(tǒng)是我們應(yīng)用計算機實用圖像生成子系統(tǒng)產(chǎn)生汽車行駛過程中相關(guān)人員所看到的虛擬場景，如道路、交通標(biāo)志、建筑、車輛、行人等。通過采用三維建模軟件工具3DS MAX，建立了虛擬駕駛的三維場景和運動物體，并將場景導(dǎo)入程序，并進行坐標(biāo)變換，通過設(shè)置虛擬攝像機

29、，生成了視景子系統(tǒng)。2音響子系統(tǒng)的設(shè)計音響子系統(tǒng)可以制造更加真實的模擬場景。通過提供各種聲音的素材，并配合車輛過程根據(jù)駕車情況進行調(diào)用，成功制造了行車過程中的各種聲音。3操控子系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)相關(guān)人員可以操作方向盤、腳剎踏板、離合器踏板、油門踏板、手剎車、檔位、點火開關(guān)等設(shè)備，成功的實現(xiàn)了方向盤控制車輛在虛擬環(huán)境中進行符合汽車運動規(guī)律的行駛。4雙目立體成像技術(shù)的應(yīng)用，立體成像程序的實現(xiàn)。為了形成駕駛汽車中的真三維立體場境，利用雙眼視覺原理，推算了體視變換算法，編寫了立體雙眼立體成像程序，分別生成了雙眼圖像，渲染出了立體的圖像。5主動駕駛車輛后視鏡的設(shè)計，實現(xiàn)了后視鏡渲染窗口，行車過程中，可根據(jù)

30、駕駛需要開啟和關(guān)閉左右后視鏡。6運動物體的設(shè)計在場景中的運動的相關(guān)物體分為沿預(yù)訂路線行駛的汽車和行人，以與模擬汽車的主動駕駛車輛，并利用操控裝置，實現(xiàn)了在虛擬場景中進行的虛擬駕駛訓(xùn)練。我們開發(fā)的虛擬駕駛系統(tǒng)進行車輛駕駛訓(xùn)練，其中典型的運行效果圖5.1（虛擬駕駛出發(fā)的地方），圖5.2（汽車駕駛過程中開啟了后視鏡），圖5.3（對虛擬場景進行了線性霧化），圖5.4（對虛擬場景進行了指數(shù)霧化），圖5.5（更換了主動駕駛車輛），圖5.6（在霧化場景中開啟后視鏡）。圖5.1汽車出發(fā)的場景位置圖5.2車輛的行駛過程中開啟了后視鏡圖5.3 對場景進行了線性霧化圖5.4 對場景進行了指數(shù)霧化圖5.5 更換了主動

31、駕駛車輛圖5.6霧化場景中開啟后視鏡展望本系統(tǒng)還需要制造更為專業(yè)的場景模型，在程序中我們需要制作更多的種類的智能物體，建立更加復(fù)雜和逼真的虛擬場景；模擬出更加逼真的場景。同時還需要建立智能體管理器，對這種智能物體有總體的管理，從而達到資源優(yōu)化的作用；通過實驗獲取實際的數(shù)據(jù)，改善模擬算法在使用數(shù)學(xué)建模等手段，讓駕駛過程的模擬更接近真實環(huán)境。雖然我們開發(fā)的這個系統(tǒng)是實現(xiàn)了虛擬駕駛的一些基本功能，和一個成熟的系統(tǒng)相比還有很大的差距，但我們必須相信，通過不斷的努力和工作積累經(jīng)驗，我們的系統(tǒng)一定會更加成熟更加完善，并最終走上社會，得到真正的應(yīng)用。參 考 文 獻1 念東，基于OpenGL的桌面虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)

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