畢業(yè)設(shè)計(jì)-虛擬駕駛系統(tǒng)的場(chǎng)景設(shè)計(jì)模塊

1、畢業(yè)設(shè)計(jì)主題虛擬駕駛系統(tǒng)-場(chǎng)景設(shè)計(jì)模塊1前言1.1虛擬駕駛系統(tǒng)的背景近年來，我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，汽車的普及造就了大量的駕駛員。汽車作為一種重要的工具已經(jīng)進(jìn)入大眾社會(huì)，汽車駕駛培訓(xùn)的工作量大大提高。相關(guān)部門需要購買更多的車輛提供駕駛培訓(xùn)，并增加教師的配置以滿足不斷擴(kuò)大的市場(chǎng)需求，這與資金的投入相沖突；存在污染、高成本、高風(fēng)險(xiǎn)、空間不足等諸多限制。使用真正的車輛進(jìn)行駕駛訓(xùn)練。市場(chǎng)需求與供給之間的矛盾促使人們尋求新的駕駛培訓(xùn)方法。隨著計(jì)算機(jī)性能的提高和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展，在計(jì)算機(jī)上模擬汽車駕駛環(huán)境，進(jìn)行駕駛訓(xùn)練成為可能。計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)和實(shí)時(shí)圖形圖像處理技術(shù)的快速發(fā)展為汽車仿真的研究提供了強(qiáng)有力的工具和

2、幫助。虛擬技術(shù)可以開發(fā)不同的虛擬環(huán)境，設(shè)計(jì)各種車輛模型，為汽車駕駛培訓(xùn)開辟了新的方向。利用虛擬車輛駕駛系統(tǒng)進(jìn)行訓(xùn)練，不受時(shí)間、氣候、地點(diǎn)的限制，在達(dá)到訓(xùn)練質(zhì)量的前提下，具有經(jīng)濟(jì)、環(huán)保的優(yōu)勢(shì)。因此，利用計(jì)算機(jī)開發(fā)虛擬車輛駕駛系統(tǒng)是一種非常有效的手段。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展和提出為汽車虛擬駕駛系統(tǒng)的開發(fā)和研究提供了新的方法。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，也稱為靈界技術(shù)，是一種先進(jìn)的計(jì)算機(jī)接口技術(shù)，為用戶提供視覺和觸覺。聽覺，交互手段，讓用戶產(chǎn)生強(qiáng)烈的認(rèn)同感，具有交互實(shí)時(shí)功能的操作，可以減輕用戶的壓力，提高系統(tǒng)的效率1-3。自19世紀(jì)國外科學(xué)家首次提出虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)4以來，發(fā)展迅速，廣泛應(yīng)用于軍事、自動(dòng)控制、航空航天、娛

3、樂、醫(yī)療和教育等領(lǐng)域。將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于車輛訓(xùn)練，即利用計(jì)算機(jī)構(gòu)建車輛駕駛訓(xùn)練的虛擬環(huán)境和訓(xùn)練用車輛，生成一個(gè)“人-車-環(huán)境”的連續(xù)系統(tǒng)。在這個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)中駕駛汽車時(shí)，駕駛員可以根據(jù)虛擬場(chǎng)景、場(chǎng)景的音效和車輛的模擬運(yùn)動(dòng)進(jìn)入這個(gè)環(huán)境，并根據(jù)虛擬環(huán)境中產(chǎn)生的觸覺、聽覺和視覺改變相應(yīng)的駕駛動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)虛擬駕駛。這種能正確模擬汽車駕駛動(dòng)作，獲得實(shí)車駕駛感受的仿真系統(tǒng)，就是汽車虛擬駕駛系統(tǒng)。是汽車的訓(xùn)練設(shè)備，既能提高駕駛員水平，訓(xùn)練汽車，又能減少各種費(fèi)用。使用這種設(shè)備進(jìn)行汽車駕駛訓(xùn)練，可以減少實(shí)車訓(xùn)練造成的交通事故，節(jié)能經(jīng)濟(jì)，不受時(shí)間、氣候、場(chǎng)地的限制?，F(xiàn)在駕校成本在增加，利潤卻逐年減少，培訓(xùn)效率低，

4、滿意度不好。必須通過提高效率、爭(zhēng)取生源、擴(kuò)大經(jīng)營、降低成本來改變現(xiàn)狀。模擬駕駛訓(xùn)練加真實(shí)駕駛訓(xùn)練是現(xiàn)代汽車駕駛員的有效訓(xùn)練模式。在各種限制條件下，先用不易損壞、無危險(xiǎn)的虛擬駕駛系統(tǒng)模擬訓(xùn)練容量，待學(xué)員熟練操作訓(xùn)練容量后再進(jìn)行實(shí)車訓(xùn)練，避免了實(shí)車的巨大損失，提高了訓(xùn)練效率，降低了駕駛訓(xùn)練的危險(xiǎn)性。新的汽車駕駛培訓(xùn)計(jì)劃中加入了汽車駕駛模擬培訓(xùn)，證明了虛擬汽車駕駛系統(tǒng)在生活中的重要性。1.2國外研究現(xiàn)狀早在20世紀(jì)70年代，美國等一些發(fā)達(dá)國家就開始了汽車虛擬駕駛系統(tǒng)的研究。20世紀(jì)80年代后，德國、瑞士和日本的主要汽車制造商都建立了自己的虛擬駕駛實(shí)驗(yàn)室和開發(fā)系統(tǒng)。1985年，德國奔馳公司建立了6自由

5、度虛擬駕駛系統(tǒng)，1989年，德國大眾公司更新了原有虛擬駕駛系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和場(chǎng)景制作系統(tǒng)。20世紀(jì)80年代，一家瑞典公司也投資建立了一個(gè)汽車和交通系統(tǒng)的虛擬駕駛系統(tǒng)。1989年，美國通用汽車公司開始認(rèn)真開發(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)系統(tǒng)的研究。1993年，美國AIWA車輛中心斥資1300萬美元開始開發(fā)汽車虛擬駕駛系統(tǒng)，1996年又追加投資3000萬美元，由TRW公司負(fù)責(zé)改進(jìn)。我國在這方面的研究比這些發(fā)達(dá)國家要晚，在19世紀(jì)初。國內(nèi)許多高校開始了虛擬駕駛系統(tǒng)的研究。1996年，虛擬駕駛系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室成立。國內(nèi)也有很多公司在這方面做了研究和投入，比如中國電視數(shù)字技術(shù)

6、，取得了不錯(cuò)的成績(jī)。1.3研究的意義隨著現(xiàn)代社會(huì)的進(jìn)步，科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，計(jì)算機(jī)等技術(shù)的不斷成熟，利用各種技術(shù)的虛擬現(xiàn)實(shí)已經(jīng)成為現(xiàn)代科學(xué)發(fā)展的方向之一。虛擬駕駛技術(shù)有著巨大的市場(chǎng)需求，并得到了很好的發(fā)展。虛擬駕駛不受時(shí)間地點(diǎn)影響，速度快，方便；虛擬駕駛還具有很高的安全性，不會(huì)造成交通事故和傷害；而且節(jié)約資源，環(huán)境污染?。凰泻艽蟮氖袌?chǎng)，這項(xiàng)技術(shù)還有很大的發(fā)展空間和前景。1.4論文的主要內(nèi)容(1)本課題是虛擬駕駛系統(tǒng)的場(chǎng)景設(shè)計(jì)，虛擬駕駛系統(tǒng)是由個(gè)人計(jì)算機(jī)開發(fā)的用于虛擬駕駛訓(xùn)練的虛擬駕駛系統(tǒng)軟件。采用可視化。Stdiao2010作為編輯工具，3D MAX作為3D建模工具，VC+作為開發(fā)語言，Di

7、rectX作為圖形、音效等多媒體引擎。(2)根據(jù)虛擬駕駛的需求，我們有幾個(gè)項(xiàng)目需要解決，找出需要解決的技術(shù)需求，選擇合理的開發(fā)工具；虛擬場(chǎng)景設(shè)計(jì)和可視化系統(tǒng)開發(fā)；場(chǎng)景中運(yùn)動(dòng)車輛和行人、車輛控制系統(tǒng)和聲音的設(shè)計(jì)。2虛擬駕駛系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)2.1虛擬駕駛系統(tǒng)中使用的技術(shù)運(yùn)行在個(gè)人PC上的虛擬駕駛系統(tǒng)，各方面都要高度仿真，各方面都要逼真，比如視覺、聽覺。在滿足培訓(xùn)需求的同時(shí)，盡量做到系統(tǒng)逼真，降低成本，提高性價(jià)比。因此，我們需要解決以下問題。(1)大量數(shù)據(jù)的提取。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用有著海量的數(shù)據(jù)。因此，我們需要設(shè)計(jì)一種特殊的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法，使系統(tǒng)最大限度地節(jié)省時(shí)間，從大量的數(shù)據(jù)中提取場(chǎng)景的所有“可見”

8、元素，從而保證系統(tǒng)以一定的交互速率(每秒幀數(shù)，簡(jiǎn)稱FPS)運(yùn)行。(2)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/秒，但復(fù)雜場(chǎng)景的顯示計(jì)算量大。在不降低所需圖形質(zhì)量和復(fù)雜度的情況下，提高刷新頻率是該技術(shù)的關(guān)鍵之一，否則系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)畫面停頓和不連續(xù)的現(xiàn)象。(3)場(chǎng)景-人融合虛擬現(xiàn)實(shí)的身份和交互特性依賴于人與場(chǎng)景的融合技術(shù)，主要體現(xiàn)在立體顯示和傳感器技術(shù)上。(4)立體圖像的產(chǎn)生和顯示根據(jù)雙目立體視覺原理，計(jì)算機(jī)屏幕顯示的視覺系統(tǒng)要分別渲染左右眼圖像，配合立體眼鏡使左眼觀察左眼圖像，右眼觀察右眼圖像，交替顯示。(5)虛擬場(chǎng)景中主動(dòng)駕駛車輛的控制和車輛運(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

9、相關(guān)人員的輸入控制，可以進(jìn)行簡(jiǎn)單的轉(zhuǎn)向；向前和向后等驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)。車輛的運(yùn)動(dòng)規(guī)律要符合車輛的實(shí)際運(yùn)動(dòng)規(guī)律。(6)后視鏡的實(shí)現(xiàn)。主動(dòng)駕駛車輛時(shí)，可以控制車輛后視鏡顯示與否，可以通過后視觀察車輛后方情況。(7)各種天氣條件的模擬，場(chǎng)景霧的實(shí)現(xiàn)等。將虛擬場(chǎng)景原子化，增加場(chǎng)景的沉浸感和真實(shí)感，產(chǎn)生真實(shí)的感覺。2.2系統(tǒng)的各種功能(1)視覺子系統(tǒng)是車輛行駛過程中相關(guān)人員看到的道路、交通標(biāo)志、建筑物、行人、車輛、寵物等虛擬場(chǎng)景，由計(jì)算機(jī)利用計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)圖像生成。這是這項(xiàng)研究最重要的部分之一。(2)控制和操縱子系統(tǒng)。在虛擬駕駛過程中，我們需要通過計(jì)算機(jī)輸入設(shè)備控制車輛的各種速度運(yùn)動(dòng)，如前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)彎、加速等。這

10、是本系統(tǒng)的主要功能。(3)音頻子系統(tǒng)。這個(gè)系統(tǒng)負(fù)責(zé)模擬車輛在勻速行駛過程中發(fā)出的各種聲音，比如啟動(dòng)剎車的摩擦聲，車輛的喇叭聲等。有了聲音，系統(tǒng)才能更真實(shí)，達(dá)到更好的仿真效果。(4)車輛運(yùn)動(dòng)學(xué)子系統(tǒng)使計(jì)算機(jī)軟件更真實(shí)地模擬車輛的運(yùn)動(dòng)，相關(guān)人員輸入的操作信息傳輸?shù)杰囕v動(dòng)力學(xué)模塊，該模塊根據(jù)輸入的相關(guān)信號(hào)計(jì)算出主動(dòng)駕駛車輛的運(yùn)動(dòng)。2.3虛擬系統(tǒng)流程圖本文采用Microsoft Visual C+。NET和DirectX開發(fā)系統(tǒng)。三維圖形處理是本課題的核心部分，其基本結(jié)構(gòu)包括圖形設(shè)備的初始化、系統(tǒng)消息處理圖形的繪制和渲染、設(shè)備資源的釋放四個(gè)部分。在編程過程中，這四個(gè)部分是通過以下回調(diào)函數(shù)實(shí)現(xiàn)的:IsD

11、eviceAcceptable用于判斷圖形設(shè)備的支持模式。修改設(shè)備設(shè)置用于修改圖形設(shè)備的設(shè)置。OnCreateDevice圖形創(chuàng)建和初始化OnResetDevice圖形重置OnFrameMove當(dāng)前幀改變的操作OnFrameRender渲染當(dāng)前幀的圖像。MsgProc系統(tǒng)消息處理鍵盤程序鍵盤信息處理OnGUIEvent用戶界面消息的處理OnLostDevice設(shè)備損失處理災(zāi)難設(shè)備圖形發(fā)布處理下面是幾個(gè)回調(diào)函數(shù)的調(diào)用順序:啟動(dòng)程序:init appmsgprocis device acceptablemodifydevicesettingson create deviceon reset dev

12、ice渲染主循環(huán)主渲染周期:OnFrameMove OnFrameRender設(shè)備變更:修改設(shè)備設(shè)置 onlostdevice 調(diào)用OnDestroyDevice OnResetDevice根據(jù)需要渲染主循環(huán)。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)域的確定可視區(qū)域顯示在屏幕上。光照處理圖解結(jié)構(gòu)世界坐標(biāo)變換視圖轉(zhuǎn)換投影變換視覺區(qū)域轉(zhuǎn)換紋理映射和光柵處理圖2.8虛擬駕駛系統(tǒng)的可視化顯示過程3視覺子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)3.1虛擬場(chǎng)景的建立過程虛擬駕駛場(chǎng)景的建立是本課題的主要內(nèi)容。虛擬駕駛需要虛擬場(chǎng)景，而虛擬場(chǎng)景的建立需要相關(guān)的計(jì)算機(jī)技術(shù)的

13、幫助。Microsoft DirectX是一組技術(shù)，旨在使基于Windows的計(jì)算機(jī)成為運(yùn)行和顯示具有豐富多媒體元素(如全色圖形、視頻、3D動(dòng)畫和豐富音頻)的應(yīng)用程序的理想平臺(tái)。虛擬駕駛需要不斷更新場(chǎng)景，生成連續(xù)的駕駛場(chǎng)景。虛擬現(xiàn)實(shí)一般包括以下幾個(gè)部分。(1).行駛道路，包括直道、彎道、坡道、橋梁等。(2)交通標(biāo)線、標(biāo)志，即設(shè)置在道路上的各種交通標(biāo)線、標(biāo)志。(3)交通場(chǎng)景基礎(chǔ)設(shè)施，包括:道路兩側(cè)的障礙物、景物(樹木、草地、建筑物等。)、天空、遠(yuǎn)景等。(4).其他車輛和行人，按照一定的交通模式設(shè)置在由于場(chǎng)景非常復(fù)雜，數(shù)據(jù)量巨大，因此需要對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行合理的規(guī)劃和設(shè)計(jì)，以滿足仿真程序的實(shí)時(shí)性要求。場(chǎng)景

14、設(shè)計(jì)遵循以下原則:(1)視景系統(tǒng)中的模型根據(jù)系統(tǒng)的需求進(jìn)行劃分，在效率和精細(xì)度之間找到一個(gè)平衡點(diǎn)。不會(huì)因?yàn)樘《黾酉到y(tǒng)的工作量，也不會(huì)因?yàn)樘穸档统两小?2)在場(chǎng)景中合理應(yīng)用紋理，減輕系統(tǒng)負(fù)擔(dān)，增加或減少虛擬場(chǎng)景的逼真度。(3)分別建立了場(chǎng)景中的動(dòng)態(tài)模型和靜態(tài)模型。操縱動(dòng)態(tài)模型不會(huì)影響靜態(tài)模型，靜態(tài)模型也不會(huì)相互干擾。根據(jù)場(chǎng)景設(shè)計(jì)的相關(guān)原則，需要一步一步的搭建場(chǎng)景。以下是構(gòu)建場(chǎng)景的步驟。1.場(chǎng)景規(guī)劃。首先，我們要規(guī)劃建立什么樣的虛擬場(chǎng)景，包括什么樣的道路、建筑，以及場(chǎng)景中汽車、行人的各種情況。合理的場(chǎng)景規(guī)劃可以讓人們更容易沉浸在虛擬場(chǎng)景中。這個(gè)系統(tǒng)的場(chǎng)景主要是城市場(chǎng)景，各種建筑，草地，路

15、口的道路，湖泊等。是被設(shè)計(jì)出來的。2.紋理材料的準(zhǔn)備。紋理的質(zhì)量對(duì)虛擬環(huán)境的真實(shí)感有很大的影響。建模前要考慮需要的紋理材質(zhì)，建筑物、道路等材質(zhì)是否可以用數(shù)碼相機(jī)采集相關(guān)物體的表面紋理照片。數(shù)碼相機(jī)的圖片一般以DirectX支持的JPG格式存儲(chǔ)。對(duì)于不符合要求的紋理圖片，我們可以使用圖像處理工具進(jìn)行處理，處理過程一般可以通過Photoshop的相關(guān)軟件來完成。場(chǎng)景使用紋理，建筑物的圖像，建筑物之間的差異都是用紋理來描述的，路面，草地，路面標(biāo)志等。都采用紋理映射。3.建立三維模型。三維物體是實(shí)現(xiàn)空間立體感和真實(shí)感的重要組成部分，但計(jì)算機(jī)硬件的圖像處理能力有限。為了減少系統(tǒng)的內(nèi)存，環(huán)境中的物體采用了

16、簡(jiǎn)化的結(jié)構(gòu)，并加入了紋理貼圖，增加了真實(shí)感。3.2 3D場(chǎng)景的導(dǎo)入和渲染在3DS MAX 3D圖形處理軟件中建立模型后，可以直接將模型導(dǎo)出到。通過DirectX的接口插件在3DS MAX中運(yùn)行x文件。但是插件會(huì)以三角柱的形式導(dǎo)出模型，模型文件的數(shù)據(jù)量巨大，所以我們選擇了圖形轉(zhuǎn)換軟件3D Exploration作為3D模型的導(dǎo)出工具。3D探索可以將模型作為一個(gè)三角形或三個(gè)三角形。以角扇的形式導(dǎo)出，數(shù)據(jù)量會(huì)減少很多，便于讀取和在程序中實(shí)時(shí)顯示。出口后圖3.2場(chǎng)景的平面效果圖3.3場(chǎng)景透視效果圖場(chǎng)景效果如圖3.4所示。使用程序函數(shù)LoadMeshData讀取場(chǎng)景模型文件，使用優(yōu)化函數(shù)Optimize

17、MeshData和變換函數(shù)UpdateLocalMeshes對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化和變換，達(dá)到實(shí)時(shí)真實(shí)感。場(chǎng)景3d文件的名字是Scene.x，程序的全局變量g_MeshScene用來保存場(chǎng)景模型的數(shù)據(jù)。將3D模型導(dǎo)入系統(tǒng)的程序代碼如下:/加載場(chǎng)景網(wǎng)格lpd 3 dx mesh pMeshSysMem = NULL；lpd 3 dx buffer padjacency buffer = NULL；hr = LoadMeshData( pd3dDevice，LScene.x ，&pMeshSysMem，& pAdjacencyBuffer)；如果(成功(小時(shí)) )HR = OptimizeMeshData

18、(pMeshSysMem，pAdjacencyBuffer，D3DXMESHOPT_ATTRSORT，& g _ mesh scene)；SAFE _ RELEASE(pMeshSysMem)；SAFE _ RELEASE(pAdjacencyBuffer)；UpdateLocalMeshes( pd3dDevice，& g _ mesh scene)；圖3.4轉(zhuǎn)換為X型文件的場(chǎng)景該三維場(chǎng)景在程序運(yùn)行時(shí)生成一個(gè)汽車駕駛模擬的可視化系統(tǒng)。圖3.5、圖3.6、圖3.7列出了三種視覺系統(tǒng)的運(yùn)行效果圖。在場(chǎng)景中設(shè)置虛擬攝像頭來代表人的眼睛，攝像頭觀察到的場(chǎng)景被渲染在二維屏幕上，來代表人眼在駕駛過程中看

19、到的場(chǎng)景。在2D屏幕上渲染落在可見體上的場(chǎng)景，在IDirect3DDevice9:BeginScene()和IDirect3DDevice9:EndScene()之間調(diào)用渲染函數(shù)DrawMeshData。為了提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，在渲染之前對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行了優(yōu)化。在場(chǎng)景繪制過程中，利用效果函數(shù)設(shè)置渲染技術(shù)和變換矩陣，然后在繪制網(wǎng)格材質(zhì)時(shí)設(shè)置紋理、光照等，繪制場(chǎng)景的子集，最后將結(jié)果顯示在2D屏幕上。圖3.5視覺系統(tǒng)的操作效果圖13.3場(chǎng)景中的行人運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)參與虛擬駕駛場(chǎng)景的人員在應(yīng)用骨骼動(dòng)畫技術(shù)時(shí)要設(shè)置四個(gè)方面的數(shù)據(jù):模型數(shù)據(jù)、骨骼數(shù)據(jù)(幀)、頂點(diǎn)關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)(權(quán)重)和關(guān)鍵幀的坐標(biāo)變換數(shù)據(jù)。指系統(tǒng)行人的頂點(diǎn)數(shù)據(jù)

20、，存儲(chǔ)在頂點(diǎn)緩沖區(qū)或索引緩沖區(qū)中；骨架中的相關(guān)數(shù)據(jù)包括骨架的對(duì)應(yīng)模型和當(dāng)前骨架相對(duì)于骨架的坐標(biāo)變換矩陣；的頂點(diǎn)關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)包含與骨骼關(guān)聯(lián)的頂點(diǎn)和頂點(diǎn)上坐標(biāo)變換的權(quán)重。涉及的人有各種不動(dòng)的動(dòng)作，這些動(dòng)作組成一個(gè)動(dòng)畫集，動(dòng)畫集中的每個(gè)動(dòng)畫都包含該動(dòng)畫對(duì)應(yīng)的骨骼的名稱和一組動(dòng)畫幀，動(dòng)畫幀包含一組時(shí)間戳來匹配在相應(yīng)時(shí)間應(yīng)用于骨骼的平移、縮放、旋轉(zhuǎn)或復(fù)合的坐標(biāo)變換矩陣37-38。在虛擬駕駛場(chǎng)景中，設(shè)置行人動(dòng)畫和動(dòng)畫之間平滑過渡的過程分為以下五個(gè)步驟3940:1.建立標(biāo)準(zhǔn)的三維行人模型。這個(gè)模型有基本的動(dòng)作。場(chǎng)景中行人雙手向肩膀方向向前伸展，雙腳張開，而所有的背部動(dòng)作都是通過這個(gè)動(dòng)作變換獲得的。2.建立骨架結(jié)

21、構(gòu)，將骨架結(jié)構(gòu)中一系列相互關(guān)聯(lián)的頂點(diǎn)與行人人體模型的相關(guān)部位進(jìn)行匹配。每個(gè)關(guān)節(jié)都有一定數(shù)量的頂點(diǎn)與之相關(guān)聯(lián)。3.相關(guān)人員的動(dòng)作包括行走、徘徊等動(dòng)畫序列，在動(dòng)畫序列中選取關(guān)鍵幀，將骨骼的位置與關(guān)鍵幀進(jìn)行匹配。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(dòng)作的位置變換到當(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?nèi)诤蟿?dòng)畫，以時(shí)間為參數(shù)，找出相關(guān)人物當(dāng)前所處的哪兩個(gè)關(guān)鍵幀，并以時(shí)間為參數(shù)在坐標(biāo)變換矩陣之間進(jìn)行插值，利用插值結(jié)果確定骨骼的當(dāng)前位置。根據(jù)骨骼的位置，可以獲得與骨骼相關(guān)聯(lián)的頂點(diǎn)的坐標(biāo)。4虛擬車輛的設(shè)計(jì)4.1車輛型號(hào)在我們的系統(tǒng)中有許多類型的車輛，包括轎車，面包車，公交車和

22、其他道路上常見的車輛。通常我們先通過3DS MAX或者其他3D建模軟件建立汽車模型和相關(guān)動(dòng)畫信息，然后將準(zhǔn)備好的模型導(dǎo)出到。x文件通過DirectX接口插件。一些模型的框架和渲染效果如下圖4.1所示。圖4.1汽車模型框架和渲染效果制作一個(gè)精細(xì)的汽車模型包含太多的三角形，會(huì)增加系統(tǒng)的計(jì)算負(fù)擔(dān)。因此，我們簡(jiǎn)化汽車模型，這將減少系統(tǒng)的計(jì)算負(fù)荷，提高渲染規(guī)模。該系統(tǒng)采用多動(dòng)畫合成的方式，將各種對(duì)象的動(dòng)畫合成在一個(gè)模型文件中，同時(shí)導(dǎo)入到程序中，實(shí)現(xiàn)了多個(gè)動(dòng)畫之間的快速切換。4.2車輛和車輛運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型車輛運(yùn)動(dòng)模型的設(shè)計(jì)是虛擬駕駛系統(tǒng)的主要問題之一。為了更真實(shí)地模擬汽車的運(yùn)動(dòng)，需要建立符合汽車運(yùn)動(dòng)規(guī)律

23、的數(shù)學(xué)模型，即建立汽車的運(yùn)動(dòng)模型。運(yùn)動(dòng)建模是虛擬環(huán)境中最難處理的問題之一36?；谔摂M現(xiàn)實(shí)技術(shù)的虛擬駕駛系統(tǒng)采用簡(jiǎn)化的數(shù)學(xué)模型來表示復(fù)雜的車輛運(yùn)動(dòng)。汽車的一般運(yùn)動(dòng)包括加速、剎車、轉(zhuǎn)向倒車等。，這就需要控制車的速度和方向。假設(shè)在時(shí)刻，汽車的速度為，在坐標(biāo)系中，汽車的行駛方向與軸的夾角為正，汽車的位移為。那么在矩，的計(jì)算公式是4243:(1)根據(jù)公式(1)，建立相應(yīng)的線性函數(shù)。根據(jù)駕駛員的信號(hào)，控制虛擬三維車輛的速度、方向和位置，使其呈現(xiàn)不同的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。在面向?qū)ο蟮能囕v設(shè)計(jì)中，已經(jīng)設(shè)置了變量來表示車輛的運(yùn)動(dòng)屬性，全局變量m_fAcc用于表示加速度的大小。加速度是一個(gè)變量。踩油門時(shí)，加速度m_fAc

24、c逐漸增大，每秒增加一個(gè)小增量，設(shè)置為0.01。那么，行駛過程中m_fAcc+=0.01，這個(gè)量加到速度上就成了車輛的速度。減速時(shí)，加速度越來越小，每秒減少一個(gè)量，將這個(gè)量應(yīng)用到幾度。倒車的原理和前進(jìn)是一樣的，不同的是速度方向和車輛朝向的關(guān)系。前進(jìn)時(shí)，車輛行駛方向與車輛朝向相同，倒車時(shí)，車輛行駛方向與車輛朝向相反。只要改變速度的方向就可以實(shí)現(xiàn)倒車。車速的變化反映了車輛直線行駛時(shí)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的變化。當(dāng)車輛轉(zhuǎn)向時(shí)，方向也會(huì)改變，改變角決定了車輛如何轉(zhuǎn)向。以左轉(zhuǎn)為例，用變量m _ facturnleft來表示方向變化的，也是一個(gè)常數(shù)的變化。加速左轉(zhuǎn)時(shí):m _ m_fAccTurnLeft+=0.02f，

25、減速左轉(zhuǎn)時(shí)，m _ m_fAccTurnLeft-=0.05f車輛的運(yùn)動(dòng)模型決定了車輛的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，車輛運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)是通過變換來實(shí)現(xiàn)的。在虛擬駕駛系統(tǒng)中，動(dòng)畫設(shè)計(jì)和動(dòng)畫顯示都是通過變換來實(shí)現(xiàn)的。通過在Direct3D中應(yīng)用各種變換矩陣，可以將車輛在不同的坐標(biāo)系中進(jìn)行變換，最終顯示在二維屏幕上。通過平移變換可以改變車輛位置，連續(xù)變換矩陣可以生成車輛位置的連續(xù)變換，表示車輛在場(chǎng)景中的連續(xù)運(yùn)動(dòng)。車輛的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是指車身和輪胎相對(duì)于地面的運(yùn)動(dòng)。如果只是在場(chǎng)景中改變車輛位置來實(shí)現(xiàn)車輛運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)感不真實(shí)，比較生硬。當(dāng)車輛位置發(fā)生變化時(shí)，可以更好的表現(xiàn)出車輛行駛的真實(shí)感，比如車輛轉(zhuǎn)彎時(shí)方向盤的動(dòng)畫，車輛行駛時(shí)車輪

26、的轉(zhuǎn)動(dòng)等。車輛動(dòng)畫有很多種。當(dāng)車輛從一個(gè)動(dòng)畫切換到另一個(gè)動(dòng)畫時(shí)，突變會(huì)使駕駛場(chǎng)景變得僵硬，降低場(chǎng)景的真實(shí)性。為了防止這種情況5結(jié)論(1)分析了汽車駕駛仿真系統(tǒng)的發(fā)展和存在的問題，提出了課題的研究背景和意義，國外虛擬駕駛系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀和常用方法，設(shè)計(jì)了基于桌面虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的虛擬駕駛系統(tǒng)。與實(shí)車訓(xùn)練相比，虛擬駕駛系統(tǒng)可以緩解學(xué)員剛上車時(shí)的緊張感，節(jié)約經(jīng)濟(jì)，訓(xùn)練時(shí)間靈活，消除污染。硬件配置成本低，有利于系統(tǒng)的推廣。主要工作如下:1.視覺子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與生成視覺子系統(tǒng)是汽車行駛時(shí)，我們利用計(jì)算機(jī)實(shí)用圖像生成子系統(tǒng)生成的虛擬場(chǎng)景，如道路、交通標(biāo)志、建筑物、車輛、行人等。利用三維建模軟件工具3DS MAX，

27、建立虛擬駕駛的三維場(chǎng)景和運(yùn)動(dòng)物體，并將場(chǎng)景導(dǎo)入程序，進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。通過設(shè)置虛擬攝像機(jī)，生成視覺子系統(tǒng)。2.聲音子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。聲音子系統(tǒng)可以制作更真實(shí)的模擬場(chǎng)景。通過提供各種聲音素材，配合車輛進(jìn)程根據(jù)行駛情況進(jìn)行調(diào)用，成功制作出了行駛過程中的各種聲音。3.控制子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。相關(guān)人員可以操作方向盤、腳制動(dòng)踏板、離合器踏板、油門踏板、手制動(dòng)、檔位和點(diǎn)火開關(guān)等。，并成功實(shí)現(xiàn)了方向盤控制車輛在虛擬環(huán)境中按照汽車運(yùn)動(dòng)規(guī)律行駛。4.雙目立體成像技術(shù)的應(yīng)用及立體成像程序的實(shí)現(xiàn)。為了在汽車駕駛中形成真實(shí)的三維場(chǎng)景，利用雙目視覺原理，計(jì)算立體視覺變換算法，編寫立體雙目立體成像程序，分別生成雙目圖像，渲染立體

28、圖像。5.主動(dòng)駕駛車輛后視鏡的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了后視鏡的渲染窗口。行駛過程中，可根據(jù)駕駛需要開啟和關(guān)閉左右后視鏡。6.移動(dòng)物體的設(shè)計(jì)。將場(chǎng)景中的運(yùn)動(dòng)物體分為沿預(yù)定路線行駛的汽車和行人，從而模擬汽車的主動(dòng)駕駛。利用該控制裝置，實(shí)現(xiàn)了虛擬場(chǎng)景中的虛擬駕駛訓(xùn)練。我們開發(fā)的虛擬駕駛系統(tǒng)用于車輛駕駛訓(xùn)練，其中典型的行駛效果如圖5.1(虛擬駕駛開始時(shí))、圖5.2(駕駛過程中后視鏡開啟時(shí))、圖5.3(虛擬場(chǎng)景線性霧化時(shí))、圖5.4(虛擬場(chǎng)景指數(shù)霧化時(shí))、圖5.5(主動(dòng)駕駛車輛被替換時(shí))、圖5.6(霧化場(chǎng)景后視鏡開啟時(shí))。圖5.1汽車駛離現(xiàn)場(chǎng)的位置圖5.2車輛行駛時(shí)后視鏡打開。圖5.3場(chǎng)景線性原子化。圖5.4場(chǎng)景的指

29、數(shù)霧化。圖5.5主動(dòng)駕駛車輛的更換圖5.6霧化場(chǎng)景中打開后視鏡前景這個(gè)系統(tǒng)還需要制作更專業(yè)的場(chǎng)景模型。在程序中，我們需要制作更多種類的智能物體，構(gòu)建更復(fù)雜、更逼真的虛擬場(chǎng)景。模擬更真實(shí)的場(chǎng)景。同時(shí)，需要建立一個(gè)代理管理器，可以對(duì)這類智能對(duì)象進(jìn)行整體管理，從而實(shí)現(xiàn)資源優(yōu)化的功能。通過實(shí)驗(yàn)獲取實(shí)際數(shù)據(jù)，利用數(shù)學(xué)建模等手段改進(jìn)仿真算法，使駕駛過程仿真更接近真實(shí)環(huán)境。雖然我們開發(fā)的這套系統(tǒng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了虛擬駕駛的一些基本功能，與一套成熟的系統(tǒng)相比還有很大的差距，但是我們要相信，通過不斷的努力和經(jīng)驗(yàn)的積累，我們的系統(tǒng)會(huì)更加成熟和完善，最終進(jìn)入社會(huì)，得到真正的應(yīng)用?？甲C1念東，基于OpenGL的桌面虛擬現(xiàn)實(shí)系

30、統(tǒng)設(shè)計(jì)，高校學(xué)報(bào)，2002，18 (4): 5-72菲利普科菲特格里戈雷布爾迪亞。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，紐約:威利-IEEE出版社，2003年3胡曉強(qiáng)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)。:郵電大學(xué)，2005年4媽咪波利昆。阿蘭伯納德。虛擬手與虛擬現(xiàn)實(shí)多模態(tài)平臺(tái)設(shè)計(jì)更安全的工業(yè)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)工業(yè)，2006，(58):46-565安定片研究，虛擬現(xiàn)實(shí)建模技術(shù)及其在汽車虛擬駕駛系統(tǒng)中的應(yīng)用:碩士論文。:技術(shù)大學(xué)，2006年6徐璟，基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的汽車駕駛仿真系統(tǒng)的研究與開發(fā)。【碩士論文】。:技術(shù)大學(xué)，2007年7 J.Freeman、G.Watson、Y. Papelis、T. Lin、A. Tayyab、R. Rimano和J

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