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)計主題虛擬駕駛系統(tǒng)-場景設(shè)計模塊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，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)大的市場需求，這與資金的投入相沖突；存在污染、高成本、高風(fēng)險、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。隨著計算機(jī)性能的提高和虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展，在計算機(jī)上模擬汽車駕駛環(huán)境，進(jìn)行駕駛訓(xùn)練成為可能。計算機(jī)仿真技術(shù)和實時圖形圖像處理技術(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。因此，利用計算機(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)實技術(shù)，也稱為靈界技術(shù)，是一種先進(jìn)的計算機(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，具有交互實時功能的操作，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)實技術(shù)4以來，發(fā)展迅速，廣泛應(yīng)用于軍事、自動控制、航空航天、娛

3、樂、醫(yī)療和教育等領(lǐng)域。將虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于車輛訓(xùn)練，即利用計算機(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“人-車-環(huán)境”的連續(xù)系統(tǒng)。在這個閉環(huán)系統(tǒng)中駕駛汽車時，駕駛員可以根據(jù)虛擬場景、場景的音效和車輛的模擬運(yùn)動進(jìn)入這個環(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)的駕駛動作，從而實現(xiàn)虛擬駕駛。這種能正確模擬汽車駕駛動作，獲得實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，可以減少實車訓(xùn)練造成的交通事故，節(jié)能經(jīng)濟(jì)，不受時間、氣候、場地的限制?，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)行實車訓(xùn)練，避免了實車的巨大損失，提高了訓(xùn)練效率，降低了駕駛訓(xùn)練的危險性。新的汽車駕駛培訓(xùn)計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驗室和開發(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)的計算機(jī)系統(tǒng)和場景制作系統(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)實驗室成立。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、，取得了不錯的成績。1.3研究的意義隨著現(xiàn)代社會的進(jìn)步，科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，計算機(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)有著巨大的市場需求，并得到了很好的發(fā)展。虛擬駕駛不受時間地點(diǎn)影響，速度快，方便；虛擬駕駛還具有很高的安全性，不會造成交通事故和傷害；而且節(jié)約資源，環(huán)境污染??；它有很大的市場，這項技術(shù)還有很大的發(fā)展空間和前景。1.4論文的主要內(nèi)容(1)本課題是虛擬駕駛系統(tǒng)的場景設(shè)計，虛擬駕駛系統(tǒng)是由個人計算機(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，我們有幾個項目需要解決，找出需要解決的技術(shù)需求，選擇合理的開發(fā)工具；虛擬場景設(shè)計和可視化系統(tǒng)開發(fā)；場景中運(yùn)動車輛和行人、車輛控制系統(tǒng)和聲音的設(shè)計。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，盡量做到系統(tǒng)逼真，降低成本，提高性價比。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)省時間，從大量的數(shù)據(jù)中提取場景的所有“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)，簡稱FPS)運(yùn)行。(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/秒，但復(fù)雜場景的顯示計算量大。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)會出現(xiàn)畫面停頓和不連續(xù)的現(xiàn)象。(3)場景-人融合虛擬現(xiàn)實的身份和交互特性依賴于人與場景的融合技術(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)虛擬場景中主動駕駛車輛的控制和車輛運(yùn)動狀態(tài)的表現(xiàn)。虛擬駕駛系統(tǒng)中的主動駕駛車輛受

9、相關(guān)人員的輸入控制，可以進(jìn)行簡單的轉(zhuǎn)向；向前和向后等驅(qū)動運(yùn)動。車輛的運(yùn)動規(guī)律要符合車輛的實際運(yùn)動規(guī)律。(6)后視鏡的實現(xiàn)。主動駕駛車輛時，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，場景霧的實現(xiàn)等。將虛擬場景原子化，增加場景的沉浸感和真實感，產(chǎn)生真實的感覺。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、寵物等虛擬場景，由計算機(jī)利用計算機(jī)實時圖像生成。這是這項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，我們需要通過計算機(jī)輸入設(shè)備控制車輛的各種速度運(yùn)動，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，達(dá)到更好的仿真效果。(4)車輛運(yùn)動學(xué)子系統(tǒng)使計算機(jī)軟件更真實地模擬車輛的運(yùn)動，相關(guān)人員輸入的操作信息傳輸?shù)杰囕v動力學(xué)模塊，該模塊根據(jù)輸入的相關(guān)信號計算出主動駕駛車輛的運(yùn)動。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)備資源的釋放四個部分。在編程過程中，這四個部分是通過以下回調(diào)函數(shù)實現(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)布處理下面是幾個回調(diào)函數(shù)的調(diào)用順序:啟動程序: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3.1虛擬場景的建立過程虛擬駕駛場景的建立是本課題的主要內(nèi)容。虛擬駕駛需要虛擬場景，而虛擬場景的建立需要相關(guān)的計算機(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。虛擬駕駛需要不斷更新場景，生成連續(xù)的駕駛場景。虛擬現(xiàn)實一般包括以下幾個部分。(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)置在由于場景非常復(fù)雜，數(shù)據(jù)量巨大，因此需要對場景進(jìn)行合理的規(guī)劃和設(shè)計，以滿足仿真程序的實時性要求。場景

14、設(shè)計遵循以下原則:(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)度之間找到一個平衡點(diǎn)。不會因為太薄而增加系統(tǒng)的工作量，也不會因為太厚而降低沉浸感。(2)在場景中合理應(yīng)用紋理，減輕系統(tǒng)負(fù)擔(dān)，增加或減少虛擬場景的逼真度。(3)分別建立了場景中的動態(tài)模型和靜態(tài)模型。操縱動態(tài)模型不會影響靜態(tài)模型，靜態(tài)模型也不會相互干擾。根據(jù)場景設(shè)計的相關(guān)原則，需要一步一步的搭建場景。以下是構(gòu)建場景的步驟。1.場景規(guī)劃。首先，我們要規(guī)劃建立什么樣的虛擬場景，包括什么樣的道路、建筑，以及場景中汽車、行人的各種情況。合理的場景規(guī)劃可以讓人們更容易沉浸在虛擬場景中。這個系統(tǒng)的場景主要是城市場景，各種建筑，草地，路

15、口的道路，湖泊等。是被設(shè)計出來的。2.紋理材料的準(zhǔn)備。紋理的質(zhì)量對虛擬環(huán)境的真實感有很大的影響。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。對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。三維物體是實現(xiàn)空間立體感和真實感的重要組成部分，但計算機(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、簡化的結(jié)構(gòu)，并加入了紋理貼圖，增加了真實感。3.2 3D場景的導(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三角形或三個三角形。以角扇的形式導(dǎo)出，數(shù)據(jù)量會減少很多，便于讀取和在程序中實時顯示。出口后圖3.2場景的平面效果圖3.3場景透視效果圖場景效果如圖3.4所示。使用程序函數(shù)LoadMeshData讀取場景模型文件，使用優(yōu)化函數(shù)Optimize

17、MeshData和變換函數(shù)UpdateLocalMeshes對模型進(jìn)行優(yōu)化和變換，達(dá)到實時真實感。場景3d文件的名字是Scene.x，程序的全局變量g_MeshScene用來保存場景模型的數(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) )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型文件的場景該三維場景在程序運(yùn)行時生成一個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、到的場景。在2D屏幕上渲染落在可見體上的場景，在IDirect3DDevice9:BeginScene()和IDirect3DDevice9:EndScene()之間調(diào)用渲染函數(shù)DrawMeshData。為了提高系統(tǒng)的實時性，在渲染之前對場景進(jìn)行了優(yōu)化。在場景繪制過程中，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)時設(shè)置紋理、光照等，繪制場景的子集，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場景中的行人運(yùn)動設(shè)計參與虛擬駕駛場景的人員在應(yīng)用骨骼動畫技術(shù)時要設(shè)置四個方面的數(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)包括骨架的對應(yīng)模型和當(dāng)前骨架相對于骨架的坐標(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的動作，這些動作組成一個動畫集，動畫集中的每個動畫都包含該動畫對應(yīng)的骨骼的名稱和一組動畫幀，動畫幀包含一組時間戳來匹配在相應(yīng)時間應(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。在虛擬駕駛場景中，設(shè)置行人動畫和動畫之間平滑過渡的過程分為以下五個步驟3940:1.建立標(biāo)準(zhǔn)的三維行人模型。這個模型有基本的動作。場景中行人雙手向肩膀方向向前伸展，雙腳張開，而所有的背部動作都是通過這個動作變換獲得的。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)人員的動作包括行走、徘徊等動畫序列，在動畫序列中選取關(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)诤蟿赢嫞詴r間為參數(shù)，找出相關(guān)人物當(dāng)前所處的哪兩個關(guān)鍵幀，并以時間為參數(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4.1車輛型號在我們的系統(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精細(xì)的汽車模型包含太多的三角形，會增加系統(tǒng)的計算負(fù)擔(dān)。因此，我們簡化汽車模型，這將減少系統(tǒng)的計算負(fù)荷，提高渲染規(guī)模。該系統(tǒng)采用多動畫合成的方式，將各種對象的動畫合成在一個模型文件中，同時導(dǎo)入到程序中，實現(xiàn)了多個動畫之間的快速切換。4.2車輛和車輛運(yùn)動的運(yùn)動學(xué)模型車輛運(yùn)動模型的設(shè)計是虛擬駕駛系統(tǒng)的主要問題之一。為了更真實地模擬汽車的運(yùn)動，需要建立符合汽車運(yùn)動規(guī)律

23、的數(shù)學(xué)模型，即建立汽車的運(yùn)動模型。運(yùn)動建模是虛擬環(huán)境中最難處理的問題之一36?；谔摂M現(xiàn)實技術(shù)的虛擬駕駛系統(tǒng)采用簡化的數(shù)學(xué)模型來表示復(fù)雜的車輛運(yùn)動。汽車的一般運(yùn)動包括加速、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，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)動狀態(tài)。在面向?qū)ο蟮能囕v設(shè)計中，已經(jīng)設(shè)置了變量來表示車輛的運(yùn)動屬性，全局變量m_fAcc用于表示加速度的大小。加速度是一個變量。踩油門時，加速度m_fAc

24、c逐漸增大，每秒增加一個小增量，設(shè)置為0.01。那么，行駛過程中m_fAcc+=0.01，這個量加到速度上就成了車輛的速度。減速時，加速度越來越小，每秒減少一個量，將這個量應(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，車輛行駛方向與車輛朝向相同，倒車時，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現(xiàn)倒車。車速的變化反映了車輛直線行駛時運(yùn)動狀態(tài)的變化。當(dāng)車輛轉(zhuǎn)向時，方向也會改變，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，也是一個常數(shù)的變化。加速左轉(zhuǎn)時:m _ m_fAccTurnLeft+=0.02f，

25、減速左轉(zhuǎn)時，m _ m_fAccTurnLeft-=0.05f車輛的運(yùn)動模型決定了車輛的運(yùn)動規(guī)律，車輛運(yùn)動的實現(xiàn)是通過變換來實現(xiàn)的。在虛擬駕駛系統(tǒng)中，動畫設(shè)計和動畫顯示都是通過變換來實現(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，表示車輛在場景中的連續(xù)運(yùn)動。車輛的運(yùn)動狀態(tài)是指車身和輪胎相對于地面的運(yùn)動。如果只是在場景中改變車輛位置來實現(xiàn)車輛運(yùn)動，運(yùn)動感不真實，比較生硬。當(dāng)車輛位置發(fā)生變化時，可以更好的表現(xiàn)出車輛行駛的真實感，比如車輛轉(zhuǎn)彎時方向盤的動畫，車輛行駛時車輪

26、的轉(zhuǎn)動等。車輛動畫有很多種。當(dāng)車輛從一個動畫切換到另一個動畫時，突變會使駕駛場景變得僵硬，降低場景的真實性。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)計了基于桌面虛擬現(xiàn)實技術(shù)的虛擬駕駛系統(tǒng)。與實車訓(xùn)練相比，虛擬駕駛系統(tǒng)可以緩解學(xué)員剛上車時的緊張感，節(jié)約經(jīng)濟(jì)，訓(xùn)練時間靈活，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)計與生成視覺子系統(tǒng)是汽車行駛時，我們利用計算機(jī)實用圖像生成子系統(tǒng)生成的虛擬場景，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景和運(yùn)動物體，并將場景導(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。聲音子系統(tǒng)可以制作更真實的模擬場景。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)計與實現(xiàn)。相關(guān)人員可以操作方向盤、腳制動踏板、離合器踏板、油門踏板、手制動、檔位和點(diǎn)火開關(guān)等。，并成功實現(xiàn)了方向盤控制車輛在虛擬環(huán)境中按照汽車運(yùn)動規(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現(xiàn)。為了在汽車駕駛中形成真實的三維場景，利用雙目視覺原理，計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.主動駕駛車輛后視鏡的設(shè)計實現(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.移動物體的設(shè)計。將場景中的運(yùn)動物體分為沿預(yù)定路線行駛的汽車和行人，從而模擬汽車的主動駕駛。利用該控制裝置，實現(xiàn)了虛擬場景中的虛擬駕駛訓(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)、圖5.2(駕駛過程中后視鏡開啟時)、圖5.3(虛擬場景線性霧化時)、圖5.4(虛擬場景指數(shù)霧化時)、圖5.5(主動駕駛車輛被替換時)、圖5.6(霧化場景后視鏡開啟時)。圖5.1汽車駛離現(xiàn)場的位置圖5.2車輛行駛時后視鏡打開。圖5.3場景線性原子化。圖5.4場景的指

29、數(shù)霧化。圖5.5主動駕駛車輛的更換圖5.6霧化場景中打開后視鏡前景這個系統(tǒng)還需要制作更專業(yè)的場景模型。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、更逼真的虛擬場景。模擬更真實的場景。同時，需要建立一個代理管理器，可以對這類智能對象進(jìn)行整體管理，從而實現(xiàn)資源優(yōu)化的功能。通過實驗獲取實際數(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環(huán)境。雖然我們開發(fā)的這套系統(tǒng)已經(jīng)實現(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)驗的積累，我們的系統(tǒng)會更加成熟和完善，最終進(jìn)入社會，得到真正的應(yīng)用?？甲C1念東，基于OpenGL的桌面虛擬現(xiàn)實系

30、統(tǒng)設(shè)計，高校學(xué)報，2002，18 (4): 5-72菲利普科菲特格里戈雷布爾迪亞。虛擬現(xiàn)實技術(shù)，紐約:威利-IEEE出版社，2003年3胡曉強(qiáng)，虛擬現(xiàn)實技術(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)實多模態(tài)平臺設(shè)計更安全的工業(yè)系統(tǒng)計算機(jī)工業(yè)，2006，(58):46-565安定片研究，虛擬現(xiàn)實建模技術(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)實技術(shù)的汽車駕駛仿真系統(tǒng)的研究與開發(fā)?！敬T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

31、. Kuhl，愛荷華州駕駛模擬器:實施和應(yīng)用綜述，美國汽車工程師學(xué)會論文，1995年，9501748程景平，方鼎，基于分布式虛擬現(xiàn)實技術(shù)的汽車虛擬駕駛系統(tǒng)研究，工學(xué)院學(xué)報，2005，21: 15-179威弗斯I，庫伊佩斯J，布魯格曼A，等,虛擬駕駛教練:基于多智能體的駕駛指導(dǎo)系統(tǒng)。荷蘭，CTIT特溫特大學(xué)，技術(shù)報告系列號03-17，200310曾，嚴(yán)，詹守義.一種基于PC機(jī)的低成本主被動駕駛模擬器的設(shè)計與實現(xiàn).系統(tǒng)仿真學(xué)報，2005，17 (5): 1092-1096 .11蔡，大建，張安源.基于虛擬現(xiàn)實的汽車駕駛模擬訓(xùn)練系統(tǒng)方案研究.系統(tǒng)仿真學(xué)報，2002，14 (6): 771-774 .

32、12杜菲，魏偉，鐘延炯，虛擬現(xiàn)實技術(shù)在汽車虛擬駕駛系統(tǒng)中的應(yīng)用，微機(jī)信息，2006，22 (10-2): 292-295 .13程，尹念東，陳.基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的汽車模擬器研究。第九屆國際計算機(jī)支持設(shè)計合作會議論文集，2005年5月24-26日，英國考文垂，62362614念東，汽車虛擬駕駛系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀及關(guān)鍵技術(shù)，汽車工業(yè)學(xué)院學(xué)報，2002，16 (4): 7-10。15查，虛擬駕駛仿真系統(tǒng)研究，現(xiàn)代電子技術(shù)，2007，21: 141-143 .16蔡，張安源.汽車駕駛模擬器及仿真研究.高校學(xué)報，2002，36 (3): 327-330 .17吳敏，基于HLA和VR的汽車駕駛虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)，科

33、技學(xué)報，2007，36 (2): 60-6118肖永亮，Visual C+游戲編程基礎(chǔ)，電子工業(yè)，200519許曉剛，高兆發(fā)，Visual C+6.0的介紹與改進(jìn)，:清華大學(xué)，200020 Frank D. Luna，用DirectX 9進(jìn)行3D游戲編程的介紹。德克薩斯州普萊諾:Wordware出版公司，2003年6月21周，徐玲，Direct3D游戲編程導(dǎo)論(第2版):人民郵電，200522卡，DirectX 9三維圖形編程，:科技，200323韓健，DirectX實用技巧，:中國鐵道，200024廣佳，胡世民，計算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)教程，:清華大學(xué)，200525安定，方鼎.汽車虛擬駕駛系統(tǒng)視覺系

34、統(tǒng)建模技術(shù)研究.工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2006，21 (3): 27-2926饒誠，荀翔，一種實用的汽車虛擬駕駛系統(tǒng)場景優(yōu)化方法，裝備制造技術(shù)，2006，1: 18-2027應(yīng)，黃，齊暢.六自由度駕駛模擬器視景仿真系統(tǒng)研究.工業(yè)大學(xué)學(xué)報(交通科學(xué)與工程版)，2005，29 (3): 388-391 .28楊建國，王成，基于multigen & vega的虛擬現(xiàn)實技術(shù)計算機(jī)仿真，2003，20(11):75-7729桂泉，李田，淺談汽車駕駛可視化仿真系統(tǒng)，汽車應(yīng)用，2006，7: 12。30蔣，霍元甲，基于Vega的汽車駕駛仿真可視化仿真，公路與汽車運(yùn)輸，2007，3: 37-4031，吳，汽車駕駛模擬器道路場景中的交通標(biāo)志設(shè)計，工業(yè)大學(xué)學(xué)報(交通科學(xué)與工程版)，2007，31 (3): 552-555 .32正念性、規(guī)定性與穩(wěn)定性，基于OpenGVS的分布式虛