汽車駕駛虛擬現(xiàn)實

1、第4章 汽車駕駛仿真器 4.1.概況4.2.汽車駕駛仿真器的原理4.3. 汽車駕駛仿真器的關鍵技術4.4. 汽車駕駛仿真器的開發(fā)與發(fā)展趨勢14.1.概況 駕駛仿真系統(tǒng)是基于VR技術的一個新的研究熱點。 虛擬現(xiàn)實技術應用于汽車駕駛仿真系統(tǒng)中，就是通過計算機產生汽車行駛過程中的虛擬視景、音響效果和運動仿真，使駕駛員沉浸到虛擬駕駛環(huán)境中，并有實車駕駛的感覺，駕駛員根據(jù)虛擬駕駛環(huán)境提供的視覺、聽覺、觸覺感受，構想其駕駛動作，操縱模擬駕駛艙中的操縱機構，計算機根據(jù)駕駛員的操作狀態(tài)，實時地改變汽車在虛擬環(huán)境中的狀態(tài)，其過程的不斷循環(huán)，構成駕駛員虛擬駕駛環(huán)境之間的交互作用，實現(xiàn)了汽車的虛擬駕駛，從而體驗、認

2、識和學習現(xiàn)實世界中的汽車駕駛。2第4章 汽車駕駛仿真器4.1.概況 汽車駕駛仿真系統(tǒng)具有駕駛模擬效果逼真、節(jié)能、安全、經濟，不受時間、氣候、場地的限制，駕駛訓練效率高、培訓周期短等優(yōu)勢，在新車型開發(fā)和駕駛培訓方面應用十分廣泛。VIRTOOLS作為虛擬現(xiàn)實技術的開發(fā)工具之一，以其友好的圖形開發(fā)界面和強大的三維引擎功能，越來越受到人們的信賴，是研究與實現(xiàn)汽車駕駛仿真系統(tǒng)的理想工具。 3第4章 汽車駕駛仿真器4.1.1 國內外研究動態(tài)從20世紀80年代以來，國外的各大汽車集團和汽車技術研究機構就開始投入大量的人力、物力甚至應用國防及空間領域的高精技術來開發(fā)各類駕駛仿真系統(tǒng)。1985年，德國戴姆勒奔馳

3、公司在柏林研制成功了六自由度開發(fā)型駕駛模擬器，該系統(tǒng)已成功地用于系列化高速轎車的產品開發(fā)中，其性能代表著當時汽車駕駛仿真技術的最高水平。與此同時，瑞典的VDI公司也建成了規(guī)模較小的汽車駕駛模擬器，用于瑞典車輛和交通系統(tǒng)的研究與開發(fā)。4第4章 汽車駕駛仿真器4.1.1 國內外研究動態(tài)1989年，德國大眾汽車公司改建了其原有的駕駛模擬器，更新了計算機運算系統(tǒng)和視景生成系統(tǒng)，并用于新產品的研制中。1991年，日本馬自達汽車公司興建了跑車開發(fā)型汽車駕駛模擬器。1993年，美國依阿華車輛中心啟用1300萬美元來開發(fā)汽車駕駛模擬系統(tǒng)。1995年，日本汽車研究所（JARI）也建成了帶有立體感模擬系統(tǒng)的駕駛模

4、擬器。 目前，德國、瑞典、日本、美國的各大汽車廠家和研究室都相應更新了自己的開發(fā)型汽車駕駛仿真系統(tǒng)，不斷完善車輛的動力學模型，運動系統(tǒng)都可以模擬六個自由度的運動情況，視景系統(tǒng)采用計算機成像系統(tǒng)(CGI)，可以提供逼真的車輛環(huán)境。5第4章 汽車駕駛仿真器4.1.1 國內外研究動態(tài)1989年，德國大眾汽車公司改建了其原有的駕駛模擬器，更新了計算機運算系統(tǒng)和視景生成系統(tǒng)，并用于新產品的研制中。1991年，日本馬自達汽車公司興建了跑車開發(fā)型汽車駕駛模擬器。1993年，美國依阿華車輛中心啟用1300萬美元來開發(fā)汽車駕駛模擬系統(tǒng)。1995年，日本汽車研究所（JARI）也建成了帶有立體感模擬系統(tǒng)的駕駛模擬器

5、。 目前，德國、瑞典、日本、美國的各大汽車廠家和研究室都相應更新了自己的開發(fā)型汽車駕駛仿真系統(tǒng)，不斷完善車輛的動力學模型，運動系統(tǒng)都可以模擬六個自由度的運動情況，視景系統(tǒng)采用計算機成像系統(tǒng)(CGI)，可以提供逼真的車輛環(huán)境。6第4章 汽車駕駛仿真器4.1.2 國內研究現(xiàn)狀我國在駕駛仿真系統(tǒng)方面的研究起步較晚，經歷了一個從引進國外產品到自行研制的較漫長的發(fā)展過程。開始是引進捷克的點光源平板投影式仿真器，道路盤上的道路是用筆描繪而成的平面景象，無坡道；接著引進了美國的放電影、被動式汽車仿真器，一個控制臺控制20個座艙。20世紀70年代，中國已經有自己研制的點光源、轉盤機電式汽車模擬器14了。90年

6、代，隨著計算機技術和圖形、圖像技術的發(fā)展，汽車駕駛仿真系統(tǒng)走進國內，多所知名大學都在這方面作了大量貢獻。7第4章 汽車駕駛仿真器4.1.2 國內研究現(xiàn)狀裝甲兵工程學院開發(fā)的MUL-QJM汽車駕駛模擬器采用了實時車輛動力學、運動學仿真模型和實時CGI技術，不僅可以完成汽車駕駛培訓，還可以進行車輛安全性、人機工程、道路工程等的研究。南京大學軟件新技術國家重點實驗室應用三維場景人工智能技術，采用通用的軟硬件平臺，開發(fā)出了主動式三維汽車駕駛訓練模擬器15。昆明理工大學交通綜合模擬實驗室也于1999年開發(fā)出了基于網(wǎng)絡的WM汽車駕駛模擬器，除了其先進的車輛模型、逼真的視景系統(tǒng)外，它的聯(lián)網(wǎng)功能可允許多臺駕駛

7、模擬器同時操作，并具有可選擇的對車輛的監(jiān)視功能。 8第4章 汽車駕駛仿真器4.1.2 國內研究現(xiàn)狀北京航空航天大學研制的MCGI-9410T計算機成像系統(tǒng)、航空精密機械研究所研制的QMCGI汽車駕駛訓練模擬系統(tǒng)也相當有代表性。2004年2月中旬，由北京科技大學信息學院研制的VR-4駕駛模擬器的問世首先重點解決了“學員駕車的人造環(huán)境問題”。這種VR-4型駕駛模擬器可以讓學習者在視覺感受，操縱感受和運動感受三方面都能找到真實駕駛的感覺。這項技術已通過了專家鑒定，并取得了國家專利。9吉林大學汽車動態(tài)模擬國家重點實驗室建設完成的開發(fā)型ADSL16,17駕駛模擬器，按其建設規(guī)模和性能設計指標，現(xiàn)居世界第

8、二位。該ADSL駕駛模擬器具有：真實的人車操作界面、重復可控的試驗場景、可任意嵌入實物試驗、高速的仿真運算能力、無風險的極限場景試驗等功能。哈爾濱工程大學虛擬現(xiàn)實與醫(yī)學圖像處理實驗室于2007年開發(fā)了汽車駕駛模擬器，用于駕駛學校倒樁測試于練習時使用。該模擬器采用真實的方向盤和制動系統(tǒng)，模擬器安裝在真實的汽車中，前后左右用四個顯示器分別模擬汽車的前后窗，和左右兩個反光鏡。是人在模擬器中駕駛能達到沉浸、逼真的駕駛體驗。10第4章 汽車駕駛仿真器4.1.3 存在問題縱觀國內外的相關研究，不難發(fā)現(xiàn)，目前在汽車駕駛仿真領域，已經取得了一些很好的成果，但是仍然存在許多問題：國外重視硬件開發(fā)，生成的視景數(shù)據(jù)

9、太大，導致對硬件要求提高，模擬器的價格昂貴18；國內開發(fā)技術含量相對較低，已經研制出來的汽車駕駛模擬系統(tǒng)大都沒有擺脫賽車游戲模式的束縛19，或多或少地存在著汽車視景與操縱動作脫節(jié)、遲后，“沉浸感”、“交互性”與“實時性”不強等缺點。11第4章 汽車駕駛仿真器4.1.3 存在問題此外，隨著對汽車駕駛仿真系統(tǒng)需求的不斷增加，學員需要的培訓方式不僅僅是對汽車上操縱機構的熟悉和應用過程，而是一種“自助式”的教學過程。這就要求駕駛模擬裝置不僅能夠提供仿真的駕駛環(huán)境，而且還要求在駕駛訓練的過程中起到一種人類教練所具有指導功能20-23，能夠對訓練者的操作過程進行監(jiān)督，指出其在操作上的錯誤并予以糾正，以及在

10、操作完成時對訓練者所完成的操作進行合理的評價?？梢?，自主研究與開發(fā)一個在普通微機上實現(xiàn)的，大眾化、易于普及的，針對人車環(huán)境閉環(huán)系統(tǒng)開發(fā)、適合我國道路狀況和交通法規(guī)的汽車駕駛仿真系統(tǒng)任重而道遠。12第4章 汽車駕駛仿真器4.2.汽車駕駛仿真器的原理汽車駕駛模擬器是用于汽車產品開發(fā)、“人一車一環(huán)境”交通特性研究或駕駛培訓的一種重要工具。根據(jù)其用途、性能、要求等方面的不同，基本上可以分為兩類:一類是用于產品開發(fā)和“人車環(huán)境”系統(tǒng)等基礎研究的模擬裝置(開發(fā)型駕駛模擬器或駕駛仿真器);另一類是用于安全教育、交通規(guī)則教育和駕駛訓練的模擬裝置。它們都被用來模擬真實的車輛駕駛和運行過程，系統(tǒng)的基本組成原理也大

11、致相同，但它們的應用領域、技術水平、成本以及由此產生的效果卻有較大差別。開發(fā)型駕駛模擬器是利用計算機，在電子、液壓、控制等技術支持下，從人一車一環(huán)境閉環(huán)系統(tǒng)的整體性能出發(fā)，對汽車的主動安全性、操縱性能等進行仿真研究和開發(fā)的大型實驗裝備。13第4章 汽車駕駛仿真器4.2.汽車駕駛仿真器的原理典型的開發(fā)型駕駛模擬器投資巨大，但功能非常全面。它一般由運動模擬系統(tǒng)、視景模擬系統(tǒng)、控制操縱系統(tǒng)、音響模擬系統(tǒng)、觸感模擬系統(tǒng)及性能評價系統(tǒng)組成。同造價昂貴、仿真性能全面的開發(fā)型駕駛模擬器相比，汽車駕駛訓練模擬器的應用主要是為了安全教育和駕駛訓練，不同的應用決定了汽車駕駛訓練模擬器的功能相對比較單一;經濟成本決

12、定了駕駛訓練模擬器的結構比較簡單，無法實現(xiàn)復雜的動力學和車輛控制系統(tǒng)的仿真。這類模擬器有的采用了固定的駕駛艙，極大地降低了成本，在歐洲和日本應用比較多。研究開發(fā)這類模擬器的關鍵技術是系統(tǒng)軟件，包括計算機的實時三維圖像生成、視景模型、汽車模型、交通模型、網(wǎng)絡控制、聲響模擬等。14第4章 汽車駕駛仿真器4.2.汽車駕駛仿真器的原理目前國內生產和國外進口的汽車駕駛模擬器，基本屬于機電型點光源產品，主要缺點是不能真實模擬汽車的運動特性和轉向操縱特性.其點光源投影方式的視景系統(tǒng)只能顯示有限范圍的簡單道路，因而這種模擬器只能用于駕駛員的初級培訓，并且效果也不理想.為了改善汽車駕駛模擬器的仿真性能，提高駕駛

13、員的培訓效果，并使模擬器在汽車性能研究和交通安全研究方面發(fā)揮更大作用，我們研制了應用現(xiàn)代仿真技術的汽車駕駛模擬器，即綜合應用微機控制和計算機成像等現(xiàn)代仿真技術，從本質上取代機電型點光源汽車駕駛模擬器，為其更廣泛地應用打下研究和應用基礎。15第4章 汽車駕駛仿真器4.2.1 仿真駕駛器原理 駕駛艙系統(tǒng)、計算機控制系統(tǒng)等硬件系統(tǒng)和支持網(wǎng)絡的視景仿真、音效仿真軟件系統(tǒng)。駕駛艙系統(tǒng)提供實現(xiàn)學員與虛擬駕駛環(huán)境之間交互作用、提高駕駛模擬訓練系統(tǒng)逼真度的有效手段;視景仿真系統(tǒng)和音響仿真系統(tǒng)是為了強化駕駛模擬訓練系統(tǒng)沉浸感的重要因素;計算機控制系統(tǒng)是連接視景仿真系統(tǒng)和駕駛艙操作系統(tǒng)的必要通道在汽車駕駛模擬訓練

14、系統(tǒng)中，學員根據(jù)視景、聲音、儀表等虛擬駕駛環(huán)境決定駕駛動作，操作模擬駕駛艙中的操縱機構;16第4章 汽車駕駛仿真器4.2.1 仿真駕駛器原理數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實時采樣所有操縱機構的狀態(tài)，包括方向盤、油門踏板、腳剎踏板、離合器踏板、檔位、手剎車、點火開關等的狀態(tài)，并作為其輸入傳遞給計算機控制系統(tǒng);計算機控制系統(tǒng)根據(jù)這些操縱機構的狀態(tài)和圖形生成系統(tǒng)反饋的道路狀況等信息，通過計算機的仿真計算，確定汽車行駛的世界坐標位置，控制視景仿真系統(tǒng)實時動態(tài)生成下一幀虛擬視景，同時，驅動聲音提示和儀表顯示，改變汽車在虛擬環(huán)境中的狀態(tài)。其過程的不斷循環(huán)，實現(xiàn)學員與虛擬駕駛環(huán)境之間的交互作用，從而達到駕駛模擬訓練的目的，系

15、統(tǒng)的構成原理如圖：17第4章 汽車駕駛仿真器4.2.1 仿真駕駛器原理圖4.1 駕駛系統(tǒng)的構成18第4章 汽車駕駛仿真器4.2.1 仿真駕駛器原理汽車駕駛模擬器是一種能正確模擬汽車駕駛動作，獲得實車駕駛感覺的仿真設備。汽車駕駛模擬器，又稱為汽車模擬駕駛仿真系統(tǒng)，它集成了傳感器技術、計算機技術、數(shù)據(jù)通信技術、多媒體技術等先進技術。借助于駕駛模擬器，能對汽車一駕駛員一道路(環(huán)境)相互作用關系進行研究，也能對駕駛員進行訓練。按其視景系統(tǒng)的不同，可分為被動式與主動式駕駛模擬器;按用途不同，可分為訓練型和開發(fā)型;按駕駛模擬器的運動機構的不同，可分為座位固定式、整車轉鼓式和座位可轉動式三種類型。19第4章

16、 汽車駕駛仿真器4.2.1 仿真駕駛器原理 駕駛模擬器的工作原理是：由安裝在駕駛艙的傳感器將駕駛員的操縱信號傳遞到主控計算機，由主控計算機中的汽車模型軟件計算出車輛瞬間的運動位置及姿態(tài)，將車輛運動參數(shù)不斷地傳到計算機圖形工作站，由圖像軟件生成對應的連續(xù)變化的道路視景圖，再由投影儀將視景投射到駕駛艙正前方的屏幕上，與此同時，由主控計算機控制液壓系統(tǒng)，使駕駛艙產生一定的運動，并模擬噪聲，給駕駛員一個接近真實的駕車感覺。 20第4章 汽車駕駛仿真器4.2.1 仿真駕駛器原理 汽車駕駛仿真系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成。系統(tǒng)總體結構如圖4.2所示。 硬件設備由模擬駕駛艙、操縱控制系統(tǒng)、儀表系統(tǒng)、多媒體計算

17、機及音響系統(tǒng)等構成。軟件系統(tǒng)包括道路環(huán)境的計算機實時動畫生成，汽車行駛動態(tài)仿真，聲響模擬，操作評價，數(shù)據(jù)管理，網(wǎng)絡控制，操作平臺等。21第4章 汽車駕駛仿真器4.2.1 仿真駕駛器原理。22第4章 汽車駕駛仿真器4.2.2 硬件平臺模擬駕駛艙: 在模擬駕駛艙中裝配有與實車相同的各種可操縱機構，如方向盤、離合器踏板、剎車踏板、油門踏板、變速器手柄、剎車手柄、轉向燈開關、點火開關、儀表盤等，以模擬實車駕駛環(huán)境。操縱控制系統(tǒng): 駕駛者控制汽車運動的基本操縱部件是方向盤、油門、離合、剎車和檔位，另外還有點火開關、轉向指示燈等輔助性操作部件。這些部件信號的實時采集與控制是汽車駕駛仿真系統(tǒng)能否真正逼真模擬

18、駕駛環(huán)境的最基本前提，是整個汽車駕駛仿真系統(tǒng)的核心部分之一。23第4章 汽車駕駛仿真器4.2.2 硬件平臺 由于本系統(tǒng)可以放入實車進行實驗，因而在沒有力和反饋裝置的條件下，對于汽車運動控制的模擬主要由實車部件中的方向盤、油門、離合、剎車和檔位操作來完成。 駕駛員對操縱部件的操作經過傳感器和接口，將方向盤轉動的角度、油門的開度、離合器的狀態(tài)、剎車的狀態(tài)等模擬量經過AD轉換發(fā)送給計算機系統(tǒng)進行處理，同時把系統(tǒng)處理的實時數(shù)據(jù)如檔位參數(shù)、速度等數(shù)字量經過DA轉換發(fā)送到車體部分顯示儀表系統(tǒng)上，進而調整視景顯示，使駕駛員實時觀察駕駛車輛的運行情況。24第4章 汽車駕駛仿真器4.2.2 硬件平臺儀表系統(tǒng)儀表

19、系統(tǒng)采用實車的儀表，負責顯示車內儀表面板的實時更新，如計程表、轉向燈、氣壓表以及油門、離合器狀態(tài)等。多媒體計算機在本汽車駕駛仿真系統(tǒng)中，由于要滿足實時交互與漫游，主機對圖形加速卡的要求較高，因此需要采用128M圖形加速卡和1G內存，主頻采用2.0G以上， 對于這種配置，目前的普通高檔微機基本都能達到或超過。接口微處理器部分的主控芯片采用16位的頂級單片機來實現(xiàn)控制信號的識別和數(shù)據(jù)采集，并通過windows串口API函數(shù)，完成單片機與主機之間的數(shù)據(jù)通信。普通顯示器，音箱或耳機即可完成。25第4章 汽車駕駛仿真器4.2.3軟件平臺 本文的視景仿真系統(tǒng)是在 Windows 操作系統(tǒng)環(huán)境下,通過VIR

20、TOOLS 調用3DS Max建立和處理的模型來完成的。3DS Max 建模技術 (略）。開發(fā)工具VIRTOOLSVIRTOOLS是由法國全球交互三維開發(fā)解決方案公司VIRTOOLS所開發(fā)，是虛擬現(xiàn)實的一種開發(fā)工具，透過直覺式圖形開發(fā)界面，開發(fā)人員只需要拖曳所需要的行為模塊就可以建構復雜的互動應用程序，可同時滿足無程序背景的設計人員以及高級程序設計師的需要，讓3D美術設計與程序設計人員進行良好的分工與合作，有效縮短開發(fā)流程、提升效益，其三維引擎已經成為微軟XBox認可系統(tǒng)。特點是方便易用，應用領域廣。 26第4章 汽車駕駛仿真器4.2.3軟件平臺 VIRTOOLS讓原本深不可測的3D數(shù)字產品的

21、研發(fā)工作變得簡單許多，使一般對于程序望而卻步的藝術人才有更大的發(fā)展空間，不再受限于程序語言的屏障，讓傳統(tǒng)與科技相互結合，活化數(shù)字電子產品生命能量，回歸到“創(chuàng)意”的原點。 隨著VIRTOOLS這樣的開發(fā)工具如雨后春筍般的陸續(xù)誕生，這也代表著新的程序語言的時代來臨，盡管所需效能比起C, C+等傳統(tǒng)程序語言來的高，但模塊化的指令卻能極大地降低學習的門檻，讓撰寫游戲程序不再是程序人員的專利，程序人員可以更放心的去處理深層的建構與規(guī)劃，增進了效率，節(jié)省了成本。27第4章 汽車駕駛仿真器4.2.3軟件平臺VIRTOOLS除了自身的3D/VR開發(fā)平臺VIRTOOLS Dev以外，還有五個可選模塊，分別是：物

22、理屬性模塊VIRTOOLS Physics Pack for Dev沉浸式平臺VIRTOOLS VR Pack for Dev人工智能模塊VIRTOOLS AI Pack for DevXbox開發(fā)模塊VIRTOOLS Xbox Kit for Dev網(wǎng)絡服務器模塊VIRTOOLS Server28第4章 汽車駕駛仿真器4.2.3軟件平臺VIRTOOLS Dev是VIRTOOLS最基本的開發(fā)平臺，在這個開發(fā)環(huán)境中，可以迅速容易地創(chuàng)建出擁有豐富3D內容的、交互的VIRTOOLS作品文件。常用的媒體如模型、動畫、圖像、聲音等都可以被整合進去。VIRTOOLS Dev不是建模程序，本身不能夠建模，但

23、是環(huán)境設計，包括背景(Ground)、燈光(Light)、音效(Sound)、材質(Material)、紋理(Texture)、粒子系統(tǒng)(Particle System)、攝像機(Camera)等可以加入進去。VIRTOOLS DEV可以導入3DS Max以及Maya建立的模型，利用VIRTOOLS強大的交互設計給模型世界增加生氣與靈魂。VIRTOOLS Dev還包括動作引擎、渲染引擎、網(wǎng)絡瀏覽器以及SDK。對于習慣編程的開發(fā)者，VIRTOOLS還提供了VSL語言，通過存取SDK，作為對圖形編輯器的補充。 29第4章 汽車駕駛仿真器4.3. 汽車駕駛仿真器的關鍵技術4.3.1網(wǎng)絡通信幾乎各種不

24、同的TCP膽實現(xiàn)都會提供下面這些通用的應用程序:1.Teinet遠程登錄。2.FTP文件傳輸協(xié)議。3.SMTP用于電子郵件的簡單郵件傳輸協(xié)議。4.SNMP簡單網(wǎng)絡管理協(xié)議。 30第4章 汽車駕駛仿真器4.3.1網(wǎng)絡通信 仔細研究運輸層普遍存在的幾種網(wǎng)絡編程模型，使用效率相對來說最高的完成端口模型設計出一個服務器，并在此傳輸層設計基礎上在應用層設計了一個類FTP協(xié)議，用來提供文件傳輸功能以及測試運輸層設計的服務器的效率和穩(wěn)定性，這樣的研究在理論和實際上都是具有一定意義的。1.客戶和服務器進程:對于相互通信的兩個進程，通常稱一方為客戶，一方為服務器。2.套接字:從一個進程發(fā)送到另一個進程的任何消息

25、都必須經過下層網(wǎng)絡。 進程從網(wǎng)絡中接收數(shù)據(jù)，向網(wǎng)絡中發(fā)送數(shù)據(jù)都是通過套接字來進行的。套接字是應用層和傳輸層的接口，成為程序和網(wǎng)絡間的API。313.Winsock編程的幾個主要函數(shù):(1)創(chuàng)建套接字:SOCKETsoeket(iniaf，inttyPe，iniProtoeol);第一個參數(shù)用來指定套接字使用的地址格式，winsock中只支持AF創(chuàng)ET。第二個參數(shù)用來指定套接字的類型。第三個參數(shù)用來配合第二個參數(shù)使用，指定使用的協(xié)議類型。32第4章 汽車駕駛仿真器4.3.1 網(wǎng)絡通信(2)關閉套接字:Inielosesoeket(SOCKETs):唯一的參數(shù)就是要關閉的套接字的句柄。(3)綁定套

26、接:Illtbind(SOCKETs，eonstSlruetsoekaddr*na幻ne，inina們nelen);第一個參數(shù)指定套接字句柄。第二個參數(shù)指定要關聯(lián)本地地址。第三個參數(shù)指定要關聯(lián)的地址的長度。33(4)監(jiān)聽套接字:Intlisten(SOCKETs，intbaeklog);第一個參數(shù)指定套接字句柄。第二個參數(shù)指定監(jiān)聽隊列中允許保持的尚未處理的最大連接數(shù)量。(5)接受套接字請求:SOCKETaceePt(SOCKETs，struetsockaddr*addr，int*addrlen);第一個參數(shù)指定套接字句柄。34第4章 汽車駕駛仿真器4.3.2 人工智能 人工智能（Artific

27、ial Intelligence，簡稱AI）是計算機學科的一個分支，二十世紀七十年代以來被稱為世界三大尖端技術之一（空間技術、能源技術、人工智能）。也被認為是二十一世紀（基因工程、納米科學、人工智能）三大尖端技術之一。這是因為近三十年來它獲得了迅速的發(fā)展，在很多學科領域都獲得了廣泛應用，并取得了豐碩的成果，人工智能已逐步成為一個獨立的分支，無論在理論和實踐上都已自成一個系統(tǒng)。 從實用觀點來看，人工智能是一門知識工程學：以知識為對象，研究知識的獲取、知識的表示方法和知識的使用。 35第4章 汽車駕駛仿真器4.3.2 優(yōu)化的關鍵技術雖然在建模初期己經對單個模型在場景中的層次和顯示問題作了一些考慮和

28、處理，但由于這些模型基本上都是彼此獨立的，還沒有集成到一個整體的系統(tǒng)模型中，因而仍需采用先進的建模技術，從集成后系統(tǒng)的整體角度出發(fā)，兼顧系統(tǒng)沉浸感與實時性的要求，對其中某些不合理部分再加以處理。下面就針對本汽車駕駛仿真系統(tǒng)，分別說明在模型優(yōu)化過程中所用到的幾種關鍵技術。MIP紋理映射技術集成后的系統(tǒng)整體模型實際上是各種幾何形狀的集合體，而各個幾何體的表面又都是單色的，所以不能達到顯示真實感的效果和要求。因此，我們需要使用紋理映射技術對模型進行處理。在使用紋理映射時有多種方案。 36第4章 汽車駕駛仿真器4.3.2優(yōu)化的關鍵技術例如：可以把紋理映射到由一組多邊形近似的表面或是彎曲的表面上，也可以

29、在一個方向或兩個方向上重復使用一種紋理來覆蓋表面，而紋理可以是一維的。此外還可以自動將紋理映射到物體上，利用紋理來表示觀察到的物體的輪廓或其他屬性?？梢越o發(fā)亮的物體貼上紋理，使其看起來就好像是處在房間或其他環(huán)境的正中央，其表面反射的是周圍環(huán)境的景色。最后，紋理還可以用不同的方式粘貼到物體表面上。既可以直接畫(類似于往物體表面貼花)，也可以調整物體表面的顏色，或者將紋理顏色和物體表面顏色進行混合。 37第4章 汽車駕駛仿真器4.3.2優(yōu)化的關鍵技術MIP紋理映射技術如圖4.11所示，是對同一紋理構造若干個不同細致等級的圖像，上層圖像只含有下一層圖像分辨率的一半，也就是下一級圖像象素的平均值構成上

30、層圖像的一個象素的色彩值。依次類推，從最底層分辨率為512512的圖像開始，依次減少一半的分辨率直到頂層的11的最低分辨率。這種紋理映射技術，使得在系統(tǒng)的實時顯示中根據(jù)視點距物體的遠近或者視線與多邊形法向量之間夾角的不同而選擇合適的紋理細致等級，在同一時刻只把目前所需的細致等級的圖像調入內存，這樣就可以顯著地節(jié)省內存空間，從而提高系統(tǒng)顯示實時性。本系統(tǒng)中，路的模型就是采用了MIP紋理映射技術。 38第4章 汽車駕駛仿真器4.3.2優(yōu)化的關鍵技術39第4章 汽車駕駛仿真器4.3.2優(yōu)化的關鍵技術LOD模型簡化技術LOD（Levels of Detail）技術是當前可視化仿真領域中處理圖形顯示實時

31、性方面十分流行的技術之一44。細節(jié)層次(LOD)模型就是在不影響畫面視覺效果的條件下，對同一物體建立幾個不同逼近精度的幾何模型。根據(jù)物體與視點的距離來選擇顯示不同細節(jié)層次的模型，從而加快系統(tǒng)圖形處理和渲染的速度。對于一個多級的LOD模型，當視點逐漸接近物體時，物體將根據(jù)模型建立時的LOD距離設置，由低到高，顯示不同的細節(jié)層次。這樣可以保證在視點靠近物體時對物體進行精細繪制，在遠離物體時對物體進行粗略繪制，在總量上控制多邊形的數(shù)量，不會出現(xiàn)由于顯示的物體增多而使處理多邊形的數(shù)量過度增加的情況，把多邊形個數(shù)控制在系統(tǒng)的處理能力之內，這樣就可以保證在不降低用戶觀察效果的情況下，大大減少渲染負載。 4

32、0第4章 汽車駕駛仿真器4.3.2優(yōu)化的關鍵技術BSP消隱處理技術 在模型建造與集成的過程中，常常會遇到物體的遮擋問題，正確處理遮擋關系，使三維物體的對應位置關系在二維顯示器上得到正確的反映，就涉及到圖形的消隱處理技術。消隱處理的技術很多，比如在象素級上以近物取代遠物的Z_buffer算法，這種取代方法實現(xiàn)起來遠比總體排序來的靈活簡單，也利于計算機實現(xiàn)；利用圖形的區(qū)域連貫性，在連續(xù)的區(qū)域上確定可見面及其顏色、亮度的區(qū)域采樣算法；以及畫家算法等。但對于實時圖形的消隱處理，大都采用BSP算法來解決物體之間的遮擋問題，本論文正是采用了這種方法 41第4章 汽車駕駛仿真器4.3.2優(yōu)化的關鍵技術BSP

33、消隱處理技術 BSP(Binary space partitioning)技術的基本思想是將三維空間用BSP平面分割成兩部分，BSP樹為一個二叉樹，被分割的兩部分構成BSP樹的左枝及右枝，左枝代表前部，右枝則代表后部。這樣便可以根據(jù)物體相對于BSP平面的位置關系來確定出前面物體與被遮擋的后面物體。顯示順序為先顯示后面的物體后顯示前面的物體。如圖4.12所示，物體A, B, C，被兩個BSP平面Pl和P2分割后得出的相互之間的前后關系。本系統(tǒng)多處應用了此技術及其原理，比如在處理樹木的顯示問題時，為了使其從任何方向和任何通道中都是可見的，就要考慮到模型背面紋理的處理，即需要對樹木的材質進行雙面處理

34、。 42第4章 汽車駕駛仿真器4.3.2優(yōu)化的關鍵技術43第4章 汽車駕駛仿真器4.3.2優(yōu)化的關鍵技術Instance實例建模技術實例技術(Instance)就是將多個外觀一致的物體以同一個樣例存入內存，使用時從同一塊內存區(qū)域提取數(shù)據(jù)，以達到節(jié)省內存開銷的目的。場景模型對象的表示一般分為兩種：(1) 具體地表示對象中基元的輪廓和形狀，這可以節(jié)省生成時的計算時間，但存儲和訪問所需要的時間比較多，空間也比較大；(2) 抽象地表示，它有利于存儲，但使用時需要重新計算。采用哪一種方法表示模型對象取決于對存儲空間和計算開銷的綜合考慮，一般情況下都采用具體的表示方法，但是有時抽象表示會大大提高系統(tǒng)的性能

35、。實例技術就是抽象表示對象的一個典型應用，其基本的處理方法為矩陣變換46,47，即通過平移、旋轉、縮放工具調整三維空間中物體的幾何變換矩陣來產生物體的實例，而模型的數(shù)據(jù)總量是不會增加多少的。44第4章 汽車駕駛仿真器4.3.2優(yōu)化的關鍵技術Instance實例建模技術采用實例技術的主要目標是節(jié)省內存，當構造多個形狀屬性相同的物體時，如果采用正常的拷貝手段，每增加一個物體，多邊形的數(shù)量就會相應地增加一倍，而采用實例技術，卻可以在增加同類物體數(shù)量時不增加多邊形數(shù)量，從而減少了內存的開銷。但由于使用實例技術會增加額外的矩陣計算，所以當實例化對象增多時，系統(tǒng)的運算量將明顯增大，過多的計算會導致系統(tǒng)運行

36、速度的降低，影響系統(tǒng)實時性。此外，由于系統(tǒng)舍入誤差的影響，經過矩陣變換計算后，實例化模型之間的位置拼接會有微小的偏差，在實時顯示的時候，可能會影響到場景的真實性。因此，使用實例技術，還應該根據(jù)視景系統(tǒng)的實際情況對其性能進行綜合考慮。45第4章 汽車駕駛仿真器4.3.3汽車運動仿真技術本書研究的汽車駕駛仿真系統(tǒng)遵循模擬駕駛訓練加上實車駕駛訓練（Simulator training of automobile driving，簡稱：STAD）的現(xiàn)代汽車駕駛員培訓模式，系統(tǒng)主要是使駕駛訓練者，在進行實車訓練前，掌握駕駛汽車的基本要領，因而建立較為復雜的動力學模型進行運動模擬所付出的代價與視覺效果上的

37、收獲相比，是有悖于低成本訓練用駕駛仿真系統(tǒng)的設計初衷的。雖然目前已經有相關研究部門，建立了具有更多自由度的產品48-51，但考慮到本系統(tǒng)自身的要求和特點，對操縱汽車的運動模型作了較大程度的簡化。 46第4章 汽車駕駛仿真器4.3.3汽車運動仿真技術汽車的運動是以固定于汽車的坐標系來描述的，為了便于描述場景中運動的汽車，設定當駕駛訓練者位于駕駛座位上時，汽車的本地坐標系與系統(tǒng)的默認坐標系是一致的，如圖4.13所示。 根據(jù)系統(tǒng)所要實現(xiàn)的功能要求，汽車要能夠進行前進、后退行駛，轉向和上下坡的俯仰，駕駛員對于汽車運動控制的模擬主要由實車部件中的方向盤、油門、離合、剎車和檔位操作來完成。47汽車駕駛仿真

38、系統(tǒng)顯示屏幕所提供的視景不同于一般的三維動畫場景，其運行變化要求符合駕駛操作的實時控制，駕駛員可以與視景進行實時交互。駕駛員對于操縱部件的操作通過傳感器和接口被系統(tǒng)識別和接受，系統(tǒng)經過處理和運算，得出對應的被控車輛的運動變化及參數(shù)，最后根據(jù)這些參數(shù)將變化后的視景渲染到顯示屏幕上，駕駛員就可以實時地觀察到自己駕駛車輛的運行情況。 48第4章 汽車駕駛仿真器4.3.3汽車運動仿真技術圖4.13 汽車的本地坐標系49第4章 汽車駕駛仿真器4.3.3汽車運動仿真技術平路運動仿真根據(jù)現(xiàn)有的場景，絕大多數(shù)路面都是平路，因此，汽車的運動模擬就可以簡化在一個二維平面上。每一時刻汽車的運動在本地空間就可以分解為

39、沿 Z軸的平行移動、繞X軸的旋轉運動和繞Y軸的旋轉運動，它們分別對應汽車的前進和后退運動，沿X軸的俯仰以及轉向運動，組合在一起就構成汽車駕駛時的基本運動模擬，能夠實現(xiàn)基本的駕駛訓練要求，如圖4.14所示。 50第4章 汽車駕駛仿真器4.3.3汽車運動仿真技術51第4章 汽車駕駛仿真器4.3.3汽車運動仿真技術本系統(tǒng)中，汽車在平面道路上的前后運動可以分解為沿本地坐標系Z軸的前后平移，車輛實際的運動情況可由各個運動方向上的速度、加速度來表示。如果只考慮汽車的本地坐標沿Z軸的平移，則汽車的前后運動與這幾個因素相關：當前檔位、油門大小、剎車狀態(tài)及離合狀態(tài)。由檔位決定當前檔位下車輛可能達到的最大速度，由

40、油門大小決定當前油門踏板所處位置的最大速度，剎車和離合的狀態(tài)決定是否在現(xiàn)在速度下開始減速及減速的大小。52當操作者沒有踩剎車和離合，而只踩油門加速時，車輛將逐漸加速到當前檔位下車輛所能達到的最大速度。加速的快慢與油門的大小有關，油門大，加速快，反之加速慢。當踩下剎車或離合后，車輛減速，減速的快慢根據(jù)剎車還是離合而不同。系統(tǒng)實時采集相關數(shù)據(jù)，并根據(jù)當前檔位的最大速度、油門大小、剎車離合狀態(tài)以及不同狀態(tài)下設定的加減速度的大小，計算出當前車輛的前進步長，并用這個值作為車輛沿Z軸的平移量來調整當前場景，以達到操縱輸入控制車輛運動的視覺效果。 53第4章 汽車駕駛仿真器4.3.3汽車運動仿真技術汽車在平

41、路上面的轉向運動是繞著汽車坐標系的Y軸的旋轉運動來模擬實現(xiàn)的，由于車輛只有在運動時才能實現(xiàn)轉向，而車輛靜止不動時即使轉動方向盤也不能實現(xiàn)轉向運動，因此車輛轉向運動的模擬實現(xiàn)與其前后運動息息相關。在實際駕駛操作中的方向盤自由行程、轉向系傳動比、方向盤可轉動的圈數(shù)等等在駕駛仿真系統(tǒng)中都由所使用的實車操縱部件來實現(xiàn)，系統(tǒng)程序處理的是最終方向盤轉角的信號數(shù)值。方向盤轉角數(shù)值傳入計算機后，系統(tǒng)的輸入處理模塊檢索到信號，轉化成相應的數(shù)值存入變量后，根據(jù)變量值計算出相應的控制參數(shù)，并利用這個參數(shù)實時更新車輛旋轉的角度，以及車輪的變化情況，連續(xù)的運動變化就實現(xiàn)了車輛轉向運動的仿真。 54第4章 汽車駕駛仿真器

42、4.3.3汽車運動仿真技術坡路運動仿真對于場景中的坡面而言，汽車的運動就不能再用簡單的二維平面運動來模擬了，每一時刻車輛相對于世界空間坐標系的運動變化要由沿Y方向高度上的數(shù)值變化，和繞本地坐標系X軸的旋轉運動來共同模擬車輛上下坡時的俯仰以及上升下降的運動合成，如圖4.15所示。當程序判斷車輛運行處于上下坡時，從場景信息中提取路段的相關信息，包括坡路開始和結束位置的世界坐標、坡面的傾斜角度和方向，然后根據(jù)路面信息計算出車輛的俯仰角度，并用這個角度值在渲染時重置車輛的取向。55第4章 汽車駕駛仿真器4.3.3汽車運動仿真技術56第4章 汽車駕駛仿真器4.3.4汽車運動管理技術引入專家系統(tǒng)的概念專家

43、系統(tǒng)是人工智能的一個分支。人工智能有許多備受關注的領域，專家系統(tǒng)就是對傳統(tǒng)人工智能程序設計的一個非常成功的近似解決方法。專家系統(tǒng)早期先導者之一、斯坦福大學的Edward Feigenbaum教授把專家系統(tǒng)定義為“一種智能的計算機程序，它運用知識和推理來解決只有專家才能解決的復雜問題”。也就是說，專家系統(tǒng)可視為一類具有大量專門知識的計算機智能程序系統(tǒng)，它能夠運用特定領域一位或多位專家提供的專門知識和經驗，采用人工智能中的推理技術來求解和模擬通常由專家才能解決的各種復雜問題，達到與專家具有同等解決問題的能力，它可以使專家的特長不受時間和空間的限制。 57第4章 汽車駕駛仿真器4.3.4汽車運動管理

44、技術違章與操作錯誤的處理流程由于交通規(guī)則和駕駛操作規(guī)程是相對穩(wěn)定、不易變更的，在系統(tǒng)中可以看作是固有規(guī)則，不需要駕駛員根據(jù)實際駕駛情況進行自行設定，因而在系統(tǒng)開發(fā)時便將這些規(guī)則固定于程序中?？紤]到程序執(zhí)行的效率和初級駕駛訓練的規(guī)則并不十分復雜，這些規(guī)則主要表現(xiàn)為一些判斷處理，而不采用數(shù)據(jù)庫存儲。在程序運行的過程中實時監(jiān)控駕駛車輛的運行情況和駕駛員的每一個操作動作，當發(fā)現(xiàn)這些操作過程與判斷規(guī)則不一致時，自動調用相應的錯誤處理模塊進行處理，如圖4.16所示。 5859第4章 汽車駕駛仿真器4.3.4汽車運動管理技術駕駛違章行為的判斷處理根據(jù)系統(tǒng)方案的要求，程序可以對一些主要違章行為做出判斷，如越中

45、線，逆行，出邊界，闖紅燈和撞車等。 程序對于這些違章行為的處理要與道路類型等信息聯(lián)系在一起。有些錯誤在任何路段上都可能發(fā)生，如將車駛出路面。有些則對應于特定的路面，如十字路口和丁字路口闖紅燈。60因為本汽車駕駛仿真系統(tǒng)是對駕駛員進行初級駕駛操作訓練，而不是玩游戲或體驗某些極限駕駛狀況所帶來的刺激，因此系統(tǒng)要求駕駛員操縱受控車輛穩(wěn)定行駛在正常路面上，將車駛出路面被視為違章操作。判斷出駕駛員將車輛駛出路面后，為了不影響駕駛訓練的繼續(xù)進行，程序先將其駕駛的車輛限制在出路面的位置上，在進行錯誤處理的同時，要求駕駛員用相反的檔位將車重新駛入路面，繼續(xù)進行訓練。 614.3.4汽車運動管理技術有些違章行為

46、只發(fā)生在特定的路段上。例如，當駕駛的車輛行駛在直線路段上時，根據(jù)場景模型提供的路面信息，得出路面中線是虛線還是實線，如果是虛線就允許受控車輛行駛過程中在一定時間內越線行駛，如果是實線或雙實線則不允許車輛越過中線或壓線行駛，否則判斷為逆行或越線。當駕駛的車輛進入十字路口或丁字路段，還要根據(jù)對面路口紅綠燈信息和駕駛車輛是否直行或左轉判斷車輛是否闖了紅燈。62對于駕駛員違章和操作失誤的判斷處理是訓練用汽車駕駛仿真系統(tǒng)中必不可少的功能，因此要保證系統(tǒng)能夠對發(fā)生的車輛違章情況，以及駕駛員的錯誤操作行為進行監(jiān)控和相應處理。為了不影響訓練的效果，系統(tǒng)對違章和操作錯誤的判斷處理應盡可能做到及時，這就要求系統(tǒng)程

47、序在處理上要保證屏幕渲染，同時采取措施兼顧判斷處理。道路違章和操作錯誤的判斷處理比較分散，運算較為復雜，因此要求結合使用靈活的判斷處理和高效的計算方法，以最大限度地節(jié)省系統(tǒng)的處理時間。 63第4章 汽車駕駛仿真器4.3.4汽車運動管理技術駕駛員操作錯誤的判斷處理 在駕駛員操縱系統(tǒng)仿真部件控制場景中車輛的運行時，對于駕駛訓練逼真性和有效性的影響，不僅與顯示系統(tǒng)所提供視景的逼真程度有關，而且還受制于操作過程中形成的感覺和習慣。與實際駕駛車輛不同，模擬駕駛艙中的操縱部件雖然采用實車配件，但其安裝和使用是相互獨立的，因此會產生一些在實際駕駛中不會遇到的問題；此外，對于一些實際駕駛過程中可能會產生危險的

48、操作方法，也必須給予及時的糾正，以免駕駛員養(yǎng)成習慣，使駕駛訓練產生負面效果。 64對駕駛員錯誤操作行為的處理，可以粗略地分成兩類：一是在實際駕駛行為中可能發(fā)生的錯誤，例如換檔時沒有踩離合器等等不符合駕駛操作規(guī)程的操作錯誤；另一類是特定于駕駛仿真系統(tǒng)機制使駕駛員可能發(fā)生的錯誤或錯誤效果，如沒有打開點火開關便開始駕駛、從倒檔直接變?yōu)槲鍣n行駛，還有就是對于本系統(tǒng)樁考場地中的錯誤操作，如車身碰桿、壓線、中途熄火等。系統(tǒng)應當給予這些錯誤操作或錯誤效果正確的反應和處理。65對于第一類在實際駕駛過程中也可能會產生的錯誤，程序中除了正常模擬所引起的視覺效果外，還必須將這一錯誤進行提取和記錄處理，使程序能夠對駕

49、駛員的駕駛訓練水平給予正確的評價，同時系統(tǒng)也通過這些記錄來分析和提示駕駛員，避免實際駕駛中的重復錯誤。對于第二類只可能在模擬訓練時產生的錯誤，還應當限制其繼續(xù)產生視覺和運動控制的效果，以免影響駕駛訓練的逼真性。66第4章 汽車駕駛仿真器4.3.4汽車運動管理技術當程序判斷出駕駛訓練中發(fā)生了路面違章或操作錯誤之后，便執(zhí)行相應的錯誤處理模塊。錯誤處理的主要工作是模擬錯誤產生的后果(包括視覺效果和運行控制效果)，記錄錯誤發(fā)生的相關信息，提示駕駛員做出應有的改正等。程序中在顯示屏幕上提供給駕駛員的信息不僅包含錯誤提示信息，還包括當前車輛的一些控制信息，以幫助初學駕駛的訓練者了解駕駛過程中的車輛狀態(tài)。6

50、7由于采用實車的操縱部件和面板設計，一些主要車輛的運行信息由車輛自身的儀表和指示設備提供，如車速、轉速、轉向指示等信息；顯示屏幕提供其它輔助信息，如點火開關狀態(tài)、當前檔位信息等。這些信息對于熟練的駕駛員來說是不必要的，但對于剛接觸汽車的駕駛訓練者熟悉操作過程是有幫助的。68第4章 汽車駕駛仿真器4.3.4汽車運動管理技術69典型路段的分析處理以圖4.17所示的特殊路段十字路口為例，對于車輛是否違章等情況的判斷處理依賴于前后三個相關的判斷過程，其中前兩個判斷過程也構成了視景控制時調度當前可視場景的判斷處理過程：首先判斷這一十字路口的路面是否在視野范圍內；如果在，接著判斷駕駛車輛是否位于這個路段的

51、路面行駛；判斷出車輛是位于這個十字路口路面上行駛后，還需要判斷車輛有沒有出現(xiàn)違章行為。70程序中對車輛運動的違章判斷處理都和車輛當前所在的路段有關。在一個處理循環(huán)中要完成是否在視野范圍內、是否為當前所在路段、是否違章等的判斷處理，計算量較大。為了盡可能簡化各步判斷的算法，減少處理時間，程序采用了先粗略后精確、先簡單后復雜、先大體估算后精確計算的基于預測的處理過程，從而有效地減少遍歷各個路段進行處理時的計算量。 71第4章 汽車駕駛仿真器4.3.4汽車運動管理技術首先，觀察者的視野有一定的深度范圍，根據(jù)這個范圍，可以大致判斷出駕駛的車輛是否處于視野范圍之內，因為這個過程只是為后面判斷服務，不必給

52、出評價結論，因此不需要太精確。對于行駛路段的確定，只要判斷出車輛是位于與其它路段不重合的當前路段范圍內，就可以排除其它路段的相同處理。這里，程序中在判斷車輛是否位于這個路段判斷范圍內時，只要比較本車當前的位置坐標是否位于路段矩形B1B2B3B4的內部，就可以斷定車輛目前位于這個路段內或是這個路段的周邊范圍，如圖4.5所示，否則程序不能確定當前車輛所處的路段，就會丟失駕駛車輛以及當前路段的相關信息，只能刷新場景而不能進行判斷處理了。72當確定駕駛車輛位于某路段后，就要對車輛的運動和違章等行為進行判斷處理了，場景中在十字路口的四邊設有信號指示燈標志，信號的變化由定時器控制，當前信號狀態(tài)保存在變量中

53、。當車輛從某個方向進入十字路口時系統(tǒng)提取信號燈的標志信息，如果是綠燈，則沒有必要再做判斷處理，節(jié)省處理時間；如果此時信號標志是紅燈(或黃燈)，因為車輛在路口有三種可能運動方向，左轉彎、直行和右轉彎，而右轉并不違反交通規(guī)則，只有左轉和直行此時是不被允許的，所以這時應當根據(jù)駕駛員接下來控制車輛的運動情況來判斷。如果是左轉或直行，則判斷為違章處理。 73第4章 汽車駕駛仿真器4.3.4汽車運動管理技術這一過程的關鍵是對車輛運動行為的判斷，這里并沒有采用一些復雜的行為判別算法(如人工智能的方法)，因為當駕駛員操縱車輛在十字路口的路段上行駛時，由車輛的運動模擬模塊保證了車輛在十字路口路面空間不可能做超出

54、實際車輛運動能力太多的復雜運動，如原地回轉或連續(xù)轉向，因此可以采用忽略中間行為過程，只判斷行為結果的方法。74當車輛在對面紅燈信號的情況下進入十字路口時，無法預知車輛將如何轉向，所以先不做是否違反交通指示的結論；當車輛在三個可能方向上越過了判斷邊界線，如圖4.5所示的虛線矩形框A1A2A3A4后，由于此時車輛的正常運動行為已基本確定，除原地掉頭之外不可能轉向別的兩個方向，所以此時可以判斷車輛的運動方向是直行、左轉還是右轉，以此判別車輛最終是否違反了交通信號的指示。行駛出矩形邊界后的各個獨立路段，在是否駛出路面判定的運算上也簡化為車輛位置和路面地形信息的二維坐標值的比較運算，大大簡化了計算量。

55、75第4章 汽車駕駛仿真器4.3.5 模型生成技術建模原則人對信息的感知能力80%是通過眼睛獲取的，所以視覺感知的質量在用戶對環(huán)境的主觀感知中占有最重要的地位。因此，影響一個汽車駕駛仿真系統(tǒng)沉浸感的關鍵因素，便是所構造的視景系統(tǒng)的效果。從人車環(huán)境閉環(huán)系統(tǒng)的整體性能考慮，視景系統(tǒng)是利用計算機實時圖像生成技術，產生車輛行駛過程中駕駛員所看到的虛擬三維場景。汽車駕駛仿真的實時視景系統(tǒng)建模不同于普通動畫和游戲的模型制作，動畫對模型的細節(jié)程度要求較高，模型的細節(jié)越高，制作的動畫也越發(fā)逼真；游戲則在可能的情況下，盡量使用簡單模型，滿足運行時的流暢性要求； 76第4章 汽車駕駛仿真器4.3.5模型生成技術建

56、模原則汽車駕駛仿真系統(tǒng)視景模型的建立過程中，既要能夠產生真實感效果和滿足實時性要求，還要兼顧到硬件系統(tǒng)的處理能力以及各種模型之間的結構層次關系。因此，在汽車駕駛仿真系統(tǒng)的視景建模中，模型既不能太注重細節(jié)，也不能太過于簡單，而應該在兩者之間達到一個顯示平衡。建模過程中，需要對場景數(shù)據(jù)庫的整體結構進行合理的安排和組織，同時靈活運用降低系統(tǒng)資源消耗的各種建模技術，提高了整個系統(tǒng)的運行效率。77第4章 汽車駕駛仿真器4.3.5模型生成技術數(shù)據(jù)準備在數(shù)據(jù)收集過程中，應該根據(jù)現(xiàn)實場景里面對各景物要求的不同，合理選擇不同分辨率與精確度的紋理以及數(shù)據(jù)。紋理的獲取有很多種手段，較為常用的兩種，一種是由計算機簡單

57、繪制的矢量紋理，另一種是用數(shù)碼相機實地拍攝的數(shù)字化圖片。前一種方法的數(shù)據(jù)量少，但是缺乏真實感。后一種方法涉及的數(shù)據(jù)量比較大，但是紋理真實感強，本系統(tǒng)所獲取的紋理多數(shù)是由數(shù)碼相機實地拍攝的照片來完成。拍攝好的照片，由于拍攝時角度存在偏差、模糊等缺陷，一般不能直接作為貼圖紋理使用，需要進行包括圖像的角度修正、色彩調整、邊緣平滑等技術處理后，方可存入模型貼圖庫使用。78第4章 汽車駕駛仿真器4.3.5模型生成技術數(shù)據(jù)準備另外，考慮到本系統(tǒng)前期建模軟件3DS Max與后續(xù)實時仿真軟件VIRTOOLS對模型紋理的兼容性，對紋理文件的格式作了如下規(guī)定：(1) 圖像的存儲格式為Jpeg或Tga，其中Tga文

58、件中包含了Alpha值。(2) 圖像分辨率應為2的冪數(shù)，而且圖像也不宜過大，最好不要超過512512，否則會影響硬件的處理速度。(3) 圖像文件的命名與存儲路徑中不允許大小寫混用，不允許出現(xiàn)中文。 這樣就避免了后期數(shù)據(jù)處理與維護方面大量的重復勞動，提高了工作效率。79第4章 汽車駕駛仿真器4.3.5模型生成技術模型建造與前面提到紋理前后期制作的兼容性問題一樣，在建模時也要考慮3DS Max與VIRTOOLS對模型的兼容性。首先要注意，在VIRTOOLS中的坐標單位是1 Unit=1米，在3DS Max中建模時的坐標單位最好也設置成1 Unit=1米。其次，3DS Max的坐標系是Y軸向前，Z軸

59、向上；VIRTOOLS的坐標系是Z軸向前，Y軸向上。最后，模型的命名也要注意，可以使用拼音或者英文，不可包含漢字。 80第4章 汽車駕駛仿真器4.3.5模型生成技術地形地貌的建立地形地貌的建立是整個汽車駕駛仿真系統(tǒng)中視景系統(tǒng)模型數(shù)據(jù)庫建立的第一步，主要在于表現(xiàn)虛擬環(huán)境的整體輪廓。整個視景系統(tǒng)模型的覆蓋區(qū)域為1000m 1000m的正方形，根據(jù)不同的復雜程度又將整個地形地貌分為三個不同的等級，這三個等級分別是以哈爾濱工程大學駕駛培訓學校樁考訓練場地的原型為中心向外擴展的面積為100m100m,500m500m, 1000m1000m的三個正方形區(qū)域。100m 100m的區(qū)域是以哈爾濱工程大學駕駛

60、培訓學校樁考訓練場地為原型的，場地內設樁與畫線等均是完全按照場內駕駛考試科目（樁考）實際考核時的比例建造，力求使駕駛員在逼真的三維虛擬駕駛場景中獲得近乎真實的體驗。 81第4章 汽車駕駛仿真器4.3.5模型生成技術地形地貌的建立具體比例如圖4.4所示。其中，場地中道寬為車長的1.5倍；庫長為2倍車長，前驅動汽車再加50厘米；對于小型汽車庫寬為車寬加60厘米，大型汽車和中型客車的庫寬為車寬加70厘米。500m500m的區(qū)域是在以樁考訓練場為中心，向外延伸而成的，主要包括行車道、人行道、交通標志、信號燈、道邊建筑、長椅等與訓練較為密切的部分，是體現(xiàn)汽車駕駛仿真視景系統(tǒng)真實沉浸感的部分，要根據(jù)這些景