虚拟驾驶模拟系统特殊效果.doc

毕业设计

题 目 虚拟驾驶系统
---特殊效果
学 院 机械工程学院
专 业 机械工程及其自动化
班 级 机自0701
学 生 徐晓卿
学 号 20070403222
指导教师 王玉增

二〇一一年五月三十日

济南大学毕业设计
1 前 言
1.1虚拟驾驶系统的背景
随着我国经济的不断发展，越来越多的汽车作为代步工具进入大众化家庭，汽车的普及催生了大批的非职业化驾驶员，汽车驾驶训练的工作量有了很大程度的提高。驾校需要购置更多的车辆提供驾驶训练，并且加大教师的配备，来满足市场的需求，这与资金的投入产生了矛盾；采用实车进行汽车驾驶训练存在着污染、高成本、危险性高、场地不足等限制，市场的供应和需求的矛盾促使人们寻求新的驾驶训练方式。
计算机性能的提高和虚拟现实技术的发展，为在计算机上模拟汽车驾驶环境，进行驾驶训练提供了可能。计算机仿真技术、实时图形图像处理技术的飞速发展，为汽车仿真的研究提供了有力的工具和帮助。利用仿真技术可以进行不同虚拟环境的开发和多种车辆模型的设计，为汽车驾驶训练开辟了新方向。利用虚拟驾驶系统进行训练，不受时间、场地和气候的限制，在达到培训质量的前提下，具有经济、环保的优点，因此，利用计算机来开发汽车虚拟驾驶系统是一种有效的手段。
虚拟现实技术的提出和发展，为汽车虚拟驾驶系统的研究和开发提供了新手段。虚拟现实技术又称灵境技术，是一种先进的计算机界面技术，通过给用户提供视觉、听觉、触觉的交互手段，使用户产生强烈的沉浸感，带有实时交互功能的操作，能减轻用户的负担，提高系统的工作效率[1-3]。美国科学家自1989年首次提出虚拟现实技术以来[4]，这项技术发展十分迅速，并广泛应用于军事、航空航天、自动控制、医疗、娱乐、教育等领域。将虚拟现实技术应用于汽车训练，即利用计算机构建用于汽车驾驶训练的虚拟环境和用于训练的车辆，产生“人-车-环境”闭环系统，在这一闭环系统中驾驶汽车，可根据车辆的行驶不断变换相应的虚拟视景、场景音效和车辆的运动仿真，使驾驶员沉浸到这一环境中，并根据虚拟环境中产生的触觉，听觉和视觉，变换相应的驾驶动作，使得虚拟驾驶车辆的位置在行驶环境中不断变化，以此产生驾驶员和虚拟环境的交互，达到训练驾驶员动作的目的。这种能够正确模拟汽车驾驶动作，获得实车驾驶感觉的仿真系统就是汽车虚拟驾驶系统，它是既能进行汽车驾驶训练，提高驾驶员水平，又能降低各种费用的汽车训练装置。运用这种装置进行汽车驾驶训练，可以减少实车训练带来的意外伤害，具有节约能源和经济，并且不受时间、气候和场地限制。
现今驾校成本不断增加，利润逐年下降，培训效率低，满意度差，必须通过提高效率争取生源，扩大经营降低成本的方式来改变现状，模拟驾驶训练加实车驾驶训练，是一种行之有效的现代汽车驾驶员培训模式。在各方面受限的情况下，首先采用不易损坏、没有危险的虚拟驾驶系统对训练内容模拟，在学员对训练内容熟练操作后再进行实车训练，避免了对实车的巨大损耗，提高了训练效率，减低了驾驶培训的危险性。在新的《汽车驾驶培训大纲》中将汽车驾驶模拟训练列入其中，证明了虚拟驾驶系统的重要性。
1.2国内外的研究现状
早在上世纪70年代，美国、西欧等一些发达国家就开始汽车虚拟驾驶系统的研究[7]。上世纪80年代以来，德国、瑞士、日本、美国的各大汽车厂家都分别建立了开发型汽车虚拟驾驶系统[8]。德国奔驰公司于1985年建成了6自由度汽车虚拟驾驶系统，其性能代表当时汽车虚拟驾驶系统技术的最高水平；1989年，德国大众汽车公司则更新了原有虚拟驾驶系统的计算机系统和视景生成系统，并用于新产品的研制中；20世纪80年代，瑞典VDI公司也投资建成了汽车虚拟驾驶系统，用于瑞典车辆和交通系统的研究与开发；美国GM汽车公司1989年开始研制开发性虚拟驾驶系统，至今为止已经开发出第二代产品[8-9]，其性能指标居世界领先水平。1993年，美国FORD汽车公司也开始研制自己的开发型虚拟驾驶系统；美国阿依华车辆中心于1993年就启用1300万美元来开发汽车驾驶模拟系统，1996年又增加投资3000万美元由TRW公司进行改进，作为研究高速公路及车辆系统的国家研究基地的一部分，被称之为国家先进汽车驾驶模拟器（NDAS）；1993年，美国交通部（DOT）招标建立美国的大型驾驶模拟器，IOWA大学中标。1991年日本马自达公司兴建了跑车型开发性驾驶模拟器，1995年日本汽车研究所（JARI）也建成了带有体感模拟系统的驾驶模拟器[10-13]。
在国内，汽车虚拟驾驶系统发展较晚，一些公司开发了汽车虚拟驾驶系统，但与国际先进水平存在一定的差距。随着汽车驾驶训练需求的增长，引进的汽车虚拟驾驶系统价格昂贵，并且不适合我国的交通规则，使得国内研制自己的汽车虚拟驾驶系统尤为重要。
19世纪20年代初期，北京航空航天大学、国防科技大学、中国航空精密机械研究所，东南大学、吉林大学， 等单位都开展了积极的研究工作，并开发出了一些产品，其中北京航空航天大学研制的MCGI-9410T计算机成像系统、航空精密机械研究所研制的QM—CGI汽车驾驶训练模拟系统较有代表性，吉林大学建设的具有6自由度运动系统的开发型车辆驾驶模拟器，其规模和性能居世界先进水平 。吉林大学动态模拟国家实验室是1989年获得批准，利用世界银行贷款建设的国家重点实验室，在1996年12月建成，1997年起正式进入国家重点实验室队列。该实验室于2006年开发了大型开发型汽车虚拟驾驶系统。
1.3虚拟驾驶系统的分类
早在上世纪70年代，美国、西欧等一些发达国家就开始汽车虚拟驾驶系统的研究[7]。上世纪80年代以来，德国、瑞士、日本、美国的各大汽车厂家都分别建立了开发型汽车虚拟驾驶系统[8]。德国奔驰公司于1985年建成了6自由度汽车虚拟驾驶系统，其性能代表当时汽车虚拟驾驶系统技术的最高水平；1989年，德国大众汽车公司则更新了原有虚拟驾驶系统的计算机系统和视景生成系统，并用于新产品的研制中；20世纪80年代，瑞典VDI公司也投资建成了汽车虚拟驾驶系统，用于瑞典车辆和交通系统的研究与开发；美国GM汽车公司1989年开始研制开发性虚拟驾驶系统，至今为止已经开发出第二代产品[8-9]，其性能指标居世界领先水平。1993年，美国FORD汽车公司也开始研制自己的开发型虚拟驾驶系统；美国阿依华车辆中心于1993年就启用1300万美元来开发汽车驾驶模拟系统，1996年又增加投资3000万美元由TRW公司进行改进，作为研究高速公路及车辆系统的国家研究基地的一部分，被称之为国家先进汽车驾驶模拟器（NDAS）；1993年，美国交通部（DOT）招标建立美国的大型驾驶模拟器，IOWA大学中标。1991年日本马自达公司兴建了跑车型开发性驾驶模拟器，1995年日本汽车研究所（JARI）也建成了带有体感模拟系统的驾驶模拟器[10-13]。
在国内，汽车虚拟驾驶系统发展较晚，一些公司开发了汽车虚拟驾驶系统，但与国际先进水平存在一定的差距。随着汽车驾驶训练需求的增长，引进的汽车虚拟驾驶系统价格昂贵，并且不适合我国的交通规则，使得国内研制自己的汽车虚拟驾驶系统尤为重要。
19世纪20年代初期，北京航空航天大学、国防科技大学、中国航空精密机械研究所，东南大学、吉林大学， 等单位都开展了积极的研究工作，并开发出了一些产品，其中北京航空航天大学研制的MCGI-9410T计算机成像系统、航空精密机械研究所研制的QM—CGI汽车驾驶训练模拟系统较有代表性，吉林大学建设的具有6自由度运动系统的开发型车辆驾驶模拟器，其规模和性能居世界先进水平[14-17]。吉林大学动态模拟国家实验室是1989年获得批准，利用世界银行贷款建设的国家重点实验室，在1996年12月建成，1997年起正式进入国家重点实验室队列。该实验室于2006年开发了大型开发型汽车虚拟驾驶系统

2虚拟驾驶系统VDS-1的架构
为了实现虚拟驾驶系统VDS-1能够在个人计算机上运行，并满足训练的要求，总结了需要解决虚拟驾驶系统的一系列问题，并根据现有的技术水平，选用合理的开发工具进行开发。
2.1虚拟驾驶系统的关键技术
运行于个人PC机上的虚拟驾驶系统VDS-1，在满足训练要求的情况下，尽量要使系统逼真、降低成本，提高性价比。因此，需要解决下面的技术难题。
1．海量数据的快速提取  虚拟现实技术的应用对象往往数据量十分巨大，为此，我们需要设计特殊的数据结构和算法,使系统漫游时最大限度地节约时间，在海量数据中提取视场范围内所有“可见”要素数据，以保证系统以一定的交互速率运行(每秒绘制图像帧数FramesperSecond,简称FPS)。
2．实时三维图形生成技术  实时显示的刷新频率不能低于15帧/ｓ，而复杂场景的显示存在巨大的计算量，在不降低图形的质量和复杂度的前提下，提高刷新频率是该技术的关键，否则，系统漫游时将会产生画面停顿和不连续的现象。
3．人与场景的融合技术 虚拟现实的沉浸感和交互特征依赖于人与场景的融合技术,这主要体现在立体显示和传感器技术方面。
4．立体图像的生成和显示 根据双目立体视觉原理，由计算机屏幕显示的视景系统，需分别渲染出左右眼图像，并配合立体眼镜，使得左眼观察左眼图像，右眼观察右眼图像，并不断交替显示。
5．主动驾驶车辆的控制及虚拟场景中车辆运动状态的表现 虚拟驾驶系统中的主动驾驶车辆受驾驶员输入的控制，能进行基本的前进、转弯、倒车等驾驶运动。车辆的运动规律应符合实际车辆的运动规律。
6．后视镜的实现 主动驾驶车辆在行驶的过程中，能控制车辆的后视镜是否显示，并可通过后视镜观察车辆后方的场景。
7．碰撞检测的实现 虚拟场景中的运动物体当位置上互相重叠时，发生碰撞，车辆的运动轨迹超出运行的路面范围，应可以识别和报错。
8．各种天气状况的模拟，场景雾的实现等 对虚拟场景进行雾化，增加场景的沉浸感和真实感，并产生纵深的感觉。
2.2桌面虚拟现实技术及应用
虚拟现实技术（Virtual Reality，简称VR）是在计算机图形学、计算机仿真技术、人机接口技术、多媒体技术以及传感技术的基础上发展起来的交叉学科，对该技术的研究始于20世纪60年代，直到90年代，虚拟现实技术作为一门比较完整的体系而受到人们的极大关注[2-3]。
虚拟现实是把客观世界中的某一局部或想像的世界用电子的方式模拟出来，并且能够让你进入这个局部世界，犹如身临其境；而且，这种身临其境不是静态的，当你在局部世界活动时，你会感到“境”相应的变化。虚拟现实技术是近十几年来发展起来的新技术，它结合三维图形生成技术、多传感交互技术以及高分辨显示技术，生成逼真的三维环境。是一种模拟人在自然环境中的视觉、听觉、触觉等行为的高度逼真的人机交互技术，是利用人类感知能力和操作能力的新方法。它使计算机从一种只用键盘、鼠标进行操作的设备变成了人处于计算机生成的环境中，通过感官、语言、手势等比较自然的方式进行“交互、对话”的系统和环境，即虚拟现实环境。
近年来，随着计算机技术、网络技术等新技术的高速发展和应用，虚拟现实技术也发展相当迅速。根据用户参与虚拟现实的不同形式以及沉浸的程度不同，可以将虚拟现实系统分为三类：沉浸式虚拟现实、桌面式虚拟现实、共享性虚拟现实[2]。沉浸性虚拟现实系统是最理想的追求目标，他提供了一个完全沉浸式的体验，使用户有置身于真实世界之中的感觉。需要价格昂贵的硬件如头盔、数据手套、身体部位跟踪器把用户的视觉听觉和其它感觉封闭起来，并提供一个新的，虚拟的感觉空间。由于成本较高，不容易得到普及。桌面虚拟现实（Desktop VR）也称窗口虚拟现实，是利用个人计算机屏幕作为用户观察虚拟世界的一个窗口，采用立体图形、自然交互等技术。在桌面虚拟现实系统中，计算机的屏幕是用户观察虚拟世界的一个窗口，配合立体眼镜观看虚拟三维场景的立体效果。虽然用户处于不完全沉浸的环境，但因技术简单，实用性强，需要投入的成本低，在实际中应用广泛。共享性虚拟现实是多个客户通过计算机网络连接到仪器，同时进入由服务器构筑的虚拟空间，在共同的虚拟环境中协同操作。其中，桌面虚拟现实技术能够实现沉浸的感觉，并且成本低的优点在虚拟驾驶系统中得到应用，对开发虚拟驾驶系统提供了技术支持。
桌面虚拟现实技术具有一般虚拟现实技术的三个突出的特征：沉浸感（Immersion）、构想（Imagination）和交互性(Interactivity)，即虚拟现实的3I特性。
沉浸感是使用者作为主角存在于虚拟环境中的真实程度，指用户感觉到好像完全置身于虚拟世界中一样，被虚拟世界所包围。虚拟现实技术的主要特征就是让用户觉得自己是计算机系统所创建的虚拟世界中的一部分，是用户由被动的观察者变成主动的参与者，沉浸于虚拟世界之中，参与虚拟世界的活动。虚拟现实的沉浸性来源于对虚拟世界多感知性，常见的感知有视觉感知、听觉感知，还有触觉感知、力觉感知、运动感知等[2]。
交互性即用户对虚拟环境内物体的可操作程度和从环境得到的反馈的自然程度。虚拟现实的交互性的实现于传统的多媒体技术有所不同，在传统的多媒体技术中，人机之间的交互工具主要是通过键盘与鼠标进行一维、二维的交互，而虚拟现实系统强调人与虚拟世界之间要以自然的方式进行交互，并且借助虚拟现实系统中的特殊硬件设备，如数据手套、方向盘等，以自然的方式与虚拟世界进行交互，实时产生在真实世界中的一样的感觉。这中交互性具有以下特点：人的参与与反馈；人机交互的有效性；人机交互的实时性。
想象性强调虚拟现实技术应具有广阔的可想象空间，可拓宽人类的认知范围。虚拟现实技术不仅仅是一个媒体或者一个高级用户界面，它可以用来实现一定的目标，如解决工程、医学、军事等方面的问题，它使人类可以突破时间与空间的限制，去体验和研究世界上早已发生和尚未发生的事件，或进入宏观和微观世界进行研究，以及复杂条件问题的研究。
虚拟现实的沉浸性，交互性和想象性，使参与者能沉浸与虚拟世界之中，并进行交互。桌面虚拟现实系统。虚拟现实系统是通过视、听、触觉等信息通道感受到设计者思想的高级用户界面。
将桌面虚拟现实技术应用于汽车驾驶模拟系统的开发。首先配置开发的硬件条件，现在计算机的性能有了很大的提高，使用个人计算机来开发虚拟驾驶系统，配合方向盘和立体眼镜交互工具，以及音响等。VDS-1软件的开发过程为：首先构造三维场景中的各种物体，如城市建筑、道路、行人、汽车等场景中的物体，即建立3D模型库和汽车模型库；然后，建立人机交互接口，读取驾驶员驾驶过程中的各种操作参数，并设定出人员操作过程中的逻辑判断策略；在系统仿真过程中，根据驾驶员的操作参数，利用汽车动力学模型的计算公式，得出汽车的运动数据，以此驱动视点的运动，根据视点的位置和方向，渲染出相应的虚拟场景和音响效果，使驾驶员沉浸到虚拟环境中去，进行汽车驾驶训练。利用开发的虚拟驾驶软件，在个人计算机上实现满足沉浸感、交互性的汽车驾驶平台，给驾驶员提供逼真的驾驶环境，给汽车驾驶训练提供了极大的方便。
3 VDS-1场 景 的 雾 化
为了增加虚拟环境的真实感，可以在环境中模拟诸如晴天、阴天、雨天、雾天等自然现象。雾化是指Direct3D程序模拟真实世界的云雾、水汽、灰尘等自然景观。在雾气较严重的地区，往往距离观察点很近的物体比较清晰，而远处的物体随着距离的增加会变得越来越模糊[34]。在场景中添加雾可以产生纵深感和距离感，增加三维场景的真实感，也可以用来营造气氛。
在Direct3D图形系统中，雾化是通过将景物的颜色和雾的颜色进行混合来实现的。影响混合比例的参数为混合因子，混合因子随着物体和观察点距离的而衰减。距离观察点越远，混合因子越小，场景中物体的原色越小，雾的颜色越大，雾化效果越明显[35]。Direct3D计算雾化的方法如下：

其中，表示雾化后的场景颜色，表示雾化混合因子，场景原来的颜色，程序定义的雾的颜色。
Direct3D采用了2中方法进行雾化处理：顶点雾化和像素雾化[36]。
根据Direct3D的雾化计算公式，将雾分为三种类型：线性雾、指数类型1、指数类型2，枚举常量D3DFOGMODE定义了这三种雾化公式，其中

为线性雾的混合因子的变化公式，根据这个公式，雾化效果随距离呈线性增加，其中，和表示雾化起点和终点与观察点的距离，表示当前计算点与观察点的距离；为指数类型1雾的混合因子的变化公式，根据这个公式，雾化效果随距离按指数规律增加，其中表示当前计算点与观察点的距离，表示雾的密度；表示指数类型2雾的混合因子的变化公式，根据这个公式，雾化效果随距离按指数平方的规律增加。图3.9为雾化后的场景运行效果。

4 总 结 与 展 望
4.1 主要研究工作总结
通过分析汽车驾驶模拟系统的发展现状及存在的问题，目前国内外虚拟驾驶系统的研究现状及常用方法，提出了课题的研究背景和意义，并进行了基于桌面虚拟现实技术的虚拟驾驶系统VDS-1的设计。和汽车实车驾驶训练相比较，使用虚拟驾驶系统可以消除初上车学员的紧张感，并且可以节省燃油，消除污染，训练时间灵活，硬件配置的低成本有利于系统的推广。主要进行了以下几个方面的工作：
1．视景子系统的设计和生成 视景子系统是利用计算机实用图像生成子系统产生车辆行驶过程中驾驶员所看到的虚拟环境，如道路、建筑、交通标志、车辆、行人等。通过应用三维建模软件工具3DS MAX，建立了虚拟驾驶的三维场景和运动物体，并将场景导入程序，通过设置虚拟摄像机，并进行坐标变换，生成了视景子系统。
2．音响子系统的设计 音响子系统可以营造更加逼真的模拟环境。通过准备各种声音的素材，并配合行车过程根据驾车状况进行调用，成功营造了行车过程中的各种声音。
3．操控子系统的设计和实现 用户可以操作方向盘、油门踏板、脚刹踏板、离合器踏板、档位、手刹车、点火开关等设备，成功的实现了方向盘控制车辆在虚拟场景中进行符合运动规律的行驶。
4．双目立体成像技术的应用，立体成像程序的实现。为了形成驾驶行车中的真三维立体环境，利用双目视觉原理，推导了体视变换算法，编制了立体双目立体成像程序，分别生成了左右眼图像，渲染出了立体图像对。
5．主动驾驶车辆后视镜的设计，实现了后视镜渲染窗口，行车过程中，可根据驾驶需要开启和关闭左右后视镜。
6．运动物体的设计 场景中的运动物体分为沿预订路线行驶的车辆和行人，以及模拟行车的主动驾驶车辆，并利用操控装置，实现了在虚拟场景中进行驾驶训练。
应用开发的虚拟驾驶系统进行汽车驾驶训练，其中典型的运行效果图5.1（虚拟驾驶开始的地方），图5.2（汽车驾驶过程中开启了后视镜），图5.3（对虚拟场景进行了线性雾化），图5.4（对虚拟场景进行了指数雾化），图5.5（更换了主动驾驶车辆），图5.6（在雾化场景中开启后视镜）。

图5.1汽车出发的场景位置

图5.2车辆的行驶过程中开启了后视镜

图5.3 对场景进行了线性雾化

图5.4 对场景进行了指数雾化

图5.5 更换了主动驾驶车辆

图5.6雾化场景中开启后视镜
4.2 VDS-1系统的创新点
1．视景子系统的设计和生成 视景系统是利用计算机实用图像生成子系统产生车辆行驶过程中驾驶员所看到的虚拟环境，如道路、建筑、交通标志、车辆、行人等。通过应用三维建模软件工具3DS MAX，建立了虚拟驾驶的三维场景和运动物体，并将场景导入程序，通过设置虚拟摄像机，并进行坐标变换，生成了视景系统。
2．音响子系统的设计 音箱系统可以营造更加逼真的模拟环境。通过准备各种声音的素材，并配合行车过程根据驾车状况进行调用，成功营造了行车过程中的各种声音；
3．操控子系统的设计和实现 用户可以操作方向盘、油门踏板、脚刹踏板、离合器踏板、档位、手刹车、点火开关等设备。成功的实现了方向盘控制车辆在虚拟场景中进行符合运动规律的行驶，
4．双目立体成像技术的应用，立体成像程序的实现。为了形成驾驶行车中的真三维立体环境，利用双目视觉原理，推导了提示变换算法，编制了立体双目立体成像程序，分别生成了左右眼图像，渲染出了立体图像对。
5．主动驾驶车辆后视镜的设计，实现了后视镜渲染窗口，行车过程中，可根据驾驶需要开启和关闭左右后视镜。
4.3 VDS-1系统存在的不足
对于开发虚拟驾驶这样的大型系统来说，需要大量的人力和物力。本人在三年的时间里，通过系统的学习和不懈的努力，完成了系统的基本功能，但要其成为一个成熟完善的系统，目前还存在许多不足之处：
1．交通规则还没有很好的模拟，在一个完善的驾驶模拟系统当中，无论是行人还是车辆都应该严格的遵守交通规则，例如，当车辆闯红灯或者在转弯时没有打转向灯就应该用声音或文字来提示用户，从而达到真实模拟的效果。
2．使用的动力模拟、转向模拟、碰撞检测和违规判别的数学模型都是最基本的，实际的模拟效果与真实数据还有一定的差距。因为建立较为复杂的数学模型需要通过实物实验的数据和复杂的数学建模与分析，才能得到较为准确的模拟算法。
3．虚拟场景中智能物体种类只有行人和车辆，应该增加诸如摩托车、自行车等运动物体。
4．场景种类单一，需要更多的场景才能达到训练的目的。
4.4 展望
VDS-1系统还需要绘制更加专业的场景模型，建立更加复杂和真实的虚拟场景；在程序中需要制作更多种类的智能物体，模拟出更加逼真的场景。同时需要建立智能体管理器，对所有智能物体有总体的管理，达到资源优化的作用；通过实验获取实际数据，在使用数学建模的手段，改善模拟算法，让驾驶过程的模拟更接近实际。
尽管我们开发的这个系统只是实现了虚拟驾驶的基本功能，和一个成熟的虚拟驾驶系统相比还有很大的差距，但我们相信，通过不懈的努力和工作积累，本系统一定会更加完善、更加成熟，并最终走上社会，为社会服务。
参 考 文 献
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