基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的汽車駕駛模擬系統(tǒng)研究

魏澤榮

摘 要 隨著車輛增多，汽車駕駛已成為越來越多人必備的技能，基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的汽車駕駛模擬系統(tǒng)由于其不受環(huán)境及天氣影響等優(yōu)點(diǎn)逐漸受到國內(nèi)外的重視。本文對該模擬系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及具體組成部分進(jìn)行了研究，包括建模方法、檢測模塊及顯示系統(tǒng)三大部分，最終對其研究前景進(jìn)行了展望。

【關(guān)鍵詞】虛擬現(xiàn)實(shí) 汽車駕駛 模擬系統(tǒng)

1 引言

隨著社會(huì)的發(fā)展，車輛逐漸增多，由此帶來的交通問題日益嚴(yán)重，而許多交通事故的產(chǎn)生都是因?yàn)轳{駛?cè)藛T技術(shù)不過關(guān)。目前，駕駛員的培訓(xùn)通常是在真實(shí)場地進(jìn)行實(shí)際訓(xùn)練，需要大量的汽車資源，并且在訓(xùn)練時(shí)受到車型及天氣的限制。在此基礎(chǔ)上，基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的汽車駕駛模擬系統(tǒng)受到人們的重視。該模擬系統(tǒng)能夠提供相對真實(shí)的開車環(huán)境，精確地模擬汽車駕駛員的動(dòng)作，以訓(xùn)練其在不同場景下對于汽車的操縱熟練程度。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以通過創(chuàng)建虛擬環(huán)境而使人們能夠進(jìn)行實(shí)際體驗(yàn)，涉及到的技術(shù)主要包括模擬環(huán)境、傳感設(shè)備等多個(gè)方面。基于該技術(shù)，目前的汽車駕駛系統(tǒng)通常聚集傳感器、人工智能、多媒體等多種先進(jìn)技術(shù)，不僅能夠讓駕駛員沉浸到系統(tǒng)所提供的環(huán)境中，還能對該環(huán)境進(jìn)行一定的操作并得到相應(yīng)的反饋。本文重點(diǎn)對基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的汽車駕駛模擬系統(tǒng)進(jìn)行研究。

2 駕駛模擬系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

為了更好地了解駕駛模擬系統(tǒng)的組成，本文首先對虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的相關(guān)知識(shí)進(jìn)行介紹。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的兩個(gè)主要特征分別是：交互性以及沉浸感。

2.1 交互性

指用戶與虛擬場景中的各種元素相互作用的能力，環(huán)境中的各種因素可以反饋到人，而人可以做出相應(yīng)的反應(yīng)并反作用于環(huán)境，形成相互交互的過程。這是人機(jī)和諧的關(guān)鍵性因素。

2.2 沉浸感

指的是用戶能夠?qū)⒆约悍旁谔摂M環(huán)境中，并且其感知與真實(shí)環(huán)境不會(huì)出現(xiàn)較大偏差，最好能夠完全模擬真實(shí)環(huán)境，給用戶帶來極其真實(shí)的感受。這也是虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的核心。

將上述虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的特征考慮在內(nèi)，目前常用的汽車駕駛模擬系統(tǒng)通常包括不同場景的畫面顯示，并將其作為三維畫面由用戶接收；一系列的操作系統(tǒng)，如轉(zhuǎn)向盤、操作按鈕、檔位變換器等；一定的建模規(guī)則，例如當(dāng)猛踩急剎車時(shí)，車輛會(huì)繼續(xù)向前滑動(dòng)一定距離，并且人會(huì)向前傾。首先通過人為制定規(guī)則，對車輛所處的環(huán)境、車輛本身的狀態(tài)以及駕駛員感受到的狀態(tài)進(jìn)行建模；其次，通過各種傳感器檢測駕駛員在車輛行駛過程中的行為，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后，得到相應(yīng)的操作參數(shù)；最終，通過人機(jī)交互接口將這些參數(shù)傳入到計(jì)算機(jī)中，利用建立好的模型計(jì)算出汽車的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及駕駛員視場，使駕駛員沉浸在駕駛的場景中。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

3 駕駛模擬系統(tǒng)模塊組成

具體來說，模擬系統(tǒng)應(yīng)包括以下幾個(gè)部分：建模方法，包括對場景的建模以及車輛行駛的仿真建模兩種；檢測模塊，主要由各種傳感器組成，能夠檢測到用戶的行為并輸入到計(jì)算機(jī)中，從而達(dá)到與系統(tǒng)進(jìn)行交互的目的；顯示系統(tǒng)，主要用于為駕駛員提供具有真實(shí)感的體驗(yàn)環(huán)境。接下來，本文將對這三個(gè)模塊進(jìn)行詳細(xì)介紹。

3.1 建模方法

為了模擬虛擬環(huán)境，并達(dá)到逼真的效果，首先要考慮的就是建模方法，這是實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)的前提和關(guān)鍵。建模的方法包括幾何建模、物理建模及行為建模等。在實(shí)際建模過程中，為了減小模型的復(fù)雜度，可以在一定程度上對真實(shí)物體的特征進(jìn)行簡化。接下來將分別描述上述三種建模技術(shù)在駕駛模擬系統(tǒng)中的實(shí)際應(yīng)用。

在幾何及物理建模中，駕駛模擬系統(tǒng)需要重點(diǎn)考慮的就是車輛行駛所處的場景。一般來說，一個(gè)能夠滿足用戶需求的駕駛模擬系統(tǒng)需要包含以下三個(gè)場景：

3.1.1 駕考中心

駕校學(xué)員在考駕照過程中，需要在駕考中心進(jìn)行科目二的測試，因此一個(gè)符合用戶要求的模擬系統(tǒng)首先應(yīng)該包括該中心的考場地形圖，如S型彎道等，如圖2（a）所示。

3.1.2 城市道路環(huán)境

駕駛員在開車過程中，需要在正常的城市道路進(jìn)行汽車駕駛，因此為了訓(xùn)練其駕駛熟練度，應(yīng)對真實(shí)的城市道路環(huán)境進(jìn)行建模，主要包括城市建筑與景觀、樹木、廣場等，如圖2（b）所示。

3.1.3 山區(qū)道路環(huán)境

為了考研駕駛員在惡劣情況下的車輛駕駛技能，需要對山區(qū)道路環(huán)境進(jìn)行建模，包括上坡、隧道等較難駕駛的道路，如圖2（c）所示。

在行為建模中，需要根據(jù)駕駛員的操作推斷出車輛的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)以及駕駛員視場中的畫面內(nèi)容。首先將不同類型的車輛參數(shù)進(jìn)行記錄，根據(jù)用戶所選擇的不同車型進(jìn)行切換，并選擇不同的模型：車身模型、剎車模型、加速踏板模型、轉(zhuǎn)彎模型等。當(dāng)駕駛員對模擬車輛進(jìn)行操作時(shí)，根據(jù)其操作結(jié)果，利用人機(jī)交互接口獲得不同的傳感器參數(shù)，同時(shí)參考其選擇的車輛模型，計(jì)算出車輛的當(dāng)前狀態(tài)，例如車速、車輛當(dāng)前的位置等信息，并反饋給駕駛員。

3.2 檢測模塊

為了讓駕駛員在操作過程中有沉浸感，需要進(jìn)行人機(jī)交互，其中最重要的一部分就是對于駕駛員動(dòng)作的檢測。目前的駕駛模擬系統(tǒng)在硬件上通常與真實(shí)的車輛系統(tǒng)相似，包括方向盤、剎車、加速踏板等部件，每個(gè)部件上都安裝了對應(yīng)的傳感器以檢測其狀態(tài)，最后，檢測到的參數(shù)通過人機(jī)交互接口輸入道計(jì)算機(jī)系統(tǒng)以模擬車輛目前的行駛狀態(tài)。檢測模塊的流程圖如圖3所示。

通過上述系統(tǒng)，能夠?qū)Ⅰ{駛員對于車輛的操作信息傳遞到車輛的仿真模型中，從而實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，使得車輛的模擬運(yùn)動(dòng)狀態(tài)能夠被人所控制。

3.3 顯示系統(tǒng)

在顯示系統(tǒng)中，駕駛員需要看到三維的場景，從而增加其對于場景的沉浸感。人們之所以感受到立體的環(huán)境，主要是因?yàn)樽笥覂芍谎劬δ軌蚩吹讲煌膱D像，因此可以利用該特點(diǎn)制造出可以看出立體畫面的設(shè)備。

為了達(dá)到立體的視覺效果，目前常用的系統(tǒng)通常是將兩臺(tái)投影機(jī)和3D眼鏡結(jié)合使用。首先將兩臺(tái)投影機(jī)上下疊加，并且每個(gè)投影機(jī)前面都放置一個(gè)偏振光片，兩個(gè)偏振光片之間的角度為90°，以保證投影儀投影出來的畫面互不相同。與此同時(shí)，用戶需要佩戴相應(yīng)的3D眼鏡，這兩個(gè)鏡片之間的角度也是90°，從而保證人的兩只眼鏡分別看到不同的畫面。最終，兩個(gè)畫面疊加，用戶可以看到立體畫面。

在駕駛模擬系統(tǒng)中，用戶可以通過佩戴相應(yīng)的眼鏡得到三維畫面的觀看效果，以模擬車輛在真實(shí)運(yùn)動(dòng)場景中的行駛狀態(tài)。

4 總結(jié)與展望

本文對基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的駕駛模擬系統(tǒng)進(jìn)行了研究，并對其組成部分及其中用到的主要技術(shù)：包括建模方法、檢測模塊、以及最終的顯示系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)的介紹。駕駛模擬系統(tǒng)不受環(huán)境、天氣的影響，并且能夠節(jié)省大量的車輛資源，目前已經(jīng)越來越多的受到人們的重視，其技術(shù)也日趨成熟。從其未來發(fā)展看，其趨勢有：

（1）對于不同駕駛員的心理狀態(tài)進(jìn)行測試，記錄不同心理狀態(tài)下的駕駛員最有可能的駕駛行為，并保存在駕駛行為庫中。這是因?yàn)樵诰o急狀態(tài)下，駕駛員的心理對其駕駛行為產(chǎn)生很大的影響，甚至直接決定是否發(fā)生交通事故。根據(jù)其心理狀態(tài)進(jìn)行道路的測試能夠讓駕駛員進(jìn)行不斷地學(xué)習(xí)，從而激發(fā)其想象及學(xué)習(xí)能力，最終達(dá)到更好的虛擬現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)。

（2）對用戶的反饋進(jìn)行更加真實(shí)的模擬，如風(fēng)吹過，手的觸感，車輛的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)等，使虛擬場景與真實(shí)體驗(yàn)之間交互更強(qiáng)，從而增強(qiáng)用戶體驗(yàn)，使得其沉浸感更強(qiáng)。

（3）對實(shí)際交通中的各種復(fù)雜交通狀況進(jìn)行模擬。在未來的發(fā)展中，可以增加各種復(fù)雜的道路情況，例如堵車、行人橫穿馬路等，從而使得其模擬的場景更加真實(shí)，增加用戶的沉浸感，從而更好地對駕駛員進(jìn)行訓(xùn)練及測試。

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作者單位

浚縣一中 河南省鶴壁市 456250