駕駛人應激訓練系統開發

寇增亞　劉浩學　趙煒華

【摘要】為解決交通心理學課程教學及駕駛人訓練中應激反應難以進行實驗的問題，開發了駕駛人應激訓練系統。以Visual C++編程環境為平臺，綜合運用DirectX技術、3ds Max、Photoshop和骨骼動畫技術，模擬道路駕駛中的人-車-路及環境，結合駕駛應激狀態產生機理，設計多個形象逼真的應激訓練場景。系統不僅可以實現人機交互，而且包括發動機聲音、制動、鳴笛等音效系統。系統應激場景多，畫面逼真且運行流暢，可實現安全狀態下的駕駛應激過程體驗，滿足教學和訓練需要。

【關鍵詞】交通心理學 應激 訓練 實驗 系統

【基金項目】中央高校基本科研業務費專項資金（50778023）；長安大學基礎研究支持計劃專項基金資助；汽車運輸安全保障技術交通行業重點實驗室開放基金資助。

【Abstract】In order to solve the problem that stress response is difficult to test in traffic psychology courses and driver training a stress training system of drivers was developed. Development took advantage of DirectX， 3ds Max， Photoshop and Skeletal animation on the platform of Visual C++ Program. Combined with the mechanism of driving stress many vivid stress scenes were designed to simulate traffic system including person， road， automobile and environment. System not only can achieve human-computer interaction， but also include audio systems such as engine sound， brake and whistle. System involves many stress scenarios and run smoothly. System moot the needs of teaching and training and realize the experience of stress in driving.

【Keywords】traffic psychology； stress； training； experiment； system

【中圖分類號】U491.254 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2015）08-0211-02

實驗教學是學生理論聯系實際的重要環節，不僅是課程教學的必要補充，而且可以提高學生動手能力，增強對實際問題的理解，獲得真實體會，加深理解和記憶，為創新能力培養提供平臺[1-3]。在交通心理學和汽車性能等實驗教學課程中，駕駛人心理、駕駛行為和車輛運動狀態等，均屬于可描述但無法體驗的實驗項目。駕駛模擬器雖然可實現一部分功能，但也存在缺陷，主要是駕駛應激狀態模塊缺少。駕駛人在緊急情況下所表現出的行為狀態稱為應激狀態。應激是在出乎意料的緊張或危險情況下，引起的情緒狀態，是駕駛人對各種刺激應答性反應的綜合表現，即各種不同刺激對駕駛人的作用，以及這些作用所導致的駕駛人的各種變化。駕駛人在行車過程中突然碰到危險情況時，需集中精力、保持高度的緊張狀態，充分發揮自己的駕駛技能，才能應付突如其來的危險[4，5]。對于駕駛人應激狀態實驗，因為實車實驗容易發生事故，存在非常大的危險性，所以在交通心理學教學中，從未進行過相關內容實驗。但駕駛人應激狀態下的反應，對于交通安全影響巨大，對于相關教學和研究也具有重要意義。基于上述原因，本文利用現有駕駛模擬器平臺，開發駕駛人應激訓練及體驗系統，填補實驗項目空白，滿足了教學和相關研究需要。

1.系統開發的理論基礎

對于復雜交通環境中所出現的應急狀態，會因為個體差異而存在很大不同。當實驗進行過程中，有些實驗者可能會做出完全錯誤的反應和操作。而對于這類錯誤反應的學生，在以后工作和學習中的偏誤認識將長期存在，即使反復進行理論講解和分析，也無法使其認識深入[6，7]。實踐證明，人們可以通過有計劃、有目的的專項訓練來掌握或提高從事某種社會活動的能力。這是由于大腦皮層具有系統性活動的機能，能夠把這些“刺激”有規律地協調成為一個條件反射鏈索系統，由此造成的結果就是動力定型。動力定型形成以后，一旦有關刺激物作用于有機體，條件反射的鏈索系統就自動地出現。所以動力定型又稱自動化了的條件反射系統，即由于條件反射“習慣”的長期積累、強化，以致成為一種固定化的動作模式。人們在生活中養成的各種習慣、技能以及生活方式都是動力定型的建立。

基于以上理論，應激狀態反應也是一種動力定型，而相關的訓練和體驗過程就是這種動力定型的建立過程。對學生來說，則可以實現駕駛人應激狀態體驗。對于研究人員來說，可對被試者進行反復的應激訓練，研究應激狀態的反應時間減少量和反應準確率的提高程度。對于駕駛人來說，通過訓練的途徑豐富了駕駛人的經驗，使得已形成的某種駕駛技能進行優化遷移，這在極大程度上減少或避免了交通事故的發生。

此類計算機學習和體驗系統，不僅可以保障學生完成低成本、安全的實驗教學內容，而且對于應激狀態的相關理論、車輛性能和駕駛行為等研究工作，也具有重要意義。

2.系統開發技術基礎及工具

該系統以市場購置的駕駛模擬器為平臺，在此基礎上進行開發。由于開發過程對于部分配件的技術參數要求相對較高，對原機的部件進行了更換。計算機CPU為 2.66G/8MB /45nm，顯卡選用HD5770，顯存為1G，內存為2GB，其它為常規配置。由于Windows操作系統在中國的普及性較高，而且具有兼容性與可移植性好等突出的優點，所以本課件的開發選擇在Windows XP下進行。而在Windows操作系統壞境下所運行的各種三維動畫、虛擬現實、游戲等，大多需要DirectX技術的支持[8]。

為了使系統運行流暢，各種應激場景形象逼真，以微軟DirectX技術、Visual C++編程環境并結合多種計算機圖形軟件，實現駕駛人應激訓練系統的開發。應用3ds Max和Photoshop軟件建立了車輛、交通標志、路沿石等近40個三維網絡模型，并采用骨骼動畫這一新技術，實現人物行走的動畫效果；實現了鍵盤、駕駛模擬器與應激系統的雙重實時交互，利用Direct3D矩陣變換實現了車輛加速、制動及轉向控制；同時系統為行車過程中添加了發動機、車輛制動、鳴笛等相關音效。

3.系統結構及實現方法

系統設計以不同道路環境下所產生的事故類型分析為基礎，提取該道路條件下出現概率較高的應急狀態，以現實環境為基礎構建應激場景的相關模型。場景設計和各模型在虛擬環境中，按照人類視覺特性建立坐標系，很好的將三維世界映射到計算機二維平面。系統包括視景子系統、控制子系統和音響子系統三個功能模塊。本系統可視性、操作性、靈活性強，界面設計友好，交互能力強。系統總體結構如圖1所示。

3.1視景子系統

在所建立的上述系統中，視景子系統是整個系統的重點和主體，是應激場景建立和功能實現的根本。該子系統主要用于表現場景的真實性和應激狀態的意外性。駕駛人在行車過程中所看到的一切都是構成視景子系統的元素。這些元素主要包括：道路、車輛、行人、天空、路燈、路沿石、交通標志、樹木以及遠處的群山等等。其部分模型效果如圖2、圖3所示。

1）車輛、建筑物和交通設施等模型

車輛、行人和道路環境是交通系統的三要素，在場景中添加這些模型不僅可以充實場景，而且還可以增強場景的立體感和真實性。

2）天空及道路的渲染

天空是應激場景的一個重要組成部分，它用于襯托場景氛圍，增加駕駛人的沉浸感。

3）行人的渲染

行人是重要的交通系統參與者，因為其具有行走隨意性大、方向多變等特點，因而由行人所引起的駕駛人應激經常發生。

4）樹木的渲染

樹木不僅是道路環境的必要組成部分，而且使動畫界面更加友好、美觀，也提高了畫面逼真程度。

5）駕駛室及群山的渲染

隨著道路環境的變化，駕駛室及周圍環境也相應變化，可以使得動畫內容更加豐富，而且可模擬不同道路條件下的差異。按照汽車行駛過車程中，進入駕駛人視野景物的三維參數和順序，將上述元素合理組合，構建相應的應激場景。在本系統中，設計了自行車騎乘人橫穿馬路、施工場地突然出現行人、正常行駛的前車突然制動停車、視線盲區突然駛過車輛四個典型場景。其中兩個場景的運行后效果分別如圖4、圖5所示。

3.2控制子系統

控制子系統就是將軟件系統與計算機鍵盤、駕駛模擬器等硬件系統建立友好鏈接，使駕駛人與應激訓練系統完成實時交互的一個系統。

本系統實現了對鍵盤和駕駛模擬器的雙重識別，通過任一方式均可完成對場景中的車輛實現加速、制動和轉向等功能的控制。本文采用一套由Fly Eagle公司開發，型號為FE-8288的駕駛模擬器，它主要由轉向盤、變速桿、加速踏板、制動踏板、駐車制動器及其他輔助按鍵組成。其系統構成如圖6所示。

3.3音響子系統

為了使整個應激場景更加逼真，系統建立了音響子系統。音響子系統通過DirectSound接口來實現行車過程中各種聲音的播放，這些聲音主要包括行車過程中的發動機聲音、制動聲音及鳴笛聲音等。以上聲音的播放過程，DirectSound提供了相應的封裝代碼。基本編程形式是，取得聲卡中的一塊內存或系統內存作為次緩沖區，裝入聲音數據到次緩沖區，設置聲音格式，調用次緩沖區的Play和Stop方法播放或停播聲音。這一步實際是實現次緩沖區數據到混聲器的傳送。然后數據在混聲器處理后，再進入主緩沖區，聲卡自動將聲音通過揚聲器播放出來。

4.系統技術特點

1）DirectX技術

通常所說的DirectX一般是指DirectX SDK，它是微軟公司提供的一套用于開發高性能多媒體程序的應用程序接口。它解決了高層軟件與硬件的隔離問題，從而使各個硬件廠商可根據DirectX制定的API規范生產各自的硬件和對應的驅動程序，并使高層DirectX應用軟件對各種硬件的實現具有普遍的適應性。基于DirectX開發的多媒體程序即可以充分利用系統硬件的加速功能，又隱藏了硬件相關的設備屬性。通過編寫與硬件設備無關的高效代碼，DirectX程序總能以最佳方式運行，因此具有效率高并且易于開發的優點。

2）紋理映射技術

紋理映射技術是駕駛人應激訓練系統在開發過程中所用到的關鍵技術之一。紋理是指物體表面本身所具有的圖案。在DirectX中，場景中的模型表面通常是由大量三角形面組合而成，如果場景中模型的數量較多并且結構復雜，系統渲染的實時性將達不到要求，導致系統畫面出現失幀，運行不流暢。所以對場景中的物體，應盡量采用較少的三角形面組成。紋理映射是一種將二維圖形映射到三維物體表面來產生特殊效果或真實感的一種技術，使用紋理映射技術可以避免對場景的每個細節都使用多邊形來表示，進而可以大大減少場景模型的多邊形數目，提高圖形顯示速度。場景中的許多建筑物，通過在立方體表面上貼圖，即采用紋理映射便可產生真實的視覺效果。

3）廣告牌技術

廣告牌（billboard）技術是一種2Din3D的三維仿真技術，可節省大量的三維計算處理。它將二維的“廣告牌”圖像放置在三維的場景中，并使它始終面向視點，這樣就可確保在計算機屏幕上，永遠只會見到廣告牌的正面，而不會見到廣告牌的側面。

廣告牌技術的原理是可簡單地利用一個矩形面貼上圖片來實現二維圖形的三維模擬。只要攝像機發生移動或旋轉，我們就同時移動或旋轉矩形面的4個頂點，使矩形面的法向量始終面對攝像機，這樣位于矩形面內的圖像看似就是三維的。具體實現可使用ID3DXSprite接口所提供的方法來進行。本應激訓練系統對樹木的渲染就是利用該技術實現三維模擬仿真的。

4）網絡模型技術

Direct3D可以通過程序代碼構建一些簡單的三維幾何圖形進行渲染，但對一些比較復雜的三維幾何圖形來說便顯得非常困難。通常情況下三維圖形開發接口需要與其他功能強大的三維建模軟件結合起來，先利用3ds Max、Maya等三維建模軟件制作出復雜物體的模型，保存到相應的模型文件中，然后三維圖形開發接口再將保存在文件中的模型加載到程序中進行顯示。

本應激訓練系統中的模型全部由3ds Max軟件制作，為了可以導出Direct3D可以識別的*.X文件，先要安裝一個與3ds Max版本對應的插件，這個插件俗稱熊貓插件。熊貓插件可以在網絡資源中下載，但必須要與3ds Max的版本一致，否則無效。

5）骨骼動畫技術

傳統的計算機動畫是采用圖形與圖像的處理技術，借助于編程或動畫制作軟件生成一系列的靜止圖像，通過一張一張播放這些靜止圖像的方法來產生物體運動的效果。但應用這種動畫技術，首先要將所有動畫圖片載入程序，占用內存空間較大，靈活性也不高。本文嘗試使用了骨骼動畫這種新技術，取得了比較理想的動畫效果。骨骼動畫是一種新興的三維動畫技術，其動畫效果具有人機交互的實時性、真實性和生動性。骨骼動畫使用骨骼的變換矩陣來說明每一動畫幀時刻的變換，從而可通過計算的方式來獲得動畫幀時刻的各個網絡頂點的新坐標，較之直接存放每一動畫幀的所有頂點坐標的方法，可節省大量內存。

5.結語

本系統依據交通心理學、車輛性能等方面理論基礎，針對相關教學中內容可以描述，但由于駕駛實驗極度危險而無法獲得真實感受的缺點，通過多媒體技術豐富生動的音頻、視頻、動畫和方式模擬展示出來。除應激場景的顯示外，還可通過操作控制系統實現人機交互。通過沉浸于逼真的虛擬環境中，學生不僅可進行實驗，而且對涉及知識的理解也更加明確。經專家評議和教學測試，不僅可以實現預期目的，提高和改善教學效果，而且具有商業開發價值。

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