基于虛擬現實技術的汽車駕駛模擬系統研究

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，基于虛擬現實技術的汽車駕駛模擬系統由于其不受環境及天氣影響等優點逐漸受到國內外的重視。本文對該模擬系統的結構及具體組成部分進行了研究，包括建模方法、檢測模塊及顯示系統三大部分，最終對其研究前景進行了展望。

【關鍵詞】虛擬現實 汽車駕駛 模擬系統

1 引言

隨著社會的發展，車輛逐漸增多，由此帶來的交通問題日益嚴重，而許多交通事故的產生都是因為駕駛人員技術不過關。目前，駕駛員的培訓通常是在真實場地進行實際訓練，需要大量的汽車資源，并且在訓練時受到車型及天氣的限制。在此基礎上，基于虛擬現實技術的汽車駕駛模擬系統受到人們的重視。該模擬系統能夠提供相對真實的開車環境，精確地模擬汽車駕駛員的動作，以訓練其在不同場景下對于汽車的操縱熟練程度。

虛擬現實技術可以通過創建虛擬環境而使人們能夠進行實際體驗，涉及到的技術主要包括模擬環境、傳感設備等多個方面。基于該技術，目前的汽車駕駛系統通常聚集傳感器、人工智能、多媒體等多種先進技術，不僅能夠讓駕駛員沉浸到系統所提供的環境中，還能對該環境進行一定的操作并得到相應的反饋。本文重點對基于虛擬現實技術的汽車駕駛模擬系統進行研究。

2 駕駛模擬系統整體結構

為了更好地了解駕駛模擬系統的組成，本文首先對虛擬現實技術的相關知識進行介紹。虛擬現實技術的兩個主要特征分別是：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，環境中的各種因素可以反饋到人，而人可以做出相應的反應并反作用于環境，形成相互交互的過程。這是人機和諧的關鍵性因素。

2.2 沉浸感

指的是用戶能夠將自己放在虛擬環境中，并且其感知與真實環境不會出現較大偏差，最好能夠完全模擬真實環境，給用戶帶來極其真實的感受。這也是虛擬現實系統的核心。

將上述虛擬現實技術的特征考慮在內，目前常用的汽車駕駛模擬系統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，如轉向盤、操作按鈕、檔位變換器等；一定的建模規則，例如當猛踩急剎車時，車輛會繼續向前滑動一定距離，并且人會向前傾。首先通過人為制定規則，對車輛所處的環境、車輛本身的狀態以及駕駛員感受到的狀態進行建模；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，經過數據處理后，得到相應的操作參數；最終，通過人機交互接口將這些參數傳入到計算機中，利用建立好的模型計算出汽車的運動狀態及駕駛員視場，使駕駛員沉浸在駕駛的場景中。其結構如圖1所示。

3 駕駛模擬系統模塊組成

具體來說，模擬系統應包括以下幾個部分：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算機中，從而達到與系統進行交互的目的；顯示系統，主要用于為駕駛員提供具有真實感的體驗環境。接下來，本文將對這三個模塊進行詳細介紹。

3.1 建模方法

為了模擬虛擬環境，并達到逼真的效果，首先要考慮的就是建模方法，這是實現虛擬現實的前提和關鍵。建模的方法包括幾何建模、物理建模及行為建模等。在實際建模過程中，為了減小模型的復雜度，可以在一定程度上對真實物體的特征進行簡化。接下來將分別描述上述三種建模技術在駕駛模擬系統中的實際應用。

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

3.1.1 駕考中心

駕校學員在考駕照過程中，需要在駕考中心進行科目二的測試，因此一個符合用戶要求的模擬系統首先應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 城市道路環境

駕駛員在開車過程中，需要在正常的城市道路進行汽車駕駛，因此為了訓練其駕駛熟練度，應對真實的城市道路環境進行建模，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 山區道路環境

為了考研駕駛員在惡劣情況下的車輛駕駛技能，需要對山區道路環境進行建模，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，需要根據駕駛員的操作推斷出車輛的運動狀態以及駕駛員視場中的畫面內容。首先將不同類型的車輛參數進行記錄，根據用戶所選擇的不同車型進行切換，并選擇不同的模型：車身模型、剎車模型、加速踏板模型、轉彎模型等。當駕駛員對模擬車輛進行操作時，根據其操作結果，利用人機交互接口獲得不同的傳感器參數，同時參考其選擇的車輛模型，計算出車輛的當前狀態，例如車速、車輛當前的位置等信息，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，需要進行人機交互，其中最重要的一部分就是對于駕駛員動作的檢測。目前的駕駛模擬系統在硬件上通常與真實的車輛系統相似，包括方向盤、剎車、加速踏板等部件，每個部件上都安裝了對應的傳感器以檢測其狀態，最后，檢測到的參數通過人機交互接口輸入道計算機系統以模擬車輛目前的行駛狀態。檢測模塊的流程圖如圖3所示。

通過上述系統，能夠將駕駛員對于車輛的操作信息傳遞到車輛的仿真模型中，從而實現人機交互，使得車輛的模擬運動狀態能夠被人所控制。

3.3 顯示系統

在顯示系統中，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境，主要是因為左右兩只眼睛能夠看到不同的圖像，因此可以利用該特點制造出可以看出立體畫面的設備。

為了達到立體的視覺效果，目前常用的系統通常是將兩臺投影機和3D眼鏡結合使用。首先將兩臺投影機上下疊加，并且每個投影機前面都放置一個偏振光片，兩個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，用戶需要佩戴相應的3D眼鏡，這兩個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，兩個畫面疊加，用戶可以看到立體畫面。

在駕駛模擬系統中，用戶可以通過佩戴相應的眼鏡得到三維畫面的觀看效果，以模擬車輛在真實運動場景中的行駛狀態。

4 總結與展望

本文對基于虛擬現實技術的駕駛模擬系統進行了研究，并對其組成部分及其中用到的主要技術：包括建模方法、檢測模塊、以及最終的顯示系統進行詳細的介紹。駕駛模擬系統不受環境、天氣的影響，并且能夠節省大量的車輛資源，目前已經越來越多的受到人們的重視，其技術也日趨成熟。從其未來發展看，其趨勢有：

（1）對于不同駕駛員的心理狀態進行測試，記錄不同心理狀態下的駕駛員最有可能的駕駛行為，并保存在駕駛行為庫中。這是因為在緊急狀態下，駕駛員的心理對其駕駛行為產生很大的影響，甚至直接決定是否發生交通事故。根據其心理狀態進行道路的測試能夠讓駕駛員進行不斷地學習，從而激發其想象及學習能力，最終達到更好的虛擬現實體驗。

（2）對用戶的反饋進行更加真實的模擬，如風吹過，手的觸感，車輛的運動狀態等，使虛擬場景與真實體驗之間交互更強，從而增強用戶體驗，使得其沉浸感更強。

（3）對實際交通中的各種復雜交通狀況進行模擬。在未來的發展中，可以增加各種復雜的道路情況，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，增加用戶的沉浸感，從而更好地對駕駛員進行訓練及測試。

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作者單位

?？h一中 河南省鶴壁市 456250