基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的汽車駕駛仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

方艷紅，莊永智，王學(xué)淵，張紅英

（西南科技大學(xué) 信息工程學(xué)院 特殊環(huán)境機(jī)器人技術(shù)四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 綿陽 621010）

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）技術(shù)又被稱為擴(kuò)增現(xiàn)實(shí)技術(shù)，是一種實(shí)時(shí)計(jì)算攝影機(jī)影像的位置及角度并加上相應(yīng)圖像的技術(shù)，已經(jīng)在游戲、電視媒體、商業(yè)推廣、導(dǎo)航、遠(yuǎn)程協(xié)作等方面有了廣泛應(yīng)用[1-4]。基于AR技術(shù)的汽車駕駛仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)能夠讓用戶在虛擬與現(xiàn)實(shí)融合的AR場(chǎng)景中控制汽車前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)向等，同時(shí)向用戶實(shí)時(shí)發(fā)送汽車行駛參數(shù)并進(jìn)行安全預(yù)警。從實(shí)用角度來說，通過修改汽車模型的各項(xiàng)參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)真實(shí)汽車的模擬仿真，讓用戶足不出戶就能體會(huì)到某車型的行駛狀況。

1 汽車駕駛仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于AR的汽車駕駛仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)以Unity3D引擎為開發(fā)平臺(tái)[5-6]，利用移動(dòng)設(shè)備攝像頭獲取現(xiàn)實(shí)環(huán)境，采用Vuforia工具[7-8]掃描二維圖像，并將虛擬場(chǎng)景與現(xiàn)實(shí)環(huán)境疊加融合，實(shí)現(xiàn)AR場(chǎng)景呈現(xiàn)和AR交互操作；運(yùn)用C#語言編程實(shí)現(xiàn)汽車控制、行駛參數(shù)反饋、場(chǎng)景切換、環(huán)境隱藏等功能，通過錄入真實(shí)的汽車參數(shù)，進(jìn)行汽車駕駛模擬。汽車駕駛仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，包括UI交互模塊、AR模塊、汽車控制模塊、行駛參數(shù)反饋模塊。

圖1 汽車駕駛仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖 1所示的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖中，用戶通過 UI交互模塊來控制游戲的運(yùn)行，讀取汽車行駛過程中的參數(shù)，進(jìn)行場(chǎng)景切換和環(huán)境隱藏；AR模塊包括AR場(chǎng)景呈現(xiàn)以及特定模式的AR交互操作；汽車控制模塊控制汽車的前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)向；行駛參數(shù)反饋模塊讀取汽車的狀態(tài)，經(jīng)過計(jì)算后得出反饋參數(shù)，并由 UI交互模塊呈現(xiàn)給用戶。

1.1 AR模塊

AR模塊實(shí)現(xiàn)包含兩個(gè)部分：AR場(chǎng)景呈現(xiàn)和AR交互操作。AR場(chǎng)景呈現(xiàn)利用 Vuforia工具中的 AR Camera（AR攝像頭）取代 Unity3D引擎中的 Main Camera（主攝像頭），使用 ImageTarget作為 AR Camera的識(shí)別對(duì)象，即特定的識(shí)別圖。虛擬模型、ImageTarget與AR Camera的層次關(guān)系如圖2所示。

圖2 虛擬模型、ImageTarget與AR Camera層次關(guān)系

由圖2可見，所有虛擬模型RaceTrack、Scene、Car1均為ImageTarget的子對(duì)象。AR模塊調(diào)用設(shè)備的攝像頭來獲取現(xiàn)實(shí)環(huán)境，令虛擬模型成為AR Camera的子對(duì)象后，虛擬模型就能疊加在攝像頭所拍攝的畫面中。當(dāng)識(shí)別圖被移動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)實(shí)時(shí)計(jì)算識(shí)別圖的坐標(biāo)位置，并更新虛擬模型的坐標(biāo)，使虛擬模型跟隨識(shí)別圖移動(dòng)。

AR交互操作的流程圖如圖3所示。圖3中，系統(tǒng)進(jìn)入車輛展示模式后，掃描識(shí)別圖并加載AR場(chǎng)景，循環(huán)判斷識(shí)別圖上的特定區(qū)域是否被遮擋，若被遮擋，則認(rèn)為虛擬按鍵被按下，顯示車輛詳細(xì)信息，如車型、油耗、尺寸、發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)等；若被再次遮擋，則隱藏車輛詳細(xì)信息。

1.2 汽車控制模塊

汽車控制模塊主要包括汽車行駛控制和鏡頭追蹤兩個(gè)部分，實(shí)現(xiàn)流程如圖4所示。

圖3 AR交互操作流程圖

圖4 汽車控制流程圖

圖4 中，在移動(dòng)設(shè)備上，用戶通過操縱屏幕上的虛擬搖桿來控制汽車行駛，并根據(jù)虛擬汽車模型的位置和角度信息，實(shí)時(shí)更新鏡頭相對(duì)于虛擬汽車模型的位置和角度，實(shí)現(xiàn)鏡頭對(duì)汽車模型的追蹤。

1.3 行駛參數(shù)反饋模塊

行駛參數(shù)反饋模塊包括實(shí)時(shí)速度監(jiān)測(cè)、汽車行駛時(shí)間記錄、偏離車道示警、碰撞損壞提示、實(shí)時(shí)油耗計(jì)算等功能，向用戶顯示和預(yù)警汽車的行駛狀態(tài)。其中，汽車實(shí)時(shí)速度監(jiān)測(cè)主要利用 Unity3D中 Velocity函數(shù)實(shí)時(shí)獲取汽車剛體的速度，并將該速度乘以比例系數(shù)，即為汽車的實(shí)時(shí)速度。若實(shí)時(shí)速度超過最小閾值，則在UI界面實(shí)時(shí)顯示，否則顯示為0，以避免由于汽車模型輕微抖動(dòng)引起的速度誤差。

汽車行駛時(shí)間記錄主要通過調(diào)用 Unity3D中InvokeRepeating函數(shù)完成。InvokeRepeating函數(shù)是一個(gè)延時(shí)循環(huán)執(zhí)行函數(shù)，每隔指定時(shí)間執(zhí)行一次。本文中的計(jì)時(shí)單位是 0.01 s。汽車觸碰到起點(diǎn)線的觸發(fā)器時(shí)InvokeRepeating開始計(jì)時(shí)，行駛結(jié)束時(shí)停止計(jì)時(shí)。

偏離車道示警有3種模式：（1）當(dāng)汽車模型觸碰到車道邊緣的觸發(fā)器時(shí)，UI界面會(huì)顯示示警文字，提示用戶偏離車道；（2）當(dāng)汽車模型離開車道邊緣的觸發(fā)器，但又觸碰到車道以外場(chǎng)景的觸發(fā)器時(shí)，示警文字將持續(xù)顯示；（3）當(dāng)汽車模型離開車道邊緣的觸發(fā)器，且并未觸碰到車道以外場(chǎng)景的觸發(fā)器時(shí)，UI界面不再顯示示警文字。

碰撞損壞提示主要利用 Unity3D提供的 Collider（碰撞器）實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)汽車與場(chǎng)景物體的碰撞情況，通過C#腳本對(duì)碰撞次數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，若碰撞發(fā)生，將碰撞次數(shù)+1；若達(dá)到示警閾值，則提示用戶汽車即將損壞；若達(dá)到損壞閾值，則提示用戶汽車已損壞。

實(shí)時(shí)油耗計(jì)算需要實(shí)時(shí)獲取汽車當(dāng)前速度，并根據(jù)微積分的思想對(duì)油耗進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，算法流程如圖5所示。

圖5 實(shí)時(shí)油耗計(jì)算流程

由圖5可見，游戲開始時(shí)，實(shí)時(shí)油耗值置零；系統(tǒng)每隔0.02 s采集一次汽車速度，用當(dāng)前時(shí)刻的汽車速度乘以0.02 s作為汽車的位移距離；再使用這個(gè)位移距離乘以車輛每m的油耗，則可近似算出0.02 s內(nèi)汽車的油耗；將每個(gè)0.02 s的汽車油耗相加，可得出汽車的實(shí)時(shí)油耗。

1.4 UI交互模塊

UI交互模塊主要有游戲模式切換、環(huán)境隱藏、提示信息顯示等功能。進(jìn)入系統(tǒng)，用戶可以通過按鍵選擇游戲模式，包括AR游戲模式、AR車輛模型展示模式、普通游戲模式等。每一個(gè)游戲模式都對(duì)應(yīng)一個(gè)游戲場(chǎng)景，另外還有一個(gè)AR鏡頭追蹤模式場(chǎng)景。場(chǎng)景切換主要利用Unity3D提供的按鍵響應(yīng)和場(chǎng)景切換腳本來實(shí)現(xiàn)。加載全景場(chǎng)景主要代碼如下：

SceneManager.LoadScene(“ARCar-arfullview”);

在仿真實(shí)驗(yàn)中，虛擬場(chǎng)景有時(shí)會(huì)在屏幕上遮擋住攝像頭獲取的現(xiàn)實(shí)環(huán)境。為了便于用戶通過屏幕觀看真實(shí)場(chǎng)景，本設(shè)計(jì)添加一個(gè)通過按鍵來實(shí)現(xiàn)的虛擬環(huán)境隱藏功能，啟用該功能后便會(huì)隱藏虛擬場(chǎng)景中的環(huán)境，只留下車道和車輛模型。

提示信息使用 Unity3D提供的Text類和3DText類進(jìn)行顯示，包括汽車速度、行駛時(shí)間、偏離車道示警、碰撞損壞示警、實(shí)時(shí)油耗等信息。

2 系統(tǒng)測(cè)試與分析

在Unity3D引擎下開發(fā)完成系統(tǒng)各功能模塊后，將其打包發(fā)布在Android平臺(tái)，進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試。

2.1 AR場(chǎng)景呈現(xiàn)測(cè)試

本系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了AR全景、車輛展示、AR鏡頭追蹤3種實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ剑趯?shí)驗(yàn)過程中均需要呈現(xiàn)AR場(chǎng)景。圖6是3種實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ较碌腁R場(chǎng)景呈現(xiàn)。圖6所示的3種實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景模式可以相互切換，滿足UI交互功能。

2.2 AR交互操作測(cè)試

AR交互操作主要添加在車輛展示模式中。圖 7所示是手碰觸識(shí)別圖的AR場(chǎng)景顯示。圖7（a）為手碰觸識(shí)別圖后的響應(yīng)操作，AR場(chǎng)景中顯示汽車詳細(xì)信息；圖7（b）為手再次碰觸識(shí)別圖后的響應(yīng)操作，汽車詳細(xì)信息被隱藏起來。

由圖 7可以看出，AR交互操作功能運(yùn)行正常，可以正確識(shí)別用戶的操作，并在虛擬模型上作出響應(yīng)。

2.3 汽車控制及行駛參數(shù)反饋模塊測(cè)試

汽車控制模塊主要實(shí)現(xiàn)汽車的移動(dòng)、轉(zhuǎn)向功能。圖8所示是系統(tǒng)分別在AR全景模式、AR鏡頭跟隨模式下通過虛擬搖桿對(duì)汽車的行駛控制。可以看出，汽車可以在兩種模式下正常運(yùn)行，并實(shí)現(xiàn)移動(dòng)、轉(zhuǎn)向功能。

圖6 不同模式下的AR場(chǎng)景呈現(xiàn)

圖8 汽車控制模塊測(cè)試

2.4 行駛參數(shù)反饋模塊測(cè)試

汽車行駛參數(shù)測(cè)試包括實(shí)時(shí)速度監(jiān)測(cè)、計(jì)時(shí)、實(shí)時(shí)油耗計(jì)算以及偏離車道示警等。圖 9所示是在 AR鏡頭跟隨模式下對(duì)上述參數(shù)的測(cè)試分析。可以看出，汽車行駛過程中的速度監(jiān)測(cè)、計(jì)時(shí)、實(shí)時(shí)油耗計(jì)算以及偏離車道示警可以實(shí)時(shí)顯示。

圖9 汽車行駛參數(shù)反饋模塊測(cè)試

2.5 UI交互模塊測(cè)試

UI交互模塊除了上述測(cè)試模塊中用到的信息提示功能外，還包括場(chǎng)景切換、環(huán)境隱藏功能。圖 10所示為以AR全景模式為例的環(huán)境隱藏前后對(duì)比圖。可以看出，在AR全景模式中，點(diǎn)擊了“隱藏環(huán)境”按鍵后，虛擬場(chǎng)景中車道周圍的草地、圍墻均被隱藏，僅有車道、護(hù)欄模型被加載。

圖10 AR全景模式下環(huán)境隱藏前后對(duì)比圖

3 結(jié)論

本文研究的基于AR的汽車駕駛虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是一個(gè)集AR場(chǎng)景呈現(xiàn)與交互操作、汽車控制與行駛參數(shù)反饋等功能于一體的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)能讓用戶足不出戶就可以近距離觀察汽車的外形、內(nèi)飾，體驗(yàn)汽車行駛狀態(tài)，從而大大降低體驗(yàn)成本。