基于VR 技術的虛擬駕駛系統設計與實現＊

馬 凱，賀子正，李長興

（1.衡水學院電信學院，河北 衡水 053000；2.衡水學院化工學院，河北 衡水 053000）

1 汽車駕駛模擬器簡介

汽車駕駛模擬器是把虛擬現實技術附加在模擬器上，利用計算機仿真技術傳輸電信號給接收設備，提供給用戶視覺、聽覺、觸覺等各個方面直觀而自然的實時感知交互手段，通過計算機系統強大的算法運算模擬出行駛過程中的虛擬實境、音響效果、剎車振動，使體驗者產生實車駕駛感，沉浸于虛擬駕駛環境中[1]。這種駕駛器可以幫助人們體驗、認識和學習現實世界中的汽車駕駛技術，既能保證駕駛者的安全，又能有效降低經濟損失，還不受時間、空間、地域的限制，能夠細致地模擬出各種環境，如雨天、雪天、晴天、陰天等[2]。這些特殊天氣雖然在平時練習駕照科目時并不常見，然而，通過虛擬駕駛模擬器就可以刻意去練習，防止以后遇見不友好天氣時慌張失措，從而降低交通事故的發生率。

在傳統的駕駛培訓過程中，主流的是“教練+駕駛培訓”，而教練們的水平參差不齊，考試通過率也會受到影響。在教學過程中，一些教練會將自己的駕駛習慣教給學員，對學員駕駛或多或少會產生影響。其次，駕校中每個學員的學習能力和學習情況不同，故傳統的駕校培訓方式能達到的效果不是很好，而“VR（虛擬現實技術）+駕駛模擬器”培訓方式可完美解決這一問題。汽車駕駛模擬器具有強大的計算能力，可以記錄每位學員的練習和模擬情況，并針對學員的薄弱環節進行重點提示，進行針對性反復練習，計算機大腦配備語音播報配合學員練車，分析并指出駕駛者在練習過程中所犯的錯誤[3-4]。

“VR+駕駛模擬器”的培訓模式還將加速駕培行業從勞動密集型向技術密集型轉變， 利用VR 汽車仿真系統去練習并且接受培訓，可以免去一系列不必要的人工培訓費用，并且計算機高科技的算法十分準確，可科學規范地安排駕駛培訓。與傳統的駕校相比，使用汽車模擬器練習駕駛技術能極大地減少空氣污染，更加節能，成本更加低廉，練習效率更高，使學員有針對性地去練習，更快、更高效地考取屬于自己的駕駛本。

近年來，“綠色低碳發展”得到各級政府和各個行業的認同，相比傳統的“教練＋汽車虛擬駕駛培訓”模式，“VR+駕駛培訓”的模式促進了駕培行業的綠色發展。使用VR 智能駕駛培訓模擬器學習，減少了實際用車產生的二氧化碳量。另外，這種“VR+駕駛培訓”模式很大程度上提高了空間的利用率，在有限的場地可放置更多汽車駕駛模擬器，而且可以靈活根據客戶的需求選擇性地在市中心的商廈開店。在這種模式下，練習的安排十分靈活，還可以實行預約，很好解決了一些年輕白領時間少、距離遠、交通不便等問題，又給商場帶來了隱形收益。

利用汽車駕駛模擬器可降低交通事故發生率，目前正漸漸受到交通安全領域的關注。但是虛擬現實技術作為一門沒有局限性、較為廣泛的高新技術，正在逐漸被應用于汽車駕駛領域，但在高速發展的同時，它自身的問題也隨之而來。比如用戶的排斥心理，很多用戶接收新鮮科技的速度很慢，如何引導客戶去接納并嘗試體驗產品也是一項亟待解決的事情；產品的回報率比較低，且設備比較昂貴，駕校也不能虛高坑騙消費者，這就要求外部的宣傳推廣也要做到位。

2 工作原理

本汽車模擬器主要由以下3 個系統組成，在3 個系統的協同作用下完成整套流程。

2.1 數據采集系統

數據采集系統是由計算機、傳感器、硬件接口電路和程序構成的系統。數據采集技術中最主要的是信號采集與處理技術。在本項目中，待檢測的模擬器在駕駛員的操作下工作時，數據采集系統主要采集的是駕駛員的各種動作信號，并且經過信號采集與處理發送給中央計算機，作為計算機的基礎數據，為汽車狀態的改變提供參考數據。方向盤狀態量、燈光狀態量、剎車狀態量、油門狀態量、擋位狀態量等也是數據采集系統主要的采集項目[5]。汽車駕駛模擬器的數據采集系統如圖1 所示。

圖1 汽車駕駛模擬器的數據采集系統

2.2 模擬駕駛系統

模擬駕駛系統包含人機交互場景控制模塊，鏈接著建模系統與數據采集系統。虛擬現實系統要考慮實時交互性，所以人機交互控制的質量是體現場景管理平臺成果的一個重要方面。

此系統模塊的輸入控制包含駕駛員駕駛汽車運動的基本操作，包括對方向盤、油門、離合、剎車和擋位轉換的控制等，以及觸及點火開關、轉向燈、喇叭鳴笛等的操作，讀入駕駛員的控制信息，通過車輛的動力學模型運算后將信號送入現實系統進行圖形顯示、送入音響系統進行聲音模擬以及送入儀表系統進行儀表顯示。畫面同時輸出經過汽車動力模型計算后產生的汽車運行信息，包括當前速度、變速箱的擋位、發動機啟停狀態、鳴笛狀態、轉向指示狀態等。

2.3 建模系統

采用傾斜攝影技術作為建模方法，是虛擬現實技術中最重要的技術。所要解決的問題是如何使屏幕中的世界看起來真實、動起來真實。

傾斜攝影技術雖然近幾年才發展起來，但已成為很常用的測繪遙感技術，一般由一個搭載多臺傳感器的無人機設備執行。無人機可以從多角度去拍攝，使用多種傳感器對場景信息進行多方位采集，使生成的圖像信息更加接近實物[6-7]。

建模里的場景大部分采用無人機拍攝，如路面、較大型的建筑、車和行人等景象，這樣既省時又省力。在面對較小的建筑和處理物體表面細節時，采用手持圖像采集設備進行近景補拍，以確保建模的真實性。最后將采集到的信息進行綜合，用Smаrt 3D 軟件生成三維模型。

本系統的主要功能是提供一個相對真實的虛擬駕駛環境。建模的效果是否真實、畫面銜接是否流暢都會直接影響駕駛者的駕駛體驗。通過虛擬現實技術實現駕駛環節的三維交互式場景顯示，從而獲得相對真實的視覺體驗和駕駛感受。

3 工作內容

3.1 模擬周圍環境

利用虛擬現實技術對汽車行駛過程中的環境進行模擬，通過計算機將捕獲到的電信號傳遞給駕駛者，為駕駛者提供真實的駕駛體驗。還能夠模擬雪天、雨天、陰天、霧天等一系列不常見的天氣狀況，以防止駕駛員在以后行車過程中遇到這些極端惡劣天氣時顯得慌張，導致不必要事故發生。同時，虛擬駕駛模擬器能對城市道路、高速公路、鄉村道路等進行相應模擬。計算機可以將捕獲的電信號轉化為聲信號，給駕駛者極其真實的駕駛體驗。還會模擬一些危險的場景，比如行人橫穿馬路、行人滑倒、側風等，非常考驗駕駛者的反應能力和應急處理能力。用真實的場景引領消費者走進VR 世界，并且引導消費者逐漸了解高速發展的科技，使消費者從內心真正接受產品。

3.2 剎車振蕩檢測

汽車正常行駛過程中，通常會因為某些情況需要高速剎車，如路面崎嶇不平、車輪打滑等緊急情況。汽車正常行駛途中踩下剎車，這時人的身體會由于自身慣性有前傾的趨勢，這就需要計算機通過公式來計算力的大小并且通過汽車駕駛模擬器實時作用于駕駛員本身，加強駕駛體驗并產生適當強度的振感，讓駕駛員有身臨其境的感覺。

3.3 渲染技術以及事故模擬

在汽車行駛的過程中，車窗外的景物一直在運動著，如何將這些景物真實表達出來，需利用虛擬現實技術強大的渲染技術將真實的路況進行模擬，保證汽車駕駛員有真實的駕駛體驗。如雨點滴落在玻璃上，利用虛擬現實技術可以模擬出雨天，渲染出極其真實的“水花”。還可以模擬出道路上的車輛，通過算法計算，模擬汽車碰撞，通過算法計算出人體能夠承受的碰撞力度，速度越快模擬碰撞力度越大，從而讓體驗者銘記超速行駛的后果。

3.4 智能報錯系統

這套系統主要被應用于平時的練習中，在學員模擬完成后，按照相對應的科目要求為練習情況進行評價打分，并且會給出相應的建議和措施。系統具有視頻回放功能，學員可以以第三人稱的視角進行觀看并對自己的誤區進行分析，并且駕駛模擬器會進行語音播報，進行一對一的練習輔導和練習記錄[8]。

4 結論

VR 虛擬駕駛具有廣闊的前景，很大程度上突破了傳統駕校時間、場地、技術水平等的限制，安全性更高，符合中國各行各業從勞動密集型向技術密集型的轉變的大趨勢。同時在培訓中節約燃油、人工、場地等成本，也符合全球綠色低碳發展的大方向[9]。同時，針對平時學員學習程度不同難以掌握的問題，以及極端惡劣天氣狀況下的駕駛心理問題，使用汽車模擬器進行練習使得學員的練習更加智能化、有方向性，極大提高了駕照通過率和駕駛員的駕駛素質。未來，相信消費者會對這個快速發展的社會有一個新的認知，并會逐漸去接受和適應這些符合綠色發展的高科技產品[10]。