基于VR 技術(shù)的虛擬駕駛系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)＊

馬 凱，賀子正，李長(zhǎng)興

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

1 汽車駕駛模擬器簡(jiǎn)介

汽車駕駛模擬器是把虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)附加在模擬器上，利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)傳輸電信號(hào)給接收設(shè)備，提供給用戶視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)等各個(gè)方面直觀而自然的實(shí)時(shí)感知交互手段，通過(guò)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)強(qiáng)大的算法運(yùn)算模擬出行駛過(guò)程中的虛擬實(shí)境、音響效果、剎車振動(dòng)，使體驗(yàn)者產(chǎn)生實(shí)車駕駛感，沉浸于虛擬駕駛環(huán)境中[1]。這種駕駛器可以幫助人們體驗(yàn)、認(rèn)識(shí)和學(xué)習(xí)現(xiàn)實(shí)世界中的汽車駕駛技術(shù)，既能保證駕駛者的安全，又能有效降低經(jīng)濟(jì)損失，還不受時(shí)間、空間、地域的限制，能夠細(xì)致地模擬出各種環(huán)境，如雨天、雪天、晴天、陰天等[2]。這些特殊天氣雖然在平時(shí)練習(xí)駕照科目時(shí)并不常見(jiàn)，然而，通過(guò)虛擬駕駛模擬器就可以刻意去練習(xí)，防止以后遇見(jiàn)不友好天氣時(shí)慌張失措，從而降低交通事故的發(fā)生率。

在傳統(tǒng)的駕駛培訓(xùn)過(guò)程中，主流的是“教練+駕駛培訓(xùn)”，而教練們的水平參差不齊，考試通過(guò)率也會(huì)受到影響。在教學(xué)過(guò)程中，一些教練會(huì)將自己的駕駛習(xí)慣教給學(xué)員，對(duì)學(xué)員駕駛或多或少會(huì)產(chǎn)生影響。其次，駕校中每個(gè)學(xué)員的學(xué)習(xí)能力和學(xué)習(xí)情況不同，故傳統(tǒng)的駕校培訓(xùn)方式能達(dá)到的效果不是很好，而“VR（虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)）+駕駛模擬器”培訓(xùn)方式可完美解決這一問(wèn)題。汽車駕駛模擬器具有強(qiáng)大的計(jì)算能力，可以記錄每位學(xué)員的練習(xí)和模擬情況，并針對(duì)學(xué)員的薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行重點(diǎn)提示，進(jìn)行針對(duì)性反復(fù)練習(xí)，計(jì)算機(jī)大腦配備語(yǔ)音播報(bào)配合學(xué)員練車，分析并指出駕駛者在練習(xí)過(guò)程中所犯的錯(cuò)誤[3-4]。

“VR+駕駛模擬器”的培訓(xùn)模式還將加速駕培行業(yè)從勞動(dòng)密集型向技術(shù)密集型轉(zhuǎn)變， 利用VR 汽車仿真系統(tǒng)去練習(xí)并且接受培訓(xùn)，可以免去一系列不必要的人工培訓(xùn)費(fèi)用，并且計(jì)算機(jī)高科技的算法十分準(zhǔn)確，可科學(xué)規(guī)范地安排駕駛培訓(xùn)。與傳統(tǒng)的駕校相比，使用汽車模擬器練習(xí)駕駛技術(shù)能極大地減少空氣污染，更加節(jié)能，成本更加低廉，練習(xí)效率更高，使學(xué)員有針對(duì)性地去練習(xí)，更快、更高效地考取屬于自己的駕駛本。

近年來(lái)，“綠色低碳發(fā)展”得到各級(jí)政府和各個(gè)行業(yè)的認(rèn)同，相比傳統(tǒng)的“教練＋汽車虛擬駕駛培訓(xùn)”模式，“VR+駕駛培訓(xùn)”的模式促進(jìn)了駕培行業(yè)的綠色發(fā)展。使用VR 智能駕駛培訓(xùn)模擬器學(xué)習(xí)，減少了實(shí)際用車產(chǎn)生的二氧化碳量。另外，這種“VR+駕駛培訓(xùn)”模式很大程度上提高了空間的利用率，在有限的場(chǎng)地可放置更多汽車駕駛模擬器，而且可以靈活根據(jù)客戶的需求選擇性地在市中心的商廈開(kāi)店。在這種模式下，練習(xí)的安排十分靈活，還可以實(shí)行預(yù)約，很好解決了一些年輕白領(lǐng)時(shí)間少、距離遠(yuǎn)、交通不便等問(wèn)題，又給商場(chǎng)帶來(lái)了隱形收益。

利用汽車駕駛模擬器可降低交通事故發(fā)生率，目前正漸漸受到交通安全領(lǐng)域的關(guān)注。但是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)作為一門沒(méi)有局限性、較為廣泛的高新技術(shù)，正在逐漸被應(yīng)用于汽車駕駛領(lǐng)域，但在高速發(fā)展的同時(shí)，它自身的問(wèn)題也隨之而來(lái)。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(dǎo)客戶去接納并嘗試體驗(yàn)產(chǎn)品也是一項(xiàng)亟待解決的事情；產(chǎn)品的回報(bào)率比較低，且設(shè)備比較昂貴，駕校也不能虛高坑騙消費(fèi)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(gè)系統(tǒng)組成，在3 個(gè)系統(tǒng)的協(xié)同作用下完成整套流程。

2.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是由計(jì)算機(jī)、傳感器、硬件接口電路和程序構(gòu)成的系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集技術(shù)中最主要的是信號(hào)采集與處理技術(shù)。在本項(xiàng)目中，待檢測(cè)的模擬器在駕駛員的操作下工作時(shí)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要采集的是駕駛員的各種動(dòng)作信號(hào)，并且經(jīng)過(guò)信號(hào)采集與處理發(fā)送給中央計(jì)算機(jī)，作為計(jì)算機(jī)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為汽車狀態(tài)的改變提供參考數(shù)據(jù)。方向盤狀態(tài)量、燈光狀態(tài)量、剎車狀態(tài)量、油門狀態(tài)量、擋位狀態(tài)量等也是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要的采集項(xiàng)目[5]。汽車駕駛模擬器的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)如圖1 所示。

圖1 汽車駕駛模擬器的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

2.2 模擬駕駛系統(tǒng)

模擬駕駛系統(tǒng)包含人機(jī)交互場(chǎng)景控制模塊，鏈接著建模系統(tǒng)與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)要考慮實(shí)時(shí)交互性，所以人機(jī)交互控制的質(zhì)量是體現(xiàn)場(chǎng)景管理平臺(tái)成果的一個(gè)重要方面。

此系統(tǒng)模塊的輸入控制包含駕駛員駕駛汽車運(yùn)動(dòng)的基本操作，包括對(duì)方向盤、油門、離合、剎車和擋位轉(zhuǎn)換的控制等，以及觸及點(diǎn)火開(kāi)關(guān)、轉(zhuǎn)向燈、喇叭鳴笛等的操作，讀入駕駛員的控制信息，通過(guò)車輛的動(dòng)力學(xué)模型運(yùn)算后將信號(hào)送入現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)進(jìn)行圖形顯示、送入音響系統(tǒng)進(jìn)行聲音模擬以及送入儀表系統(tǒng)進(jìn)行儀表顯示。畫(huà)面同時(shí)輸出經(jīng)過(guò)汽車動(dòng)力模型計(jì)算后產(chǎn)生的汽車運(yùn)行信息，包括當(dāng)前速度、變速箱的擋位、發(fā)動(dòng)機(jī)啟停狀態(tài)、鳴笛狀態(tài)、轉(zhuǎn)向指示狀態(tài)等。

2.3 建模系統(tǒng)

采用傾斜攝影技術(shù)作為建模方法，是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)中最重要的技術(shù)。所要解決的問(wèn)題是如何使屏幕中的世界看起來(lái)真實(shí)、動(dòng)起來(lái)真實(shí)。

傾斜攝影技術(shù)雖然近幾年才發(fā)展起來(lái)，但已成為很常用的測(cè)繪遙感技術(shù)，一般由一個(gè)搭載多臺(tái)傳感器的無(wú)人機(jī)設(shè)備執(zhí)行。無(wú)人機(jī)可以從多角度去拍攝，使用多種傳感器對(duì)場(chǎng)景信息進(jìn)行多方位采集，使生成的圖像信息更加接近實(shí)物[6-7]。

建模里的場(chǎng)景大部分采用無(wú)人機(jī)拍攝，如路面、較大型的建筑、車和行人等景象，這樣既省時(shí)又省力。在面對(duì)較小的建筑和處理物體表面細(xì)節(jié)時(shí)，采用手持圖像采集設(shè)備進(jìn)行近景補(bǔ)拍，以確保建模的真實(shí)性。最后將采集到的信息進(jìn)行綜合，用Smаrt 3D 軟件生成三維模型。

本系統(tǒng)的主要功能是提供一個(gè)相對(duì)真實(shí)的虛擬駕駛環(huán)境。建模的效果是否真實(shí)、畫(huà)面銜接是否流暢都會(huì)直接影響駕駛者的駕駛體驗(yàn)。通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)駕駛環(huán)節(jié)的三維交互式場(chǎng)景顯示，從而獲得相對(duì)真實(shí)的視覺(jué)體驗(yàn)和駕駛感受。

3 工作內(nèi)容

3.1 模擬周圍環(huán)境

利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)汽車行駛過(guò)程中的環(huán)境進(jìn)行模擬，通過(guò)計(jì)算機(jī)將捕獲到的電信號(hào)傳遞給駕駛者，為駕駛者提供真實(shí)的駕駛體驗(yàn)。還能夠模擬雪天、雨天、陰天、霧天等一系列不常見(jiàn)的天氣狀況，以防止駕駛員在以后行車過(guò)程中遇到這些極端惡劣天氣時(shí)顯得慌張，導(dǎo)致不必要事故發(fā)生。同時(shí)，虛擬駕駛模擬器能對(duì)城市道路、高速公路、鄉(xiāng)村道路等進(jìn)行相應(yīng)模擬。計(jì)算機(jī)可以將捕獲的電信號(hào)轉(zhuǎn)化為聲信號(hào)，給駕駛者極其真實(shí)的駕駛體驗(yàn)。還會(huì)模擬一些危險(xiǎn)的場(chǎng)景，比如行人橫穿馬路、行人滑倒、側(cè)風(fēng)等，非?？简?yàn)駕駛者的反應(yīng)能力和應(yīng)急處理能力。用真實(shí)的場(chǎng)景引領(lǐng)消費(fèi)者走進(jìn)VR 世界，并且引導(dǎo)消費(fèi)者逐漸了解高速發(fā)展的科技，使消費(fèi)者從內(nèi)心真正接受產(chǎn)品。

3.2 剎車振蕩檢測(cè)

汽車正常行駛過(guò)程中，通常會(huì)因?yàn)槟承┣闆r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(shí)人的身體會(huì)由于自身慣性有前傾的趨勢(shì)，這就需要計(jì)算機(jī)通過(guò)公式來(lái)計(jì)算力的大小并且通過(guò)汽車駕駛模擬器實(shí)時(shí)作用于駕駛員本身，加強(qiáng)駕駛體驗(yàn)并產(chǎn)生適當(dāng)強(qiáng)度的振感，讓駕駛員有身臨其境的感覺(jué)。

3.3 渲染技術(shù)以及事故模擬

在汽車行駛的過(guò)程中，車窗外的景物一直在運(yùn)動(dòng)著，如何將這些景物真實(shí)表達(dá)出來(lái)，需利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)強(qiáng)大的渲染技術(shù)將真實(shí)的路況進(jìn)行模擬，保證汽車駕駛員有真實(shí)的駕駛體驗(yàn)。如雨點(diǎn)滴落在玻璃上，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以模擬出雨天，渲染出極其真實(shí)的“水花”。還可以模擬出道路上的車輛，通過(guò)算法計(jì)算，模擬汽車碰撞，通過(guò)算法計(jì)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(yàn)者銘記超速行駛的后果。

3.4 智能報(bào)錯(cuò)系統(tǒng)

這套系統(tǒng)主要被應(yīng)用于平時(shí)的練習(xí)中，在學(xué)員模擬完成后，按照相對(duì)應(yīng)的科目要求為練習(xí)情況進(jìn)行評(píng)價(jià)打分，并且會(huì)給出相應(yīng)的建議和措施。系統(tǒng)具有視頻回放功能，學(xué)員可以以第三人稱的視角進(jìn)行觀看并對(duì)自己的誤區(qū)進(jìn)行分析，并且駕駛模擬器會(huì)進(jìn)行語(yǔ)音播報(bào)，進(jìn)行一對(duì)一的練習(xí)輔導(dǎo)和練習(xí)記錄[8]。

4 結(jié)論

VR 虛擬駕駛具有廣闊的前景，很大程度上突破了傳統(tǒng)駕校時(shí)間、場(chǎng)地、技術(shù)水平等的限制，安全性更高，符合中國(guó)各行各業(yè)從勞動(dòng)密集型向技術(shù)密集型的轉(zhuǎn)變的大趨勢(shì)。同時(shí)在培訓(xùn)中節(jié)約燃油、人工、場(chǎng)地等成本，也符合全球綠色低碳發(fā)展的大方向[9]。同時(shí)，針對(duì)平時(shí)學(xué)員學(xué)習(xí)程度不同難以掌握的問(wèn)題，以及極端惡劣天氣狀況下的駕駛心理問(wèn)題，使用汽車模擬器進(jìn)行練習(xí)使得學(xué)員的練習(xí)更加智能化、有方向性，極大提高了駕照通過(guò)率和駕駛員的駕駛素質(zhì)。未來(lái)，相信消費(fèi)者會(huì)對(duì)這個(gè)快速發(fā)展的社會(huì)有一個(gè)新的認(rèn)知，并會(huì)逐漸去接受和適應(yīng)這些符合綠色發(fā)展的高科技產(chǎn)品[10]。