北京市大型立交桥路考虚拟驾驶系统的设计与实现

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摘要：本文为解决北京市大型立交桥复杂多变的路况，设计出了一套以路考为目的的虚拟驾驶系统。还原真实的三维场景，进行数据处理和交互控制，实现虚拟驾驶，这是一种简单方便的交互方式。本系统的优点是低碳低成本，减少驾校占地面积、燃油费用和车辆维修费用，降低车辆排放尾气造成的环境污染。不仅可以解决一些实际中不能解决的问题，并且体现了实际的应用价值，有着广阔的发展空间。

关键词：虚拟驾驶系统 立交桥 3ds Max Virtools 4.0

中图分类号：F572.88 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2013）03-0191-02

1 引言

随着国民经济的高速发展，我国已经进入汽车时代，汽车的购买量一直不断增加，人们对于驾驶的需求也不断增加。由于公路交通呈现出车辆高速化、车流密集化和驾驶员趋于低龄化、高龄化和非职业化的特点[1]，造成交通事故不断增加，尤其是新驾驶员发生事故的概率会更高。通常，驾校的路考在偏僻车少的道路上进行，可是如果在大型立交桥上进行路考，因为种种安全因素和可行性因素的困扰，在实际中是无法实现的。借助虚拟驾驶，可以实现在立交桥上进行路考，不仅为学员提供高效、便捷的服务，并且体现了虚拟现实技术在虚拟驾驶应用中的安全性、可靠性和稳定性，同时为驾校节约了资源，降低了成本。

2 北京立交桥现状

北京是全国建有立交桥数量最多的城市，也是世界上立交桥最多的国家之一。自上个世纪的六十年代中叶开始[2]，北京已经建设了许多如今都很有名的大型立交桥，如玉蜓桥、西直门桥、四元桥等各种类型不同的桥。北京最主要的交通干线是市区的四条环线，而北京最主要的大型立交桥也都集中在这四条环线上，这些立交桥为北京的交通建设做出了巨大贡献。可是这到处凌空飞架的立交桥在设计之初，通常当作景观来设计，使得立交桥看起来气派宏伟，实际上却变得更加复杂。从通行情况来看并不顺畅，尤其那些经常性拥堵的立交桥，遇到上下班、节假日高峰期更是陷入一片混乱。许多立交桥无论是规划设计还是交通设施都备受质疑，导致建成之后就出现了新的局限和滞后现象。当然，最重要的原因是北京的机动车辆数量日益剧增。立交桥结构复杂、出入口设置不合理、每桥行驶规则各不相同等这些都是让司机头疼的事情。以虚拟驾驶为平台，同时提供大型立交桥这样多元化复杂的路况，使驾驶员更具交互性和真实感，这样不仅提高了路考的质量和效率，熟悉了立交桥的行车规则和出入口设置，也可以减少在立交桥上发生的交通事故，提高行车效率。

3 虚拟驾驶系统的设计与构建

（1）建立三维场景：是构建虚拟驾驶系统最基本的元素。采用3ds Max软件平台进行数字可视化模型的建立，采用几何建模技术[3]创建汽车、立交桥、道路、天空及立交桥周围的建筑物环境三维物体和场景，实现对现实环境的还原，更真实、鲜明的展现立交桥路况复杂的特点。同时对材质、UVW贴图技术、灯光技术和烘焙技术进行应用研究，实现了把光能传递计算应用到了动画中的可能性，而且也能避免光能传递时动画的抖动问题[4]，降低了资源占据的内存，提高渲染速度。

（2）汽车仿真控制：是实现用户与虚拟驾驶环境之间交互作用的重要内容。在一个虚拟现实系统中光有硬件设备连接是不够的，驾驶系统还需要基本的软件平台来支撑仿真环境，良好的仿真环境可以使用户沉浸在虚拟世界中，控制各种交互设备，并且和虚拟世界进行各种高级交互[5]。

（3）硬件连接：是系统必要的组成部分。为了实现虚拟驾驶的真实感，需要连接外部设备，比如方向盘、油门、刹车和操纵杆。将硬件设备通过USB接口和计算机连接，行为模块会自动识别数据，测试设备和Virtools相互对应的按钮操作位置和交互设置。

（4）视景仿真和声音仿真：是实现虚拟驾驶系统沉浸感的重要因素。后期的场景优化中，分别将右视镜、左视镜和后视镜作为不同的视景仿真输出[6]。添加真实的声音效果，如打转向灯时和汽车发动的声音。从视觉、听觉和触觉出发，创建一个真实、细腻的虚拟驾驶环境。

4 模块设计

本系统中，涉及到 Physics Car（物理动力学）、Cameras（摄像机）、Collisions（碰撞）、Controllers（控制器）、Lights（灯光）、Materials-Textures（材质和纹理）、scene（场景）、Physicalize （地面物理属性）、Optimizations（优化）、Group（组群）等不同的行为模块和属性，所以在撰写脚本的时候需要以功能进行分类，汽车的制动以及方向盘和刹车的连接都属于汽车的物理属性的模块，不同机位的摄像机需要单独的模块来撰写脚本，汽车的转向灯、仪表盘的指针运动、不同的摄像机以及声音等都需要单独的脚本。下面介绍物理属性的模块设定。

4.1 汽车的物理属性设定

Physics Car行为模块是对汽车进行物理化，在这个模块中集成了汽车的基本物理性能参数包括重力、质量、摩擦力、弹力、碰撞、物体间的物理限制以及车辆的动态物理属性等功能[7]。将Joystick Waiter和Physics Car两个行为模块相连，就可以使用连接的硬件设备（方向盘、油门和刹车）来控制汽车的制动，实现驾驶功能，当然中间还需要许多其他模块的逻辑运算的连接来进行控制，比如汽车的加速和转弯等运动。

4.2 桥面的物理属性设定

在场景中与汽车直接有关的物体是地面，由于本文所研究的是大型立交桥，所以涉及到立交桥的路面和桥面具有角度和高度的状况较为复杂。使用Physicalize 行为模块将路面和桥面变成具有物理反应的物体，使其具有弹力、摩擦力和重力等属性。在这个模块中，将路面设为固定物体，使汽车不会因为受重力的影响而一直向下运动，而是一直保持在路面上。

4.3 碰撞检测

碰撞检测的基本任务就是判断虚拟场景中不同的两个或多个物体间是否发生碰撞或穿透。虚拟驾驶场景中运动的车辆与护栏、台阶、栏杆、墙壁、树木、道路标志和建筑物等静态物体之间、以及与障碍物之间交互的基础就是碰撞检测。

5 结语

虚拟现实技术是近年来计算机网络世界的热点之一，更是数字地球概念提出的依据和基础技术， 在社会生活的许多应用方面有着非常美好和广阔的发展前景。本文提出了以大型立交桥进行路考的虚拟驾驶系统，并在实现过程中对相关技术进行了研究。三维场景更鲜明、直接的体现了立交桥的特点和路况，为道路交通仿真和道路安全提供了应用价值和发展空间。随着对虚拟现实的认知研究，虚拟现实技术不断开辟了富有发展潜力的很多新领域，它会随着时间的推移日臻完善，发挥的作用也会越来越大。

参考文献

[1]汪璇1，2，陈定方1，蒋云3.虚拟驾驶系统运行仿真及控制的设计与实现[C].湖北工业大学学报，1003-4684（2007）0320071204.

[2]艾克拜尔・米吉提.北京立交桥的历史性缺憾与解决思路[J].北京观察，2006（03）.

[3]崔立勇.北京立交桥建设应有统一标准[N].中国经济导报，2010-12-18（B06）.

[4]刘翠玲，王艳慧.基于虚拟现实的三维仿真校园的构建与实现[A].中国图象图形学学会第五届立体图象技术国际学术会议论文集[C]，2011.

[5]罗建勤，张明.交互式漫游动画---Virtools+3ds Max虚拟技术整合[M].北京：中国科学技术出版社，2010.

[6]荆旭.基于虚拟现实技术的汽车虚拟驾驶系统的研究与开发[D].山东：山东理工大学，2007：34―38.

[7]Steve Bryson，Steve Feiner et aI.Research Frontiers in VirtuaI ReaIity. Proc.SIGGRAPH 94，473-474.