汽车驾驶虚拟现实ppt课件

1、4.1.概略概略4.2.汽车驾驶仿真器的原理汽车驾驶仿真器的原理4.3. 汽车驾驶仿真器的关键技术汽车驾驶仿真器的关键技术4.4. 汽车驾驶仿真器的开发与发展趋势汽车驾驶仿真器的开发与发展趋势4.1.概略概略 驾驶仿真系统是基于驾驶仿真系统是基于VR技术的一个新的研究热点。技术的一个新的研究热点。 虚虚拟现实技术应用于汽车驾驶仿真系统中，就是通过计算机产拟现实技术应用于汽车驾驶仿真系统中，就是通过计算机产生汽车行驶过程中的虚拟视景、音响效果和运动仿真，使驾生汽车行驶过程中的虚拟视景、音响效果和运动仿真，使驾驶员沉浸到虚拟驾驶环境中，并有实车驾驶的感觉，驾驶员驶员沉浸到虚拟驾驶环境中，并有实车驾

2、驶的感觉，驾驶员根据虚拟驾驶环境提供的视觉、听觉、触觉感受，构想其驾根据虚拟驾驶环境提供的视觉、听觉、触觉感受，构想其驾驶动作，操纵模拟驾驶舱中的操纵机构，计算机根据驾驶员驶动作，操纵模拟驾驶舱中的操纵机构，计算机根据驾驶员的操作状态，实时地改变汽车在虚拟环境中的状态，其过程的操作状态，实时地改变汽车在虚拟环境中的状态，其过程的不断循环，构成驾驶员的不断循环，构成驾驶员虚拟驾驶环境之间的交互作用，虚拟驾驶环境之间的交互作用，实现了汽车的虚拟驾驶，从而体验、认识和学习现实世界中实现了汽车的虚拟驾驶，从而体验、认识和学习现实世界中的汽车驾驶。的汽车驾驶。4.1.概略概略 汽车驾驶仿真系统具有驾驶模

3、拟效果逼真、节汽车驾驶仿真系统具有驾驶模拟效果逼真、节能、平安、经济，不受时间、气候、场地的限制，能、平安、经济，不受时间、气候、场地的限制，驾驶训练效率高、培训周期短等优势，在新车型开驾驶训练效率高、培训周期短等优势，在新车型开发和驾驶培训方面应用十分广泛。发和驾驶培训方面应用十分广泛。VIRTOOLS作为作为虚拟现实技术的开发工具之一，以其友好的图形开虚拟现实技术的开发工具之一，以其友好的图形开发界面和强大的三维引擎功能，越来越受到人们的发界面和强大的三维引擎功能，越来越受到人们的信任，是研究与实现汽车驾驶仿真系统的理想工具。信任，是研究与实现汽车驾驶仿真系统的理想工具。 4.1.1 国内

4、外研究动态国内外研究动态从从20世纪世纪80年代以来，国外的各大汽车集团和汽车技术研年代以来，国外的各大汽车集团和汽车技术研究机构就开始投入大量的人力、物力甚至应用国防及空间领究机构就开始投入大量的人力、物力甚至应用国防及空间领域的高精技术来开发各类驾驶仿真系统。域的高精技术来开发各类驾驶仿真系统。1985年，德国戴姆勒年，德国戴姆勒奔驰公司在柏林研制成功了六自由奔驰公司在柏林研制成功了六自由度开发型驾驶模拟器，该系统已成功地用于系列化高速轿车度开发型驾驶模拟器，该系统已成功地用于系列化高速轿车的产品开发中，其性能代表着当时汽车驾驶仿真技术的最高的产品开发中，其性能代表着当时汽车驾驶仿真技术的

5、最高程度。与此同时，瑞典的程度。与此同时，瑞典的VDI公司也建成了规模较小的汽车公司也建成了规模较小的汽车驾驶模拟器，用于瑞典车辆和交通系统的研究与开发。驾驶模拟器，用于瑞典车辆和交通系统的研究与开发。4.1.1 国内外研究动态国内外研究动态1989年，德国大众汽车公司改建了其原有的驾驶模拟器，更新了计算机运算系年，德国大众汽车公司改建了其原有的驾驶模拟器，更新了计算机运算系统和视景生成系统，并用于新产品的研制中。统和视景生成系统，并用于新产品的研制中。1991年，日本马自达汽车公司兴建了跑车开发型汽车驾驶模拟器。年，日本马自达汽车公司兴建了跑车开发型汽车驾驶模拟器。1993年，美国依阿华车辆

6、中心启用年，美国依阿华车辆中心启用1300万美元来开发汽车驾驶模拟系统。万美元来开发汽车驾驶模拟系统。2019年，日本汽车研究所年，日本汽车研究所JARI也建成了带有立体感模拟系统的驾驶模拟器。也建成了带有立体感模拟系统的驾驶模拟器。 目前，德国、瑞典、日本、美国的各大汽车厂家和研究室都相应更新了自己的开目前，德国、瑞典、日本、美国的各大汽车厂家和研究室都相应更新了自己的开发型汽车驾驶仿真系统，不断完善车辆的动力学模型，运动系统都可以模拟发型汽车驾驶仿真系统，不断完善车辆的动力学模型，运动系统都可以模拟六个自由度的运动情况，视景系统采用计算机成像系统六个自由度的运动情况，视景系统采用计算机成像

7、系统(CGI)，可以提供逼真，可以提供逼真的车辆环境。的车辆环境。4.1.1 国内外研究动态国内外研究动态1989年，德国大众汽车公司改建了其原有的驾驶模拟器，更新了计算机运算系年，德国大众汽车公司改建了其原有的驾驶模拟器，更新了计算机运算系统和视景生成系统，并用于新产品的研制中。统和视景生成系统，并用于新产品的研制中。1991年，日本马自达汽车公司兴建了跑车开发型汽车驾驶模拟器。年，日本马自达汽车公司兴建了跑车开发型汽车驾驶模拟器。1993年，美国依阿华车辆中心启用年，美国依阿华车辆中心启用1300万美元来开发汽车驾驶模拟系统。万美元来开发汽车驾驶模拟系统。2019年，日本汽车研究所年，日本

8、汽车研究所JARI也建成了带有立体感模拟系统的驾驶模拟器。也建成了带有立体感模拟系统的驾驶模拟器。 目前，德国、瑞典、日本、美国的各大汽车厂家和研究室都相应更新了自己的开目前，德国、瑞典、日本、美国的各大汽车厂家和研究室都相应更新了自己的开发型汽车驾驶仿真系统，不断完善车辆的动力学模型，运动系统都可以模拟发型汽车驾驶仿真系统，不断完善车辆的动力学模型，运动系统都可以模拟六个自由度的运动情况，视景系统采用计算机成像系统六个自由度的运动情况，视景系统采用计算机成像系统(CGI)，可以提供逼真，可以提供逼真的车辆环境。的车辆环境。4.1.2 国内研究现状国内研究现状我国在驾驶仿真系统方面的研究起步较

9、晚，经历了一个从引我国在驾驶仿真系统方面的研究起步较晚，经历了一个从引进国外产品到自行研制的较漫长的发展过程。开始是引进进国外产品到自行研制的较漫长的发展过程。开始是引进捷克的点光源平板投影式仿真器，道路盘上的道路是用笔捷克的点光源平板投影式仿真器，道路盘上的道路是用笔描绘而成的平面景象，无坡道；接着引进了美国的放电影、描绘而成的平面景象，无坡道；接着引进了美国的放电影、被动式汽车仿真器，一个控制台控制被动式汽车仿真器，一个控制台控制20个座舱。个座舱。20世纪世纪70年代，中国已经有自己研制的点光源、转盘机电式年代，中国已经有自己研制的点光源、转盘机电式汽车模拟器汽车模拟器14了。了。90年

10、代，随着计算机技术和图形、图像技术的发展，汽车驾年代，随着计算机技术和图形、图像技术的发展，汽车驾驶仿真系统走进国内，多所知名大学都在这方面作了大量驶仿真系统走进国内，多所知名大学都在这方面作了大量贡献。贡献。4.1.2 国内研究现状国内研究现状装甲兵工程学院开发的装甲兵工程学院开发的MUL-QJM汽车驾驶模拟器采用了实汽车驾驶模拟器采用了实时车辆动力学、运动学仿真模型和实时时车辆动力学、运动学仿真模型和实时CGI技术，不仅可技术，不仅可以完成汽车驾驶培训，还可以进行车辆安全性、人机工程、以完成汽车驾驶培训，还可以进行车辆安全性、人机工程、道路工程等的研究。道路工程等的研究。南京大学软件新技术

11、国家重点实验室应用三维场景人工智能南京大学软件新技术国家重点实验室应用三维场景人工智能技术，采用通用的软硬件平台，开发出了主动式三维汽车技术，采用通用的软硬件平台，开发出了主动式三维汽车驾驶训练模拟器驾驶训练模拟器15。昆明理工大学交通综合模拟实验室也于昆明理工大学交通综合模拟实验室也于2019年开发出了基于年开发出了基于网络的网络的WM汽车驾驶模拟器，除了其先进的车辆模型、逼汽车驾驶模拟器，除了其先进的车辆模型、逼真的视景系统外，它的联网功能可允许多台驾驶模拟器同真的视景系统外，它的联网功能可允许多台驾驶模拟器同时操作，并具有可选择的对车辆的监视功能。时操作，并具有可选择的对车辆的监视功能。

12、 4.1.2 国内研究现状国内研究现状北京航空航天大学研制的北京航空航天大学研制的MCGI-9410T计算机成像系统、航计算机成像系统、航空精密机械研究所研制的空精密机械研究所研制的QMCGI汽车驾驶训练模拟系汽车驾驶训练模拟系统也相当有代表性。统也相当有代表性。2019年年2月中旬，由北京科技大学信息学院研制的月中旬，由北京科技大学信息学院研制的VR-4驾驶驾驶模拟器的问世首先重点解决了模拟器的问世首先重点解决了“学员驾车的人造环境问题学员驾车的人造环境问题”。这种这种VR-4型驾驶模拟器可以让学习者在视觉感受，操纵型驾驶模拟器可以让学习者在视觉感受，操纵感受和运动感受三方面都能找到真实驾驶

13、的感觉。这项技感受和运动感受三方面都能找到真实驾驶的感觉。这项技术已通过了专家鉴定，并取得了国家专利。术已通过了专家鉴定，并取得了国家专利。 吉林大学汽车动态模拟国家重点实验室建设完成的开吉林大学汽车动态模拟国家重点实验室建设完成的开发型发型ADSL16,17驾驶模拟器，按其建设规模和性能驾驶模拟器，按其建设规模和性能设计指标，现居世界第二位。该设计指标，现居世界第二位。该ADSL驾驶模拟器具驾驶模拟器具有：真实的人有：真实的人车操作界面、重复可控的试验场景、车操作界面、重复可控的试验场景、可任意嵌入实物试验、高速的仿真运算能力、无风险可任意嵌入实物试验、高速的仿真运算能力、无风险的极限场景试

14、验等功能。的极限场景试验等功能。 哈尔滨工程大学虚拟现实与医学图像处理实验室于哈尔滨工程大学虚拟现实与医学图像处理实验室于2019年开发了汽车驾驶模拟器，用于驾驶学校倒桩年开发了汽车驾驶模拟器，用于驾驶学校倒桩测试于练习时使用。该模拟器采用真实的方向盘和制测试于练习时使用。该模拟器采用真实的方向盘和制动系统，模拟器安装在真实的汽车中，前后左右用四动系统，模拟器安装在真实的汽车中，前后左右用四个显示器分别模拟汽车的前后窗，和左右两个反光镜。个显示器分别模拟汽车的前后窗，和左右两个反光镜。是人在模拟器中驾驶能达到沉浸、逼真的驾驶体验。是人在模拟器中驾驶能达到沉浸、逼真的驾驶体验。4.1.3 存在问

15、题存在问题纵观国内外的相关研究，不难发现，目前在汽车驾纵观国内外的相关研究，不难发现，目前在汽车驾驶仿真领域，已经取得了一些很好的成果，但是驶仿真领域，已经取得了一些很好的成果，但是仍然存在许多问题：仍然存在许多问题：国外重视硬件开发，生成的视景数据太大，导致对国外重视硬件开发，生成的视景数据太大，导致对硬件要求提高，模拟器的价格昂贵硬件要求提高，模拟器的价格昂贵18；国内开；国内开发技术含量相对较低，已经研制出来的汽车驾驶发技术含量相对较低，已经研制出来的汽车驾驶模拟系统大都没有摆脱赛车游戏模式的束缚模拟系统大都没有摆脱赛车游戏模式的束缚19，或多或少地存在着汽车视景与操纵动作脱节、迟或多或

16、少地存在着汽车视景与操纵动作脱节、迟后，后，“沉浸感沉浸感”、“交互性与交互性与“实时性不强等缺实时性不强等缺点。点。4.1.3 存在问题存在问题此外，随着对汽车驾驶仿真系统需求的不断增加，学员需要此外，随着对汽车驾驶仿真系统需求的不断增加，学员需要的培训方式不仅仅是对汽车上操纵机构的熟悉和应用过程，的培训方式不仅仅是对汽车上操纵机构的熟悉和应用过程，而是一种而是一种“自助式的教学过程。这就要求驾驶模拟装置自助式的教学过程。这就要求驾驶模拟装置不仅能够提供仿真的驾驶环境，而且还要求在驾驶训练的不仅能够提供仿真的驾驶环境，而且还要求在驾驶训练的过程中起到一种人类教练所具有指导功能过程中起到一种人

17、类教练所具有指导功能20-23，能够，能够对训练者的操作过程进行监督，指出其在操作上的错误并对训练者的操作过程进行监督，指出其在操作上的错误并予以纠正，以及在操作完成时对训练者所完成的操作进行予以纠正，以及在操作完成时对训练者所完成的操作进行合理的评价。合理的评价。可见，自主研究与开发一个在普通微机上实现的，大众化、可见，自主研究与开发一个在普通微机上实现的，大众化、易于普及的，针对人易于普及的，针对人车车环境闭环系统开发、适合我国环境闭环系统开发、适合我国道路状况和交通法规的汽车驾驶仿真系统任重而道远。道路状况和交通法规的汽车驾驶仿真系统任重而道远。4.2.汽车驾驶仿真器的原理汽车驾驶仿真器

18、的原理汽车驾驶模拟器是用于汽车产品开发、汽车驾驶模拟器是用于汽车产品开发、“人一车一环境交人一车一环境交通特性研究或驾驶培训的一种重要工具。根据其用途、性通特性研究或驾驶培训的一种重要工具。根据其用途、性能、要求等方面的不同，基本上可以分为两类能、要求等方面的不同，基本上可以分为两类:一类是用一类是用于产品开发和于产品开发和“人人车车环境系统等基础研究的模环境系统等基础研究的模拟装置拟装置(开发型驾驶模拟器或驾驶仿真器开发型驾驶模拟器或驾驶仿真器);另一类是用于安另一类是用于安全教育、交通规则教育和驾驶训练的模拟装置。它们都被全教育、交通规则教育和驾驶训练的模拟装置。它们都被用来模拟真实的车辆

19、驾驶和运行过程，系统的基本组成原用来模拟真实的车辆驾驶和运行过程，系统的基本组成原理也大致相同，但它们的应用领域、技术水平、成本以及理也大致相同，但它们的应用领域、技术水平、成本以及由此产生的效果却有较大差别。开发型驾驶模拟器是利用由此产生的效果却有较大差别。开发型驾驶模拟器是利用计算机，在电子、液压、控制等技术支持下，从人一车一计算机，在电子、液压、控制等技术支持下，从人一车一环境闭环系统的整体性能出发，对汽车的主动安全性、操环境闭环系统的整体性能出发，对汽车的主动安全性、操纵性能等进行仿真研究和开发的大型实验装备。纵性能等进行仿真研究和开发的大型实验装备。4.2.汽车驾驶仿真器的原理汽车驾

20、驶仿真器的原理典型的开发型驾驶模拟器投资巨大，但功能非常全面。它一典型的开发型驾驶模拟器投资巨大，但功能非常全面。它一般由运动模拟系统、视景模拟系统、控制操纵系统、音响般由运动模拟系统、视景模拟系统、控制操纵系统、音响模拟系统、触感模拟系统及性能评价系统组成。模拟系统、触感模拟系统及性能评价系统组成。同造价昂贵、仿真性能全面的开发型驾驶模拟器相比，汽车同造价昂贵、仿真性能全面的开发型驾驶模拟器相比，汽车驾驶训练模拟器的应用主要是为了安全教育和驾驶训练，驾驶训练模拟器的应用主要是为了安全教育和驾驶训练，不同的应用决定了汽车驾驶训练模拟器的功能相对比较单不同的应用决定了汽车驾驶训练模拟器的功能相对

21、比较单一一;经济成本决定了驾驶训练模拟器的结构比较简单，无经济成本决定了驾驶训练模拟器的结构比较简单，无法实现复杂的动力学和车辆控制系统的仿真。这类模拟器法实现复杂的动力学和车辆控制系统的仿真。这类模拟器有的采用了固定的驾驶舱，极大地降低了成本，在欧洲和有的采用了固定的驾驶舱，极大地降低了成本，在欧洲和日本应用比较多。日本应用比较多。研究开发这类模拟器的关键技术是系统软件，包括计算机的研究开发这类模拟器的关键技术是系统软件，包括计算机的实时三维图像生成、视景模型、汽车模型、交通模型、网实时三维图像生成、视景模型、汽车模型、交通模型、网络控制、声响模拟等。络控制、声响模拟等。4.2.汽车驾驶仿真

22、器的原理汽车驾驶仿真器的原理目前国内生产和国外进口的汽车驾驶模拟器，基本属于机电目前国内生产和国外进口的汽车驾驶模拟器，基本属于机电型点光源产品，主要缺点是不能真实模拟汽车的运动特性型点光源产品，主要缺点是不能真实模拟汽车的运动特性和转向操纵特性和转向操纵特性.其点光源投影方式的视景系统只能显示其点光源投影方式的视景系统只能显示有限范围的简单道路，因而这种模拟器只能用于驾驶员的有限范围的简单道路，因而这种模拟器只能用于驾驶员的初级培训，并且效果也不理想初级培训，并且效果也不理想.为了改善汽车驾驶模拟器为了改善汽车驾驶模拟器的仿真性能，提高驾驶员的培训效果，并使模拟器在汽车的仿真性能，提高驾驶员

23、的培训效果，并使模拟器在汽车性能研究和交通安全研究方面发挥更大作用，我们研制了性能研究和交通安全研究方面发挥更大作用，我们研制了应用现代仿真技术的汽车驾驶模拟器，即综合应用微机控应用现代仿真技术的汽车驾驶模拟器，即综合应用微机控制和计算机成像等现代仿真技术，从本质上取代机电型点制和计算机成像等现代仿真技术，从本质上取代机电型点光源汽车驾驶模拟器，为其更广泛地应用打下研究和应用光源汽车驾驶模拟器，为其更广泛地应用打下研究和应用基础。基础。4.2.1 仿真驾驶器原理仿真驾驶器原理 驾驶舱系统、计算机控制系统等硬件系统和支持驾驶舱系统、计算机控制系统等硬件系统和支持网络的视景仿真、音效仿真软件系统。

24、网络的视景仿真、音效仿真软件系统。驾驶舱系统提供实现学员与虚拟驾驶环境之间交互驾驶舱系统提供实现学员与虚拟驾驶环境之间交互作用、提高驾驶模拟训练系统逼真度的有效手段作用、提高驾驶模拟训练系统逼真度的有效手段;视景仿真系统和音响仿真系统是为了强化驾驶模拟视景仿真系统和音响仿真系统是为了强化驾驶模拟训练系统沉浸感的重要因素训练系统沉浸感的重要因素;计算机控制系统是连接视景仿真系统和驾驶舱操作计算机控制系统是连接视景仿真系统和驾驶舱操作系统的必要通道在汽车驾驶模拟训练系统中，学系统的必要通道在汽车驾驶模拟训练系统中，学员根据视景、声音、仪表等虚拟驾驶环境决定驾员根据视景、声音、仪表等虚拟驾驶环境决定

25、驾驶动作，操作模拟驾驶舱中的操纵机构驶动作，操作模拟驾驶舱中的操纵机构;4.2.1 仿真驾驶器原理仿真驾驶器原理数据采集系统实时采样所有操纵机构的状态，包括方向盘、数据采集系统实时采样所有操纵机构的状态，包括方向盘、油门踏板、脚刹踏板、离合器踏板、档位、手刹车、点火油门踏板、脚刹踏板、离合器踏板、档位、手刹车、点火开关等的状态，并作为其输入传递给计算机控制系统开关等的状态，并作为其输入传递给计算机控制系统;计算机控制系统根据这些操纵机构的状态和图形生成系统反计算机控制系统根据这些操纵机构的状态和图形生成系统反馈的道路状况等信息，通过计算机的仿真计算，确定汽车馈的道路状况等信息，通过计算机的仿真

26、计算，确定汽车行驶的世界坐标位置，控制视景仿真系统实时动态生成下行驶的世界坐标位置，控制视景仿真系统实时动态生成下一帧虚拟视景，同时，驱动声音提示和仪表显示，改变汽一帧虚拟视景，同时，驱动声音提示和仪表显示，改变汽车在虚拟环境中的状态。其过程的不断循环，实现学员与车在虚拟环境中的状态。其过程的不断循环，实现学员与虚拟驾驶环境之间的交互作用，从而达到驾驶模拟训练的虚拟驾驶环境之间的交互作用，从而达到驾驶模拟训练的目的，系统的构成原理如图：目的，系统的构成原理如图：4.2.1 仿真驾驶器原理仿真驾驶器原理图图4.1 驾驶系统的构成驾驶系统的构成4.2.1 仿真驾驶器原理仿真驾驶器原理汽车驾驶模拟器

27、是一种能正确模拟汽车驾驶动作，汽车驾驶模拟器是一种能正确模拟汽车驾驶动作，获得实车驾驶感觉的仿真设备。汽车驾驶模拟器，获得实车驾驶感觉的仿真设备。汽车驾驶模拟器，又称为汽车模拟驾驶仿真系统，它集成了传感器又称为汽车模拟驾驶仿真系统，它集成了传感器技术、计算机技术、数据通信技术、多媒体技术技术、计算机技术、数据通信技术、多媒体技术等先进技术。借助于驾驶模拟器，能对汽车一驾等先进技术。借助于驾驶模拟器，能对汽车一驾驶员一道路驶员一道路(环境环境)相互作用关系进行研究，也能相互作用关系进行研究，也能对驾驶员进行训练。按其视景系统的不同，可分对驾驶员进行训练。按其视景系统的不同，可分为被动式与主动式驾

28、驶模拟器为被动式与主动式驾驶模拟器;按用途不同，可分按用途不同，可分为训练型和开发型为训练型和开发型;按驾驶模拟器的运动机构的不按驾驶模拟器的运动机构的不同，可分为座位固定式、整车转鼓式和座位可转同，可分为座位固定式、整车转鼓式和座位可转动式三种类型。动式三种类型。4.2.1 仿真驾驶器原理仿真驾驶器原理 驾驶模拟器的工作原理是：驾驶模拟器的工作原理是：由安装在驾驶舱的传感器将驾驶员的操纵信号传递到主控计由安装在驾驶舱的传感器将驾驶员的操纵信号传递到主控计算机，由主控计算机中的汽车模型软件计算出车辆瞬间算机，由主控计算机中的汽车模型软件计算出车辆瞬间的运动位置及姿态，的运动位置及姿态，将车辆运

29、动参数不断地传到计算机图形工作站，由图像软件将车辆运动参数不断地传到计算机图形工作站，由图像软件生成对应的连续变化的道路视景图，生成对应的连续变化的道路视景图，再由投影仪将视景投射到驾驶舱正前方的屏幕上，与此同时，再由投影仪将视景投射到驾驶舱正前方的屏幕上，与此同时，由主控计算机控制液压系统，使驾驶舱产生一定的运动，由主控计算机控制液压系统，使驾驶舱产生一定的运动，并模拟噪声，给驾驶员一个接近真实的驾车感觉。并模拟噪声，给驾驶员一个接近真实的驾车感觉。 4.2.1 仿真驾驶器原理仿真驾驶器原理 汽车驾驶仿真系统由硬件和软件两部分组汽车驾驶仿真系统由硬件和软件两部分组成。系统总体结构如图成。系统

30、总体结构如图4.2所示。所示。 硬件设备由模拟驾驶舱、操纵控制系统、硬件设备由模拟驾驶舱、操纵控制系统、仪表系统、多媒体计算机及音响系统等构仪表系统、多媒体计算机及音响系统等构成。成。软件系统包括道路环境的计算机实时动画生软件系统包括道路环境的计算机实时动画生成，汽车行驶动态仿真，声响模拟，操作成，汽车行驶动态仿真，声响模拟，操作评价，数据管理，网络控制，操作平台等。评价，数据管理，网络控制，操作平台等。4.2.1 仿真驾驶器原理仿真驾驶器原理。4.2.2 硬件平台硬件平台模拟驾驶舱模拟驾驶舱: 在模拟驾驶舱中装配有与实车相同的各种可操纵机构，如在模拟驾驶舱中装配有与实车相同的各种可操纵机构，

31、如方向盘、离合器踏板、刹车踏板、油门踏板、变速器手柄、方向盘、离合器踏板、刹车踏板、油门踏板、变速器手柄、刹车手柄、转向灯开关、点火开关、仪表盘等，以模拟实刹车手柄、转向灯开关、点火开关、仪表盘等，以模拟实车驾驶环境。车驾驶环境。操纵控制系统操纵控制系统: 驾驶者控制汽车运动的基本操纵部件是方向盘、油门、离驾驶者控制汽车运动的基本操纵部件是方向盘、油门、离合、刹车和档位，另外还有点火开关、转向指示灯等辅助合、刹车和档位，另外还有点火开关、转向指示灯等辅助性操作部件。这些部件信号的实时采集与控制是汽车驾驶性操作部件。这些部件信号的实时采集与控制是汽车驾驶仿真系统能否真正逼真模拟驾驶环境的最基本前

32、提，是整仿真系统能否真正逼真模拟驾驶环境的最基本前提，是整个汽车驾驶仿真系统的核心部分之一。个汽车驾驶仿真系统的核心部分之一。4.2.2 硬件平台硬件平台 由于本系统可以放入实车进行实验，因而在没有由于本系统可以放入实车进行实验，因而在没有力和反馈装置的条件下，对于汽车运动控制的模力和反馈装置的条件下，对于汽车运动控制的模拟主要由实车部件中的方向盘、油门、离合、刹拟主要由实车部件中的方向盘、油门、离合、刹车和档位操作来完成。车和档位操作来完成。 驾驶员对操纵部件的操作经过传感器和接口，将驾驶员对操纵部件的操作经过传感器和接口，将方向盘转动的角度、油门的开度、离合器的状态、方向盘转动的角度、油门

33、的开度、离合器的状态、刹车的状态等模拟量经过刹车的状态等模拟量经过AD转换发送给计算机系转换发送给计算机系统进行处理，同时把系统处理的实时数据如档位统进行处理，同时把系统处理的实时数据如档位参数、速度等数字量经过参数、速度等数字量经过DA转换发送到车体部分转换发送到车体部分显示仪表系统上，进而调整视景显示，使驾驶员显示仪表系统上，进而调整视景显示，使驾驶员实时观察驾驶车辆的运行情况。实时观察驾驶车辆的运行情况。4.2.2 硬件平台硬件平台仪表系统仪表系统仪表系统采用实车的仪表，负责显示车内仪表面板的实时更仪表系统采用实车的仪表，负责显示车内仪表面板的实时更新，如计程表、转向灯、气压表以及油门、

34、离合器状态等。新，如计程表、转向灯、气压表以及油门、离合器状态等。多媒体计算机多媒体计算机在本汽车驾驶仿真系统中，由于要满足实时交互与漫游，主在本汽车驾驶仿真系统中，由于要满足实时交互与漫游，主机对图形加速卡的要求较高，因此需要采用机对图形加速卡的要求较高，因此需要采用128M图形加图形加速卡和速卡和1G内存，主频采用内存，主频采用2.0G以上，以上， 对于这种配置，目对于这种配置，目前的普通高档微机基本都能达到或超过。接口微处理器部前的普通高档微机基本都能达到或超过。接口微处理器部分的主控芯片采用分的主控芯片采用16位的顶级单片机来实现控制信号的识位的顶级单片机来实现控制信号的识别和数据采集

35、，并通过别和数据采集，并通过windows串口串口API函数，完成单片函数，完成单片机与主机之间的数据通信。普通显示器，音箱或耳机即可机与主机之间的数据通信。普通显示器，音箱或耳机即可完成。完成。4.2.3软件平台软件平台 本文的视景仿真系统是在本文的视景仿真系统是在 Windows 操作系统环境下操作系统环境下,通过通过VIRTOOLS 调用调用3DS Max建立和处理的模型来完成的。建立和处理的模型来完成的。3DS Max 建模技术建模技术 (略）。略）。开发工具开发工具VIRTOOLSVIRTOOLS是由法国全球交互三维开发解决方案公司是由法国全球交互三维开发解决方案公司VIRTOOLS

36、所开发，是虚拟现实的一种开发工具，透过直所开发，是虚拟现实的一种开发工具，透过直觉式图形开发界面，开发人员只需要拖曳所需要的行为模觉式图形开发界面，开发人员只需要拖曳所需要的行为模块就可以建构复杂的互动应用程序，可同时满足无程序背块就可以建构复杂的互动应用程序，可同时满足无程序背景的设计人员以及高级程序设计师的需要，让景的设计人员以及高级程序设计师的需要，让3D美术设美术设计与程序设计人员进行良好的分工与合作，有效缩短开发计与程序设计人员进行良好的分工与合作，有效缩短开发流程、提升效益，其三维引擎已经成为微软流程、提升效益，其三维引擎已经成为微软XBox认可系认可系统。特点是方便易用，应用领域

37、广。统。特点是方便易用，应用领域广。 4.2.3软件平台软件平台 VIRTOOLS让原本深不可测的让原本深不可测的3D数字产品的研发工作变数字产品的研发工作变得简单许多，使一般对于程序望而却步的艺术人才有更大得简单许多，使一般对于程序望而却步的艺术人才有更大的发展空间，不再受限于程序语言的屏障，让传统与科技的发展空间，不再受限于程序语言的屏障，让传统与科技相互结合，活化数字电子产品生命能量，回归到相互结合，活化数字电子产品生命能量，回归到“创意创意的原点。的原点。 随着随着VIRTOOLS这样的开发工具如雨后春笋般的陆续诞生，这样的开发工具如雨后春笋般的陆续诞生，这也代表着新的程序语言的时代来

38、临，尽管所需效能比起这也代表着新的程序语言的时代来临，尽管所需效能比起C, C+等传统程序语言来的高，但模块化的指令却能极大等传统程序语言来的高，但模块化的指令却能极大地降低学习的门槛，让撰写游戏程序不再是程序人员的专地降低学习的门槛，让撰写游戏程序不再是程序人员的专利，程序人员可以更放心的去处理深层的建构与规划，增利，程序人员可以更放心的去处理深层的建构与规划，增进了效率，节省了成本。进了效率，节省了成本。4.2.3软件平台软件平台VIRTOOLS除了自身的除了自身的3D/VR开发平台开发平台VIRTOOLS Dev以外，还有五个可选模块，分别是：以外，还有五个可选模块，分别是：物理属性模块

39、物理属性模块VIRTOOLS Physics Pack for Dev沉浸式平台沉浸式平台VIRTOOLS VR Pack for Dev人工智能模块人工智能模块VIRTOOLS AI Pack for DevXbox开发模块开发模块VIRTOOLS Xbox Kit for Dev网络服务器模块网络服务器模块VIRTOOLS Server4.2.3软件平台VIRTOOLS Dev是VIRTOOLS最基本的开发平台，在这个开发环境中，可以迅速容易地创建出拥有丰富3D内容的、交互的VIRTOOLS作品文件。常用的媒体如模型、动画、图像、声音等都可以被整合进去。VIRTOOLS Dev不是建模程序

40、，本身不能够建模，但是环境设计，包括背景(Ground)、灯光(Light)、音效(Sound)、材质(Material)、纹理(Texture)、粒子系统(Particle System)、摄像机(Camera)等可以加入进去。VIRTOOLS DEV可以导入3DS Max以及Maya建立的模型，利用VIRTOOLS强大的交互设计给模型世界增加生气与灵魂。VIRTOOLS Dev还包括动作引擎、渲染引擎、网络浏览器以及SDK。对于习惯编程的开发者，VIRTOOLS还提供了VSL语言，通过存取SDK，作为对图形编辑器的补充。 4.3. 汽车驾驶仿真器的关键技术汽车驾驶仿真器的关键技术4.3.1

41、网络通信网络通信几乎各种不同的几乎各种不同的TCP胆实现都会提供下胆实现都会提供下面这些通用的应用程序面这些通用的应用程序:1.Teinet远程登录。远程登录。2.FTP文件传输协议。文件传输协议。3.SMTP用于电子邮件的简单邮件传输用于电子邮件的简单邮件传输协议。协议。4.SNMP简单网络管理协议。简单网络管理协议。 4.3.1网络通信网络通信 仔细研究运输层普遍存在的几种网络编程模型，仔细研究运输层普遍存在的几种网络编程模型，使用效率相对来说最高的完成端口模型设计出一使用效率相对来说最高的完成端口模型设计出一个服务器，并在此传输层设计基础上在应用层设个服务器，并在此传输层设计基础上在应用

42、层设计了一个类计了一个类FTP协议，用来提供文件传输功能以协议，用来提供文件传输功能以及测试运输层设计的服务器的效率和稳定性，这及测试运输层设计的服务器的效率和稳定性，这样的研究在理论和实际上都是具有一定意义的。样的研究在理论和实际上都是具有一定意义的。1.客户和服务器进程客户和服务器进程:对于相互通信的两个进程，通对于相互通信的两个进程，通常称一方为客户，一方为服务器。常称一方为客户，一方为服务器。2.套接字套接字:从一个进程发送到另一个进程的任何消息从一个进程发送到另一个进程的任何消息都必须经过下层网络。都必须经过下层网络。 进程从网络中接收数据，向网络中发送数据都是进程从网络中接收数据，

43、向网络中发送数据都是通过套接字来进行的。套接字是应用层和传输层通过套接字来进行的。套接字是应用层和传输层的接口，成为程序和网络间的的接口，成为程序和网络间的API。3.Winsock编程的几个主要函数:(1)创建套接字:SOCKETsoeket(iniaf，inttyPe，iniProtoeol);第一个参数用来指定套接字使用的地址格式，winsock中只支持AF创ET。第二个参数用来指定套接字的类型。第三个参数用来配合第二个参数使用，指定使用的协议类型。4.3.1 网络通信网络通信(2)关闭套接字关闭套接字:Inielosesoeket(SOCKETs):唯一的参数就是要关闭的套接字的句柄。

44、唯一的参数就是要关闭的套接字的句柄。(3)绑定套接绑定套接:I l l t b i n d ( S O C K E T s ，eonstSlruetsoekaddr*na幻幻ne，inina们们nelen);第一个参数指定套接字句柄。第一个参数指定套接字句柄。第二个参数指定要关联本地地址。第二个参数指定要关联本地地址。第三个参数指定要关联的地址的长度。第三个参数指定要关联的地址的长度。(4)监听套接字:Intlisten(SOCKETs，intbaeklog);第一个参数指定套接字句柄。第二个参数指定监听队列中允许保持的尚未处理的最大连接数量。(5)接受套接字请求:SOCKETaceePt(S

45、OCKETs，struetsockaddr*addr，int*addrlen);第一个参数指定套接字句柄。4.3.2 人工智能人工智能 人工智能人工智能Artificial Intelligence，简称，简称AI是计算机学科是计算机学科的一个分支，二十世纪七十年代以来被称为世界三大尖端的一个分支，二十世纪七十年代以来被称为世界三大尖端技术之一空间技术、能源技术、人工智能）。也被认为技术之一空间技术、能源技术、人工智能）。也被认为是二十一世纪基因工程、纳米科学、人工智能三大尖是二十一世纪基因工程、纳米科学、人工智能三大尖端技术之一。这是因为近三十年来它获得了迅速的发展，端技术之一。这是因为近三

46、十年来它获得了迅速的发展，在很多学科领域都获得了广泛应用，并取得了丰硕的成果，在很多学科领域都获得了广泛应用，并取得了丰硕的成果，人工智能已逐步成为一个独立的分支，无论在理论和实践人工智能已逐步成为一个独立的分支，无论在理论和实践上都已自成一个系统。上都已自成一个系统。 从实用观点来看，人工智能是一门知识工程学：以知识为对从实用观点来看，人工智能是一门知识工程学：以知识为对象，研究知识的获取、知识的表示方法和知识的使用。象，研究知识的获取、知识的表示方法和知识的使用。 4.3.2 优化的关键技术优化的关键技术 虽然在建模初期己经对单个模型在场景中的层次和显示问虽然在建模初期己经对单个模型在场景

47、中的层次和显示问题作了一些考虑和处理，但由于这些模型基本上都是彼此题作了一些考虑和处理，但由于这些模型基本上都是彼此独立的，还没有集成到一个整体的系统模型中，因而仍需独立的，还没有集成到一个整体的系统模型中，因而仍需采用先进的建模技术，从集成后系统的整体角度出发，兼采用先进的建模技术，从集成后系统的整体角度出发，兼顾系统沉浸感与实时性的要求，对其中某些不合理部分再顾系统沉浸感与实时性的要求，对其中某些不合理部分再加以处理。下面就针对本汽车驾驶仿真系统，分别说明在加以处理。下面就针对本汽车驾驶仿真系统，分别说明在模型优化过程中所用到的几种关键技术。模型优化过程中所用到的几种关键技术。 MIP纹理

48、映射技术纹理映射技术 集成后的系统整体模型实际上是各种几何形状的集合体，集成后的系统整体模型实际上是各种几何形状的集合体，而各个几何体的表面又都是单色的，所以不能达到显示真而各个几何体的表面又都是单色的，所以不能达到显示真实感的效果和要求。因此，我们需要使用纹理映射技术对实感的效果和要求。因此，我们需要使用纹理映射技术对模型进行处理。在使用纹理映射时有多种方案。模型进行处理。在使用纹理映射时有多种方案。 4.3.2优化的关键技术优化的关键技术 例如：可以把纹理映射到由一组多边形近似的表例如：可以把纹理映射到由一组多边形近似的表面或是弯曲的表面上，也可以在一个方向或两个面或是弯曲的表面上，也可以

49、在一个方向或两个方向上重复使用一种纹理来覆盖表面，而纹理可方向上重复使用一种纹理来覆盖表面，而纹理可以是一维的。以是一维的。 此外还可以自动将纹理映射到物体上，利用纹理此外还可以自动将纹理映射到物体上，利用纹理来表示观察到的物体的轮廓或其他属性。可以给来表示观察到的物体的轮廓或其他属性。可以给发亮的物体贴上纹理，使其看起来就好像是处在发亮的物体贴上纹理，使其看起来就好像是处在房间或其他环境的正中央，其表面反射的是周围房间或其他环境的正中央，其表面反射的是周围环境的景色。环境的景色。 最后，纹理还可以用不同的方式粘贴到物体表面最后，纹理还可以用不同的方式粘贴到物体表面上。既可以直接画上。既可以直

50、接画(类似于往物体表面贴花类似于往物体表面贴花)，也，也可以调整物体表面的颜色，或者将纹理颜色和物可以调整物体表面的颜色，或者将纹理颜色和物体表面颜色进行混合。体表面颜色进行混合。 4.3.2优化的关键技术优化的关键技术 MIP纹理映射技术如图纹理映射技术如图4.11所示，是对同一纹理所示，是对同一纹理构造若干个不同细致等级的图像，上层图像只含构造若干个不同细致等级的图像，上层图像只含有下一层图像分辨率的一半，也就是下一级图像有下一层图像分辨率的一半，也就是下一级图像象素的平均值构成上层图像的一个象素的色彩值。象素的平均值构成上层图像的一个象素的色彩值。依次类推，从最底层分辨率为依次类推，从最

51、底层分辨率为512512的图像开的图像开始，依次减少一半的分辨率直到顶层的始，依次减少一半的分辨率直到顶层的11的最的最低分辨率。这种纹理映射技术，使得在系统的实低分辨率。这种纹理映射技术，使得在系统的实时显示中根据视点距物体的远近或者视线与多边时显示中根据视点距物体的远近或者视线与多边形法向量之间夹角的不同而选择合适的纹理细致形法向量之间夹角的不同而选择合适的纹理细致等级，在同一时刻只把目前所需的细致等级的图等级，在同一时刻只把目前所需的细致等级的图像调入内存，这样就可以显著地节省内存空间，像调入内存，这样就可以显著地节省内存空间，从而提高系统显示实时性。本系统中，路的模型从而提高系统显示实

52、时性。本系统中，路的模型就是采用了就是采用了MIP纹理映射技术。纹理映射技术。 4.3.2优化的关键技术优化的关键技术 4.3.2优化的关键技术优化的关键技术 LOD模型简化技术模型简化技术 LODLevels of Detail技术是当前可视化仿真领域中技术是当前可视化仿真领域中处理图形显示实时性方面十分流行的技术之一处理图形显示实时性方面十分流行的技术之一44。细节。细节层次层次(LOD)模型就是在不影响画面视觉效果的条件下，对模型就是在不影响画面视觉效果的条件下，对同一物体建立几个不同逼近精度的几何模型。根据物体与同一物体建立几个不同逼近精度的几何模型。根据物体与视点的距离来选择显示不同

53、细节层次的模型，从而加快系视点的距离来选择显示不同细节层次的模型，从而加快系统图形处理和渲染的速度。对于一个多级的统图形处理和渲染的速度。对于一个多级的LOD模型，当模型，当视点逐渐接近物体时，物体将根据模型建立时的视点逐渐接近物体时，物体将根据模型建立时的LOD距离距离设置，由低到高，显示不同的细节层次。这样可以保证在设置，由低到高，显示不同的细节层次。这样可以保证在视点靠近物体时对物体进行精细绘制，在远离物体时对物视点靠近物体时对物体进行精细绘制，在远离物体时对物体进行粗略绘制，在总量上控制多边形的数量，不会出现体进行粗略绘制，在总量上控制多边形的数量，不会出现由于显示的物体增多而使处理多

54、边形的数量过度增加的情由于显示的物体增多而使处理多边形的数量过度增加的情况，把多边形个数控制在系统的处理能力之内，这样就可况，把多边形个数控制在系统的处理能力之内，这样就可以保证在不降低用户观察效果的情况下，大大减少渲染负以保证在不降低用户观察效果的情况下，大大减少渲染负载。载。 4.3.2优化的关键技术优化的关键技术 BSP消隐处理技术消隐处理技术 在模型建造与集成的过程中，常常会遇到物体在模型建造与集成的过程中，常常会遇到物体的遮挡问题，正确处理遮挡关系，使三维物体的的遮挡问题，正确处理遮挡关系，使三维物体的对应位置关系在二维显示器上得到正确的反映，对应位置关系在二维显示器上得到正确的反映

55、，就涉及到图形的消隐处理技术。就涉及到图形的消隐处理技术。 消隐处理的技术很多，比如在象素级上以近物取消隐处理的技术很多，比如在象素级上以近物取代远物的代远物的Z_buffer算法，这种取代方法实现起来算法，这种取代方法实现起来远比总体排序来的灵活简单，也利于计算机实现；远比总体排序来的灵活简单，也利于计算机实现；利用图形的区域连贯性，在连续的区域上确定可利用图形的区域连贯性，在连续的区域上确定可见面及其颜色、亮度的区域采样算法；以及画家见面及其颜色、亮度的区域采样算法；以及画家算法等。但对于实时图形的消隐处理，大都采用算法等。但对于实时图形的消隐处理，大都采用BSP算法来解决物体之间的遮挡问

56、题，本论文正算法来解决物体之间的遮挡问题，本论文正是采用了这种方法是采用了这种方法 4.3.2优化的关键技术优化的关键技术 BSP消隐处理技术消隐处理技术 BSP(Binary space partitioning)技术的基本思想是将技术的基本思想是将三维空间用三维空间用BSP平面分割成两部分，平面分割成两部分，BSP树为一个二叉树，树为一个二叉树，被分割的两部分构成被分割的两部分构成BSP树的左枝及右枝，左枝代表前部，树的左枝及右枝，左枝代表前部，右枝则代表后部。这样便可以根据物体相对于右枝则代表后部。这样便可以根据物体相对于BSP平面的平面的位置关系来确定出前面物体与被遮挡的后面物体。显示

57、顺位置关系来确定出前面物体与被遮挡的后面物体。显示顺序为先显示后面的物体后显示前面的物体。如图序为先显示后面的物体后显示前面的物体。如图4.12所示，所示，物体物体A, B, C，被两个，被两个BSP平面平面Pl和和P2分割后得出的相互分割后得出的相互之间的前后关系。本系统多处应用了此技术及其原理，比之间的前后关系。本系统多处应用了此技术及其原理，比如在处理树木的显示问题时，为了使其从任何方向和任何如在处理树木的显示问题时，为了使其从任何方向和任何通道中都是可见的，就要考虑到模型背面纹理的处理，即通道中都是可见的，就要考虑到模型背面纹理的处理，即需要对树木的材质进行双面处理。需要对树木的材质进

58、行双面处理。 4.3.2优化的关键技术优化的关键技术 4.3.2优化的关键技术优化的关键技术 Instance实例建模技术实例建模技术 实例技术实例技术(Instance)就是将多个外观一致的物体以同一个就是将多个外观一致的物体以同一个样例存入内存，使用时从同一块内存区域提取数据，以达样例存入内存，使用时从同一块内存区域提取数据，以达到节省内存开销的目的。场景模型对象的表示一般分为两到节省内存开销的目的。场景模型对象的表示一般分为两种：种： (1) 具体地表示对象中基元的轮廓和形状，这可以节省生具体地表示对象中基元的轮廓和形状，这可以节省生成时的计算时间，但存储和访问所需要的时间比较多，空成时

59、的计算时间，但存储和访问所需要的时间比较多，空间也比较大；间也比较大； (2) 抽象地表示，它有利于存储，但使用时需要重新计算。抽象地表示，它有利于存储，但使用时需要重新计算。 采用哪一种方法表示模型对象取决于对存储空间和计算开采用哪一种方法表示模型对象取决于对存储空间和计算开销的综合考虑，一般情况下都采用具体的表示方法，但是销的综合考虑，一般情况下都采用具体的表示方法，但是有时抽象表示会大大提高系统的性能。有时抽象表示会大大提高系统的性能。 实例技术就是抽象表示对象的一个典型应用，其基本的处实例技术就是抽象表示对象的一个典型应用，其基本的处理方法为矩阵变换理方法为矩阵变换46,47，即通过平

60、移、旋转、缩放工具，即通过平移、旋转、缩放工具调整三维空间中物体的几何变换矩阵来产生物体的实例，调整三维空间中物体的几何变换矩阵来产生物体的实例，而模型的数据总量是不会增加多少的。而模型的数据总量是不会增加多少的。 4.3.2优化的关键技术优化的关键技术 Instance实例建模技术实例建模技术 采用实例技术的主要目标是节省内存，当构造多个形状属采用实例技术的主要目标是节省内存，当构造多个形状属性相同的物体时，如果采用正常的拷贝手段，每增加一个性相同的物体时，如果采用正常的拷贝手段，每增加一个物体，多边形的数量就会相应地增加一倍，而采用实例技物体，多边形的数量就会相应地增加一倍，而采用实例技术