基于虚拟现实技术的汽车驾驶模拟系统研究

魏泽荣

摘 要 随着车辆增多，汽车驾驶已成为越来越多人必备的技能，基于虚拟现实技术的汽车驾驶模拟系统由于其不受环境及天气影响等优点逐渐受到国内外的重视。本文对该模拟系统的结构及具体组成部分进行了研究，包括建模方法、检测模块及显示系统三大部分，最终对其研究前景进行了展望。

【关键词】虚拟现实 汽车驾驶 模拟系统

1 引言

随着社会的发展，车辆逐渐增多，由此带来的交通问题日益严重，而许多交通事故的产生都是因为驾驶人员技术不过关。目前，驾驶员的培训通常是在真实场地进行实际训练，需要大量的汽车资源，并且在训练时受到车型及天气的限制。在此基础上，基于虚拟现实技术的汽车驾驶模拟系统受到人们的重视。该模拟系统能够提供相对真实的开车环境，精确地模拟汽车驾驶员的动作，以训练其在不同场景下对于汽车的操纵熟练程度。

虚拟现实技术可以通过创建虚拟环境而使人们能够进行实际体验，涉及到的技术主要包括模拟环境、传感设备等多个方面。基于该技术，目前的汽车驾驶系统通常聚集传感器、人工智能、多媒体等多种先进技术，不仅能够让驾驶员沉浸到系统所提供的环境中，还能对该环境进行一定的操作并得到相应的反馈。本文重点对基于虚拟现实技术的汽车驾驶模拟系统进行研究。

2 驾驶模拟系统整体结构

为了更好地了解驾驶模拟系统的组成，本文首先对虚拟现实技术的相关知识进行介绍。虚拟现实技术的两个主要特征分别是：交互性以及沉浸感。

2.1 交互性

指用户与虚拟场景中的各种元素相互作用的能力，环境中的各种因素可以反馈到人，而人可以做出相应的反应并反作用于环境，形成相互交互的过程。这是人机和谐的关键性因素。

2.2 沉浸感

指的是用户能够将自己放在虚拟环境中，并且其感知与真实环境不会出现较大偏差，最好能够完全模拟真实环境，给用户带来极其真实的感受。这也是虚拟现实系统的核心。

将上述虚拟现实技术的特征考虑在内，目前常用的汽车驾驶模拟系统通常包括不同场景的画面显示，并将其作为三维画面由用户接收；一系列的操作系统，如转向盘、操作按钮、档位变换器等；一定的建模规则，例如当猛踩急刹车时，车辆会继续向前滑动一定距离，并且人会向前倾。首先通过人为制定规则，对车辆所处的环境、车辆本身的状态以及驾驶员感受到的状态进行建模；其次，通过各种传感器检测驾驶员在车辆行驶过程中的行为，经过数据处理后，得到相应的操作参数；最终，通过人机交互接口将这些参数传入到计算机中，利用建立好的模型计算出汽车的运动状态及驾驶员视场，使驾驶员沉浸在驾驶的场景中。其结构如图1所示。

3 驾驶模拟系统模块组成

具体来说，模拟系统应包括以下几个部分：建模方法，包括对场景的建模以及车辆行驶的仿真建模两种；检测模块，主要由各种传感器组成，能够检测到用户的行为并输入到计算机中，从而达到与系统进行交互的目的；显示系统，主要用于为驾驶员提供具有真实感的体验环境。接下来，本文将对这三个模块进行详细介绍。

3.1 建模方法

为了模拟虚拟环境，并达到逼真的效果，首先要考虑的就是建模方法，这是实现虚拟现实的前提和关键。建模的方法包括几何建模、物理建模及行为建模等。在实际建模过程中，为了减小模型的复杂度，可以在一定程度上对真实物体的特征进行简化。接下来将分别描述上述三种建模技术在驾驶模拟系统中的实际应用。

在几何及物理建模中，驾驶模拟系统需要重点考虑的就是车辆行驶所处的场景。一般来说，一个能够满足用户需求的驾驶模拟系统需要包含以下三个场景：

3.1.1 驾考中心

驾校学员在考驾照过程中，需要在驾考中心进行科目二的测试，因此一个符合用户要求的模拟系统首先应该包括该中心的考场地形图，如S型弯道等，如图2（a）所示。

3.1.2 城市道路环境

驾驶员在开车过程中，需要在正常的城市道路进行汽车驾驶，因此为了训练其驾驶熟练度，应对真实的城市道路环境进行建模，主要包括城市建筑与景观、树木、广场等，如图2（b）所示。

3.1.3 山区道路环境

为了考研驾驶员在恶劣情况下的车辆驾驶技能，需要对山区道路环境进行建模，包括上坡、隧道等较难驾驶的道路，如图2（c）所示。

在行为建模中，需要根据驾驶员的操作推断出车辆的运动状态以及驾驶员视场中的画面内容。首先将不同类型的车辆参数进行记录，根据用户所选择的不同车型进行切换，并选择不同的模型：车身模型、刹车模型、加速踏板模型、转弯模型等。当驾驶员对模拟车辆进行操作时，根据其操作结果，利用人机交互接口获得不同的传感器参数，同时参考其选择的车辆模型，计算出车辆的当前状态，例如车速、车辆当前的位置等信息，并反馈给驾驶员。

3.2 检测模块

为了让驾驶员在操作过程中有沉浸感，需要进行人机交互，其中最重要的一部分就是对于驾驶员动作的检测。目前的驾驶模拟系统在硬件上通常与真实的车辆系统相似，包括方向盘、刹车、加速踏板等部件，每个部件上都安装了对应的传感器以检测其状态，最后，检测到的参数通过人机交互接口输入道计算机系统以模拟车辆目前的行驶状态。检测模块的流程图如图3所示。

通过上述系统，能够将驾驶员对于车辆的操作信息传递到车辆的仿真模型中，从而实现人机交互，使得车辆的模拟运动状态能够被人所控制。

3.3 显示系统

在显示系统中，驾驶员需要看到三维的场景，从而增加其对于场景的沉浸感。人们之所以感受到立体的环境，主要是因为左右两只眼睛能够看到不同的图像，因此可以利用该特點制造出可以看出立体画面的设备。

为了达到立体的视觉效果，目前常用的系统通常是将两台投影机和3D眼镜结合使用。首先将两台投影机上下叠加，并且每个投影机前面都放置一个偏振光片，两个偏振光片之间的角度为90°，以保证投影仪投影出来的画面互不相同。与此同时，用户需要佩戴相应的3D眼镜，这两个镜片之间的角度也是90°，从而保证人的两只眼镜分别看到不同的画面。最终，两个画面叠加，用户可以看到立体画面。

在驾驶模拟系统中，用户可以通过佩戴相应的眼镜得到三维画面的观看效果，以模拟车辆在真实运动场景中的行驶状态。

4 总结与展望

本文对基于虚拟现实技术的驾驶模拟系统进行了研究，并对其组成部分及其中用到的主要技术：包括建模方法、检测模块、以及最终的显示系统进行详细的介绍。驾驶模拟系统不受环境、天气的影响，并且能够节省大量的车辆资源，目前已经越来越多的受到人们的重视，其技术也日趋成熟。从其未来发展看，其趋势有：

（1）对于不同驾驶员的心理状态进行测试，记录不同心理状态下的驾驶员最有可能的驾驶行为，并保存在驾驶行为库中。这是因为在紧急状态下，驾驶员的心理对其驾驶行为产生很大的影响，甚至直接决定是否发生交通事故。根据其心理状态进行道路的测试能够让驾驶员进行不断地学习，从而激发其想象及学习能力，最终达到更好的虚拟现实体验。

（2）对用户的反馈进行更加真实的模拟，如风吹过，手的触感，车辆的运动状态等，使虚拟场景与真实体验之间交互更强，从而增强用户体验，使得其沉浸感更强。

（3）对实际交通中的各种复杂交通状况进行模拟。在未来的发展中，可以增加各种复杂的道路情况，例如堵车、行人横穿马路等，从而使得其模拟的场景更加真实，增加用户的沉浸感，从而更好地对驾驶员进行训练及测试。

参考文献

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作者单位

浚县一中 河南省鹤壁市 456250