（交通信息工程及控制专业论文）公路隧道视景仿真软件研究与实现.pdf

摘要 v r ( v i r t u a lr e a l i t y ) 是把人们的想象力和思想变成另一种境界的仿真。它通过创建一 个虚拟世界或虚拟环境，在视、听、触觉等作用于人，使人产生身临其境的感受。将虚 拟现实技术应用领域扩展到公路隧道领域，为公路隧道设计及安全运营管理的研究开辟 一条新路。本文针对虚拟现实技术的特点及在公路隧道三维仿真方面应用较少的情况， 利用基于虚拟现实技术的三维建模软件及仿真平台，实现一套完整的公路隧道视景仿真 软件系统。 本文首先介绍了虚拟现实技术在国内外应用现状，在此基础上讨论了实现公路隧道 视景仿真软件的关键技术及设计方案；针对软件开发的实际需求，对其相关的虚拟现实 技术的特性、构成、关键技术等进行重点研究；在对系统需求分析的基础上，建立了系 统基本结构，明确了场景漫游、设备信息查看、交通控制策略演示及风机控制等主要功 能，并提出系统总体设计方案；以实际的秦岭终南山隧道为例，利用3 d s m a x 建模软 件和v r p 仿真平台实现公路隧道视景仿真系统软件，对场景漫游模块、设备信息查看 模块、交通异常事件演示模块和风机控制模块的建模、贴图、渲染、烘焙及v r p 编辑 过程进行详细的设计和研发说明。 通过虚拟仿真技术再现真实公路隧道实景，同时，将隧道设备信息查看、交通控制 诱导策略演示等应用于该系统，是本文的一个重要特点。由此，充分体现虚拟现实技术 在公路隧道安全运营管理中的可行性和重要性。 关键字：虚拟现实，视景仿真，建模技术，隧道运营 a b s t r a c t v r ( v i r t u a lr e a l i t y ) i st h es i m u l a t i o no ft u r n i n gp e o p l e si m a g i n a t i o na n dt h o u g h ti n t o a n o t h e rk i n do f r e a l m b ye s t a b l i s h i n ga v i r t u a lw o r l da n de n v i r o n m e n t ，i tm a k e sp e o p l ec r e a t e i m m e r s i v ee x p e r i e n c et h r o u g hl o o k i n g ，l i s t e n i n ga n dt o u c h i n g , a n dp r o d u c et h ef e e l i n go nt h e s p o ti np e r s o n t h ev i r t u a lr e a l i t yt e c h n o l o g i c a la p p l i c a t i o ni se x p a n d e dt oh i g h w a yt u n n e l f i e l d ，w h i c ho p e nu pan e ww a yf o rd e s i g n i n ga n dr e s e a r c h i n gs a f e t ym a n a g e m e n to fh i g h w a y t u n n e l i ti sa c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fv i r t u a lr e a l i t yt e c h n o l o g ya n dl e s su s e di n t h r e e d i m e n s i o ns i m u l a t ei nh i g h w a yt u n n e l ，t h i st h e s i su s et h r e e d i m e n s i o n a lm o d e l i n g s o f t w a r ea n ds i m u l a t ep l a t f o r mw h i c hb a s e do nv i r t u a lr e a l i t yt e c h n o l o g y ，t or e a l i z ea ni n t a c t s o f t w a r es y s t e mo fh i g h w a yt u n n e lv i s i o ns i m u l a t i o n a tf i r s t ，t h i st h e s i si n t r o d u c e st h ev i r t u a lr e a l i t yt e c h n o l o g yo fi t sc u r r e n ts i t u a t i o nt h a ti s u s e da th o m ea n da b r o a d ，i td i s c u s s e st h ek e yt e c h n o l o g ya n dd e s i g np l a no ft h et u n n e lv i s i o n s i m u l a t i o ns o f t w a r eo ft h eh i g h w a y ；b e c a u s eo ft h ea c t u a ld e m a n do fs o f t w a r ed e v e l o p m e n t ， t h i st h e s i sc a r r i e so nas t r e s sr e s e a r c hi nc h a r a c t e r i s t i c ，c o m p o s i t i o n ，k e yt e c h n o l o g yw h i c ha r e r e l e v a n tt ov i r t u a lr e a l i t yt e c h n o l o g y b a s e do nt h ea n a l y z i n go ft h es y s t e md e m a n d ，i th a ss e t u pt h eb a s i cs t r u c t u r eo ft h es y s t e m ，a n dm a k e sd e f i n i t eo m a i nf u n c t i o n ss u c ha ss c e n e r o a m i n g ，e q u i p m e n t i n f o r m a t i o n e x a m i n i n g ，t r a f f i cd e m o n s t r a t i n g a n dt h ea i rb l o w e r c o n t r o l l i n g ，a n dp r o p o s e st h eo v e r a l ld e s i g np l a no ft h es y s t e m ；t a k i n gt h ez h o n g n a n m o u n t a i n so fq i n l i n ga sa ne x a m p l e ，t h i ss o f t w a r em a k e su s eo f3 d s m a xm o d e l i n gs o f t w a r e a n dv r pp l a t f o r mt or e a l i z et h et u n n e lv i s i o ns i m u l a t i o ns y s t e m so ft h eh i g h w a y , a n di nt h i s t h e s i s ，i tg i v e su st h ed e t a i l e dp r o c e s sd e s c r i p t i o no fc r e a t i n gm o d e l ，t e x t u r em a p p i n g ，m e n t a l r a ya n dv r pc o m p i l a t i o na b o u ts y s t e md e s i g n i n ga n de x p l o i t a t i o n ，w h i c hi n c l u d e st h e m o d u l et ot h es c e n er o a m ，e q u i p m e n ti n f o r m a t i o ne x a m i n i n g ，t r a f f i cd e m o n s t r a t i n ga n da i r b l o w e rc o n t r o l l i n g i t i sa ni m p o r t a n tc h a r a c t e r i s t i ci nt h i st h e s i st h a tu s i n gv rt e c h n o l o g yt or e a l i z et h e r e a p p e a r a n c eo ft u n n e l ，a tt h es a m et i m e ，a p p l y i n gt h ee q u i p m e n ti n f o r m a t i o ne x a m i n i n ga n d d e m o n s t r a t i n gt h et r a f f i cc o n t r o lt a c t i ct ot h i ss y s t e m t h e r e f o r e ，i tf u l l yr e f l e c t st h ev i r t u a l r e a l i t yt e c h n o l o g yf e a s i b i l i t ya n di m p o r t a n c ei nt h eh i g h w a yt u n n e ls a f e t yo p e r a t i o na n d l l m a n a g e m e n t k e yw o r d s ：v i r t u a lr e a l i t y , v i s i o ns i m u l a t i o n ，m o d e l i n gt e c h n o l o g y , t u n n e lo p e r a t i o n i i i 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名 文粥年，月f ，7 日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：x 罗天捌尚 导师签名： 许岳针 声劬方 彬孑 日 日 彳， 7 q夕 月 月 支 f 年 年 长安大学硕士学位论文 第一章绪论 随着公路交通的迅速发展，信息技术、通信技术的不断完善，智能化公路交通成为 世界交通领域研究的前沿问题。公路隧道是公路交通的重要组成部分，由于隧道自身的 封闭性，对交通安全性能以及对突发事件的应急能力产生了很大的影响。隧道路段的事 故发生率、交通阻塞时间、交通能耗及对环境的污染就会成倍增加，使其成为制约高速 公路发展的瓶颈路段。深入学习虚拟现实理论，展开隧道视景仿真系统的研究，直观展 示隧道内外情景，利用隧道仿真，在仿真结果的基础上进行分析、评判和决策。同时， 可根据具体情况采取有效措施或诱导策略，保障高速公路交通的高速、安全和舒适。 1 1 系统研究背景及目的 1 1 1 系统研究背景 对于高速公路的隧道路段，应用计算机进行交通监控管理是确保高速公路安全、畅 通运行的重要手段。隧道交通监控系统通常包括供配电、消防、信号灯、照明、紧急电 话、闭路电视、通风控制、数据检测等设备，监控中心可以在各种情况下对反馈的信息 做出准确、可靠、迅速的反映，并及时处理、协调各系统的工作，以达到实时监控诱导 交通的目的。但是，公路隧道从设计、施工到监控系统试运行是一个系统的过程，对于 这个工程量大、投资高、系统复杂的系统来说，往往难以发现潜在的问题，所以迫切需 要采取措施及早发现隧道运营管理中存在的弊端和隐患，避免事故的发生。本论文采用 虚拟现实技术，在计算机上仿真一个真实的环境，具有可控性、可重复性、安全性、经 济性和可实现性，以及无破坏性等特点，对于隧道交通发展有着重要意义，为公路领域 的研究提供新思路。 虚拟现实技术作为一种新型人机接口，不仅使得参与者沉浸在计算机产生的虚拟世 界，而且提供用户与虚拟世界直接通信的手段。近年来，虚拟现实在航天航空和军事领 域、建筑、旅游、医学、展览等领域的成功应用所获得的巨大经济效益，迅速提升了虚 拟现实的研究力度。但是，应用于隧道交通的模拟并不多见。为此，本论文采用了 3 d s m a x 和v r p 开发隧道视景仿真系统，为虚拟现实技术进一步应用于隧道交通提供 参考。 第一章绪论 1 1 2 系统研究目的 虚拟现实技术最大的特点是超越了时间和空间的限制，使参与者完全沉浸在构建的 虚拟环境中，有一种“身临其境”的感觉。本论文将先进的虚拟现实技术应用于隧道交通， 主要目的在于： 1 利用虚拟现实技术构建隧道交通虚拟场景，产生形象逼真的三维世界，给公路 隧道的设计人员提供形象、生动的演示界面，有利于公路隧道设计人员的分析、评判和 修改。 2 应用先进的虚拟现实工具，进行隧道场景仿真系统的研究，该系统具有可控性、 安全性、可重复性、经济性等特点。参与者可以借助三维输入、输出设备沉浸在虚拟世 界里，就像现实世界一样可以交流信息、获取知识以及产生新的构想。 3 论文充分介绍了虚拟现实技术，阐明虚拟现实技术在公路隧道，乃至在公路交 通有广阔的发展空间，填补了虚拟现实在我国公路交通应用领域的空白。 1 2 国内外研究现状 视景仿真技术是仿真动画的高级阶段，是虚拟现实( 之) 技术的最重要的表现形式。 现在很多领域，视景仿真技术己经成为仿真系统软件的一个主要组成成分，它是虚拟现 实技术、分布式交互仿真技术研究的主要内容之一。随着各项技术的发展和计算机图形 功能的增强，国内外越来越多的研究人员将采用视景仿真技术来辅助解决各种问题，如 进行战术仿真模拟、设计并组装虚拟样机等方面的研究。 1 2 1 国外虚拟现实技术的研究现状 美国是v r 技术的发源地，美国虚拟现实研究技术的水平基本上就代表国际发展的 水平。现在美国宇航局己经建立了航空、卫星维护v r 训练系统，空间站v r 训练系统， 并且已经建立了可供全国使用的v r 教育系统。 乔治梅森大学研制出一套在动态虚拟环境中的流体实时仿真系统。在一个分布交互 式仿真系统中仿真真实世界复杂流体的物理特性，包括仿真正在穿过水面行驶的船、仿 真搅拌液体、仿真混合不同颜色的液体、仿真混合不能溶解的油和水、仿真下雨和流动 的地形以及仿真流体的相互影响等特性。但该系统有一些缺陷，例如，当船行进时不能显 示出水的不同波浪曲线，不能用于任何精确的工程用途等。 麻省理工学院( m i t ) 是一个一直走在最新技术前沿的科学研究机构。m i t 原先就是 2 长安大学硕士学位论文 研究人工智能、机器人和计算机图形学及动画的先锋；这些技术都是v r 技术的基础， 1 9 8 5 年m i t 成立了媒体实验室，进行虚拟环境的正规研究。这个媒体实验室建立了一 个名叫b o l i o 的测试环境，用于进行不同图形仿真技术的实验。利用这一环境，m i t 建立了一个虚拟环境下的对象运动跟踪动态系统。另外，m i t 还在进行“路径计划”与“运 动计划”等研究。 s r j 研究中心建立了“视觉感知计划”，研究现有v r 技术的进一步发展。1 9 9 1 年后， s 对进行了利用v r 技术对军用飞机或车辆驾驶的训练研究，试图通过仿真来减少飞行 事故。另外，s r i 还利用遥控技术进行外科手术仿真的研究。 华盛顿大学华盛顿技术中心的人机界面技术实验室( h i tl a b ) 在新概念的研究中起 着领先作用，同时也在进行感觉、知觉、认知和运动控制能力的研究。h i ，r 将v r 研究 引入了教育、设计、娱乐和制造领域。例如，波音公司的v 2 2 运输机就是先在实验室中 造出虚拟机后再投入生产的。 日本也在当前实用虚拟现实技术的研究与开发中是居于领先位置的国家之一，主要 致力于建立大规模虚拟现实知识库的研究。另外在虚拟现实的游戏方面的研究也做了很 多工作。东京大学的原岛研究室开展了3 项研究人类面部表情特征的提取、三维结 构的判定和三维形状的表示、动态图像的提取。东京大学的广獭研究室重点研究虚拟现 实的可视化问题。为了克服当前显示和交互作用技术的局限性，他们正在开发一种虚拟 全息系统。 英国在虚拟现实开发的某些方面在欧洲是领先的。d i m e n s i o ni n t e r n a t i o n a l 是桌面虚 拟现实的先驱。许多学术界和工业界的用户喜欢该公司基于p c 4 8 6 系统提供的优质图像 和实时交互特性【l 】。 1 2 2 国内虚拟现实技术的研究现状 和一些发达国家相比，我国虚拟现实技术还有一定的差距，但已引起政府有关部门 和科学家们的高度重视。根据我国的国情，制定了开展虚拟现实技术的研究，例如，九 五规划、国家自然科学基金会、国家高技术研究发展计划等都把v r 列入在研究项目计 划之内。在紧跟国际新技术的同时，国内一些重点院校已积极投入到这一领域的研究工 作中。 北京航空航天大学计算机系是国内最早进行v r 研究、最有权威的单位之一，他们 进行了一些基础知识方面的研究，实现了分布式虚拟环境网络设计，可以提供实时三维 3 第一章绪论 动态数据库，和开发虚拟现实应用系统的开发平台，并将要实现与有关单位的远程连接。 浙江大学c a d & c g 国家重点实验室开发出了一套桌面型虚拟建筑环境实时漫游系 统，该系统采用了层面迭加的绘制技术和预消隐技术，实现了立体视觉，同时还提供了 方便的交互工具，使整个系统的实时性和画面的真实感都达到了较高的水平。另外，他 们还研制出了在虚拟环境中一种新的快速漫游算法和一种递进网格的快速生成算法。 哈尔滨工业大学计算机系已经成功地虚拟出了人的高级行为中特定人脸图像的合 成，表情的合成和唇动的合成等技术问题，并正在研究人说话时头势和手势动作，话音 和语调的同步等。 北方工业大学c a d 研究中心是我国最早开展计算机动画研究的单位之一，关于虚 拟现实的研究已经完成了2 个“8 6 3 ”项目，完成了体视动画的自动生成部分算法与合成 软件处理。 另外，西北工业大学c a d c a m 研究中心、上海交通大学图像处理模式识别研究所， 长沙国防科技大学计算机研究所、华东船舶工业学院计算机系、安徽大学电子工程与科 学系等单位也进行了一些研究工作和尝试。 虚拟现实技术用于交通领域的大型系统并不多见，但是可以预见，将虚拟现实技术 应用领域扩展到交通领域，能为交通领域控制技术的进一步发展提供了良好的依据。虚 拟技术就是对现实环境的模拟，可以在一个现有的相似的虚拟隧道中做监控实验，这样 可以在隧道设计阶段就可以不断完善监控系统，使其有真正的应用价值【2 】。 1 3 论文研究的主要内容 从上述研究现状来看，把虚拟现实技术应用于公路隧道视景仿真的报道不多，用于 公路隧道的大部分都是对于基本的场景漫游和某一交通控制策略仿真的研究，缺乏对包 括隧道内外环境、设备信息及设备控制等视景仿真的整体性的研究。本文正是针对解决 这样的问题展开的。 在高速公路隧道三维视景仿真中，目的就是把隧道设计、内外设备信息及设备控制、 异常事件控制、诱导等联合展示出来，因此，论文主要从三方面着手来解决。 1 虚拟现实技术研究 虚拟现实技术( v i r t u a lr e a l i t y ) 用计算机产生一个虚拟环境，让用户从视觉、听觉、 触觉等多种感觉上沉浸其中。它是一门集成人与信息的科学，建立在集成诸多学科如控制 学、计算机图形学、数据库设计、机器人及多媒体等技术之上。同时，通过对虚拟现实 4 长安人学硕十学位论文 技术的国内外现状及应用领域介绍，突出将该技术引入到交通行业的重要性。从而使系 统的开发实现具有必要性。 2 系统设计总体方案 虚拟现实技术的核心是建模与仿真，就建模和仿真的本质而言，它是对真实物理系 统在某一层次上的抽象。与实际的物理系统相比，用户在这个抽象模型上可以更高效、 更节省、更灵活、更安全地对物理系统进行了解和设计。为此，本论文通过视景建模及 仿真工具的介绍，具体描述了系统具体的设计与实现。实现方案如图1 1 所示。 利用将所有 中 3 d s 姒x 扒 模型导入i x , 一 仿真平台 - 1 v建立y 至v l l p 编辑 模型编辑器 图1 1 系统实现方案， 3 三维建模、仿真技术实现 公路隧道视景仿真软件系统采用3 d s m a x 建模软件和v r p 仿真平台实现。其中， 3 d s m a x 通过3 维建模、材质贴图、渲染等技术建立对象模型；然后导入v r p 仿真编 辑器进行编辑，最终实现该仿真系统。 1 4 本章小结 本章明确系统研究的背景和目的，大致了解虚拟现实技术在国内外应用现状以及论 文的主要内容。通过对这些内容的介绍，提出实现公路隧道视景仿真软件的关键技术及 设计方案，为后续章节内容作好铺垫。 5 第二章虚拟现实技术 第二章虚拟现实技术 2 1 虚拟现实技术基础理论 2 1 1 虚拟现实的含义 虚拟现实( v i r t u a lr e a l i t y ) 技术，简称v r ，是计算机模拟的三维环境，是一种可以创 建和体验虚拟世界( v i r t u a lw r o r l d ) 的计算机系统。v r 是由美国一家公司的j l a n t e r 在 1 9 8 9 年创造的一个词，通常是指用头盔、显示器和传感手套等一系列新型交互设备构造 出的一种计算机软、硬件环境。人们通过这些设施，以自然的技能( 如头的转动、身体 的运动等) 向计算机传送人的各种命令，并得到计算机对用户视觉、听觉及触觉等多种 感官的反馈。随着人们动作的变化，这些感官反馈也随之改变。经过多年的发展，到现 在v r 技术已经扩大了其内容及相关范围。虚拟环境可由计算机生成，它通过人的视、 听、触觉等作用于用户，使之产生身临其境的感觉的视景仿真【3 1 。 2 1 2 系统的特性 虚拟现实系统就是要利用各种先进的硬件及软件工具，设计出合理的软、硬件及交 互手段，使参与者能交互地观察和操纵系统生成的虚拟世界。每个虚拟现实系统都可以 用3 个i 描述其特性，即“沉浸( i m m e r s i o n ) 、想象( i m a g i n a t i o n ) 、交互( i n t e r a c t i o n ) 9 4 ) 0 如图2 1 所示： 图2 1 特性图 1 沉浸： 使参与者有“真实”的体验，即全心地进入，简单地说就是产生在虚拟世界中的幻觉。 理想的虚拟环境应达到用户难以分辩真假的程度。这种沉浸感的意义在于可以使用户集 6 长安大学硕士学位论文 中注意力。为了达到这个目标，就必须具有多感知的能力，理想的虚拟现实系统应具备 人类所具有的一切感知能力，包括视觉、听觉、触觉，甚至昧觉和嗅觉。 2 交互： 系统要能提供方便的、丰富的、主要是基于自然技能的人机交互手段。这些手段使 得参与者能够对虚拟环境进行实时的操纵，能从虚拟环境中得到反馈信息，也能使系统 了解参与者的关键部位的位置、状态、变形等各种系统需要知道的数据。实时性是非常 重要的。 3 想象： 作为虚拟世界的创造者，想象力已经成为虚拟现实系统设计中最关键的问题之一。 因为虚拟现实不仅仅是种媒体或用户的高端接口，而且还是针对某一特定领域、解决 某些问题的应用。 2 1 - 3 系统构成 一般的虚拟现实系统都有5 个关键的部分组成：虚拟环境、v r 软件、计算机、输 入设备和输出设备。用户通过输入设备直接对虚拟环境操作，并得到实时三维显示和其 他的反馈信息，系统构成如图2 2 所示。 图2 2 虚拟系统构成图 1 虚拟环境：提供一个交互的场景，可以从任意角度连续地观看和考察视景的变 化，它一般是一个包含三维模型或环境的定义的数据库。 2 v r 现实软件：提供实时观察和参与虚拟世界的能力。 7 第二章虚拟现实技术 3 计算机：v r 现实技术的基础设备，用来生成各种虚拟现实的场景，进行各种 实时计算和处理。 4 输入设备：可用于观察和构造虚拟世界，包括鼠标、游戏杆和定位跟踪器等。 5 输出设备：显示当前的虚拟环境视图，包括显示器、头盔等。 2 1 4 关键技术 虚拟现实技术是一门涉及计算机、图像处理与模式识别、语音和音响处理、人工智 能技术、传感与测量、仿真、微电子等技术的综合集成技术。用户可以通过计算机进入 这个环境并能操纵系统中的对象并与之交互。关键技术有以下几个方面： 1 动态环境建模技术 虚拟环境的建立是虚拟现实技术的核心内容。动态环境建模技术的目的是获取环境 的三维数据，并根据应用的需要，利用获取的三维数据建立相应的虚拟环境模型。三维 数据的获取可以采用c a d 技术( 有规则的环境) ，而更多的环境则需要采用非接触式的视 觉建模技术，两者的有机结合可以有效的提高数据获取的效率。 2 实时三维图形生成技术 三维图形生成技术已经较为成熟，其关键是如何实现“实时”生成。为了达到实时的 目的，至少要保证图形的刷新率不低于1 5 帧秒，最好是高于3 0 帧秒。在不降低图形 的质量和复杂度的前提下，如何提高刷新频率将是该技术的研究内容。 3 立体显示和传感器技术 虚拟现实的交互能力依赖于立体显示和传感器技术韵发展。现有的虚拟现实还远远 不能满足系统的需要，例如数据手套有延迟大、分辨率低、作用范围小、使用不便等缺 点；虚拟现实设备的跟踪精度和跟踪范围也有待提高，因此有必要开发新的三维显示技 术。 4 应用系统开发工具 虚拟现实应用的关键是寻找合适的场合和对象，即如何发挥想象力和创造力。选择 适当的应用对象可以大幅度提高生产效率、减轻劳动强度、提高产品开发质量。为了达 到这一目的，必须研究虚拟现实的开发工具。例如，虚拟现实系统开发平台、分布式虚 拟现实技术等。 5 系统集成技术 由于虚拟现实中包含大量的感知信息和模型，因此系统的集成技术起着至关重要的 8 长安人学硕十学位论文 作用。集成技术包括信息的同步技术、模型的标定技术、数据转换技术、数据管理模型、 识别和合成技术等【4 , 1 2 】。 2 2 虚拟现实技术与仿真 仿真( s i m u l a t i o n ) 属于- - f 7 基础性学科。仿真就是利用模型进行的一种试验，它可极 为有效而经济地用于科研、设计、训练以及系统的试验。仿真技术是以控制理论、相似 原理、数模与计算技术、信息技术、系统技术及其应用领域相关专业技术为基础，以计 算机和多种专用物理效应设备为工具，借助系统模型，对实际的或设想的系统进行动态 试验研究的一门新兴综合性技术。其特点是它属于一种可控制的、无破坏性的，耗费小 的、并允许多次重复的试验手段。它以其高效、优质、低廉体现其强大的生命力和潜在 的能力。它是迄今为止最有效的经济的综合集成方法，是推动技术进步的战略技术。 仿真技术作为人类认识客观世界和改造客观世界的有效手段正同趋发挥着巨大的 作用。v r 技术是计算机技术、传感技术、人机接口技术和人工智能技术等多种高新技 术的结晶，其逼真性和实时交互性为系统仿真技术提供有力的支撑。 仿真与v r 是一对孪生兄弟，只是其侧重点不同而已。仿真强调其与事物的相似性， 而v r 则强调其“沉浸”感。采用v r 技术进行系统仿真，将会收到珠联璧合之效。可以 说，视景仿真正是将v r 技术进行系统仿真的成功典范，也是v r 技术的重要表现形式。 视景仿真是综合计算机仿真技术、计算机图形学技术、计算机网络技术、数据库技术等 为一体的新技术，也可以视为仿真技术可视化。视景仿真多用于军事、医学、教育等领 域，将之应用于交通领域，不仅能取得良好仿真效果，同时又能降低成本和风险。 2 3 虚拟现实的外设 交互性是虚拟现实系统的首要特性。为了允许人机交互，必须使用特殊的人机接口 与外设。既要允许用户信息输入到计算机，也要使计算机能反馈信息给用户。今天的 v r 外设在功能和目的上各不相同。下面主要介绍几种外设的功能、特征及当前的局限 性。 2 3 13 d 位置跟踪器 与虚拟环境交互时，需要有各种传感器和变换器监视使用者的动作，同时也要反馈 虚拟环境内物体的状态信息。例如戴着交互式手套的手的位置会受到三维的跟踪，以便 9 第二章虚拟现实技术 确定虚拟手的方向和空间位置。常用的跟踪方法有电磁波、超声波、机械、光学、惯性 和图像提取等六种方法，分别介绍跟踪方法的实现原理。 1 电磁波跟踪器：它是最常用的跟踪器，因为电磁波的传感器很小而且运动自由。 基本工作方式是，固定发射器发射电磁信号，该信号被附着在头部的传感器截获并解码， 确定发生器和接收器之间的相对位置及方向，随后将信号经过运行时间系统传送给虚拟 环境。 2 超声波跟踪器：它发出高频超声波脉冲，由装在天花板上的三个接收器接收信号， 通过延迟即可计算距离。这种超声波跟踪器的敏感性受接收器的方位影响，同时，也易 受外界噪音干扰。 3 光学跟踪器：它是一种红外路踪器，利用嚣于己知三角位置和三台摄像机测量目 标的位置，通过观察多个目标来计算它的方位。 4 惯性跟踪器：惯性跟踪器采用机械方法，利用小型陀螺仪测量倾角、偏角和转角。 5 图像提取跟踪器：它是一种计算密度最高的跟踪器，是最易于使用但又最难开发 的跟踪器。一台视频摄像机拍摄人及其动作，然后由图像处理技术来确定人的位置及动 作。 从理论上讲，实现这些跟踪器并不困难，但是要开发精确可靠、快速便捷的跟踪器 并不是容易的事情。它不仅要提供确切的空间信息和角度信息，还要保证系统的实时性， 提供至少5 0 h z 的采样率，延迟尽可能的低。 2 3 2 传感手套 1 v p l 数据手套 最早的传感手套是由v p l 公司开发的，叫做d a t ag l o v e ，所以，通常又把传感手套 叫做数据手套。这个系统包括位置、方向传感器和沿每个手指背部安装的一组有保护套 的光纤导线，它们检测手指和手的运动。作为传感器的光线可以测量每个手指的弯曲和 伸展。在控制器内部，每个光线导线的一端配备一个发光二极管，另一端连接一个光传 感器。计算机根据光电信号数据算出手指和关节弯曲的程度。测量出的数据经过分析传 给主机，主机通过2 5 条指令集进行控制。 2 p o w e rg l o v e m a t t l e 公司为家庭视频游戏市场设计了一种被称为p o w e rg l o v e 的手控器，它一般 用在任何游戏机上，它的性能较用于其他行业的同类产品要低得多。与其它手套不同， l o 长安大学硕士学位论文 p o w e rg l o v e 在手套上安装了一个控制板，板上有“开始”及四个方向键，这样可避免使 用键盘。尽管p o w e rg l o v e 已经不生产了，但它低廉的价格还是引起一些人的兴趣。 3 c y b e rg l o v e c y b e rg l o v e 是由v i r t e x 公司开发的一款高精度关节传感设备。该设备是c y b e rc a d 虚拟设计环境中虚拟技术一个理想的接口设备，可广泛用来创建、终止、定位三位物体。 c y b e rg l o v e 具有2 2 个传感器，每个手指有三个弯曲传感器和一个外展传感器。其传感 器输出仅依赖手指关节的角度，而与关节的突出无关。传感器的输出与关节的位置无关， 因此，每次戴手套时，校正数据均不变。并且，传感器输出和弯曲角度成线性关系，分 辨率不会下降。 2 3 3 头盔显示器 头盔显示器( h m d ，h e a dm o u n t e dd i s p l a y ) 是专为用户提供的虚拟现实中景物的 彩色立体显示设备。它的原理是将小型2 维显示器所产生的影像藉由光学系统放大。具 体而言，小型显示器( l c d ) 所发射的光线经过凸透镜使影像因折射产生类似远方效果。 一般地，头盔的视觉部分由图像源和特殊的光学镜组成。采用特殊的光学镜一是要 减轻眼睛疲劳程度，二是要放大图像以充满视野。当左、右眼获得各自带有水平视差的 图像时，类似于“双眼视差”，当大脑将两幅图像进行融合后，便可获得深度感。通过计 算机观察图像的时候，必须反映头部的方向和位置。当头部运动的时候，必须及时更新 信息，改变用户视野中的场景，提高用户对虚拟系统的知觉的可信度。 2 3 4 立体眼镜及立体鼠标 相对于头盔显示器( h m d ) 而言，立体眼镜是一个价格低廉的立体显示设备。它 的基本工作原理是：一对立体眼镜镜片交替开关3 0 秒，使用红外信号使眼镜与电视信 号同步。由于人眼的视觉暂留现象使人察觉不到开关过程，同时大脑记录了一系列快速 变化的左、右眼的图像，再由人眼的生理特性将其融合，于是人眼获得自然的立体图像。 对于普通鼠标只能感受在平面的运动，而立体鼠标能够感受用户在六个自由度的运 动，包括三个平移参数与三个旋转参数。因此，也有人称立体鼠标为s p a c em o u s e 。 2 3 5 触觉和力反馈装置 传感手套可以把手部的运动转变为计算机的指令，但仅有伸手触摸物体的能力是不 够的，为了产生虚拟的触摸感觉，研究人员开发了触觉和力反馈装置。虽然它们的样式 和大小各不相同，但它们大致上作了相同的事情：推我们的手臂，并把机械或动力信号 11 第_ 二章虚拟现实技术 记录下来。产生触觉的任务仍然是虚拟现实研究人员所面临的最为困难的挑战之一。力 反馈的装置相对于触觉要容易，国际上已有一些机械的力反馈装置，但仍没满足用户所 希望的轻便、小巧的要求t s j o 】。 2 4 虚拟现实技术的应用及发展 2 4 1v r 的应用 由于虚拟现实在技术上的进步与逐步成熟，其应用在近几年发展迅速，应用领域已 有过去的娱乐与模拟训练发展到包括航空、航天、铁道、建筑、土木、科学计算可视化、 医疗、军事、教育、娱乐、艺术和体育等广泛领域。 1 航空、航天及军事领域 模拟训练一直是军事与航天工业中的一个重要课题，这为v r 提供了广阔的应用前 景。美国国防部高级研究计划局d a r p a 自8 0 年代起一直致力于研究称为s i m n e t 的 虚拟战场系统，以提供坦克协同训练，该系统可联结2 0 0 多台模拟器。另多 i - n 用v r 技 术，可模拟零重力环境，以代替现在非标准的水下训练宇航员的方法。 航空、航天与军事仍是虚拟现实的支撑应用领域之一。虚拟现实系统在这些领域的 研究可以大大地促进与带动其他领域的应用与技术研究，因为，这些应用领域经费比较 充足，技术力量也非常雄厚，有足够的人力与财力掌握虚拟现实发展与应用过程中急需 解决的一些难点问题。 2 汽车、建筑领域 汽车、建筑等设计仍需大量的虚拟现实技术支撑，这也是虚拟现实技术的传统应用 领域之一。设计师们往往需要通过虚拟现实技术观察他们设计的成果，包括外观效果、 动力性能以及使用方便性等，特别是在设计师设计出的产品投入生产前，用户需要考察 设计的好坏时，往往需要借助虚拟现实技术。建筑师们可借助虚拟现实技术设计生成一 个虚拟大厦，并通过虚拟现实交互手段，使用户在虚拟环境中漫游，方便看看大厦各房 间的规划、装饰材料的选择是否满意等。 3 科学计算可视化于信息可视化领域 在科学计算可视化基础上发展起来的信息可视化近年来引起了研究界的广泛关注。 科学计算可视化主要解决如何通过虚拟现实的手段生动地表现科学数据的内部规律与 计算过程，如天气云图运动规律、空气湍流的特性等。而信息可视化则更近一步，主要 用于表现系统中信息的种类、结构、流程以及相互间的作用。信息可视化能有效地揭示 长安大学硕十学位论文 复杂系统内部的规律，解决无法定量、二定性又很难准确表达的问题。 4 医疗及教育领域 v r 在医学方面的应用具有十分重要的现实意义。在虚拟环境中，可以建立虚拟的 人体模型，借助于跟踪球、h m d 、感觉手套，学生可以很容易了解人体内部各器官的 结构，这比现有的采用教科书的方式要有效得多。 p i e p e r 及s a t a r a 等研究者在9 0 年代初基于两个s g i 工作站建立了一个虚拟外科手术 训练器，用于腿部及腹部外科手术模拟。这个虚拟的环境包括虚拟的手术台与手术灯， 虚拟的外科工具( 如手术刀、注射器、手术钳等) ，虚拟的人体模型与器官等。借助于h m d 及触觉手套，使用者可以对虚拟的人体模型进行手术。但该系统有待进一步改进，如需 提高环境的真实感，增加网络功能，使其能同时培训多个使用者，或可在外地专家的指 导下工作等。 另外，在远距离遥控外科手术，复杂手术的计划安排，手术过程的信息指导，手术 后果预测及改善残疾人生活状况，乃至新型药物的研制等方面，v r 技术都有十分重要 的意义。 虚拟现实技术同样应用于辅助教学。如学校在某些硬件条件不足的情况下，为了继 续对学生进行拆装系统设备等教学活动，这时v r 就是非常有力的工具。或是在解释一 些复杂的系统抽象的概念如量子物理等方面，v r 也扮演着重要的角色。l o f i n 等人曾在 1 9 9 3 年建立了一个“虚拟的物理实验室”，用于解释某些物理概念，例如位置与速度、力 量与位移等。 5 影视娱乐领域 虚拟现实在娱乐上一直保持了强劲的应用需求，随着技术的发展也将给人们带来更 多的快乐。2 0 0 0 年9 月，在同本东京的电子游戏交易展览会上，著名的游戏机制造商世 系公司推出了一种利用虚拟现实技术制作的游戏机。如果用手指触摸屏幕上的虚拟渔 缸，屏幕上的虚拟热带鱼就会对手指的触摸做出反应，就像真实世界中的情形一样。 虚拟现实技术与影视技术相结合推出了一些非常有实用价值与前景的应用，如虚拟 演播室、虚拟广告等。 总之，虚拟现实已由过去只有一些政府特殊部门才能使用得起的技术，发展到很多 领域，甚至已渗入到一些人的日常生活中。但是应该看到这项技术还有更广泛的应用前 景，通过与互联网技术结合，可构造出一个更加完美的虚拟世界，人们可以在虚拟世界 中聊天、购物、逛街、旅游和工作，如同时在现实世界一样。 1 3 第二章虚拟现实技术 2 4 2v r 技术的发展与展望 虚拟现实是一门集成了人与信息的科学。其核心是由一些三维的交互式计算机生成 的环境组成。这些环境可以是真实的，也可以是想象的世界模型，其目的是通过人工合 成的经历来表示信息。有了虚拟现实技术，复杂或抽象系统的概念的形成可以通过将系 统的各子部件以某种方式表示成具有确切含义的符号而成为可能。虚拟现实是融合了许 多人的因素，且放大了它对个人感觉影响的工程。虚拟现实技术是建立在集成诸多学科 如心理学、控制学、计算机图形学、数据库设计、实时分布系统、电子学、机器人及多 媒体技术等之上的。虽然虚拟现实技术目前在很多领域的实际应用已取得巨大的进步， 但在很多方面，它仍然是一种刚刚开始研究如何实际使用的技术，还存在着诸多尚未解 决的理论问题和尚未克服的技术障碍。 虚拟现实技术的发展方向是很明确的：更快、更高质量的图形；更便宜、设计得更 完美的输入、输出设备；更快的计算机处理能力。这些方面的改进将会影响到虚拟现实 技术在实际应用中的各个方面，而且使得该技术在各个新领域内得到更广泛的发展【6 ，9 】。 2 5 本章小结 虚拟现实技术地飞速发展，已经引起许多人的关注，并将该技术逐渐的引入到各个 领域，使其更好的发挥其作用和价值。本章主要介绍了虚拟现实技术的具体含义、系统 特性、构成、关键技术和主要外设。突出该技术强大的发展前景，以及将虚拟现实技术 应用到交通领域的必要性和重要性。 1 4 长安人学硕十学位论文 3 1 系统分析 第三章系统需求分析及总体设计 秦岭终南山公路隧道已于2 0 0 2 年3 月正式开工，2 0 0 7 年1 月2 0 日正式通车。秦岭 终南山特长隧道位于西康公路西安至柞水段，隧道全长1 8 0 2 0 k m ，引线长3 1 6 k m ，设 计车速8 0 k m h ，双洞四车道，中线间距3 0 m 。隧道进口位于西安市长安区石砭峪乡青 贫村石砭峪河右岸，高程为8 9 6 m ：出口位于柞水县营盘镇小峪街太峪河右岸，高程为 1 0 2 6 m 。洞内为人字坡，最大纵坡为1 1 。隧道最大埋深1 6 0 0 m 。隧道建筑限界净高 5 m ，净宽1 0 5 0 m 。其中行车道宽2 x 3 7 5 m ：在行车道两侧设o 5 0 m 的路缘带及0 2 5 m 的余宽；隧道内两侧设宽度为o 7 5 m 的检修道，高于路面0 4 0 m 。隧道内路面为水泥混 凝土路面。该隧道是一座世界级的超长隧道，也是我国乃至亚洲目前最长的公路隧道。 隧道施工技术难度大，建设周期长，在设计、施工、通风、监控、防灾、防排水、运营 管理等方面都进行了大量的科学研究。公路隧道视景仿真软件系统以秦岭终南山隧道为 例，进行建模、仿真。通过该软件可给公路隧道的设计人员及管理、使用人员提供形象、 生动的演示界面，便于管理，及时发现实际使用中的问题，从而确保隧道的正常建设和 将来的科学运营【10 1 。 3 1 1 开发目标 该系统软件的开发主要是将虚拟现实技术应用领域扩展到交通领域，为交通领域控 制技术的进一步发展提供了良好的依据。虚拟技术就是对现实环境的模拟，可以在一个 现有的相似的虚拟隧道中做监控实验，这样可以在隧道设计阶段就可以不断完善监控系 统，使其有真正的应用价值。利用虚拟现实技术构建隧道交通虚拟场景，产生形象逼真 的三维世界，给公路隧道的设计人员提供形象、生动的演示界面，有利于公路隧道设计 人员的分析、评判和修改。同时，该软件