（系统分析与集成专业论文）基于虚拟现实的感知交通技术研究.pdf

目录 j 商要i i i a b s t r a c t i v 第一章前言l 1 1 选题背景及研究意义l 1 1 1 选题背景。l 1 1 2 研究意义。2 1 2 国内外研究现状3 1 3 主要研究内容7 第二章基于虚拟现实技术的不同天气条件下交通仿真系统分析和总体设计9 2 1 系统概述9 2 1 1 系统功能分析。9 2 1 2 系统需求分析：l l 2 2 系统总体设计l l 2 3 系统开发流程：1 3 第三章系统功能及其实现技术15 3 1 虚拟校园场景的编辑1 5 3 1 1 三维建模软件的比较分析1 5 3 1 2 校园建模的总体结构1 6 3 1 3 校园建模的关键技术1 6 3 1 4 模型的位置和状态的设置2 2 3 2 不同天气状态的模拟2 3 3 2 1 雨雪天气的模拟2 3 3 2 2 云雾天气的模拟2 8 3 3 受天气影响的交通流。2 9 3 3 1 随机车辆数的选取。2 9 3 3 2 不同天气下交通速度的设定3 l 3 4 不同天气条件下信号灯模糊控制3 4 3 4 1 信号灯控制方法的比较3 4 3 4 2 模糊控制的基本原理。3 5 3 4 3 晴天信号灯的模糊控制4 l 6哪9眦4mmi 9哪8叭iilim y 3 4 4 模糊控制方法的实现4 7 3 4 5 雨天和雾天信号灯的模糊控制”4 9 3 5 视图中文字的显示5 0 3 6 不同天气场景下的漫游5 l 第四章系统测试及效果分析5 2 4 1 虚拟校园场景的编辑效果5 2 4 2 不同天气状态的模拟效果5 4 4 3 信号灯模糊控制效果分析5 5 4 4 不同天气场景下的漫游效果6 9 第五章结论和展望”7 l 5 1 论文的主要研究工作”7 l 5 2 将来的工作展望7 2 参考文献7 3 作者简介7 7 鸣谢7 8 南京信息工程大学硕士学位论文 摘要 天气的变化直接影响着交通。大雾、暴雨、积雪会引起交通瘫痪，增加交通 事故的发生率，给人们的出行造成不便。因此，研究天气对交通的影响有着重要 的意义。 虚拟现实技术可以令用户有身临其境的感觉。把虚拟现实技术引入到交通研 究中，研究人员就不需要到现场做反复的实验只需在虚拟交通中验证交通控制方 法的可行性和合理性。也就是说用虚拟现实技术来研究感知交通可以通过占用小 部分的计算机资源得到理想的结果。在此运用虚拟现实技术来研究感知交通主要 是通过三维仿真的形式来模拟感知交通技术在实际中的应用，首先在控制现场采 集数据，然后实现数据的处理，最后根据处理结果对虚拟交通实行优化或管制。 本文主要是研究城市交通问题。由于现实的城市模型较大，所以本文选择校 园模型类比城市模型，将校园中的t 字型交叉路口作为城市交通中的一个点展开 研究。在交叉路口以随机车辆数和随天气变化的车辆速度来模拟城市交通流，研 究了晴天、雨天和雾天等不同天气条件下交叉路口信号灯的模糊控制方法。 本文首先通过视景仿真工具m u l t i g e nc r e a t o r 建立了学校的模型，然后在 v i s u a lc + + 6 0 集成开发环境下，采用v e g aa p i 、m a t l a b 中模糊控制函数和引 擎调用函数实现了场景的整合、不同天气的模拟、交通流的模拟、车与交通灯的 智能模糊控制，最后通过实时漫游和实时控制时间的显示来观察和分析控制效果 的好坏。结果表明在不同天气条件下传统的定时控制效果明显劣于模糊控制效 果，提出的基于虚拟现实的感知交通技术研究具有一定的现实意义。 关键词：m u l t i g e nc r e a t o r ，m u l t i g e nv e g a ，虚拟校园，天气，信号灯模糊控 制 南京信息工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ec h a n g ei nt h ew e a t h e rd i r e c t l ya f f e c t st h et r a f f i c t h i c kf o g ，r a i n s t o r ma n d s n o wc a nc a u s et r a f f i cg r i d l o c k , i n c r e a s et h ei n c i d e n c eo ft r a f f i ca c c i d e n t sa n dc , b h i n c o n v e n i e n c et op e o p l e st r a v e l t h e r e f o r er e s e a r c h i n gt h ei m p a c to fw e a t h e r0 n t r a f f i ch a sg r e a ts i g n i f i c a n c e v i r t u a lr e a l i t yt e c h n o l o g ym a k e su s e rf e e l l i k eb e i n gi nt h er e a le n v i r o n m e n t w h e nv i r t u a lr e a l i t yt e c h n o l o g yi si n t r o d u c e di n t ot h ew a f f l es t u d y , r e s e a r c h e r sw i l l n o tn e e dt od oe x p e r i m e n t sr e p e a t e d l yi nt h ea c t u a ls c e n ei no r d e rt ov e r i f yt h a tt h e m e t h o di sf e a s i b l ea n dr e a s o n a b l e ，a n dj u s tn e e dt or e s e a r c hi nt h ev i r t u a le n v i r o n m e n t i tm e a n st h a tt h eu s eo fv i r t u a lr e a l i t yt e c h n o l o g yc a l lt a k eas m a l lp o r t i o no fr e s o u r c e s t og e tt h ed e s i r e dr e s u l t s u s i n gv i r t u a lr e a l i t yt or e s e a r c ht h ep e r c e p t i o n t r a n s p o r t a t i o n i s m a i n l y t os i m u l a t et h e p r a c t i c a la p p l i c a t i o no ft h ep e r c e p t i o nt r a n s p o r t a t i o n t e c h n o l o g yb yt h et h r e e d i m e n s i o n a ls i m u l a t i o n , w h i c hf i r s t l yc o l l e c t s d a t ai nt h e c o n t r o ls i t e ，a n dt h e np r o c e s s e sd a t a , f i n a l l yu s e st h e mt oo p t i m i z eo rc o n t r o lt h e v i r t u a lt r a f f i c t t l i sa r t i c l em a i n l ys t u d i e st h eu r b a nt r a f f i cp r o b l e m s t h ea c t u a lc i t ym o d e li s t o ol a r g e ，s oi nt h i sa r t i c l et h ec a m p u sm o d e li ss e l e c t e dt oa n a l o g i z et h ew h o l ec i t y m o d e l t h etc r o s s r o a do fc a m p u si st a k e na sa s i n g l er e s e a r c hp o i n to f t h eu r b a n t r a f f i ct or e s e a r c h i nt h ei n t e r s e c t i o n , ar a n d o mn u m b e ro fv e h i c l e sa n dt h e v e h i c l e - s p e e du n d e rt h ed i f f e r e n tw e a t h e rc o n d i t i o n sc a nb eu s e dt os i m u l a t et h eu r b a n t r a f f i cf l o w u n d e rt h ed i f f e r e n tw e a t h e rc o n d i t i o n s ，i n c l u d i n gs u n n yd a y , r a i n , f o g a n ds oo n , t h ef u z z yc o n t r o lm e t h o do f t h ei n t e r s e c t i o ns i g n a ll i g h tc a nb er e s e a r c h e d t l l i sa r t i c l ee s t a b l i s h e ss c h o o lm o d e lw i t hv i s u a ls i m u l a t i o nt o o l sm u l t i g e n c r e a t o r a n dt h e ni nt h ei n t e g r a t e dd e v e l o p m e n te n v i r o n m e n to fv i s u a lc + + 6 0 ， v e g aa p i ，m a t l a bf u z z yc o n t r o lf u n c t i o n sa n de n g i n ef u n c t i o n sa r eu s e dt or e a l i z et h e i n t e g r a t i o no ft h es c 圮n e ，t h es i m u l a t i o no fd i f f e r e n tw e a t h e ra n dt r a f f i cf l o w , t h ef u z z y 南京信息工程大学硕士学位论文 c o n t r o lo fv e h i c l e sa n dt r a f f i cl i g h t s f i n a l l yt h ec o n t r o le f f e c ti so b s e r v e da n d a n a l y z e dt h r o u g ht h e r e a l t i m e r o a m i n ga n dt h e r e a lc o n t r o lt i m ed i s p l a y t h e s i m u l a t i n gr e s u l t si n d i c a t e t h a tu n d e rt h ed i f f e r e n tw e a t h e rc o n d i t i o n st h ef u z z y c o n t r o le f f e c ti sb e t t e rt h a nt h ec o n v e n t i o n a lt i m e f i x e dm o d e ，w h i c hp r o v e st h a tt h e r e s e a r c ho fp e r c e p t i o nt r a n s p o r t a t i o nt e c h n o l o g yb a s e do nv i r t u a lr e a l i t yi sp r a c t i c a l a n ds i g n i f i c a n t k e y w o r d s ：m u l t i g e nc r e a t o r , m u l t i g e nv e g 码v i r t u a lc a m p u s ，w e a t h e r , f u z z yc o n t r o l o fl i g h t s v 第一章前言 1 1 选题背景及研究意义 1 1 1 选题背景 第一章前言 衣食住行这是人们生活中不可或缺的4 个要素，而代表交通的行要素更是和我们的生活 息息相关。可是道路交通引起的事故极大地影响到了人们的生命财产安全。特别是在特殊天 气下，交通事故更易发生。例如h a r o l d 对雨天交通事故的研究表明降水引起交通事故的概 率是普通天气的2 3 倍【1 1 ；j u l i a 分析比较了良好天气和雨、大雾、大风对交通事故的影响， 指出了大雾天气对交通事故的影响程度受地理因素的制约【2 】。在我国大雾造成的追尾事故每 年都有几十起，据有关专家调查：主观方面，大多数驾驶员进入雾区时都会心理紧张、感到 疲劳；客观方面，由于路面被雾水打湿，容易在行驶时造成打滑、制动距离加长等情况【3 】。 另外，由于城市交通具有车流量大、流动性强、路网密集等特点，在城市交通中，不良天气 还会造成交通堵塞的频繁发生。虽然这不易引起大的人员伤亡，但是会降低交通运输和人们 的办事效率，造成一定的间接经济损失。正是因为不良天气对交通产生的种种不利因素直接 影响着人们的日常生活，所以研究交通的同时就应该考虑天气因素。 感知交通技术主要是通过相应的检测器采集数据，然后借助互联网实现数据的共享和数 据的处理，最终利用处理后的数据实现对交通的优化与管制。2 0 0 9 年温家宝总理提出了在 无锡建立感知中国中心，在感知中国的背景下，行业内就有人提出了感知交通这一概念。虽 然感知交通的概念很晚提出，但是感知交通技术很早就产生了。感知是人类通过感觉知觉获 得外界信息的一种方式。人们通过各种传感器和检测设备获得交通数据犹如人类感知外界信 息一样。在感知交通中，一般采用环形线圈传感器和检测电路组成环形线圈检测器检测车道 的各种信息，包括交通流的测量、排队长度测量和速度测量。另外还有基于超声波传感器的 超声波检测器、基于光学传感器的视频检测器、基于红外传感器的红外检测器等，它们可以 用于检测车辆的存在、交通流量、车高、车重以及道路的占有率等交通数据。正是因为通过 感知交通技术获得了这些交通数据，我们才能在计算机上进行交通流的模拟，进一步研究交 通控制问题，并最终把这些研究结果应用到实际交通中，优化城市交通。本文也是以这些感 知数据为前提，应用虚拟现实技术开展感知交通研究的。 虚拟现实技术可以没有时间、没有地点限制随意观察电脑模拟产生的三维虚拟空间，并 在其它输入输出设备的支持下获得视觉、听觉、触觉等感官模拟，能够为使用者营造逼真的 南京信息工程大学硕士学位论文 拟环境。虚拟校园是基于三维全景虚拟现实技术，首先对校园实体进行建模，然后通过三 实景模拟的方式表现出来，使浏览者能身临其境欣赏优美的校园风光、感受良好的教学环 和利用丰富的教学资源，可随意选择校园中的景点和参观路线，因此研究虚拟校园具有重 的现实意义。本文主要是为了以虚拟校园来类比虚拟城市，达到研究城市交通的目的。 虚拟城市交通可以模拟现实交通状况，为城市和道路规划提供相应的决策依据，这是虚 拟交通最直观的研究内容。虚拟交通中智能交通注重研究交通信号灯的控制和交通路径的诱 导，研究的方法也多种多样，例如模糊控制、神经网络控制。虚拟交通除了可以模拟交通信 号灯的控制和交通路径的诱导外，还可以模拟交通事故的再现和训练驾驶员的驾驶技术。为 了提高场景的逼真度，气象因素也被有效地添加到了虚拟交通中，在天气变化时对交通的运 行实行点、线、面的控制，形成天气城市交通这更符合实际要求的系统。例如在虚拟驾 驶系统的研究中添加天气因素，可以训练驾驶员遇到不同天气的应急能力【4 】。 1 1 2 研究意义 虚拟现实技术在不同天气下的感知交通研究中的应用有着非常重要的研究意义： 首先，真实的天气具有不可操作性，对于这样的大尺度、多维空间问题，实验研究比较 困难，而计算机模拟则具有安全、高效、成本低廉的特点。 其次，在实际中研究交通的各种理论和方法一般是通过仿真模拟比较各种数据的有效 性，这缺乏直观性，而且容易忽视一些宏观影响。如果去实地研究需要天时地利以及向有关 部门进行审批，这样就会延误研究的时间，浪费人力和财力，可行性不大。虚拟现实仿真软 件的出现就为交通的研究提供了一个折中的办法。与传统的仿真软件相比有明显的优势，可 以直观的调节交通运行过程中的各个影响因素例如交通流和天气因素。和实地研究相比，只 要加入足够的环境影响因素，基本可以取而代之。 最后，利用虚拟现实技术建立交通仿真模型，可以充分发挥现有道路的通行能力，实现 各种交通控制，寻找最佳的交通优化和管理的有效手段。 本文为了研究天气对交通的影响，建立了相应的雾和雨天气模型，通过选择特定的天气 来初始化车辆的速度以及选择每个相位的随机车辆数实现交通流的模拟，运用模糊控制根据 车辆排队长度和车速实现交通信号灯的实时控制。在三维场景中通过对交通全局情况的了 解，可以为设计者提供更多的城市规划建议，为今后城市交通的布局提供了三维可视化的平 台。本文选择的交通系统运行环境是校园环境，用小的校园环境来模拟大的城市环境，以小 见大。通过该三维可视化平台的建立，不但可以进行城市交叉口交通控制的模拟还可以欣 赏校园的美丽风光。 2 第一章前言 1 2 国内外研究现状 虚拟城市早在2 0 世纪8 0 年代初就在美国得到了相应的研究，在9 0 年代中期美国就建 立了虚拟洛杉矶和费城模型，是当时最成功的两个系统。用户可以随意在虚拟城市中走动， 欣赏沿途的风景，浏览各种广告信息，甚至可以进入建筑内部参观。目前，美国的虚拟现实 技术已经步入了成熟阶段。最为成熟的虚拟城市是美国林登实验室开发运营的“第二人 生一，其完全是开放式的平台，其中有纽约、有中国城，完全照搬了现实世界，并且用户可 以通过客户端展示自己的一切创意。虽然它只是个大型网络游戏，虚拟城市没有用在实际城 市规划中，但它对实际城市规划还是有很多可以借鉴的地方。如图1 1 所示是第二人生的城 市效果图。现在美国已经计划建立5 0 个“虚拟数字城市”，它不单运用虚拟现实技术，还结 合全球定位系统、地理信息系统、遥测等技术，功能强大。例如，美国乔治亚州的得克特市 ( d e c a t u r ) 市政府正在研究建立一座网上虚拟数字城市，希望通过这个城市为用户提供获得 公众信息、参观虚拟市政府、观看市政大会、发表评论等机会。该虚拟数字城市系统优于传 统的系统，它能够收集市民对政府工作的意见，为政府的各种决策提供良好的建议，方便和 政府进行交流。事实上，其他发达国家和地区也建立了相应的虚拟数字城市。例如日本建立 了一批数字社区示范工程，新加坡则建立相应的虚拟数字城市，普通用户进入网站就可以在 虚拟城市中的图书馆还书、申请建立公司、获得电子服务等。图1 2 是新加坡虚拟数字城市。 图1 1 第二人生的城市效果图图1 2 新加坡虚拟数字城市 对于虚拟校园的模拟，国外研究相对比较成熟并且已经做出了相应的系统，不仅可以浏 览校园风光，还可以通过选择不同的课程进入不同的教室，作为一个虚拟学生和大家一起学 习，讨论问题。例如英国开放式大学的虚拟教室，它提供实践教学，为学生营造学习的空间。 3 南京信息工程大学硕士学位论文 前美国、法国和德国这三个国家对虚拟教室的应用最为广泛。在2 0 0 7 年，土耳其阿纳杜 大学的计算机辅助培训院也建立了土耳其第一个虚拟教室，提供互动的多媒体课程，可以 有效地进行远程教育，受到人们的青睐p j 。 在国内，城市设计和规划可以通过虚拟城市仿真来完成，如中视典数字科技、凡拓、伟 景行数字城市科技等公司在上海张江高科技园区( 如图1 3 所示) 、北京2 0 0 8 奥运会场馆、 北京奥运专用道改造工程、上海北外滩景观等规划中都使用了三维仿真技术，取得了良好的 效果。其中中视典数字科技公司还为广西机电职业技术学院建立了相应的校园环境的三维模 型如图1 4 所示。三维城市仿真和三维校园仿真主要用于道路景观、建筑设计、园区规划。 三维仿真不同于动画，动画只能捕捉有限的画面，但是三维仿真可以获得场景中的任何一个 画面。三维仿真有利于了解建筑物各方面的细节，方便修改模型，这样按图纸设计的三维场 景可以和实际工程实现无缝连接，实现科技与实践的结合。在这里虚拟现实技术成为城市设 计和规划强有力的工具。 图1 3 上海张江高科技园区规划效果图图1 4 广西机电职业技术学院的虚拟校园效果图 在虚拟现实软件中，除了静态模型的显示外，动态天气环境的添加也是不可或缺的。例 如云、雪、雾、雨这些天气特征是虚拟现实模拟环境的重要部分，直接体现了整个系统的真 实性。因为这些天气的形状和运动具有不规则性、随机性和复杂性，所以很难用传统的模型 来模拟。自从1 9 8 3 年，r e e v e s 首先提出粒子系统建模方法嘲，这些自然环境中的运动模糊 物体就基本采用粒子系统来模拟了。粒子系统是一个动态系统，粒子的大小、形状会随着时 间的推移而变化，而且粒子系统还具有一定的生命周期，随着时间的流逝，新的粒子的出现 代替了旧的粒子的消亡。粒子系统的这些特点恰好体现了运动模糊物体的随机性和动态性。 粒子系统用简单的的粒子来绘制复杂的动态景物，这改变了以前用各种图形来绘制景物的方 法，它简化了技术增强了效果。因此尽管存在其他建模技术可以模拟运动的模糊物体，粒子 4 第一章前言 系统的方法仍然得到了广泛的应用。g o s s 运用粒子系统实时地模拟了船行驶时所形成的轨 迹【。b e a u d o i n 在火焰三维骨架内建立速度场，控制了粒子的动态运动，模拟了火焰的燃烧过 程嗍。l a n g e rm s 等人认为降雪过程可以近似的被认为是一个一个不透明的和扩散的材料， 用简单的粒子系统就表现了出来【9 】。k r u g e r 等人提出一个稳定的三维流场的均匀网格交互可 视化粒子系统，这种方法允许数以万计粒子流交互式渲染，它能够以一种类似于真实世界的 实验方式在高分辨率的领域进行虚拟研究，为大规模的粒子集提供了可视化流量分析，优于 现有的解救方梨m 】。s i m o nc l a r e t 等人提出一个新的模拟粘弹性流体粒子为基础的方法， 粘弹性流体粒子具有不可压缩性和粒子反集群的特点，在大密度和表面张力的作用下，根据 粒子之间的弹性，更新粒子位置 1 1 1 。c o u t i n h o 等人在文中提出了运用平滑粒子流体动力学 ( s p h ) 方法来模拟山地和湖面的水流【1 2 】。现在有关文献还提出了增强天气效果的虚拟天气 系统，它也是基于粒子系统，用户使用相应的电脑在实际天气背景下添加虚拟天气，然后通 过视觉增强的效果显示户外的虚拟天气【1 3 1 。例如在户外晴天天气背景下，可以在电脑中添加 粒子数和粒子大小形成雨天。图1 5 给出了晴天天气下的雨天效果图。 图1 5 雨天效果图 现在，我国研究员对粒子系统的研究也有了较大的突破。杨建等人提出了基于高级粒子 系统的飘雪场景实时绘制方法，采用基于三层结构的高级粒子系统管理方法，初始化雪粒子、 雪粒子族、雪粒子族管理的属性，根据雪粒子和雪粒子族的运动分析，进行属性更新绘制出雪 粒子和雪粒子蒯1 4 】。王柯等通过修改运动模型中粒子质量、风速和风向等关键参数的取值， 实现了在不同风吹动条件下雨滴、雪片随风飞舞的实时模拟，同时通过对雨滴、雪片下落位 置的判断，在其与池塘水面的接触点利用特殊的幅度值平均算法实现了池塘水面受到粒子扰 动后所产生的波动效果，最后通过读取外部模型参数的信息，生成了池塘周围的辅助景观【1 5 】。 徐慧玲采用基于粒子系统的建模方法，提出了一种能够近似计算光与云交互作用的散射光照 模型，增加了云的真实感、提高了运算效掣悯。 5 南京信息工程大学硕士学位论文 除了上面介绍的这些静态模型和动态天气环境模型，虚拟现实软件系统还需具备一些其 功能。本论文的虚拟现实软件系统主要是为了研究不同天气下的交叉口信号灯的模糊控 ，也就是说该软件的研究重点在于虚拟交通仿真。虚拟交通仿真模型是以计算机软件来模 拟道路、交通环境、交通流，可用来研究各种交通要素之间的关系。一般的交通仿真可以根 据研究对象描述程度的不同分成微观交通模型、中观交通模型、宏观交通模型【1 7 】。微观交通 模型充分考虑了交通流特性( 速度、流量和密度) 的相互关系，通常包括交通控制系统、驾 驶车辆状态以及相关的行为模式等【1 8 l ，非常适用于互动和分析。微观交通模型以单个车辆为 基本单元来描述交通流，它能使模型最大限度的模拟实物【l 们。微观模型还把人的因素考虑到 模拟中去了，也就是这些因素体现了微观交通模型在这方面的优势 2 0 l 。中观交通模型以车队 为单元来模拟交通流，对车道变换之类的行为也能近似描述。宏观交通模型通过流密速关系 等一些集聚性的宏观模型来描述，对车辆换道之类的细节可不予描述。依照解决问题的对象， 虚拟交通仿真又可以分为交叉口仿真伫、路段仿真和路网仿真瞄】：从仿真应用的研究范围 来说，可以分为交通安全仿真田l 、交通拥堵仿真、交通污染仿真、交通路段规划仿真、交通 控制仿真讲1 、先进的驾驶员培训仿真口5 培【2 6 】。 目前，各种虚拟交通仿真软件层出不穷，并且已经逐渐商业化，例如英国q u a d s t o n e 开 发的p a r a i d i c s 软件、西班牙t s s 公司开发的g e t r a m a t m s u n 软件、德国f r r v 公司开发的v i s s i g 软件等【2 5 1 。在英格兰泰恩河畔的纽卡斯尔市就是利用3 ds t u d i om a x 、v r 4 m a x 建模软件 和v i s s i m 交通仿真软件建立虚拟城市交通仿真系统。该系统通过模拟现在和将来的交 通流来分析3 个规划方案并选择最佳方案为政府提供决策支持。其中v i s s i m 是一个微 观仿真软件，用它可以分析过境车辆的通行、行人和非机动车辆的通行、交通信号灯的延时 等真实场景中的各种因素。通过比较，其中两个方案在繁忙时间的交通流超出了道路的承载 能力，另外一个方案也就是最佳方案在繁忙的商业区添加了一座天桥，这有效缩短了行人穿 越马路造成的交通延迟时间，保持了交通畅通l e t 。图l - 6 纽卡斯尔虚拟城市交通仿真软件 的效果图。 图i 6 纽卡斯尔虚拟城市交通仿真软件的效果图 6 第一章前言 虽然我国虚拟现实在感知交通中的应用研究起步比较晚，没有其它发达国家研究的那么 深入，但也形成了一些应用于实际交通项目的系统，例如同济大学和上海宝信软件股份有限 公司共同合作开发的“深圳市城市交通仿真系统”、北京英特图原信息技术公司与交通部公 路科学研究所合作开发的“基于虚拟现实的道路交通标志标线设计及评价系统”、上海顺动 信息技术有限公司与上海城轨合作开发的轨道交通3 d 虚拟演示及无线设备连接项目等。图 1 7 是中视典数字科技有限公司虚拟城市交通案例效果图。 1 3 主要研究内容 图1 7 虚拟城市交通案例效果图 本文将虚拟现实技术应用于不同天气下的城市交通仿真中，实现了场景构建、不同天气 的模拟、交通流的模拟以及信号灯对车辆的智能模糊控制，并通过在三维场景中显示控制时 间和相位文字来比较控制效果。本文选用v i s u a lc + + 6 0 平台，应用三维建模软件m u l t i g e n c r e a t o r 、v e g aa p i 函数、o p e n g la p i 函数、m a t l a b 模糊控制函数以及引擎调用函数进行 总体程序设计，主要的研究内容如下： ( 1 ) 虚拟校园的构建 由于虚拟城市的规模较大，而本文主要是研究单交叉口信号灯控制方法的优劣，所以在 实现控制功能的前提下，为了减轻工作量可以缩小场景规模用虚拟校园代替虚拟城市，以虚 拟校园中某个交叉口为例展开研究。通过p h o t o s h o p 把建筑物的原型照片处理成可以使用的 建筑物纹理，使用三维建模软件m u l t i g e nc r e a t o r 建立校园中各种模型，然后映射对应的 纹理，最后在v i s u a lc + + 6 0 平台下利用v e g aa p i 函数编写程序代码，实现场景中模型的 编辑，包括模型的添加、删除、放大、缩小和具体位置的设定。 ( 2 ) 天气的模拟 7 南京信息工程大学硕士学位论文 天气的模拟通常是通过粒子系统实现，本文中对雨雪天气的模拟就是采用该方法。除了 子系统以外，实现天气的模拟还有其它方法，例如在本文中雾天的模拟是采用雾化的方法 现的，天空的云彩则是采用几何模型实现的。其中，雨和雾的大小可以通过等级设置进行 节，并针对不同等级雨和雾对交通的影响展开了进一步的研究。 ( 3 ) 交通流的模拟 通过选择随机数得到每个车道的车辆数，由于本系统研究的是单个t 字型交叉口，共有 三个相位，六个车道，对应于每个车道选择随机车辆数间接的实现了运动路径的选择。如果 某相位没有车辆通行，系统也会提供最小绿灯时间。本文主要是研究有车辆通行时信号灯的 控制效果，所以在虚拟场景中每个车道都会有车辆通过。另外，本文研究的是不同天气条件 下的交通流，在此天气对交通流的影响是通过车辆速度的变化体现出来的。根据不同的天气， 系统自动改变车速。 ( 4 ) 信号灯的时间控制 信号灯的控制时间由两部分组成，一部分是单个车辆通过交叉口的最大时间，另一部分 是通过当前相位通行车辆的平均排队长度和下一相位等待车辆的平均排队长度这两个输入 经过模糊控制器输出的信号灯延时时间。本文研究的是不同天气下的信号灯的控制，天气的 改变影响车速的变化，而车速的变化又会影响到信号灯时间。依据路程不变时，速度和时间 成反比这一关系求得不同天气条件下的控制时间。 ( 5 ) 视图文字的显示 本文中视图文字和时间的显示是为了更好的研究交叉口信号灯的控制效果，通过虚拟场 景和数据来加以分析，更有说服力。文字显示当前相位，时间显示当前控制时间。 ( 6 ) 虚拟校园的其它互动 除了文字和时间显示可以观察控制效果外，还可以选择漫游跟踪车辆查看交叉口的通行 情况或者从高空整体上观看路口的控制效果，分析信号灯配时方案的优劣。另外，漫游方式 的添加可以令用户欣赏不同天气下的校园美景，加深对校园的认识。 8 第二章基于虚拟现实技术的不同天气条件下交通仿真系统分析和总体设计 第二章基于虚拟现实技术的不同天气条件下交通仿真系统 分析和总体设计 2 i 系统概述 本文主要是围绕天气和交通展开研究的，开发了基于虚拟现实技术的校园交通仿真系 统。虚拟现实技术在交通仿真中的应用填补了二维图像数据分析不够清晰、抽象以及无法表 现出静态模型和动态模型的空间信息的缺陷。在虚拟场景中观察者可以观看不同天气下的交 通灯的控制状况，通过研究天气、交通灯的控制时间和交通流三者的协调关系，可以更好的 控制交通，也为校园提供形象生动的的虚拟规划图。另外，本文是采用的模糊控制理论来控 制交通灯的时间，和传统的定时控制相比，模糊控制可以根据排队的长度给出交通灯的控制 时间，这样更合理，因为减少了定时周期造成的延误时间，加快了周期的循环，促进了车辆 的通行。 本文采用了m u l t i g e np a r a d i g m 公司推出的v e g a 软件系统整合了由c r e a t o r 软件建立 的各种校园模型，选用v i s u a lc + + 6 0 集成开发环境进行各种功能程序的开发，通过粒子系 统、雾化和几何模型的方法来模拟雨天、雾天、雪天等不同的天气，然后在不同天气下，信 号灯采用模糊控制根据排队长度得到模糊控制时间，再利用交叉口的隐形碰撞墙依据模糊时 间来限制和约束车辆的通行。最后运用o p e n g l 函数来实现文字显示功能，并使用多线程技 术来实现部分功能。 2 1 i 系统功能分析 通过再现不同的天气状况，模拟交通流，研究交通信号灯和交通流的关系，这是本交通 系统需要完成的主要功能。根据这些功能可以分为以下几个方面： 1 实现主要功能前的场景设置工作 这些主要功能的实现离不开模型的建立和场景配置。首先依照规划图纸建立虚拟校园内 的各种模型，然后在场景中添加各个模型并调整模型位置和大小，并最终完成用于类比虚拟 城市的虚拟校园场景。 2 模拟不同的天气 在模拟天气之前，首先了解南京浦口地区的天气状况，一般情况下影响该地区的天气主 要是雾天和雨天，当然冬天也会出现降雪，虽然雪天对交通的影响比较大但是由于雪天比较 9 南京信息工程大学硕士学位论文 暂所以在这里不详细研究雪对交通的影响。雾天和雨天在南京相对于其它的天气状况还是 较频繁的，所以本系统以雾天和雨天对交通的影响展开研究。根据有关文献的研究，高速 路上雾天对交通的管理，首先根据雾天的不同能见度划分不同的等级，然后依照这些等级 来分析对交通的影响。在此研究雨天对城市交通的影响也可以按等级划分，然后根据不同的 等级得出不同的管理方案。根据以上分析，系统应实现不同天气的模拟，并且可以选择不同 等级的雨和雾。 3 对实际交通流的模拟 交通流一般包括车辆行驶路径、车辆数量以及车辆的速度这些基本信息。模拟交通流也 就是对这些基本信息的模拟。所以系统提供了单个车道车辆数的随机选取功能，由于在此研 究的是单个交叉口，该功能直接模拟了随机车辆行驶路径的选取和车辆数量的选择。另外由 于天气因素的添加，交通流模拟中的一些因素例如车辆速度也会随着改变。这些功能的实现 和不同天气的模拟相关联，在选择不同天气等级后，系统会自动根据程序指令设定不同的速 度，这是内部设定的功能。 4 实现交通信号灯的时间控制模拟 交通信号灯的时间控制是由模糊控制得到的。不同的路口所选择的模糊控制略有不同， 模糊控制的制定与车辆通过交叉口的平均速度、车辆排队长度和交叉口车辆通行的规则有着 很大的联系。因此在不同天气下制定的交通管理方案中凡是影响到车辆通过交叉口的平均速 度都需要对模糊控制理论稍加修改，以满足实际的需要。根据有关文献的研究在实际中汽车 的启动速度对车辆的通行时间影响不大，所以在这里不考虑汽车的启动时间。系统提供了模 糊控制时间的计算功能，模糊控制时间是根据当前相位通行车辆的平均排队长度、下一相位 等待车辆的平均排队长度和不同天气下车辆通过交叉口的平均速度计算得到的，另外在功能 实现中调用了- t a t l a b 引擎。 5 便于分析控制结果的方法 本文的交通仿真是为了体现交通控制效果的优越性。由于系统是通过交叉口交通信号灯 的时间控制来比较分析所选控制方案的好坏，所以如果系统在实时运行中所有的数据只是在 系统内部计算实施，那么就很难比较控制效果了。为了能够使控制效果一目了然，系统就必 须具备在实时控制的视图中显示实时控制时间的功能。 6 仿真过程中的其它人机交互 为了更好的观察交叉口模糊控制效果，所以系统还需具备漫游功能，漫游功能提供了驾 驶模式和鸟瞰模式，可以快速的选择观察方式。当然观察者还可以根据自己的需要选择具体 观察的位置。 1 0 第二章基于虚拟现实技术的不同天气条件下交通仿真系统分析和总体设计 2 1 2 系统需求分析 根据系统功能的分析，本文的仿真系统应满足以下需求： 虚拟环境的视景效果是影响虚拟现实系统沉浸感的重要因素。虚拟校园场景是视景仿真 系统运转的基础，要完成虚拟校园场景的构造就必须建立校园的三维模型。校园三维建模主 要是对地形、地物模型的建立，包括教学楼、行政楼、宿舍、花草树木等模型的建立。通过 虚拟校园的建立可以了解校园环境的总体布局，校园环境是否得到合理的规划特别是道路和 环境是否协调，能否在开学时应付大量的车辆通行。当交通流按比例放大达到城市规模的时 候就可以间接模拟城市上下班高峰期的交通流。由于这里是研究天气和交通的关系，那么在 此就需要形成一个逼真的自然环境，这里人的视觉感受直接决定了环境的逼真度。根据系统 中不同天气的选择，车辆通过交叉口的平均速度也会改变，对于不同的平均速度，在相同的 车辆排队长度下又会得到不同的通行时间，这时信号灯的控制时间也会得到相应的改变。不 同天气下控制方法就可以在虚拟校园的场景中得到验证，是否满足实际的需求。虚拟现实平 台的建立就是为了采用更客观的方法来研究天气、交通流和信号灯的控制之间的关系，可以 直观的添加容易被忽略的细节，便于大众所理解和接受。另外虚拟校园的建立有利于校园规 划和扩建，对城市的建设也有一定的指导意义。 2 2 系统总体设计 本章介绍了不同天气下交通灯实时控制系统的开发。系统从研究晴天的交通灯控制时间 和交通流之间的关系出发，通过选择校园的某个交叉口，设定交通流来选择相应的模糊控制 规则进而模拟交通灯对每个相位车辆的实时控制，其中模糊规则的设定和交通流有着密切的 联系。晴天虚拟交通仿真模型的建立对不同天气下虚拟交通仿真模型的建立给予了一定的指 导。粒子系统、雾化和几何模型的方法可以形象的模拟了不同天气，而天气因素的添加必然 会对交通流造成影响。随机车辆的选择、随机路径的设定、车辆速度的设置，这些是交通流 的主要组成部分，也是系统中模拟交通流考虑最多的因素。在此天气因素对交通的影响主要 转换为对车辆速度的影响。在车速改变的情况下，交通灯对每个相位通行时间的设定就需要 修改，此时通过添加比例因子改变模糊控制时间，但模糊规则并没有改变。为了方便控制效 果的比较分析，系统必须显示对应相位的实时控制时间。用户除了可以运行主要的设计功能 外还可以和场景实时的交互，例如漫游校园，欣赏不同天气下的校园风景。 对系统进行总体设计后可以把系统的功能划分成如图2 1 所示的几个模块。 南京信息工程大学硕士学位论文 图2 1 系统功能模块图 下面介绍系统的这些模块： 1 虚拟校园场景的编辑模块 该模块主要实现对场景模型的管理。用户可以在场景中任意添加模型、删除模型、放大 和缩小模型、设置模型的具体位置。利用这些操作可以比较精确的把模型定位到具体的位置。 虚拟校园的建立是以实际校园作为基础的模型，如果对个别校园模型不满意可以通过添加删 除模型从整体上再次规划虚拟校园。这种虚拟规划对实际校园的建设有很大的实践意义，对 城市的建设和规划具有重要的指导意义。 2 雾和雨等天气现象模拟模块 天气现象模块总共分为4 类：晴天、雨天、雾天和雪天。该模块的主要功能是选择天气 类型，如果该天气类型还划分了相应的等级则可以进一步选择具体的天气等级设置天气情 况。晴天是初始化的时候设定的默认模块，不选其它类型就是自定义晴天。在晴天模块下可 以为自然环境添加相应的云彩。雾天模块根据雾的能见度粗略的分为4 个等级，等级越高能 见度越低，而雨天则是根据雨量的大小细分为1 0 个等级，等级越高雨量越大。雾天和雨天 等级的划分是用来研究天气对交通的影响。雪天类型添加仅仅是为了增添虚拟校园的别样风 情。 3 受天气影响的交通流模块 该模块的交通流主要分三种情况：( 1 ) 对应于晴天的交通流；(