（载运工具运用工程专业论文）基于direct+3d技术构建驾驶员应激训练系统的研究.pdf

摘要我国是世界上交通事故最严重的国家之一，如何预防和控制交通事故的发生是人们普遍关心的问题。对于作为交通安全系统三要素中主要因素的驾驶员，提高其应激反应适应性是提高交通安全水平的重要措旌。本文提出了基于d i r e c t3 d 技术构建的驾驶员应激训练系统，简称d s s s( s i m u l a t e dd r i v i n gs t r e s ss c e n es y s t e mb a s e do nd 3 d ) 。它根据虚拟现实技术和动画原理，在v i s u a lc + + 6 0 的编译系统下，利用微软d i r e c t 3 d 所提供的先进功能来完成应激场景的生成和显示，构建比较逼真的仿真m 练场景，实现驾驶员与应激场景的交互，以达到驾驶员应激训练的同的。首先通过对国内外汽车驾驶模拟器的开发和应用现状介绍，提出了本系统研究的设计思路。系统分为应激场景建立模块、图片播放模块、加速制动功能实现模块、转向功能实现模块以及仿真系统与驾驶员训练交互模块五个部分，在建立应激场景基础上实现了驾驶员与应激场景的交互，且分析了整体实现的相关功能。系统运行顺畅、逼真，界面友好。关键词：应激场景；动力定型；适应性；d i r e c t 3 d ；驾驶培a b s t r a c tc h i n aj so n eo fc o u n t r i e sw i t hs e r i o u s ”a f f i ca c c i d e n t sj nt h ew o r l d t h ep r o b l e mt op r e v e n ta n dc o n t r o it r a f f i ca c c i d e n t si saw i d e s p r e a ds u b j e c tf o rb e i n gc o n c e r n e d a st h em a i o rp a r to ft h et h r e eb a s i ce l e m e n t so ft r a 仟i cs y s t e m ，i ti sa ni m p o r t a n tm e a s u r et oi m p r o v et h ed r i v e r ss t r e s sd r i v i n gf i t n e s sb u tt h et r a d i t i o n a id r i v i n gt r a i n i n gh a sm o r el i m t a t i o n sa st h et r a f f i cs i t u a t i o nh a sb e c o m em o r ea n dm o r ec o m p l e x t h i sp a p e rp r o v i d e st h ev i e ws c e n es y s t e mo fd r i v e rt r a i n i n gs i m u l a t o rd e v e l o p e dw i t hd i r e c t 3 df d s s s ) i ta c c o r d i n gt ot h ep r i n c i p l eo fc a r t o o na n dt h ev i r t u a ir e a l i t yt e c h n o l o g y , a n du s i n gt h ed i r e c t 3 do fm i c r o s o f 【i nt h ee n v i r o n m e n to fv i s u a ic + + 6 0 ，t h em e t h o d so fu s i n gt h eg o o dp r o p e r 【vo fd i r e c t 3 dt op r e s e n ta n dg e n e r a t ev i e ws c e n eo fs i m u l a t o t t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ev i e ws c e n es v s t e mo fd r i v e rt r a i n i n gs i m u l 龋o rc a rs a t i s f a c t o r i l ys i m u l a t et h es c e n eo u to fc a r t h e nt h es y s t e mh a sr e a l i z e dt h ei n t e r a c t i o nb e t w e e nt h ed r i v e ra n dt h es t r e s ss c e n et ot r a i nt h ed r i v e r s t h i sp a p e ri n t r o d u c e ss o m ed r i v i n gs i m u l a t o r sa n dt h e i ra p p l i c a t i o n si nt h ew o r l da n dt h e nt h ed e s i g nt h o u g h to ft h i ss y s t e mj sd e r i v e d t h i ss y s t e mc o n s i s t so ff i v em o d u l e s ：s t r e s ss c e n es i m u l a t i o ns u b s y s t e m ，s t r e s ss c e n ep l a ys u b s y s t e m ，a c c e l e r a t i o na n db r a k es u b s y s t e m ，t u r n i n gs u b s y s t e m ，a n di n t e r a c t i o ns u b s y s t e m t h e np r e s e n ta n dg e n e r a t ev i e ws c e n ea n dr e a l i z et h ei n t e r a c t i o nb e t w e e nt h ed r i v e ra n dt h es t r e s ss c e n et ot r a i nt h ed r i v e r s a ti a s t t h i sp a p e ra n a l y z e dt h ef u n c t i o na n di i m i t a t i o no f t h i ss y s t e ma n dt h es u g g e s t i o nt oi m p r o v ei sp r o v i d e d t h es y s t e mr u n ss m o o t h l ya n dh a saf r i e n d l yi n t e r f a c e k e y w o r d ：s t r e s ss c e n e ；m o t i v es e t t i n g ；d r i v i n gf i t n e s s ；d i r e c t 3 d ；d r i v i n gt r a i n i n g论文独创性声明本人声明：本人所呈交的学位论文是在导帅的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除论文巾已经注明引用的内容外，对沦文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明i 奉论义中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体己经公开发表的成果。杼翟篡本胁越甜勰期舢论文作者签名：r 磷i 坷力7 舐锌r 月铀fi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。学校享有以任何力式发表、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，岩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)沦文作者签名夕回年纠如日蝴签名：训讹备伽占年r 月刃日第1 章前言1 1 我国交通安全现状与发展趋势我国自1 9 7 8 年改革丌放以来，每年的g d p 增长率大概都在8 以上。与此n j 时，汽车保有量也开始显著增加，但是道路交通事故的发生，在某种程度上已经成为一个社会公害。减少和解决道路交通安全问题，营造和谐社会氛围已经成为我们目| j 仃必须解决的问题。目前，我国汽车保有量只占全世界的1 9 ，但道路交通事故死亡人数却占全世界的1 5 左右。我国己成为世界上道路交通事故最为严重的国家。表卜l 是我国近年来道路交通事故统计概况【1 】【2 11 3 1 。表i - l 我国近年来交通事故统计表年份事故次数死亡人数受伤人数直接经济损失元万车死亡率1 9 9 02 5 删4 9 2 7 l1 5 5 0 7 23 6 3 5 4 8 1 1 43 3 3 81 9 9 12 6 4 8 1 75 3 2 9 21 6 2 0 1 94 2 8 3 5 9 7 4 93 2 1 51 9 9 22 2 8 2 7 85 8 7 2 91 4 4 2 6 49 4 4 9 2 9 6 3 63 0 1 91 9 9 ，“2 3 4 36 3 5 0 81 4 2 2 5 19 9 9 0 7 0 1 2 l2 7 2 41 9 9 42 5 3 5 3 76 6 3 6 21 4 8 8 1 71 3 3 3 8 2 7 2 2 32 4 2 61 9 9 52 7 1 8 4 37 1 4 9 41 5 9 3 0 s1 5 2 0 0 0 0 0 0 02 2 41 9 9 62 8 7 6 8 57 3 6 5 51 7 4 4 4 71 7 2 0 0 0 0 0 0 02 0 11 9 9 73 0 0 0 0 07 3 8 6 11 9 0 1 2 81 8 5 0 0 0 0 0 0 01 7 ，51 9 9 83 4 6 1 9 27 8 0 6 82 2 2 7 2 11 9 3 0 0 0 0 0 0 01 7 31 9 9 94 1 2 8 6 08 3 5 2 92 8 6 0 舯2 1 2 4 0 1 0 0 0 01 5 ，4 52 0 0 06 1 6 9 7 49 3 4 9 34 1 2 7 8 22 6 6 9 0 0 c 1 0 0 01 56 02 0 0 l7 6 0 3 2 71 0 6 3 6 75 4 9 0 0 03 0 蛐0 0 0 0 0 01 5 4 62 0 0 27 7 3 7 3 71 0 9 3 8 15 6 2 0 7 43 3 2 4 0 0 0 0 0 01 3 7 i2 0 0 36 6 7 5 0 71 0 4 3 7 24 9 4 1 7 43 3 7 0 0 0 0 0 0 0i o 8 l2 0 0 45 6 7 7 5 39 9 2 1 74 5 1 8 l o2 7 7 0 0 0 0 0 0 09 2 02 0 0 54 5 0 2 5 49 8 7 3 84 6 9 9 1 i1 8 8 0 0 0 0 0 0 07 6 0随着我国汽车保有量和公路里程的快速增长，我国所面临的道路交通安全问题，已经处于历史上最严峻的时期。道路交通事故的发生，在某种程度上已经成为抑制我国国民经济发展的因素之一。减少和解决道路交通安全问题，营造和谐社会氛围已经成为我们目前必须解决的问题。与工业发达国家形成对照的是，我国的道路交通事故年死亡人数多年来居高不下，更值得关注的是这种势头至今尚未受到有效遏制和减弱，如不采取切实可行的措施，未来十年间道路交通事故年死亡人数还会再现惊人数字。1 2 影响交通安全的因素组成道路交通系统的三大主要因素是人、车、路( 包括环境) ，而驾驶员又是人因素分支中最为重要的一部分。图卜l 是道路交通安全因素树，图卜2 是驾驶员的因素的分支。图1 - 1 道路交通安全因素总图图l - 2 驾驶员对道路交通安全影响因素图驾驶员在交通事故中扮演着主要角色，因此研究驾驶员的行为对于提高道路安全性有重要意义。国内外统计数据也表明驾驶员是影响交通安全的最主要因2素。表卜2 表明的是影响道路交通安全三个因素，对交通安全影响所占的比例在困内外调查的结果【4 】1 5 。表1 - 2 人 路二三个圆素对交通安全的影响单伸泌驾驶员车辆道路相关责任行人国内7 0 8 05 l1 5国外8 0 9 0 - j 惯、技能以及生活方式等等，在生理机制上都是动力定型的建立。驾驶是一种动力定型，而驾驶的培训过程就是这种动力定型的建立并形成的过程。在驾驶培训的过程中，进行应激培训后，人就形成这种应激动力定型，在驾驶过程中处理类似的应激事件时，就会收到较好的效果。但是，如果应激状态的训练试验在现实中进行操作，会存在着安全风险大、应激场景单一等缺点，而且由于会有其它因素的混合作用，训练的效果难以保证，从中提取的数掘也不可采用。所以通过设定难度系数，在实验室早进行人为地创造应激场景进行应激训练模拟实验是现实可行的方法。9第3 章应激训练系统总体构建驾驶员应激训练仿真系统是用计算机仿真来模拟现实中的应激场面，运用虚拟技术为驾驶员提供应激培训的一套装置。3 1 虚拟现实技术与驾驶模拟3 i i 虚拟现实技术简介虚拟技术是对过去、现在、未来客观存在事物现象的模拟和对客观世界的虚构，是以计算机仿真技术为前提，综合了自2 0 世纪8 0 年代初以来在各个领域诞生的各项新技术，包括计算机、图像与显示立体影像( 液晶光阀、全息照相) 、立体音响、传感器测控、通信、多媒体、科学计算、人工智能技术和软件工程等，以及与心理学、生理学、行为科学相关联的技术，形成了一个综合的系统技术1 2 】。虚拟技术是对过去、现在、将来客观存在事物现象的模拟和对客观世界的虚构，作为一种哲理有着更加丰富的内涵，随着各项技术要素的发展不断得以充实和完善。根据虚拟的对象不同，虚拟技术可分为：虚拟现实技术、虚拟未来技术，虚拟再现技术、虚拟虚构技术等【1 3 】。虚拟现实技术( v i r t u a lr e a l i t yt e c h n o l o g y ，简称v r t ) 是对现存的客观事物现象的模拟，是虚拟技术中最为重要的内容之一。它的出现是计算机图形学、人机接口技术、传感技术以及人工智能技术等交叉与综合的结果，以满足人们模仿、创造、体验、感知、感觉现实环境及其运动变化的需要。v r t 包括人、媒体件、数据件和网络件四部分，其基本原理是利用计算机生成一个三维空间，通过将用户置身于该环境中，借助轻便的多维输入输出设备，并根据由此而产生的一种身临其境的感觉，去感知和研究客观世界的变化规律【1 3 1 。从总体来看，虚拟现实技术有三个重要特征【1 3 】1 ) 沉浸特征( i m m e r s i o n )它要求计算机所创造的虚拟环境能使计算机操作人员有“身临其境”的感觉。使操作人员相信在虚拟境界中人也是确实存在的，而且在操作过程中他可以自始至终地发挥作用，就像真正的客观物质现实世界一样。2 ) 交互特征( i n t e r a c t i v i t y )是指操作者与虚拟境界中所遇到的各种对象相1 0互作用的能力，这种交互是三维的，用户是交互作用的主体，且与虚拟客体间可进行多行为的交谈。3 ) 动作特征( a c t i o n ) 要求用户能以客观世界的实际动作或以人类熟悉的方式来操作虚拟系统，同时让用户感觉到他面对的足一个真实的物质世界。3 1 2 驾驶模拟器简介汽车驾驶模拟器( v e h i c l es i m u l a t o r ) 是一种能正确模拟汽车驾驶动作，并能在主要性能上获得与实车驾驶相同感觉的仿真设备。按用途不同，可分为训练型汽车驾驶模拟器和丌发型汽车驾驶模拟器【1 4 1 1 ”1 。训练型模拟器可以初步完成对新驾驶员的训练；开发型模拟器能对人一车一环境系统进行研究，从而验证事故的发生原因，预防车辆事故的发生，为汽车工程设计提供帮助。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，故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、三维实时动画技术、计算机接口技术、人工智能技术、数据通信技术、网络技术、多媒体技术等先进技术。借助于驾驶模拟器，能对汽车一驾驶员一道路( 环境) 相互作用关系进行研究，也能对驾驶人员进行训练。在国外，汽车驾驶模拟器的研究开始较早，汽车驾驶模拟器作为培训工具在发达国家早己普遍运用，日本政府在1 9 7 0 年就以正式法律规定，汽车驾驶学校必须装备汽车驾驶模拟器。美国在上一世纪7 0 年代中期就有5 0 0 多所汽车驾驶学校装备了汽车驾驶模拟训练器，大多数欧洲国家也相继制定了使用汽车驾驶训练模拟器的法规1 15 1 在国内，驾驶模拟器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。一些公司开发了汽车驾驶训练模拟器，但与国际先进水平相比。有较大的差距。目i i ，北京航空航天大学、吉林大学、昆明理工大学、北京科技大学等单位在此研究领域正在积极开展工作，并开发出了一些初期的产品，其中，北京科技大学基于虚拟现实技术的汽车驾驶训练模拟系统比较有代表性。但是，总的说来，还存在开发技术含量低、汽车视景与操纵动作脱节、迟后“沉浸感”、“交互性”与“实时性”不强、价格偏高等不足。所以，研发新型的训练模拟器、创造逼真的汽车实景就成为当前驾驶模拟器研发工作的当务之急。图3 - 1 是最基本的汽车驾驶模拟器的构成【1 6 10 7 1 圈3 1 汽车驾驶模拟器的构成作为未来汽车的一项功能，随着电子技术的发展，汽车上的许多机械控制已渐渐被电子控制取代，电控单元的功能也越来越强大。将驾驶模拟器与真车作为一体使模拟驾驶成为未来汽车的项功能，目前技术上已经完全可行，而且这样做还有明显的好处。首先节省成本，驾驶模拟器的操纵机件和信号采集原件完全可以与真车共用，只需另外添加视景生成系统；其次，除了可以进行驾驶训练，对驾驶安全也有一定帮助，驾驶员在驾驶汽车前可先做模拟驾驶测试，如果分数太低就禁止驾驶，这样就可以防止驾驶员在身体条件较差( 如喝酒、疲劳) 或技术较差时进行驾驶；再次，先进行模拟驾驶测试，还可以纠正驾驶员易犯的错误，从而降低实车驾驶中车辆事故的发生率【1 7 1 。3 1 3 驾驶模拟器与驾驶适应性驾驶适应性是指驾驶员能够适应车辆、道路、交通环境与条件的能力，具体是指从事驾驶工作所必须具备的最低的生理和心理特性，驾驶员驾驶车辆的适应性是减少行车事故极为重要的环节。培养驾驶员迅速发现、识别和处理应激情况的高水平职业素质，使驾驶员具有在应激情况下进行有效活动的技能，保证驾驶员在生理上和心理上能够迅速适应应激情况的不利影响。这项训练的突出特点是训练只能依据有限的应激情况训练模型，训练的最终目的是使驾驶员具有在任何可能发生的紧急情况下都可以安全行车的素质。就车辆对驾驶员操作的反应来讲，任何一种驾驶模拟器都具有局限性。驾驶员在驾驶模拟器中的驾驶操作与驾驶员在实际道路上的驾驶行为是有一定区别的。驾驶模拟器可以为驾驶员提供一个现实的假象，但它再现实际道路环境的成功范围足有限的。受试人员知道他在模拟器中不管如何操作都不会有警察来管制，也不会发生交通事故。这样一来，受试人员的生理、心理指标变化和实际驾驶情况就有可能存在一定差距。尽管如此，由于模拟实验有明显的优越性，所以对于研究交通心理束说还是一种比较好的方法。驾驶工作是一个特殊的工种，所以，为了保证行车安全，除要求驾驶员具有一个健康的身体外，还必须有动态观察能力、随机判断能力和随机反应能力等方面的适应汽车的快速运行，日本在6 0 年代就已经重视对驾驶者的适应性检查。实践证明经过训练有良好适应性的的驾驶员，行车事故显著下降，是因为驾驶操作有认识、判断、操作这三个环节，行动操作质量的好与坏，与认识判断能力和动作功能的协调有直接的关系。由此可见，驾驶适应性与事故之间是有密切关系的。驾驶模拟器的重要应用就是能够在人为创建的驾驶环境下，对驾驶员进行驾驶适应性的有效训练，从而达到改善驾驶员的适应性，减少交通事故发生的目的。本文研究的驾驶员应激训练仿真系统就是利用d i r e c t 3 d ，在v i s u a lc + + 的环境下编译软件系统，虚拟应激场景造成驾驶员的应激状态，同时软件系统与驾驶模拟器以及计算机建立友好连接，使之能够完成交互，实现较为理想的应激训练。从而改善驾驶员在应激状态下的适应性，减少交通事故的发生。3 2d ir e c t 3 d 介绍本系统的软件采用的是用v i s u a lc + + 编出的模拟驾驶操作画面，而整个模拟驾驶操作的画面播放是用d i r e c t 3 d 实现的。3 2 1d i r e c t x 简述d i r e c t x 是微软公司专门为游戏开发一套相对低阶的应用程序的a p i ( a p p l i c a t i o np r o g r a mi n t e r f a c e ) ，它可以用来创建游戏及对配件性能有较高要求的多媒体应用程序；而对使用者而言，它同时提供了对二维、三维图像处理、声音音乐处理以及输入设备和多用户网络应用程序的支持，能够最大程度的保证从不同厂家购买的软件、硬件和应用程序协同工作f 1 8 】【嘲。d i r e e t x 中的第一个“x ”，是d i r e c t 3 d ，而第二个是d i r e c t d r a w ，许多游戏用到这两个组件；而在目i j 最新版的d i r e c t x9 中，这两个已经被整合为d i r e c t xg r a p h i c s 了。除此以外，d i r e e t x9 还包括d i r e c ti n p u t ，d i r e c tp l a y ，d i r e c ts o u n d ，d i r e c tm u s i c ，d i r e c ts h o w ，d i r e c ts e t u p ，d i r e c t xm e d i ao b j e c t s 这些组件。表3 1 是对这些组件和每个组件功能的描述【1 。表3 - 1d i r e e t x 组件组件名称组件功能描述d i m e t x g r a p h h i c s将d i r e o x 以前版中的d i r e c t d r a w 和d i r e c t 3 d 两大组件合并而成的一个统一组件，提供统一的图形应用程序a p id i r e c t l n p u t主要是尾各种输入设备特别是象用力回馈技术的游戏输入设备提供支持的一个接口d i r e c t p l a y为多人网罗游戏提供支持d i r e c t s o u n d用来开发播放和波着波形音频的应用捍序d i r e c t m u s i c为基于波形音频音乐音轨或者其他音轨、m i d i 声音或者d i r e e t m u s i c产生的动态内容提供一套完整的解决方案d i r e c t s h o w用来开发捕捉和回放多媒体流的应用程序。d i r e c t s e t u p是一个比较简单的组件，主要是为安装方面提供服务m e d i a o b j e e t s是一个数据流组件从d i r e c t xl 到d i r e c t x9 的过程中，其主线还是在图形处理方面，d i r c c t x的其他组件也在不停的发展，图形处理是应用最多的方面，也是三维建模中最不可缺少的部分。3 2 2d i r e c t 3 d 简介3 2 2 1d i r e c t 3 d 体系结构1 2 0 1 2 1 】瞄1 2 3 1 剀图3 - 2 是d i r e c t 3 d 体系结构图示。3 2 2 2d i r e c t 3 d 硬件抽象层( h a r d w a r ea b s t r a c t i o nl a y e r )m i c r o s o f t d i t e c t 3 d 通过硬件抽象层( h a l ) 提供设备无关性。h a l 是一个设备相关的接口，由设备制造商提供，d i r e c t 3 d 使用h a l 与显示硬件协同工作。应用程序从不直接与h a l 打交道。相反，通过h a l 提供的基础，d i r e c t3 d 暴露了一组统一的接口和方法，应用程序用这些接口和方法绘制显示图形。在m i c r o s o f tw i n d o w s x p , m i c r o s o f tw i n d o w sn t 和w i n d o w s2 0 0 0 下，设备制造商1 4图3 - 2d i r e c t 3 d 的体系结构图用3 2 位代码实现h a l 。而在w i n d o w s9 8 和w i n d o w s m i l l e n n i u m e d i t i o n ( w i n d o w sm e ) 下，则混合使用1 6 位和3 2 位代码。h a l 可以是显示驱动程序的一部分，或者是一个单独的动态链接库( d l l ) ，该d l l 通过驱动程序开发人员定义的私有接口与显示驱动程序进行通信。d i r e c g dh a l 由芯片制造商、板卡制造商或原始设备制造商( o e m ) 实现。h a l 仅实现与设备相关的代码并且不做任何模拟。如果硬件不能完成某项功能，则h a l 不将其声明为硬件的能力。另外，h a l 不检验参数，d i r e c t 3 d 在调用h a l 之前执行这项操作。在m i c r o s o f td i r e c t x 9 0 中，h a l 可以有三种不同的顶点处理模式：软件顶点处理、硬件顶点处理、以及在同一设备上的混合顶点处理。纯设备模式是h a l设备的一个交体。纯设备类型只支持硬件顶点处理，且只允许应用程序查询设备状态中很小的一个子集。另外，纯设备仅在具有某一最低能力级的适配器上可用。3 2 2 3d i r e c t 3 d 系统集成d i r e c t 3 d 应用程序接口( a p i ) 可以直接访问显示驱动程序接口，也可以通过硬件抽象层( h a l ) ，就是软件模拟的方式访问显示驱动程序接1 3 ，所以d i r e c t 3 d应用程序接1 2 1 ( a p i ) 直接访问显示驱动程序接口有执行速度快的优点，而通过软件模拟的方式可使应用程序不必硬件支持。由于在d i r e c t 3 d 中，a p i 可以直接访问显示驱动程序接口的功能，所以同样数量的场景数据，在显示速度上，d i r e c t 3 d 要快于0 p e n g l ，这跟d i r e c t 3 d 的显示机制有关系，因此d i r e c t 3 d 可以充分发挥硬件性能。图3 3 表示的是d i r e c t 3 d 系统集成及其集成过程图3 dd i m c t b d 系统集成3 2 2 4d i r e c t 3 d 的优缺点咧d i r e c t 3 d 的主要优点1 ) d i r e c t 3 d 发展较快由于d i r e c t x 是m i c r o s o f t 一家的标准，在制定标准上m i c r o s o f t 是可以自行决定的。而如o p e n g l 等其它图形处理软件是公用标准，要制定更新标准会比标困难，所以在d i r e c t x 5 0 后，d i r e c t x 发展很快。现在d i r e c t x 9 0 的对硬件新功能的支持已超过o p e n g l 。2 ) d i r e c t 3 d 接口应用函数丰富d i r e c t 3 d a p i 将许多常用的3 d 变换和计算用a p i 接口提供给用户，使用不用再花许多时间去编基本的3 d 变换和计算。并且有一点是肯定，m i c r o s o f t 的d i r e c t x 开发小组开发a p i 函数在执行效率和函数安全性上要比一般编程人员强。3 ) d i r e c t 3 d 相对显示效率高于o p e n g l 同样数量的场景数据，在显示速度上，d i r e c t 3 d 要快于o p e n g l ，这跟d i r e c t 3 d 的显示机制有关系，它直接同硬件打交道，充分发挥了硬件性能。d i r e c t 3 d 的主要不足有以下两点：1 61 ) 不能跨平台o i r e c t 3 d 是基于w i n d o w s 操作系统的。所以在u n i x 等平台上将不能支持。2 ) d l r e c t 3 i ) 精度d i r e c t 3 d 使用3 2 位的f l o a t 浮卢精度，在大场景时浮点猫度不够，虽现在d i r e c t x 9 0 的高级图形编程( p i x e ls h a d e r2 0 ) 上使用6 4浮点精度，但现在大部分科学计算用不上高级图形编程，而且高级图形需用显卡的硬件加速，与硬件关系密切，所以就目前来说d i r e c t 3 d 的浮点精度比不上o p e n g l 。3 3 应激场景的建立3 3 1 动画播放原理动画是由许多幅单个画面组成的，因此，它是在图形图像基础上产生的。计算机动画是计算机图形图像技术与传统动画艺术结合的产物，它是在传统动画基础上使用计算机图形图像技术而迅速发展起来的一门高新技术。传统手工动画形成了自己特有的艺术表现风格，而计算机图形图像技术的加入不仅具备了传统动画的特点，缩短了动画制作周期，而且给动画加入了更加绚丽的视觉效果1 2 2 1 。动画是由很多静止画面组成的，每张画面之间都有微小的差别，当播放画面时，将这些画面按顺序一张一张很快地显示。看起来画面之所以是连续的原因是由于视觉残留作用的缘故。人的视觉有一种“惰性”，当看一幅画的时候，这幅画的信息就保存在眼睛里，即使这幅画突然消失，但保存在眼睛里的信息还将保留一会儿( 大约十分之一秒) ，大脑的感觉就好像这幅画还存在似的，这即为“视觉残留”。因此播放动画的时候，虽然画面是一张一张断续显示的，但因为视觉残留作用，看到的画面却是连续运动的，就好像画面会动似的。由于人眼的视觉残留时间大约是十分之一秒，因此显示图片的速度要高于每秒十幅，才不会感觉到画面是断续的瞄】。一般动画主要包括以下几个因烈2 2 l 【3 7 】：1 ) 动画对象动画对象指的是能够在视频屏幕上活动的图形，主要区别于不动的静止图形，在动画运动中，有时背景也是动态的，但不能把背景当作动画对象。2 ) 动画背景动画背景指的是一幅视频屏幕显示中除动画对象外的其它图1 7形。3 ) 场景显示场景显示是整个动画中正在屏幕显示的内容，场景显示不是全部动画内容，他只是整个动画中的一部分，是正在屏幕上显示的那一部分。设计动画时，考虑的可能不止是一个屏幕所要显示的内容，可能需要更多屏幕才能完成整个动画活动。这时考虑的内容要大得多，动画场景所指的就是整个动画构想，或者是整个动画意图。本系统主要包括应激场景与交互实现两部分。应激场景是运用动画技术原理，用m f c 库建立的。动画技术原理即利用人眼的视觉暂留原理，对若干张图片进行连续播放，形成所谓的动画。一般而言，动画按其呈现方式可分为两种：1 ) 直接播放方式。如a v i 或m p e g 媒体播放文件。2 ) 连续贴图方式。本系统采用第二种连续贴图方式构成应激场景动画，运用虚拟现实的原理，乖j 用m i c r o s o f t 的d i r e c t x 开发工具包中的d i r e c t 3 d 接口。在v i s u a lc + + 6 0编译环境下实现应激场景的模拟仿真。3 3 2d i r e c t 3 d 设计动画理念d i r e c t 3 d 是专门处理3 d 绘图并利用3 d 指令加速显示a p i 函数包，到目静为止，大部分在w i n d o w s 操作系统中运行的3 d 游戏，都使用了d i r e c t 3 d 函数。d i r e c t 3 d 使操作系统与硬件设备之间的兼容性更好，它免除了以往开发工具上一贯的缺点，例如o p e n g l 开发函数。d i r e c t 3 d 提供了两种a p i 模式：立即模式和保留模式【捌。立即模式使用较底层的a p i 函数，用起来不太方便砸i 是在编写程序的时候，立即模式却有较大的弹性来开发3 d 环境，而且所开发出来的动画在计算机运行时，3 d 效果非常好，运行速度也非常快。保留模式比立即模式容易学习与使用，它构架在立即模式的上一层，目前还不支持很多重要的新技术，3 d 游戏中的场景、模型、贴图管理、特效以及光影效果等等，都是由程序代码来构建的。而通常要实现这些真实的3 d 效果，就要占用非常多的系统资源，如果动画的架构规划不是很明确，就会展现出令人无法忍受的画面，以及非常低的运行效率。因此在开发3 d 游戏之前，我们就要考虑到动画画面质量的呈现和如何节省系统资源的问题。而d i r e c t 3 d 可以将这二者更好地协调统一，所以d i r e c t 3 d 的立即模式运用将是开发动画时的重心1 2 3 1 【3 7 1 。o i r e c t 3 d 由两种类型的驱动器组成：第一种驱动器实现了一个硬件抽象层( h a l ：h a r d w a r ea b s t r a c tl a y e r ) ，芯片和板卡厂家通过使用h a l ，以一种与设备无关的方式提供硬件的功能，程序员可通过一直询问机制，从h a l 获得硬件信息并加以利用；对于没有硬件加速的系统，9 i r e c t 3 d 在软件一级实现了另一种驱动器，它使用一个硬件仿真层( h e l ：h a r d w a r ee m u l a t i o nl a y e r ) 来用软件仿真这些特征。d i r e c t 3 d 的核心体系机构是一个三位绘制引擎，它是一个3 级图形流水线。其中的每一级又可以实现独立的动态加载。在绘制操作开始时，首先用一个d i r e c t 3 da p i 调用每个模块建立图形状态，然后将一个运行缓冲载入引擎。第1个模块是变换模块，处理一个对象需要完成的所有几何变换。第2 个模块是光照模块，为每个对象做光照计算，它可以处理多种类型的光源。最后l 级是绘制模块，它利用前两级的输出结果生成最终的场景图像，可以通过软件控制方便地切换这些模块。这使得利用不同或者具有增强功能的模块代替流水线中的相应模块成为可能。一些模块可以与硬件加速器进行通信，流水线中的任何一级都可以通过硬件来加速幽】1 3 7 】。3 3 3 应激场景的选取驾驶员训练应激场景的选取应具有典型性、多样性以及真实性，以便为从多角度培养驾驶员应激反应的技能提供较为理想的素材。所以，应激场景的选取原则应当符合中国国情，应是在我国现行道路交通条件下，以驾驶员正常驾驶所遇到的情况为基础，选取在相关道路环境中较易发生的一些实际交通状况为应激场面。在我国现行道路条件下，混合式道路尚存在不少；山区公路由于各方因素影响，一般公路线形以及视距在某些路段尚不够理想：加之国民交通安全意识的现状水平较低等，这些均是在通常车辆运行中可能发生应激场景的因素。本研究系统共选取了1 0 组不同状况下的背景场面，该场面是从运行车辆上用数码摄像机所拍的实地场景中选取的。每组场景选取8 0 张图片，其播放时间依系统应激情况发生时的车速而定。画面中造成应激状况而突然出现的动物或是突显车辆是用p h o t o s h o p 图形软件进行处理过的，基本与现实相符合，这种方法相比用计算机绘图而获取的图形更具有逼真感，更加能对驾驶员造成较强的应激刺激。本文选取1 0 组场景中具有代表性的5 组场景加以分析说明。第一个应激场景如图3 - 4 所示。驾驶员在普通混合道路环境中行车，车辆穿越村镇时，经常会出现突显信息，如突然跑到车道的动物、小孩等。这种情况需要驾驶员迅速判明情况，在一瞬间做出决策，极易发生应激状况。图3 4 应激场景一第二个应激场景如图3 5 所示。在山区弯道行车时，由于驾驶员视线被阻挡，前方转弯处的情况很难判断，事件的突发性、隐蔽性很强，极易产生应激状况。如图所示，对方来车在没有给任何信号的情况下突然从驾驶员视线盲区处出来，这就是一个突然信息，这种情况在我国现行山区公路普遍存在。图3 - 5 应激场景二第三个应激场景如图3 - 6 所示。这是一处开阔的郊外公路，此时道路线形好，容易导致驾驶员注意力分散、警惕性降低。但当有行人在无人行横道线的公路突然横穿时，由于驾驶员长时问处于放松状态，对于突然出现的信息来不及作出及时反应，容易发生应激。图3 - 6 应激场景三第四个应激场景如图3 - 7 所示。在复杂的道路条件中，尤其是乡村公路上行车，平面交叉口较多，所以需要驾驶员处理的信息比较复杂，而且沿途会有很多障碍物阻挡驾驶员的视野，当这辆农用三轮车突然进入干线公路时，这种情况下可能突显信号已超出了驾驶员的信息处理能力，本能导致行驶中的驾驶员发生应激状况。图3 7 应激场景四2 1第五个应激场景如图3 - 8 所示。这是在高速公路行车中的场景，由于高速公路基本是封闭系统，没有平面交叉，因此驾驶员在行驶时精神很容易放松警惕，同时因为车速快，对于突发信息驾驶员很难及时作出判断并决策，因此极易发生应激。图3 - 8 应激场景五3 4 本系统基本原理与流程3 4 1 系统基本原理在d i r e c t s d k 大家族中，d i r e c t 3 d 和d i r e c t d r a w 是很重要的两个成员，其中d i r e c t d r a w 是d i r e c t 3 d 的基础，它主要用于控制屏幕绘图与显存，本系统的基本原理就是应用它的三个很重要的概念团】【3 7 j 。1 ) 表面在编写程序时，先要创建若干个图形数据缓冲区，并把这些图形数据装入其中，再进行转换、拉伸、拷贝等操作，并且还可以显示这些缓冲区中的图形数据，这些缓冲区就称为表面。表面可以分为主绘图页、后缓冲区和离屏表面。主绘图页( p r i m a r ys u r f a c e ) 是用户在屏幕上可以看到的，它是显示内存的一部分。所有程序都有主表面，而且只有一个。它在d i r e c t l ) r a w 表面对象之前就已经存在了，因此不能改变它的尺寸、格式和位置。主表面有一个很重要的特性就是翻转。页面翻转用于程序中，可以产生相当平滑、不闪烁的动画。一个可以翻转的主表面实际上是两个表面，一个是可见的，一个是不可见的。不可见的表面为后缓冲区。当发生表面翻转时，后缓冲区就成为可见的，而以前的可见表面则成为后备缓冲区。另外还有一种离屏表面( o f f s c r e e ns u r f a c e ) ，它是不能直接见到的。离屏表面作为存储缓冲区，有助于表面之间的互相切换，它的大小是可以改变的。主表面和离屏表面都分为有调色板的和无调色板两类。像素深度为8 位( 2 5 6色) 的表面称为有调色板的表面：而像素深度为1 6 位( 6 4 k 色) 、2 4 位( 1 6 m 色) 的称为无调色板的表面，它们存储实际的色彩值( r g b 值) 。2 ) b l t t i n gb l t t i n g 是用于复制图形的语言，可以将图像从一处拷贝到另一处。例如人们所熟悉的c d c 类( 设备描述表类) 的b i t b l t 0 就是具有这样功能的函数。在d i r e c t d r a w 中，典型的b l t 操作是将离屏表面的内容拷贝到一个后备缓冲区，而一般的b l t 操作调用一个源表面和一个目标表面，把源表面的内容拷贝到目标表面中，不仅可以整体拷贝源表面，而且还可以拷贝源表面内的任何矩形区域到目标表面的任何位置。b l t 还支持透明拷贝，就是指表面中的某一像素在b l t 过程中可以不予以拷贝，而这个像素值是由色彩键码( d d c o l o rk e y ) 决定的。在d i r e c t d r a w 中有三个支持b l t 的函数，分别是b i t 0 、b l t b a t c h ( ) 、b l t f a s t ( ) 。其中b l t ( ) 用得最多，b l t f a s t ( ) 的速度比b l t ( ) 要快，但功能却很有限，例如不支持拉伸、剪切等操作。还有函数b l t s u r f a c e 0 ，它是d i r e c t w i n类的一个成员函数，b l t0 、b l t f a s t0 更具有适应性，并且使用起来更加简单例如，当把源表面拷贝到目标表面外时需要裁剪，而b l t f a s t 0 不支持裁剪。这时即可使用b l t s u r f a c e 0 函数，它在内部使用b l t 0 和b l t s u r f a c e 0 函数，并根据情况自动执行裁剪。3 ) 色彩键码d i r e c t d r a w 可以把某种颜色或某个范围的颜色指定为一个颜色值，这个颜色值是由d d c o l o r k e y 结构即色彩键码说明的，d d c o r l o r k e y 结构说明如下：t y p e d e fs t r u c t - d d c o l o r k e y d w o r dd w c o l o r s p a c e l o w v a l u e ：颜色范围的低端d w o r dd w c 0 1 0 r s p a c e h i g h v a l u e ：颜色范围的高端jd d c o l o r k e y ：对表面进行拷贝操作时，表面中哪些像素不被拷贝是由色彩键码决定的。如当d d c o l o r k e y 结构的两个分量都为零时，表面内所有置为零的像素都不能被拷贝。所以，创设应激场景应先显示一幅静止的图画，过一会儿将该图片擦掉，再显示下一幅静止的图画，过一会儿又将该图片擦掉，再显示下一幅静止的图画。这样周而复始，轮流显示静止图片，结果就产生了动画效果。此方法的具体过程如图3 - 9 表示。图3 - 9 动画效果产生过程图本系统原理主体是采用动画制作中的连续贴图方式，运用虚拟现实的原理，利用m i c r o s o f t 的d i r e c t x 开发工具包中的d i r e c t 3 d 接口，在v i s u a lc + + 6 0编译环境下实现应激场景的模拟仿真。但是实现与驾驶员交互以及动态背景音乐的播放，必须使用d i r e c t xs d k 的另外两个接口d i r e c t l