毕业设计-虚拟驾驶系统的场景设计模块

1、毕业设计主题虚拟驾驶系统-场景设计模块1前言1.1虚拟驾驶系统的背景近年来，我国经济发展迅速，汽车的普及造就了大量的驾驶员。汽车作为一种重要的工具已经进入大众社会，汽车驾驶培训的工作量大大提高。相关部门需要购买更多的车辆提供驾驶培训，并增加教师的配置以满足不断扩大的市场需求，这与资金的投入相冲突；存在污染、高成本、高风险、空间不足等诸多限制。使用真正的车辆进行驾驶训练。市场需求与供给之间的矛盾促使人们寻求新的驾驶培训方法。随着计算机性能的提高和虚拟现实技术的发展，在计算机上模拟汽车驾驶环境，进行驾驶训练成为可能。计算机仿真技术和实时图形图像处理技术的快速发展为汽车仿真的研究提供了强有力的工具和

2、帮助。虚拟技术可以开发不同的虚拟环境，设计各种车辆模型，为汽车驾驶培训开辟了新的方向。利用虚拟车辆驾驶系统进行训练，不受时间、气候、地点的限制，在达到训练质量的前提下，具有经济、环保的优势。因此，利用计算机开发虚拟车辆驾驶系统是一种非常有效的手段。虚拟现实技术的发展和提出为汽车虚拟驾驶系统的开发和研究提供了新的方法。虚拟现实技术，也称为灵界技术，是一种先进的计算机接口技术，为用户提供视觉和触觉。听觉，交互手段，让用户产生强烈的认同感，具有交互实时功能的操作，可以减轻用户的压力，提高系统的效率1-3。自19世纪国外科学家首次提出虚拟现实技术4以来，发展迅速，广泛应用于军事、自动控制、航空航天、娱

3、乐、医疗和教育等领域。将虚拟现实技术应用于车辆训练，即利用计算机构建车辆驾驶训练的虚拟环境和训练用车辆，生成一个“人-车-环境”的连续系统。在这个闭环系统中驾驶汽车时，驾驶员可以根据虚拟场景、场景的音效和车辆的模拟运动进入这个环境，并根据虚拟环境中产生的触觉、听觉和视觉改变相应的驾驶动作，从而实现虚拟驾驶。这种能正确模拟汽车驾驶动作，获得实车驾驶感受的仿真系统，就是汽车虚拟驾驶系统。是汽车的训练设备，既能提高驾驶员水平，训练汽车，又能减少各种费用。使用这种设备进行汽车驾驶训练，可以减少实车训练造成的交通事故，节能经济，不受时间、气候、场地的限制。现在驾校成本在增加，利润却逐年减少，培训效率低，

4、满意度不好。必须通过提高效率、争取生源、扩大经营、降低成本来改变现状。模拟驾驶训练加真实驾驶训练是现代汽车驾驶员的有效训练模式。在各种限制条件下，先用不易损坏、无危险的虚拟驾驶系统模拟训练容量，待学员熟练操作训练容量后再进行实车训练，避免了实车的巨大损失，提高了训练效率，降低了驾驶训练的危险性。新的汽车驾驶培训计划中加入了汽车驾驶模拟培训，证明了虚拟汽车驾驶系统在生活中的重要性。1.2国外研究现状早在20世纪70年代，美国等一些发达国家就开始了汽车虚拟驾驶系统的研究。20世纪80年代后，德国、瑞士和日本的主要汽车制造商都建立了自己的虚拟驾驶实验室和开发系统。1985年，德国奔驰公司建立了6自由

5、度虚拟驾驶系统，1989年，德国大众公司更新了原有虚拟驾驶系统的计算机系统和场景制作系统。20世纪80年代，一家瑞典公司也投资建立了一个汽车和交通系统的虚拟驾驶系统。1989年，美国通用汽车公司开始认真开发虚拟驾驶系统，1993年，美国福特汽车公司也开始了相关系统的研究。1993年，美国AIWA车辆中心斥资1300万美元开始开发汽车虚拟驾驶系统，1996年又追加投资3000万美元，由TRW公司负责改进。我国在这方面的研究比这些发达国家要晚，在19世纪初。国内许多高校开始了虚拟驾驶系统的研究。1996年，虚拟驾驶系统国家重点实验室成立。国内也有很多公司在这方面做了研究和投入，比如中国电视数字技术

6、，取得了不错的成绩。1.3研究的意义随着现代社会的进步，科学技术的飞速发展，计算机等技术的不断成熟，利用各种技术的虚拟现实已经成为现代科学发展的方向之一。虚拟驾驶技术有着巨大的市场需求，并得到了很好的发展。虚拟驾驶不受时间地点影响，速度快，方便；虚拟驾驶还具有很高的安全性，不会造成交通事故和伤害；而且节约资源，环境污染小；它有很大的市场，这项技术还有很大的发展空间和前景。1.4论文的主要内容(1)本课题是虚拟驾驶系统的场景设计，虚拟驾驶系统是由个人计算机开发的用于虚拟驾驶训练的虚拟驾驶系统软件。采用可视化。Stdiao2010作为编辑工具，3D MAX作为3D建模工具，VC+作为开发语言，Di

7、rectX作为图形、音效等多媒体引擎。(2)根据虚拟驾驶的需求，我们有几个项目需要解决，找出需要解决的技术需求，选择合理的开发工具；虚拟场景设计和可视化系统开发；场景中运动车辆和行人、车辆控制系统和声音的设计。2虚拟驾驶系统的体系结构2.1虚拟驾驶系统中使用的技术运行在个人PC上的虚拟驾驶系统，各方面都要高度仿真，各方面都要逼真，比如视觉、听觉。在满足培训需求的同时，尽量做到系统逼真，降低成本，提高性价比。因此，我们需要解决以下问题。(1)大量数据的提取。虚拟现实技术的应用有着海量的数据。因此，我们需要设计一种特殊的数据结构和算法，使系统最大限度地节省时间，从大量的数据中提取场景的所有“可见”

8、元素，从而保证系统以一定的交互速率(每秒帧数，简称FPS)运行。(2)三维图形生成技术实时显示的刷新频率不能低于15帧/秒，但复杂场景的显示计算量大。在不降低所需图形质量和复杂度的情况下，提高刷新频率是该技术的关键之一，否则系统会出现画面停顿和不连续的现象。(3)场景-人融合虚拟现实的身份和交互特性依赖于人与场景的融合技术，主要体现在立体显示和传感器技术上。(4)立体图像的产生和显示根据双目立体视觉原理，计算机屏幕显示的视觉系统要分别渲染左右眼图像，配合立体眼镜使左眼观察左眼图像，右眼观察右眼图像，交替显示。(5)虚拟场景中主动驾驶车辆的控制和车辆运动状态的表现。虚拟驾驶系统中的主动驾驶车辆受

9、相关人员的输入控制，可以进行简单的转向；向前和向后等驱动运动。车辆的运动规律要符合车辆的实际运动规律。(6)后视镜的实现。主动驾驶车辆时，可以控制车辆后视镜显示与否，可以通过后视观察车辆后方情况。(7)各种天气条件的模拟，场景雾的实现等。将虚拟场景原子化，增加场景的沉浸感和真实感，产生真实的感觉。2.2系统的各种功能(1)视觉子系统是车辆行驶过程中相关人员看到的道路、交通标志、建筑物、行人、车辆、宠物等虚拟场景，由计算机利用计算机实时图像生成。这是这项研究最重要的部分之一。(2)控制和操纵子系统。在虚拟驾驶过程中，我们需要通过计算机输入设备控制车辆的各种速度运动，如前进、后退、转弯、加速等。这

10、是本系统的主要功能。(3)音频子系统。这个系统负责模拟车辆在匀速行驶过程中发出的各种声音，比如启动刹车的摩擦声，车辆的喇叭声等。有了声音，系统才能更真实，达到更好的仿真效果。(4)车辆运动学子系统使计算机软件更真实地模拟车辆的运动，相关人员输入的操作信息传输到车辆动力学模块，该模块根据输入的相关信号计算出主动驾驶车辆的运动。2.3虚拟系统流程图本文采用Microsoft Visual C+。NET和DirectX开发系统。三维图形处理是本课题的核心部分，其基本结构包括图形设备的初始化、系统消息处理图形的绘制和渲染、设备资源的释放四个部分。在编程过程中，这四个部分是通过以下回调函数实现的:IsD

11、eviceAcceptable用于判断图形设备的支持模式。修改设备设置用于修改图形设备的设置。OnCreateDevice图形创建和初始化OnResetDevice图形重置OnFrameMove当前帧改变的操作OnFrameRender渲染当前帧的图像。MsgProc系统消息处理键盘程序键盘信息处理OnGUIEvent用户界面消息的处理OnLostDevice设备损失处理灾难设备图形发布处理下面是几个回调函数的调用顺序:启动程序:init appmsgprocis device acceptablemodifydevicesettingson create deviceon reset dev

12、ice渲染主循环主渲染周期:OnFrameMove OnFrameRender设备变更:修改设备设置 onlostdevice 调用OnDestroyDevice OnResetDevice根据需要渲染主循环。生成虚拟驾驶系统虚拟驾驶系统建模世界坐标系下的虚拟驾驶系统模型视图坐标系下的虚拟驾驶系统模型虚拟驾驶系统可视区域的确定可视区域显示在屏幕上。光照处理图解结构世界坐标变换视图转换投影变换视觉区域转换纹理映射和光栅处理图2.8虚拟驾驶系统的可视化显示过程3视觉子系统的设计3.1虚拟场景的建立过程虚拟驾驶场景的建立是本课题的主要内容。虚拟驾驶需要虚拟场景，而虚拟场景的建立需要相关的计算机技术的

13、帮助。Microsoft DirectX是一组技术，旨在使基于Windows的计算机成为运行和显示具有丰富多媒体元素(如全色图形、视频、3D动画和丰富音频)的应用程序的理想平台。虚拟驾驶需要不断更新场景，生成连续的驾驶场景。虚拟现实一般包括以下几个部分。(1).行驶道路，包括直道、弯道、坡道、桥梁等。(2)交通标线、标志，即设置在道路上的各种交通标线、标志。(3)交通场景基础设施，包括:道路两侧的障碍物、景物(树木、草地、建筑物等。)、天空、远景等。(4).其他车辆和行人，按照一定的交通模式设置在由于场景非常复杂，数据量巨大，因此需要对场景进行合理的规划和设计，以满足仿真程序的实时性要求。场景

14、设计遵循以下原则:(1)视景系统中的模型根据系统的需求进行划分，在效率和精细度之间找到一个平衡点。不会因为太薄而增加系统的工作量，也不会因为太厚而降低沉浸感。(2)在场景中合理应用纹理，减轻系统负担，增加或减少虚拟场景的逼真度。(3)分别建立了场景中的动态模型和静态模型。操纵动态模型不会影响静态模型，静态模型也不会相互干扰。根据场景设计的相关原则，需要一步一步的搭建场景。以下是构建场景的步骤。1.场景规划。首先，我们要规划建立什么样的虚拟场景，包括什么样的道路、建筑，以及场景中汽车、行人的各种情况。合理的场景规划可以让人们更容易沉浸在虚拟场景中。这个系统的场景主要是城市场景，各种建筑，草地，路

15、口的道路，湖泊等。是被设计出来的。2.纹理材料的准备。纹理的质量对虚拟环境的真实感有很大的影响。建模前要考虑需要的纹理材质，建筑物、道路等材质是否可以用数码相机采集相关物体的表面纹理照片。数码相机的图片一般以DirectX支持的JPG格式存储。对于不符合要求的纹理图片，我们可以使用图像处理工具进行处理，处理过程一般可以通过Photoshop的相关软件来完成。场景使用纹理，建筑物的图像，建筑物之间的差异都是用纹理来描述的，路面，草地，路面标志等。都采用纹理映射。3.建立三维模型。三维物体是实现空间立体感和真实感的重要组成部分，但计算机硬件的图像处理能力有限。为了减少系统的内存，环境中的物体采用了

16、简化的结构，并加入了纹理贴图，增加了真实感。3.2 3D场景的导入和渲染在3DS MAX 3D图形处理软件中建立模型后，可以直接将模型导出到。通过DirectX的接口插件在3DS MAX中运行x文件。但是插件会以三角柱的形式导出模型，模型文件的数据量巨大，所以我们选择了图形转换软件3D Exploration作为3D模型的导出工具。3D探索可以将模型作为一个三角形或三个三角形。以角扇的形式导出，数据量会减少很多，便于读取和在程序中实时显示。出口后图3.2场景的平面效果图3.3场景透视效果图场景效果如图3.4所示。使用程序函数LoadMeshData读取场景模型文件，使用优化函数Optimize

17、MeshData和变换函数UpdateLocalMeshes对模型进行优化和变换，达到实时真实感。场景3d文件的名字是Scene.x，程序的全局变量g_MeshScene用来保存场景模型的数据。将3D模型导入系统的程序代码如下:/加载场景网格lpd 3 dx mesh pMeshSysMem = NULL；lpd 3 dx buffer padjacency buffer = NULL；hr = LoadMeshData( pd3dDevice，LScene.x ，&pMeshSysMem，& pAdjacencyBuffer)；如果(成功(小时) )HR = OptimizeMeshData

18、(pMeshSysMem，pAdjacencyBuffer，D3DXMESHOPT_ATTRSORT，& g _ mesh scene)；SAFE _ RELEASE(pMeshSysMem)；SAFE _ RELEASE(pAdjacencyBuffer)；UpdateLocalMeshes( pd3dDevice，& g _ mesh scene)；图3.4转换为X型文件的场景该三维场景在程序运行时生成一个汽车驾驶模拟的可视化系统。图3.5、图3.6、图3.7列出了三种视觉系统的运行效果图。在场景中设置虚拟摄像头来代表人的眼睛，摄像头观察到的场景被渲染在二维屏幕上，来代表人眼在驾驶过程中看

19、到的场景。在2D屏幕上渲染落在可见体上的场景，在IDirect3DDevice9:BeginScene()和IDirect3DDevice9:EndScene()之间调用渲染函数DrawMeshData。为了提高系统的实时性，在渲染之前对场景进行了优化。在场景绘制过程中，利用效果函数设置渲染技术和变换矩阵，然后在绘制网格材质时设置纹理、光照等，绘制场景的子集，最后将结果显示在2D屏幕上。图3.5视觉系统的操作效果图13.3场景中的行人运动设计参与虚拟驾驶场景的人员在应用骨骼动画技术时要设置四个方面的数据:模型数据、骨骼数据(帧)、顶点关联数据(权重)和关键帧的坐标变换数据。指系统行人的顶点数据

20、，存储在顶点缓冲区或索引缓冲区中；骨架中的相关数据包括骨架的对应模型和当前骨架相对于骨架的坐标变换矩阵；的顶点关联数据包含与骨骼关联的顶点和顶点上坐标变换的权重。涉及的人有各种不动的动作，这些动作组成一个动画集，动画集中的每个动画都包含该动画对应的骨骼的名称和一组动画帧，动画帧包含一组时间戳来匹配在相应时间应用于骨骼的平移、缩放、旋转或复合的坐标变换矩阵37-38。在虚拟驾驶场景中，设置行人动画和动画之间平滑过渡的过程分为以下五个步骤3940:1.建立标准的三维行人模型。这个模型有基本的动作。场景中行人双手向肩膀方向向前伸展，双脚张开，而所有的背部动作都是通过这个动作变换获得的。2.建立骨架结

21、构，将骨架结构中一系列相互关联的顶点与行人人体模型的相关部位进行匹配。每个关节都有一定数量的顶点与之相关联。3.相关人员的动作包括行走、徘徊等动画序列，在动画序列中选取关键帧，将骨骼的位置与关键帧进行匹配。4.保存关键帧骨骼的位置和变换矩阵。变换矩阵是从基本动作的位置变换到当前关键帧的旋转、平移和缩放矩阵的组合。5.最后，我们融合动画，以时间为参数，找出相关人物当前所处的哪两个关键帧，并以时间为参数在坐标变换矩阵之间进行插值，利用插值结果确定骨骼的当前位置。根据骨骼的位置，可以获得与骨骼相关联的顶点的坐标。4虚拟车辆的设计4.1车辆型号在我们的系统中有许多类型的车辆，包括轿车，面包车，公交车和

22、其他道路上常见的车辆。通常我们先通过3DS MAX或者其他3D建模软件建立汽车模型和相关动画信息，然后将准备好的模型导出到。x文件通过DirectX接口插件。一些模型的框架和渲染效果如下图4.1所示。图4.1汽车模型框架和渲染效果制作一个精细的汽车模型包含太多的三角形，会增加系统的计算负担。因此，我们简化汽车模型，这将减少系统的计算负荷，提高渲染规模。该系统采用多动画合成的方式，将各种对象的动画合成在一个模型文件中，同时导入到程序中，实现了多个动画之间的快速切换。4.2车辆和车辆运动的运动学模型车辆运动模型的设计是虚拟驾驶系统的主要问题之一。为了更真实地模拟汽车的运动，需要建立符合汽车运动规律

23、的数学模型，即建立汽车的运动模型。运动建模是虚拟环境中最难处理的问题之一36。基于虚拟现实技术的虚拟驾驶系统采用简化的数学模型来表示复杂的车辆运动。汽车的一般运动包括加速、刹车、转向倒车等。，这就需要控制车的速度和方向。假设在时刻，汽车的速度为，在坐标系中，汽车的行驶方向与轴的夹角为正，汽车的位移为。那么在矩，的计算公式是4243:(1)根据公式(1)，建立相应的线性函数。根据驾驶员的信号，控制虚拟三维车辆的速度、方向和位置，使其呈现不同的运动状态。在面向对象的车辆设计中，已经设置了变量来表示车辆的运动属性，全局变量m_fAcc用于表示加速度的大小。加速度是一个变量。踩油门时，加速度m_fAc

24、c逐渐增大，每秒增加一个小增量，设置为0.01。那么，行驶过程中m_fAcc+=0.01，这个量加到速度上就成了车辆的速度。减速时，加速度越来越小，每秒减少一个量，将这个量应用到几度。倒车的原理和前进是一样的，不同的是速度方向和车辆朝向的关系。前进时，车辆行驶方向与车辆朝向相同，倒车时，车辆行驶方向与车辆朝向相反。只要改变速度的方向就可以实现倒车。车速的变化反映了车辆直线行驶时运动状态的变化。当车辆转向时，方向也会改变，改变角决定了车辆如何转向。以左转为例，用变量m _ facturnleft来表示方向变化的，也是一个常数的变化。加速左转时:m _ m_fAccTurnLeft+=0.02f，

25、减速左转时，m _ m_fAccTurnLeft-=0.05f车辆的运动模型决定了车辆的运动规律，车辆运动的实现是通过变换来实现的。在虚拟驾驶系统中，动画设计和动画显示都是通过变换来实现的。通过在Direct3D中应用各种变换矩阵，可以将车辆在不同的坐标系中进行变换，最终显示在二维屏幕上。通过平移变换可以改变车辆位置，连续变换矩阵可以生成车辆位置的连续变换，表示车辆在场景中的连续运动。车辆的运动状态是指车身和轮胎相对于地面的运动。如果只是在场景中改变车辆位置来实现车辆运动，运动感不真实，比较生硬。当车辆位置发生变化时，可以更好的表现出车辆行驶的真实感，比如车辆转弯时方向盘的动画，车辆行驶时车轮

26、的转动等。车辆动画有很多种。当车辆从一个动画切换到另一个动画时，突变会使驾驶场景变得僵硬，降低场景的真实性。为了防止这种情况5结论(1)分析了汽车驾驶仿真系统的发展和存在的问题，提出了课题的研究背景和意义，国外虚拟驾驶系统的研究现状和常用方法，设计了基于桌面虚拟现实技术的虚拟驾驶系统。与实车训练相比，虚拟驾驶系统可以缓解学员刚上车时的紧张感，节约经济，训练时间灵活，消除污染。硬件配置成本低，有利于系统的推广。主要工作如下:1.视觉子系统的设计与生成视觉子系统是汽车行驶时，我们利用计算机实用图像生成子系统生成的虚拟场景，如道路、交通标志、建筑物、车辆、行人等。利用三维建模软件工具3DS MAX，

27、建立虚拟驾驶的三维场景和运动物体，并将场景导入程序，进行坐标转换。通过设置虚拟摄像机，生成视觉子系统。2.声音子系统的设计。声音子系统可以制作更真实的模拟场景。通过提供各种声音素材，配合车辆进程根据行驶情况进行调用，成功制作出了行驶过程中的各种声音。3.控制子系统的设计与实现。相关人员可以操作方向盘、脚制动踏板、离合器踏板、油门踏板、手制动、档位和点火开关等。，并成功实现了方向盘控制车辆在虚拟环境中按照汽车运动规律行驶。4.双目立体成像技术的应用及立体成像程序的实现。为了在汽车驾驶中形成真实的三维场景，利用双目视觉原理，计算立体视觉变换算法，编写立体双目立体成像程序，分别生成双目图像，渲染立体

28、图像。5.主动驾驶车辆后视镜的设计实现了后视镜的渲染窗口。行驶过程中，可根据驾驶需要开启和关闭左右后视镜。6.移动物体的设计。将场景中的运动物体分为沿预定路线行驶的汽车和行人，从而模拟汽车的主动驾驶。利用该控制装置，实现了虚拟场景中的虚拟驾驶训练。我们开发的虚拟驾驶系统用于车辆驾驶训练，其中典型的行驶效果如图5.1(虚拟驾驶开始时)、图5.2(驾驶过程中后视镜开启时)、图5.3(虚拟场景线性雾化时)、图5.4(虚拟场景指数雾化时)、图5.5(主动驾驶车辆被替换时)、图5.6(雾化场景后视镜开启时)。图5.1汽车驶离现场的位置图5.2车辆行驶时后视镜打开。图5.3场景线性原子化。图5.4场景的指

29、数雾化。图5.5主动驾驶车辆的更换图5.6雾化场景中打开后视镜前景这个系统还需要制作更专业的场景模型。在程序中，我们需要制作更多种类的智能物体，构建更复杂、更逼真的虚拟场景。模拟更真实的场景。同时，需要建立一个代理管理器，可以对这类智能对象进行整体管理，从而实现资源优化的功能。通过实验获取实际数据，利用数学建模等手段改进仿真算法，使驾驶过程仿真更接近真实环境。虽然我们开发的这套系统已经实现了虚拟驾驶的一些基本功能，与一套成熟的系统相比还有很大的差距，但是我们要相信，通过不断的努力和经验的积累，我们的系统会更加成熟和完善，最终进入社会，得到真正的应用。考证1念东，基于OpenGL的桌面虚拟现实系

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