专利名称：具有立体视觉随动功能的驾驶模拟器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种驾驶模拟器，特别是具有视觉随动功能的驾驶模拟器。
背景技术：
目前立体电影采用视觉是以摄影师的角度来拍摄场景，但是在模拟器重驾驶员在 模拟驾驶室内，不断的运动，视觉不断地改变，驾驶员看到的物体具有不同的视觉差，但是 固定模拟器具对所有的物体视觉都具有同样的视觉差，如果采用固定了的视觉达不到较好 的立体效果。由于人的视觉在观察的过程中，存在的视觉旋转，瞳孔焦距变化导致观察距离 变化，本发明采用传感器对驾驶员的头部运动的跟踪，瞳孔的聚焦的变化调整视觉图像的 视角差，提高沉浸感觉。目前，采用的模拟驾驶器方式来体验开车仿真，但是采用的立体视 觉都是以正前方为视觉对象，导致沉浸的身体力学感知效果不够真实。相对普通的单目视 觉模拟器来说，使用户的左、右眼看到有视差的两幅平面图像，并在大脑中将它们合成并产 生立体视觉感知，能增强虚拟环境真实感的立体显示技术，但是，如果头部运动，两个眼睛 视觉对象发生变化，视觉消失点也发生变化，如果在仿真三维图像的过程中，都是固定不变 的视觉对象和视觉消失点，得到立体视觉就会失真。发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种具有立体视觉随动功能的驾驶模拟器， 它为驾驶模拟器中驾驶员提供立体视觉不会失真。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是具有立体视觉随动功能的驾驶模拟器，它包括具有驾驶仿真软件的计算机、模拟驾驶 台、投影仪，模拟器驾驶台的输出信号输入所述计算机；所述投影仪为一对投影仪，各投影仪的镜头前分别设置一个偏振器，一对投影仪中的 两偏振器的偏振互相垂直；所述的驾驶模拟器还包括用于观看的偏振眼镜，偏振眼镜的两 个镜片的偏振互相垂直，且其中一个镜片的偏振方向与投影仪的一个偏振器的偏振方向一所述计算机的驾驶仿真软件中，设置一对虚拟摄像机，两虚拟摄像机在虚拟空间中左 右设置，采集到的虚拟场景图像分别通过一对投影仪中的两个投影仪输出；所述驾驶模拟器还包括视觉随动装置，视觉随动装置包括视线监测装置、旋转云台、用 于驱动旋转云台旋转的步进电机；视线监测装置包括用于监测驾驶员头部转动的转角传感 器，视线监测装置的输出信号输入所述计算机，投影仪设置在旋转云台上，步进电机由计算 机控制；所述视线监测装置输出的信号通过计算机改变虚拟摄像机与虚拟车辆之间的角度。
上述方案中，所述的转角传感器为固定在驾驶员的头部的电子罗盘或电子陀螺仪。
上述方案中，视觉监测装置还包括固定在偏振眼镜上的半透反射镜和固定在驾驶 员的头部的摄像头，半透反射镜安装在偏振眼镜的前面，摄像头通过半透反射镜获得眼球 和瞳孔的变化，摄像头的输出信号输入计算机并通过计算机监测驾驶员视线。
上述方案中，所述的转角传感器和半透反射镜固定在偏振眼镜上。
为了提高立体效果，本发明采用一种视觉随动装置，使得立体图像随动渲染图像 效果，得到与驾驶者得到比较耦合的视角差，得到不会失真的立体效果。
另外，在驾驶者的头部或者眼镜安装一个转角传感器或者图像处理获取头部以及 眼睛瞳孔的转角来仿真驾驶者观察的场景，能得到比较符合实际的视角差。
图1为本发明驾驶模拟器的结构示意图。
图2为本发明驾驶模拟器的结构框图。
图3为投影仪的安装示意图。
图4-6为视觉监测装置的工作原理图。
图7、8为摄像头的工作原理图。
图9 一 11为摄像头获得眼球和瞳孔变化的工作原理图。
图12为本发明驾驶模拟器工作状态的结构示意图。
图中al、a2为虚拟摄像机，Al、A2为投影仪，3为偏振眼镜，4为偏振器，5为模拟 驾驶台，6为银幕，7为转角传感器，8为眼球，9为头部，10为眼眶，11为摄像头，12为半透反射镜。
具体实施方式
如图1所示的本发明具有立体视觉随动功能的驾驶模拟器实施例，它包括一台具 有驾驶仿真软件的计算机、模拟驾驶台5、投影仪、银幕6 ;模拟器驾驶台的输出信号输入计 算机，计算机通过投影仪输出图像。
所述投影仪包括一对投影仪Al、A2，各投影仪的镜头前分别设置一个偏振器4，一 对投影仪中的两偏振器的偏振互相垂直；所述计算机的驾驶仿真软件中，设置一对虚拟摄像机al、a2，一对虚拟摄像机中两虚 拟摄像机在虚拟空间中左右设置，且相对虚拟驾驶台的位置固定，采集到的虚拟场景图像 通过计算机处理后，分别通过一对投影仪Al、A2中的两个投影仪输出，投影到同一个银幕6 上。
所述驾驶模拟器还包括用于观看的偏振眼镜3，偏振眼镜的两个镜片的偏振互相 垂直，且其中一个镜片的偏振方向与投影仪的一个偏振器的偏振方向一致。
如图2所示，模拟器驾驶台包括汽车模拟驾驶台，汽车模拟驾驶台上设有油门的 深度传感器、档位传感器、钥匙传感器、手刹传感器、离合器传感器、脚刹状态传感器和转向 盘转角传感器等；所述驾驶仿真软件为汽车驾驶仿真软件。
驾驶员在模拟器驾驶台操作，在操作中改变油门的深度传感器、档位传感器、钥匙 传感器、手刹传感器、离合器传感器、脚刹状态、转向盘转角等对象，传感器将信号传输到计算机的数据接口，计算机根据动力学模型，控制虚拟重点车辆车，改变场景中的横向变化量、纵向变化量、垂直变化量、航向变化量、俯角变化量、侧滚变化量等变量。另一方面，位于驾驶室的根据驾驶员的两个眼睛的位置布设两台虚拟摄像机al和a2，并在两个角度采集视频图像，并将视频图像输出到两台摄像机Al和A2，然后，经过相互垂直偏振器，投影到同一个银幕上，驾驶员带上与偏振片一致的偏振方向的立体偏振眼镜，观看银幕驾驶模拟器。
所述驾驶模拟器系统是采用Creator建模，在VC++环境下进行基于Vega工具的二次开发来实现的。
驾驶员·前方看到的虚拟环境中的视景，模拟器的行驶行为由动力学仿真模块来实现的，是驾驶模拟器的基础功能，利用Vega软件仿真实现交通环境，视景车必须按照现实的交通规则行驶,并且行驶符合现实交通环境中交通流的特性,主车作为交通环境中的一辆车，对视景中车辆的行驶同时也会产生影响，与视景中车发生交互的行为。整个仿真效果的显示由视景驱动模块来实现的。这个模块是将驾驶员操作的情况即传感器采集的到模拟量信号、数字量信息，通过动力学模型的公式换算得到主车在视景中的行驶变化，即将驾驶员的操作反映为视景中主车的行为。通过这个模块可以看到车辆行驶最终是通过改变车辆的位置坐标来实现的。
模拟系统利用车辆动力学、机构运动学、计算机技术，在电子、液压和控制等技术的支持下，从“人一车辆一道路(环境)”闭环系统的整体性能出发，对车辆的行驶过程进行全面的仿真，使驾驶员在车辆运动过程的模拟环境下，得到与在实际路面驾驶同样的感受和操作训练。硬件接口模块负责采集驾驶员的各种操作，并以统一的形式提供给运行仿真模块进行计算。根据硬件设备的不同，采集的数据来源可以是键盘、游戏方向盘、驾驶舱或者其他设备。
如图3所示，所述驾驶模拟器还包括视觉随动装置，视觉随动装置包括视线监测装置、旋转云台、用于驱动旋转云台旋转的步进电机；视线监测装置包括用于监测驾驶员头部转动的转角传感器，视线监测装置的输出信号输入所述计算机，投影仪设置在旋转云台上，步进电机由计算机控制；所述视线监测装置输出的信号通过计算机改变虚拟摄像机与虚拟车辆之间的角度。
所述的转角传感器为固定在驾驶员的头部的电子罗盘或电子陀螺仪。
如图7所示，视觉监测装置还包括固定在偏振眼镜上的半透反射镜12和固定在驾驶员的头部的摄像头11，半透反射镜安装在偏振眼镜的前面，摄像头通过半透反射镜获得眼球和瞳孔的变化，摄像头的输出信号输入计算机并通过计算机监测驾驶员视线。如图8 所示，摄像头也可以设置在汽车模拟驾驶台上，摄像头指向驾驶员头部。
本发明的视觉监测装置的工作原理为如图4、5、6所示，所述的转角传感器7和半透反射镜12固定在偏振眼镜3上。视角转换，利用转角传感器7和图像处理方法测量头部 9转向角α和眼球8转向角β，并将该转向角输送到仿真图像处理计算机中进行处理，计算机根据动力学模型，计算机眼睛瞄准的对象，通过虚拟摄像机对观察的对象进行图像渲染，并通过计算机驱动步进电机，驱动旋转云台，改变两投影仪的角度。
通过摄像头、计算机监测驾驶员视线的原理为如图7-11所示，半透反射镜将眼球8和眼眶10的变化反射到旁边的摄像头上，摄像头将眼球的变化视频图像传输到计算机内，计算机通过计算眼球的角度，然后将头部偏转角α和眼球边转角α之和Φ输入到虚拟视景场景计算机数据接口，仿真的虚拟场景根据电子陀螺仪与真实模拟器的空间关系，改变虚拟摄像机与虚拟车辆之间的角度，采集虚拟场景的图像，输送到投影仪中。
计算机将头部的两个水平固定点从正面的距离到侧面的距离的变化，根据公式 根据眼眶的距离变化折算驾驶员的转向角，公式为a =arcos (Lj/L)将头部的眼眶图像进行图像处理，根据眼球与眼眶相对位置，根据公式大致比例β i=kx,其中K与个体相关，X单位mm, k大致在7-10(° /mm),将头部的眼眶图像进行图像处理，根据眼球与眼眶相对位置，根据公式仰视和俯视范围比较小，误差比较大，Θ i=C*y, C=20-30(° /mm)。
将仰视角Θ输入到虚拟视景场景计算机数据接口，仿真的虚拟场景根据电子陀螺仪与真实模拟器的空间关系，如图12所示，改变虚拟摄像机与虚拟车辆之间的角度，采集虚拟场景的图像，输送到投影仪中，计算机改变投影仪的角度，得到与驾驶者得到比较耦合的视角 差，得到不会失真的立体效果。
权利要求
1.具有立体视觉随动功能的驾驶模拟器，它包括具有驾驶仿真软件的计算机、模拟驾驶台、投影仪，模拟器驾驶台的输出信号输入所述计算机；其特征在于所述投影仪为一对投影仪，各投影仪的镜头前分别设置一个偏振器，一对投影仪中的两偏振器的偏振互相垂直；所述的驾驶模拟器还包括用于观看的偏振眼镜，偏振眼镜的两个镜片的偏振互相垂直，且其中一个镜片的偏振方向与投影仪的一个偏振器的偏振方向一所述计算机的驾驶仿真软件中，设置一对虚拟摄像机，两虚拟摄像机在虚拟空间中左右设置，采集到的虚拟场景图像分别通过一对投影仪中的两个投影仪输出；所述驾驶模拟器还包括视觉随动装置，视觉随动装置包括视线监测装置、旋转云台、用于驱动旋转云台旋转的步进电机；视线监测装置包括用于监测驾驶员头部转动的转角传感器，视线监测装置的输出信号输入所述计算机，投影仪设置在旋转云台上，步进电机由计算机控制；所述视线监测装置输出的信号通过计算机改变虚拟摄像机与虚拟车辆之间的角度。
2.根据权利要求1所述的驾驶模拟器，其特征在于所述的转角传感器为固定在驾驶员的头部的电子罗盘或电子陀螺仪。
3.根据权利要求2所述的驾驶模拟器，其特征在于视觉监测装置还包括固定在偏振眼镜上的半透反射镜和固定在驾驶员的头部的摄像头，半透反射镜安装在偏振眼镜的前面，摄像头通过半透反射镜获得眼球和瞳孔的变化，摄像头的输出信号输入计算机并通过计算机监测驾驶员视线。
4.根据权利要求3所述的驾驶模拟器，其特征在于所述的转角传感器和半透反射镜固定在偏振眼镜上。
全文摘要
本发明涉及具有立体视觉随动功能的驾驶模拟器，它包括具有驾驶仿真软件的计算机、模拟驾驶台、投影仪，模拟器驾驶台的输出信号输入所述计算机；所述驾驶模拟器还包括视觉随动装置，视觉随动装置包括视线监测装置、旋转云台、用于驱动旋转云台旋转的步进电机；视线监测装置包括用于监测驾驶员头部转动的转角传感器，视线监测装置的输出信号输入所述计算机，投影仪设置在旋转云台上，步进电机由计算机控制；所述视线监测装置输出的信号通过计算机改变虚拟摄像机与虚拟车辆之间的角度。本发明驾驶模拟器为驾驶模拟器中驾驶员提供立体视觉不会失真。
文档编号G09B9/02GK103050028SQ20121058190
公开日2013年4月17日 申请日期2012年12月28日 优先权日2012年12月28日
发明者吕植勇, 胡成颢, 黄思俊, 李木明, 张琴兰, 何荣, 易俊威, 刘湘, 李博文, 倪琳轩, 付姗姗 申请人:武汉理工大学