一种用于车辆模拟驾驶系统的后视镜仿真方法
【专利摘要】本发明公开了一种用于车辆模拟驾驶系统的后视镜仿真方法，首先根据车辆运动得到车辆具体位置和坐标，利用后视镜相机捕捉后视镜场景得到需要绘制的后视镜顶点坐标，将顶点按顺序连接形成后视镜面，即后视镜纹理，最后将后视镜纹理贴到后视镜模型上；仿真驾驶时，需要预先绑定一个初始纹理，通过创建的指针函数，将新纹理与旧纹理实时替换，最后实现了整个后视镜的仿真。本发明创造性地将后视镜效果立体显示在车辆模型上，避免了占用主视角所带来的麻烦，降低了系统刷新率，提高了整个驾驶仿真的逼真性，具有良好的商业价值。
【专利说明】一种用于车辆模拟驾驶系统的后视镜仿真方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种用于车辆模拟驾驶系统的后视镜仿真方法，具体涉及一种能够根 据驾驶操纵需要，人为控制并能在显示器（或显示屏）上动态仿真车辆的后视镜效果。
【背景技术】
[0002] 目前，在车辆模拟驾驶系统中，其中后视镜仿真的研究较少，目前只有通过多窗口 显示技术，在驾驶员视角中增加一个后视镜通道，这样虽然能够做到后视镜仿真，但是占用 前方视角，而且，如果窗口过小，后视镜图像不清晰；窗口过大，遮住了前方视线。
[0003] 实际驾驶时，后视镜对于驾驶员是很关键的安全部件。由于整个仿真系统是模拟 驾驶，驾驶员在操纵实车或控制虚拟车辆时，要有较强的立体感和沉浸感，后视镜仿真不仅 是驾驶仿真的重要组成部分，也是提高整个驾驶系统逼真性的一个重要途径。
[0004] 沈阳理工大学的杨秀杰在文献《OpenGL技术在车辆后视镜成像中的应用》中较为 详细的剖析了在车辆模拟驾驶中虚拟仿真后视镜的原理和主要过程，其利用OpenGL成像 机理，对后视镜成像受限制做了较大改进，但仍有不足。其产生的后视镜仿真占用驾驶员主 视角，且没有立体感，只是一个窗口。设计的后视镜成像需经过六大变换才能得到，过程较 为繁琐；而且根据仿真效果图，两个辅视口占用了主视口，遮挡了前方建筑物的视线，因此 这种后视镜效果不是很理想。
[0005] 根据上述文献的缺点并结合实际后视镜情况，需要实现的后视镜仿真要有立体感 和较强的逼真性，并且与实际后视镜相符合。而且不能占用驾驶员前方视角，包括车窗和前 方的景物；综上所述，必须独立地设计一种这样的后视镜仿真方法，才能满足上述要求。
【发明内容】
[0006] 目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种用于车辆模拟驾驶系统 的后视镜仿真方法。
[0007] 技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
[0008] -种用于车辆模拟驾驶系统的后视镜仿真方法，后视镜图像采用纹理状态，通过 实时动态替换纹理实现后视镜效果，具体包括以下步骤：
[0009] 1)、获取车辆驾驶时的场景坐标，利用车辆动力学模型获得车辆在三维坐标系 x，y，z中的坐标，以及车辆运行姿态三维角度a，0Y，设置仿真步长T;车辆的基本运动 可分为直线和转弯：被控车辆能够在程序中进行任何工况下的驾驶，包括前进直行，转向驾 驶以及刹车和倒车，通过建立车辆动力学模型来实现；
[0010] 2)、利用后视镜相对于车身的静止性，得到后视镜相机坐标，其中后视镜相机为可 旋转的，便于捕捉车辆后方的场景；设置旋转矩阵，结合车辆位置的坐标和车辆运行姿态三 维角度a，0，Y，对后视镜相机进行调整；
[0011] 3)、将场景读入帧缓存并创建后视镜纹理，结合实际后视镜形状大体为矩形，建立 一个矩形初始纹理并将其绑定，绑定前需将其内存值清空，定义初始纹理是真值，并将初始 纹理设置为动态，当车辆运动时，将创建的后视镜纹理实时替换；
[0012] 4)、将新生成的纹理进行截取与转换，将后视镜四个顶点的坐标值进行代数计算 得到后视镜纹理大小；为了能让后视镜纹理正确地显示后视镜场景，并符合真实的视觉，人 的视觉应该是近者大，远者小，通过设置视锥体并进行投影变换，设置投影变换矩阵，将投 影变换矩阵与旋转矩阵左乘便进行了投影变换；
[0013] 5)、增加后视镜纹理坐标与屏幕坐标之间的转换，保证生成的纹理与实际后视镜 场景相吻合，
[0014] 6)、将纹理坐标映射到后视镜模型上，最后渲染整个场景；为了防止出现车辆突变 运动产生的后视镜图像滞留的现象，设置指针函数解决此问题；将指针指向的初始纹理，和 实时替换纹理的整个过程封装为一个R函数，通过反复条用该函数实现了循环交替输出后 视镜效果的目的。
[0015] 作为优选方案，步骤1)中"被控车辆能够在程序中进行任何工况下的驾驶，包括 前进直行，转向驾驶以及刹车和倒车，通过建立车辆动力学模型来实现"是指：
[0016]la)、直线模型采用欧拉法仿真得到车辆的瞬时速度和坐标；假设车辆的加速度在 一个仿真步长T内保持不变，则车辆的行驶速度变化离散模型为：
【权利要求】
1. 一种用于车辆模拟驾驶系统的后视镜仿真方法，后视镜图像采用纹理状态，通过实 时动态替换纹理实现后视镜效果，具体包括以下步骤： 1) 、获取车辆驾驶时的场景坐标，利用车辆动力学模型获得车辆在三维坐标系X，y，Z 中的坐标，以及车辆运行姿态三维角度a，0Y，设置仿真步长T;车辆的基本运动可分为 直线和转弯：被控车辆能够在程序中进行任何工况下的驾驶，包括前进直行，转向驾驶以及 刹车和倒车，通过建立车辆动力学模型来实现； 2) 、利用后视镜相对于车身的静止性，得到后视镜相机坐标，其中后视镜相机为可旋转 的，便于捕捉车辆后方的场景；设置旋转矩阵，结合车辆位置的坐标和车辆运行姿态三维角 度a，0，Y，对后视镜相机进行调整； 3) 、将场景读入帧缓存并创建后视镜纹理，结合实际后视镜形状大体为矩形，建立一个 矩形初始纹理并将其绑定，绑定前需将其内存值清空，定义初始纹理是真值，并将初始纹理 设置为动态，当车辆运动时，将创建的后视镜纹理实时替换； 4) 、将新生成的纹理进行截取与转换，将后视镜四个顶点的坐标值进行代数计算得到 后视镜纹理大小；为了能让后视镜纹理正确地显示后视镜场景，并符合真实的视觉，人的视 觉应该是近者大，远者小，通过设置视锥体并进行投影变换，设置投影变换矩阵，将投影变 换矩阵与旋转矩阵左乘便进行了投影变换； 5) 、增加后视镜纹理坐标与屏幕坐标之间的转换，保证生成的纹理与实际后视镜场景 相吻合， 6) 、将纹理坐标映射到后视镜模型上，最后渲染整个场景；为了防止出现车辆突变运动 产生的后视镜图像滞留的现象，设置指针函数解决此问题；将指针指向的初始纹理，和实时 替换纹理的整个过程封装为一个R函数，通过反复条用该函数实现了循环交替输出后视镜 效果的目的。
2. 根据权利要求1所述的一种用于车辆模拟驾驶系统的后视镜仿真方法，其特征在 于：步骤1)中"被控车辆能够在程序中进行任何工况下的驾驶，包括前进直行，转向驾驶以 及刹车和倒车，通过建立车辆动力学模型来实现"是指： la) 、直线模型采用欧拉法仿真得到车辆的瞬时速度和坐标；假设车辆的加速度在一个 仿真步长T内保持不变，则车辆的行驶速度变化离散模型为：
其中，v(t+l)，v(t)为车辆在t+l、t时刻的瞬时速度；T为仿真步长；S为汽车旋转质 量系数;m为汽车装备质量；Ft为汽车驱动力；Fb为汽车加速阻力；Ff为汽车滚动阻力；FiS 汽车坡度阻力；FW为汽车空气阻力； 根据t时刻车辆坐标和速度的代数计算便可得到t+1时刻车辆的具体坐标； lb) 、车辆发生转弯时，利用转向角0得到转弯的角度以及车辆所处的具体位置的坐 标；假设某时刻汽车行驶速度为v(t)，前轮转角转动S'角度，则有：
K为稳定性因数；L为汽车轴距；为稳态横摆角速度； 经过时间dt后汽车在初始方向上转过d0，则汽车转向数学模型为：
再次整理得：
通过角度e便可计算出车辆转弯后的坐标。
3. 根据权利要求1所述的一种用于车辆模拟驾驶系统的后视镜仿真方法，其特征在 于：步骤2)中"设置旋转矩阵，结合车辆位置的坐标和车辆运行姿态三维角度a，0，Y， 对后视镜相机进行调整"具体是指： 以车身方向为x轴，水平垂直于车身方向为y轴，立体垂直于地面方向为z轴建立三维 直角坐标系；假如地面坐标系XYZ为{A}，后视镜相机坐标系xyz(或车身坐标系）为{B}， 那么后视镜相机坐标系{B}中任意一点PB在地面坐标系{A}中的坐标PA可以通过如下关 系来计算：
其中M(z,a)为后视镜相机绕z轴旋转a角的旋转矩阵，M(y, 0)为相机绕y轴旋转 3角的旋转矩阵，M(x，Y)为相机绕x轴旋转Y角的旋转矩阵；当车辆位姿发生改变时，相 机也同步作出相应的变化，计算后视镜面4个顶点的坐标后依次连接。
4. 根据权利要求1所述的一种用于车辆模拟驾驶系统的后视镜仿真方法，其特征在 于：步骤4)中投影变换矩阵如下：
t，b，l，r为后视镜面到上、下、左、右顶端的垂直距离；n为视点到视锥体近平面的距 离；f?为视点到视锥体远平面的距离。
5. 根据权利要求1所述的一种用于车辆模拟驾驶系统的后视镜仿真方法，其特征在 于：步骤5)中后视镜纹理坐标和屏幕坐标之间的转换采用如下方式 ：
其中，Ax为纹理坐标的横向坐标，Ay为纹理坐标的纵向坐标，Bx、By分别为屏幕坐标横 向坐标和纵向坐标，Width为后视镜模型的长，Height为后视镜模型的宽。
6. 根据权利要求1所述的一种用于车辆模拟驾驶系统的后视镜仿真方法，其特征在 于：后视镜效果立体显示在车辆后视镜模型上；本次后视镜仿真不占用主视角，即驾驶员 视角；当寻找到车辆后视镜模型并符合相关要求时，程序作出判断进行映射，否则继续重复 步骤1)-步骤6)的动作。
7. 根据权利要求1所述的一种用于车辆模拟驾驶系统的后视镜仿真方法，其特征在 于：视景仿真刷新率不能低于24hz，整个仿真不影响主线路进程，即不影响实时性；将指针 指向初始纹理，和实时替换纹理的整个过程封装为一个R函数，通过反复条用R函数实现循 环交替输出后视镜效果的目的，同时也不影响系统帧率。
【文档编号】G09B9/04GK104408989SQ201410707114
【公开日】2015年3月11日 申请日期:2014年11月27日 优先权日:2014年11月27日
【发明者】郭新, 李春广, 冯新颖, 马忠明, 许网俊, 周仁旭 申请人:南京南车浦镇城轨车辆有限责任公司