面向训练的汽车驾驶模拟机实现方法

专利名称：面向训练的汽车驾驶模拟机实现方法
技术领域：
本发明涉及一种面向训练的汽车驾驶模拟机实现方法，其特点是面向驾驶 训练，在为社会节约了场地、汽车、汽油等消耗的同时，让驾车者掌握各项基 本驾车基本技能，达到真实场景训练相同的效果。
背景技术：
汽车驾驶模拟训练系统是面向驾驶培训型的汽车驾驶模拟器早在70年代， 美国、西欧等一些发达国家就开始汽车驾驶模拟机的研究，国内起步较晚，一 些早期开发的汽车驾驶模拟训练系统或是被动式的，或虽是主动式，但由于开 发工具和开发环境落后，图像真实感差，系统升级困难。近年来，国内不少单 位都在研究将新技术应用于汽车驾驶模拟训练系统中，以提高系统性能。将虚 拟现实技术应用于汽车驾驶模拟训练系统中，实践证明不仅在技术上是可行的， 而且使整个系统的性能比传统的驾驶模拟训练系统有了显著的提高。驾驶模拟的研究最早开始于飞行模拟的研究。日本政府在1970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机。美国在上一世纪70年代中 期就有500多所汽车驾驶学校装备了汽车驾驶模拟机，大多数欧洲国家也相继 制定了使用汽车驾驶模拟机的法规。上一世纪80年代以来，德国、瑞典、日本、 美国的各大汽车厂家都分别建立了开发型汽车驾驶模拟器。德国奔驰公司于 1985年建成的6自由度汽车驾驶模拟机，其性能代表当时汽车模拟驾 驶机技术的最高水平；1989年，德国大众汽车公司则更新了原有驾驶模拟机的 计算机系统和视景生成系统，并用于新产品的研制中。在80年代，瑞典VDI 公司也投资建成了汽车驾驶模拟机，用于瑞典车辆和交通系统的研究与开发； 美国GM汽车公司1989年开始研制开发型模拟机，至今为止已经开发出第二代 产品，其性能指标居世界领先水平；1993年，美国FORD汽车公司也开始研制 自己的开发型驾驶模拟机；美国依阿华车辆中心于1993年就启用1300万美元 来开发汽车驾驶模拟系统，1996年又增加投资3000万美元由TRW公司进行改 进，作为研究高速公路及车辆系统的国家研究基地的一部分，被称之为国家先 进汽车驾驶模拟机(NDAS); 1993年，美国交通部(DOT)招标建立美国的大型驾 驶模拟机，IOWA大学中标现在正在执行中。1991年日本马自达公司兴建了跑 车型开发型驾驶模拟机；1995年日本汽车研究所(JARI)也建成了带有体感模拟 系统的驾驶模拟机。在国内， 一些公司开发了汽车驾驶训练模拟机，但与国际先进水平相比， 有较大的差距。目前，北京航空航天大学、国防科技大学、中国航空精密机械 研究所、东南大学、吉林工业大学等单位在此研究领域正在进行积极地开展研 究工作，并开发出了一些初期的产品，其中，北京航空航天大学研制的MCGI-9410T计算机成像系统、航空精密机械研究所研制的QM—CGI汽车驾驶 训练模拟系统较为有代表性，吉林工业大学建设的具有6自由度运动系统的开 发型车辆驾驶模拟机，其规模和性能居世界先进水平。武汉理工大学提出了基 于分布式虚拟现实技术的汽车驾驶模拟机的系统模型和系统构成，将基于人工神 经网络和模糊数学理论的驾驶汽车知识描述等关键技术用于汽车驾驶模拟机。General Motors禾口 Virginia Polytechnic Institute and State University于1970年 代在基于Human-in-the-loop模式的驾驶模拟上作出了开创性的工作。他们的工 作极大的推动了驾驶模拟这一领域的发展，并对之后的工作产生了深远的影响。 在这之后，对这一领域的研究又持续了 30多年。1990年代，这一领域取得了许 多重要进展，许多成功的驾驶模拟机被开发出来，其中有IOWA大学的计算机 辅助设计中心开发的IOWA驾驶模拟机。该仿真器有一个巨大的六脚底座，操 作表盘以及操作仪器。驾驶员通过方向盘、油门、刹车操作虚拟汽车，并能从 中获得触觉反馈。在驾驶舱内，高分辨率的图像通过Evans&Sutherland ESIG 2000 投影到驾驶舱前部的屏幕上，同时，驾驶舱后部的一个较小的屏幕可以通过真 实的后视镜看到。与此相比，通过借助图形学最新的研究成果以及新一代的图 形硬件，可以在视觉反馈的真实性方面作出更进一步的改进工作，给用户提供 更好的视觉体验。得益于计算机硬件的发展，生产价格低廉的驾驶模拟机成为 可能。Systems Technology Incorporated开发出了可以运行在个人计算机上的系 统。STI也在这一领域作了许多开创性的工作。但是，视角的狭窄成了他们的主 要瓶颈。面向训练的汽车驾驶模拟机在实时模拟的环境下，为驾驶者提供120°的水 平视觉体验，根据用户的输入生成实时的视觉反馈，让驾驶者有和在真车驾驶 中相同的感觉。本系统利用GPU完成更灵活复杂的顶点和像素着色器渲染算法， 以实时渲染场景和进行物理模拟。 发明内容本发明的目的是提供一种面向训练的汽车驾驶模拟机实现方法，为社会节 约了场地、汽车、汽油等消耗的同时，让驾车者掌握各项基本驾车基本技能， 达到真实场景训练相同的效果。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是 面向训练的汽车驾驶模拟机实现方法包括如下步骤1) 首先从驾驶舱的设备中获取方向盘角度、油门状态、刹车状态、离合器 状态和控制面板上的按钮输入信号，这些信号通过传感器电路转换为电信号， 再通过数模转换装置将电信号转换成数字信号，输入到计算机；2) 利用实时物理仿真模拟汽车的动力学、汽车和场景物体的交互以及各种 天气条件对周围环境影响的模拟，创建和驾校使用的培训车辆保持一致的三维模型；3) 创建周围环境的三维模型和物理因素的建模，并利用agent建模在场景 中加入自动车辆和模拟城市场景中的红绿灯；4) 通过图形渲染系统将实时物理仿真的状态显示在三台计算机屏幕上，驾 驶员根据当前在屏幕上看到的影像判断当前虚拟汽车相对周围物体的位置，进 而作出相应的操作，这些操作将被反馈给图形渲染系统，再由图形渲染系统经 过运算后产生新的状态，最后图形渲染系统再将这新的状态渲染到屏幕上，如 此反复；5) 利用基于图形处理器的图像处理框架实现辉光特效，对图像处理过程进 行抽象，将作用在图像上的操作抽象为滤波器，滤波器获得若干图像作为输入， 并对它们进行一系列的处理操作，最后输出结果图像；6) 模拟各种天气情况，利用粒子系统生成雨天效果，并模拟雾天效果，供 驾驶者选择不同天气，训练恶劣天气下的驾驶技能和突发情况；7) 通过评判系统对用户驾驶情况进行跟踪，并对其训练成果进行评判，使 得用户在没有教练或者较少的教练干预下进行自主训练，并根据评判结果了解 训练过程中出现的主要操作错误，进而予以改正，实现面向训练的汽车驾驶模 拟机。所述的创建和驾校使用的培训车辆保持一致的三维模型的方法包括如下步骤1) 创建与驾校使用的培训车辆保持一致的三维模型，训练车模型要按照桑 塔纳车型的真实尺寸参数进行设计，其关键部分为车底盘的长宽高、驾驶室 位置、车前板两条筋线的位置、车徽、三个后视镜、以及两个因教练需要额外 增加的圆形凸面镜；2) 先将场景通过投影变换投影到视景体的近平面上，然后计算出三个后视 平面镜上每个点对应的纹理坐标，从而正确地渲染出平面镜的镜面；3)采用凹凸映射的方式调整表面法线，根据调整后的表面法线来修正表面反射的计算结果，从而模拟凸面镜效果。所述的创建周围环境的三维模型和物理因素的建模的方法包括如下步骤-1) 三维模型由3DS Max完成，利用FX Composer实现一些高级着色效果；2) 采用基于tile的建模方式完成城市场景这种大型场景的建模，每个tile 都是一些基本的模型单元，通过将tile的大小及边界形状标准化，使tile与tile 之间平滑拼接；3) 对行驶在同一条路线上的汽车统一建模，汽车从城市中的一个地点随机 地产生，沿一条路线行驶到城市的另一个地点并消失；或者沿环形的路线，循 环不停地行驶，在同一条路线上的所有车辆被当作一个agent处理，每一辆车只 需要处理与前后车，以及和用户车之间的交互问题；4) 使用位图来表示任意时刻红绿灯各个标志灯的状态，0表示灭，1表示 亮，利用一个简单的有限状态机模型来描述红绿灯状态的改变，实现红绿灯随 时间变化的效果。所述的通过图形渲染系统将实时物理仿真的状态显示在三台计算机屏幕上 的方法包括如下步骤-1) 采用Matrox的TripleHead2Go的三屏幕显示扩增器，显卡负责三维的渲 染工作，三屏幕显示扩增器让显示分配到三台显示器上，将三维画面输出到一 个3072X 768分辨率的屏幕上；2) 三台显示器呈环绕形摆放，左边的屏幕显示驾驶员左车窗的景物，中间 的屏幕显示中间车窗的景物；3) 利用多次渲染在左边屏幕增加两个小窗口，分别显示俯视图与汽车左边 后视镜的内容让驾驶者更好的分辨现在所处的地理位置和判断车身的状态，中 间屏幕上方添加的小窗口显示车内后视镜的内容，后边屏幕增加一个小窗口代 表汽车右方后视镜的内容；4) 为每一个显示器的显示设置不同的投影矩阵，以生成无缝的连贯的三屏 全景图。所述的利用基于图形处理器的图像处理框架实现辉光特效的方法包括如下 步骤1) 将源滤波器、操作子滤波器及目标滤波器通过复合操作组合起来构建成 新的滤波器，得到一个滤波器网络；2) 用一个渲染遍来实现滤波器的一次计算过程，用像素着色器作为核心函数，完成计算任务，用纹理来保存中间结果，并作为参数传递给下一步计算， 通过渲染一个几何体驱动像素着色器的工作，该像素着色器对输入纹理进行逐 像素的处理，并将输出结果渲染到纹理中；3) 滤波器网络是有向无环图，让滤波器按照拓扑排序的结果顺序渲染保证 滤波器网络正确工作；4) 辉光源被表示为图像，再对辉光源图像做高斯滤波，然后和原始图像进 行alpha混合，最后由一个渲染滤波器输出至屏幕。所述的利用粒子系统模拟雨天的方法包括如下步骤1) 利用布告板粒子系统和平面碰撞效果结点模拟雨天效果；2) 粒子系统关联到发射结点，把穹形的天空想象成一个圆盘状，发射结点 发射雨滴，雨滴在重力作用下降落；3) 当雨滴与地面接触的时候，由平面碰撞效果结点检测雨滴与地面的碰撞， 并激发雨滴反弹粒子系统发射从地面溅起的雨滴。所述的通过评判系统对用户驾驶情况进行跟踪的方法包括如下步骤-1) 将错误分类成以下几种(1) 车轮与考试项目范围内的道路边缘线发生超、轧状况；(2) 车轮与考试项目范围内的一些特殊障碍物发生碰、擦、轧状况；(3) 车辆与考试项目范围四周的一些特殊障碍物发生碰、擦、轧状况；(4) 车辆在考试项目范围内发生的速度不当、档位错误或熄火状况；2) 加入一个缓冲时间变量，在发生错误之后的这段缓冲时间之内，系统会 自动忽略其间发生的所有错误，不在屏幕上加以提示；3) 通过在场景中添加一些特殊的碰撞体实现碰撞类型的错误，运行过程中 进行相应的碰撞检测；4) 对于其他类型的错误，在每个场景内设定类似包围盒的区域，在需要进 行其他类型错误判断的区域内，添加略高于地面碰撞体的很薄的长方体碰撞体；5) 根据实际的场内道路驾驶考试评判标准和上述的错误类型对驾驶者的驾 驶行为进行评判，实时地给出驾驶者的分数，显示于屏幕的左上角。本发明具有的有益效果是适应驾驶培训增长的需求，节约场地、汽车、 汽油和人力等资源，其具有的各项考试项目和错误提示功能使用户在更安全的 环境下掌握驾驶的基本技能，用户在城市场景、山区道路以及高速公路中的练 习能达到熟悉交规，完善驾驶技能的效果，各种天气的模拟锻炼用户在恶劣情 况下的驾驶技能和对各种突发状况的应变能力，在商业和科研领域都有其重要的应用价值。


图1是面向训练的汽车驾驶模拟机系统示意图； 图2是面向训练的汽车驾驶模拟机功能示意图； 图3是面向训练的汽车驾驶模拟机运行步骤示意图； 图4是汽车仿真模块的控制接口的工作原理； 图5是三屏显示示意图； 图6是辉光特效的实现过程； 图7是基于图形处理器的图像处理框架； 图8是雨天模拟的原理。
具体实施方式
根据本发明介绍的系统实现方法可以实现面向训练的汽车驾驶模拟机，也 可以作为参照用来开发用户期望的汽车驾驶模拟机。1.面向训练的汽车驾驶模拟机的运行过程如图1所示，包括如下步骤(1) 首先从驾驶舱的设备中获取方向盘角度、油门状态、刹车状态、离合 器状态和控制面板上的按钮输入信号，这些信号通过传感器电路转换为电信号， 再通过计算机上配置的数模转换装置转换为数字信号，传感器电路还包括一个 获取控制面板按钮状态的键盘电路，按钮状态将直接读取为数字信号，并通过 数模转换卡上自带的开关量通路输入到计算机；(2) 利用实时物理仿真模拟汽车的动力学、汽车和场景物体的交互以及各 种天气条件对周围环境影响的模拟，创建和驾校使用的培训车辆保持一致的三 维模型；(3) 创建周围环境的三维模型和物理因素的建模，并利用agent建模在场 景中加入自动车辆和模拟城市场景中的红绿灯；(4) 通过图形渲染系统将实时物理仿真的状态显示在三台计算机屏幕上， 并利用基于图形处理器的图像处理框架实现辉光特效，驾驶员根据当前在屏幕 上看到的影像判断当前虚拟汽车相对周围物体的位置，进而作出相应的操作， 这些操作将被反馈给系统，再由系统经过运算后产生新的状态，最后图形系统 再将这新的状态渲染到屏幕上，如此反复；(5) 模拟各种天气情况，利用粒子系统生成雨天效果，并模拟雾天效果， 供驾驶者选择不同天气，训练恶劣天气下的驾驶技能和突发情况；10(6)通过评判系统对用户驾驶情况进行跟踪，并对其训练成果进行评判， 使得用户在没有教练或者较少的教练干预下进行自主训练，并根据评判结果了 解训练过程中出现的主要操作错误，进而予以改正，实现面向训练的汽车驾驶 模拟机。2. 用户利用面向训练的汽车驾驶模拟机进行的训练包括两项考试项目和 用户体验,具体如下(1) 考试项目分为路考和桩考；(2) 其中路考包括九项圆饼路、单边桥、直角转弯、曲线行驶、侧方停 车、上坡停车起步、百米增减档、限速通过限宽门和起伏路驾驶；(3) 用户体验部分，主要目的是让用户体验在不同户外环境中的驾驶经验， 如山区道路、城市道路、高速公路等。3. 用户使用面向训练的汽车驾驶模拟机的过程如图2:(1) 运行系统进入起始界面，单击记入全局参数选择界面；(2) 全局参数选择界面选择全局参数，包括是否全屏、屏幕大小、用户输 入方式、高级特效等，点击确定按钮进入项目相关参数选择界面；(3) 项目相关参数选择界面用于选择和进入场景相关的参数，包括练习 项目选择、天气情况选择、时间选择等，点击确定进入真正的场景进行训练， 如果希望进入其他项目进行训练可以返回项目相关参数选择界面进行选择；(4) 进入场景进行训练，可选择结束训练或者更换训练场景。4. 面向训练的汽车驾驶模拟机的硬件部分负责从驾驶舱的设备中获取输入 信号，然后将输入信息传递给汽车仿真模块用于控制汽车行为。传感器用于将 驾驶舱中输入设备的机械动作转换为模拟信号，经由计算机机上配备的数模转 换装置，转换为数字信号。控制面板上的按钮状态直接通过数模卡数字通道输 入到计算机。程序在运行时，每一帧都会对数模转换器进行查询，从中获得机 械部件的状态，并将它们转换为汽车模拟模块的输入命令，用来指示虚拟汽车 做出相应的动作。为了支持各种不同的控制设备，对汽车仿真模块的控制接口 进行了抽象，工作原理如图3所示(1) 输入模块通过驱动程序获取数模转换器各个输入通道上的输入信号；(2) 输入信号转换成控制汽车的命令，送入先进先出结构的命令缓冲中；(3) FIFO的另一头，汽车模拟模块从缓冲中读出并解释执行控制命令。5.用户的视觉感受来自三台环绕摆放的显示器，利用宽屏环幕仪让显示分 配到三台显示器上，三个显示器分别模拟驾驶者前方、左方和右方的视觉范围，让驾驶者有沉浸感，如同在真车中驾驶一样。其原理如图4所示(1)人坐在车内时，前方、左方和右方是最重要的视觉范围，采用120°的视角为用户生成他所见到的车外景象，以3072X768的高分辨率图像在三个 显示器上显示；(2) 釆用Matrox的TripleHead2Go的三屏幕显示扩增器，显卡负责3D的 渲染工作，这个三屏幕显示扩增器可以让显示分配到三台显示器上，把3D画面 输出到一个3072X 768分辨率的屏幕上；(3) 物理上，三台显示器呈环绕形摆放，左边的屏幕显示驾驶员左车窗的 景物，中间的屏幕显示中间车窗的景物；(4) 左边屏幕增加两个小窗口，分别显示俯视图与汽车左边后视镜的内容，俯视图的目的是为了让驾驶者更好的分辨现在所处的地理位置，左后视镜是帮 助驾驶者判断车身的状态；中间屏幕上方添加一个小窗口显示车内后视镜的内容(可关闭)；后边屏幕增加 一个小窗口代表汽车右方后视镜的内容；(5) 为每一个显示器的显示设置不同的投影矩阵，以生成无缝的连贯的三 屏全景图。6.用户可选择进入城市场景熟悉驾驶技能和交规，城市场景的建模属于大 型场景的建模，需要有大量地理区域的场景数据库和结构适当的马路、地形、 自然景物及带文化特征的景物。大型场景内容琐碎零散，修改麻烦，加载到程 序里很慢。大规模的城市场景采用了基于tile的建模方式。基于tile的建模方式将整个场景看成是tile的集合，每个tile都是一些基本 的模型单元，通过将tile的大小及边界形状标准化，tile与tile之间可以做到平 滑拼接。模块化的建模方式，大大简化了巨型场景的建模工作，减轻了场景的 维护负担，分块的场景有利于整块的可见性判别，大大加速了渲染速度。将地 面路况较好的城市场景看成一个巨大的平面，这个平面由若干大小合适的tile 构成，这些tile中有很多相同的单元，城市的建模就像拼图，拼图的块只有有限 的几种，但每一种都有很多的复制品，可以重复利用。7.用户驾车时会遇到交通灯和后视镜产生强烈的反光效果的情况，利用 基于图形处理器的图像处理框架实现这种辉光特效，其原理是对图像处理过程 进行抽象，将作用在图像上的操作抽象为滤波器，滤波器获得若干图像作为输 入，并对它们进行一系列的处理操作，最后输出结果图像，如图5所示，具体 步骤如下(1) 将三种最基本的滤波器源、操作子及目标滤波器通过复合操作组 合起来构建成新的滤波器，得到一个滤波器网络；(2) 滤波器网络是有向无环图，通常一个滤波器可以接收多个参数，但 最多有一个输出，即滤波器网络中每个节点可以有多个前驱，但最多有一个后 继；(3) 模拟机采用的滤波器网络具有三种基本类型的滤波器，还有一个高 斯滤波器和一个加法器；(4) 用一个渲染遍来实现滤波器的一次计算过程，用像素着色器作为核 心函数，完成计算任务，用纹理来保存中间结果，并作为参数传递给下一步计 算，通过渲染一个几何体驱动像素着色器的工作，该像素着色器对输入纹理进 行逐像素的处理，并将输出结果渲染到纹理中；(5) 滤波器网络是一个并行计算模型，当某个滤波器所有的输入端口上 的数据都可用后，这个滤波器即可被执行。具体实现时将滤波器映射到图形处 理器上的一次渲染遍，不同的渲染遍不能同时进行，需要维护滤波器在图形处 理器上的渲染顺序，保证任何一个滤波器在执行时其前驱都己经完成，从而保 证每个滤波器都能得到正确的数据。有向无环图对应为偏序集，通过对有向无 环图进行拓扑排序解决渲染顺序，让滤波器按照拓扑排序的结果顺序渲染保证 滤波器网络正确工作；(6) 将图像数据表示为纹理数据，使滤波器的结果被渲染到纹理上，该 纹理再作为其他滤波器的输入，辉光源被表示为图像，再对辉光源图像做高斯 滤波，然后和原始图像进行alpha混合，最后由一个渲染滤波器输出至屏幕，如 图6所示。8.用户进入场景时需要选择何种天气情况，面向训练的汽车驾驶模拟机为 用户提供的不同天气情况包括晴天、雾天、雨天，雨天效果的模拟如图7所示:(1) 利用布告板粒子系统和平面碰撞效果结点模拟雨天效果；(2) 粒子系统关联到发射结点，其渲染类型为轨迹精灵布告板粒子系统， 根据轨迹向量扭曲布告板生成轨迹，根据粒子的速度更新轨迹向量，把穹形的 天空想象成一个圆盘状，发射结点发射雨滴，设置雨滴的初始状态包括雨滴 半径、雨滴生命周期、雨滴初始速度、以及雨滴颜色，雨滴在重力作用下降落;(3) 当雨滴与地面接触的时候，由平面碰撞效果结点检测雨滴与地面的碰 撞，并激发雨滴反弹粒子系统发射从地面溅起的雨滴，该粒子系统也是布告板 粒子系统，渲染类型为轨迹精灵布告板粒子系统，发射类型是点状，雨滴受到地面的缓冲，其生命周期更短，且雨滴的速度方向设置为地面的斜上方；(4)由雨滴发射和反弹粒子系统以及平面碰撞效果结点的合作，生成场景中雨天效果的模拟。9.用户训练时，面向训练的汽车驾驶模拟机系统有代替真人教练的作用， 自动判断用户是否发生驾驶误操作，系统智能化的操作评价系统分为两个部分， 错误提示和评分模块。错误模块部分，系统会根据机动车驾驶员培训教学大纲 要求，在驾驶者练习的过程中，判断驾驶者是否有操作失误之处，并识别驾驶 错误类型，然后再做出相应的提示。评分模块根据错误提示识别出的错误类型， 系统进行相应的扣分，并实时地显示当前的分数。错误提示模块如图8所示(1) 是否在错误缓冲时间内，如果是则进行错误判断，否则不进行错误判断；(2) 分析是否发生碰撞，如果发生则进入下一步分析错误类型，否则不进 行错误类型分析；(3) 如果发生碰撞类的错误，则进一步分析属于何种碰撞类错误，提示用 户并实时打分显示于屏幕的左上角；(4) 如果发生非碰撞类错误，则通过提取汽车当前的状态信息分析是否有 超速、档位不正确、熄火等的错误；(5) 错误提示结束后，更新系统状态，设置错误缓冲时间。
权利要求
1. 一种面向训练的汽车驾驶模拟机实现方法，其特征在于包括如下步骤1)首先从驾驶舱的设备中获取方向盘角度、油门状态、刹车状态、离合器状态和控制面板上的按钮输入信号，这些信号通过传感器电路转换为电信号，再通过数模转换装置将电信号转换成数字信号，输入到计算机；2)利用实时物理仿真模拟汽车的动力学、汽车和场景物体的交互以及各种天气条件对周围环境影响的模拟，创建和驾校使用的培训车辆保持一致的三维模型；3)创建周围环境的三维模型和物理因素的建模，并利用agent建模在场景中加入自动车辆和模拟城市场景中的红绿灯；4)通过图形渲染系统将实时物理仿真的状态显示在三台计算机屏幕上，驾驶员根据当前在屏幕上看到的影像判断当前虚拟汽车相对周围物体的位置，进而作出相应的操作，这些操作将被反馈给图形渲染系统，再由图形渲染系统经过运算后产生新的状态，最后图形渲染系统再将这新的状态渲染到屏幕上，如此反复；5)利用基于图形处理器的图像处理框架实现辉光特效，对图像处理过程进行抽象，将作用在图像上的操作抽象为滤波器，滤波器获得若干图像作为输入，并对它们进行一系列的处理操作，最后输出结果图像；6)模拟各种天气情况，利用粒子系统生成雨天效果，并模拟雾天效果，供驾驶者选择不同天气，训练恶劣天气下的驾驶技能和突发情况；7)通过评判系统对用户驾驶情况进行跟踪，并对其训练成果进行评判，使得用户在没有教练或者较少的教练干预下进行自主训练，并根据评判结果了解训练过程中出现的主要操作错误，进而予以改正，实现面向训练的汽车驾驶模拟机。
2. 根据权利要求1所述的一种面向训练的汽车驾驶模拟机实现方法，其特 征在于所述的创建和驾校使用的培训车辆保持一致的三维模型的方法包括如下 步骤1) 创建与驾校使用的培训车辆保持一致的三维模型，训练车模型要按照 桑塔纳车型的真实尺寸参数进行设计，其关键部分为车底盘的长宽高、驾驶 室位置、车前板两条筋线的位置、车徽、三个后视镜、以及两个因教练需要额 外增加的圆形凸面镜；2) 先将场景通过投影变换投影到视景体的近平面上，然后计算出三个后 视平面镜上每个点对应的纹理坐标，从而正确地渲染出平面镜的镜面；3)采用凹凸映射的方式调整表面法线，根据调整后的表面法线来修正表面反射的计算结果，从而模拟凸面镜效果。
3. 权利要求1所述的一种面向训练的汽车驾驶模拟机实现方法，其特征在于所述的创建周围环境的三维模型和物理因素的建模的方法包括如下步骤1) 三维模型由3DS Max完成，利用FX Composer实现一些高级着色效果；2) 采用基于tile的建模方式完成城市场景这种大型场景的建模，每个tile 都是一些基本的模型单元，通过将tile的大小及边界形状标准化，使tile与tile 之间平滑拼接；3) 对行驶在同一条路线上的汽车统一建模，汽车从城市中的一个地点随 机地产生，沿一条路线行驶到城市的另一个地点并消失；或者沿环形的路线， 循环不停地行驶，在同一条路线上的所有车辆被当作一个agent处理，每一辆车 只需要处理与前后车，以及和用户车之间的交互问题；4) 使用位图来表示任意时刻红绿灯各个标志灯的状态，0表示灭，l表示 亮，利用一个简单的有限状态机模型来描述红绿灯状态的改变，实现红绿灯随 时间变化的效果。
4. 根据权利要求1所述的一种面向训练的汽车驾驶模拟机实现方法，其 特征在于所述的通过图形渲染系统将实时物理仿真的状态显示在三台计算机屏 幕上的方法包括如下步骤1) 采用Matrox的TripleHead2Go的三屏幕显示扩增器，显卡负责三维的 渲染工作，三屏幕显示扩增器让显示分配到三台显示器上，将三维画面输出到 一个3072X 768分辨率的屏幕上；2) 三台显示器呈环绕形摆放，左边的屏幕显示驾驶员左车窗的景物，中 间的屏幕显示中间车窗的景物；3) 利用多次渲染在左边屏幕增加两个小窗口，分别显示俯视图与汽车左 边后视镜的内容让驾驶者更好的分辨现在所处的地理位置和判断车身的状态， 中间屏幕上方添加的小窗口显示车内后视镜的内容，后边屏幕增加一个小窗口 代表汽车右方后视镜的内容；4) 为每一个显示器的显示设置不同的投影矩阵，以生成无缝的连贯的三 屏全景图。
5. 根据权利要求1所述的一种面向训练的汽车驾驶模拟机实现方法，其特 征在于所述的利用基于图形处理器的图像处理框架实现辉光特效的方法包括如 下步骤1)将源滤波器、操作子滤波器及目标滤波器通过复合操作组合起来构建成新的滤波器，得到一个滤波器网络；2) 用一个渲染遍来实现滤波器的一次计算过程，用像素着色器作为核心函数，完成计算任务，用纹理来保存中间结果，并作为参数传递给下一步计算， 通过渲染一个几何体驱动像素着色器的工作，该像素着色器对输入纹理进行逐像素的处理，并将输出结果渲染到纹理中；3) 滤波器网络是有向无环图，让滤波器按照拓扑排序的结果顺序渲染保 证滤波器网络正确工作；4) 辉光源被表示为图像，再对辉光源图像做高斯滤波，然后和原始图像 进行alpha混合，最后由 一个渲染滤波器输出至屏幕。
6. 根据权利要求1所述的一种面向训练的汽车驾驶模拟机实现方法，其特 征在于所述的利用粒子系统模拟雨天的方法包括如下步骤-1) 利用布告板粒子系统和平面碰撞效果结点模拟雨天效果；2) 粒子系统关联到发射结点，把穹形的天空想象成一个圆盘状，发射结 点发射雨滴，雨滴在重力作用下降落；3) 当雨滴与地面接触的时候，由平面碰撞效果结点检测雨滴与地面的碰 撞，并激发雨滴反弹粒子系统发射从地面溅起的雨滴。
7. 根据权利要求1所述的一种面向训练的汽车驾驶模拟机实现方法，其特 征在于所述的通过评判系统对用户驾驶情况进行跟踪的方法包括如下步骤O将错误分类成以下几种-(1) 车轮与考试项目范围内的道路边缘线发生超、轧状况；(2) 车轮与考试项目范围内的一些特殊障碍物发生碰、擦、轧状况；(3) 车辆与考试项目范围四周的一些特殊障碍物发生碰、擦、轧状况；(4) 车辆在考试项目范围内发生的速度不当、档位错误或熄火状况； 2) 加入一个缓冲时间变量，在发生错误之后的这段缓冲时间之内，系统 会自动忽略其间发生的所有错误，不在屏幕上加以提示； 3) 通过在场景中添加一些特殊的碰撞体实现碰撞类型的错误，运行过程 中进行相应的碰撞检测； 4) 对于其他类型的错误，在每个场景内设定类似包围盒的区域，在需要 进行其他类型错误判断的区域内，添加略高于地面碰撞体的很薄的长方体碰撞 体； 5) 根据实际的场内道路驾驶考试评判标准和上述的错误类型对驾驶者的 驾驶行为进行评判，实时地给出驾驶者的分数，显示于屏幕的左上角。
全文摘要
本发明公开了一种面向训练的汽车驾驶模拟机实现方法。它借助计算机图形学、虚拟现实等技术，通过计算机产生汽车行驶过程中的虚拟视觉、音响效果和运动仿真，使驾驶学员沉浸到虚拟驾驶环境中，学员根据虚拟驾驶环境提供的视觉、听觉和触觉感受，构想其驾驶动作，操纵模拟驾驶舱中的操纵机构。本发明适应驾驶培训增长的需求，节约场地、汽车、汽油和人力等资源，具有各项考试项目和错误提示功能，使用户在更安全的环境下掌握驾驶的基本技能，在城市场景、山区道路以及高速公路中的练习能达到熟悉交规，完善驾驶技能的效果，各种天气的模拟锻炼用户在恶劣情况下的驾驶技能和对各种突发状况的应变能力，在商业和科研领域都有其重要的应用价值。
文档编号G06T15/00GK101251958SQ20071006992
公开日2008年8月27日 申请日期2007年7月6日 优先权日2007年7月6日
发明者冯小草, 超 孙, 张明敏, 峰 谢 申请人:浙江大学