微美全息科學(xué)院：虛擬現(xiàn)實技術(shù)在車輛駕駛培訓(xùn)系統(tǒng)的應(yīng)用

    國民經(jīng)濟高速發(fā)展時代，人們用車增多，交通安全問題隨著機動車的數(shù)量變多愈發(fā)嚴峻。汽車保有量和需求與日俱增對導(dǎo)致駕駛培訓(xùn)需求迅速增長，同時也提出了更高的要求，傳統(tǒng)的駕駛培訓(xùn)行業(yè)面臨巨大的壓力與挑戰(zhàn)。

    目前，非沉浸式虛擬現(xiàn)實駕駛培訓(xùn)系統(tǒng)己經(jīng)被廣泛應(yīng)用到駕駛技能培訓(xùn)以及交通安全教育領(lǐng)域，這種方式用基于駕駛培訓(xùn)具有方便快捷、操作簡單等優(yōu)點，而且還能夠以逼真的駕駛場景高度還原真實訓(xùn)練場地，有效提升學(xué)員學(xué)習(xí)駕駛技能的效率與體驗，這給汽車駕駛培訓(xùn)行業(yè)提供了新的途徑。作為納斯達克上市企業(yè)“微美全息US.WIMI”旗下研究機構(gòu)“微美全息科學(xué)院”的科學(xué)家們認為，隨著這兩年來vr虛擬現(xiàn)實應(yīng)用市場占有率持續(xù)上升，全行業(yè)應(yīng)用容納量也開始迅速擴張，因此vr技術(shù)已經(jīng)正式入駐駕駛培訓(xùn)領(lǐng)域。以下是微美全息科學(xué)院的科學(xué)與技術(shù)的融合性觀點，對“虛擬現(xiàn)實技術(shù)在車輛駕駛培訓(xùn)系統(tǒng)技術(shù)”具有前沿性指導(dǎo)意義。

    1、背景介紹

    駕校培訓(xùn)是獲取駕照的傳統(tǒng)培訓(xùn)方式，但是駕校培訓(xùn)質(zhì)量參差不齊，有些駕校出現(xiàn)培訓(xùn)車輛數(shù)額緊張、培訓(xùn)時間倉促、培訓(xùn)預(yù)約難等問題，由于駕照考試報考人數(shù)龐大，市場雜亂，胡亂收費現(xiàn)象一定程度上助長了應(yīng)試培訓(xùn)，培訓(xùn)質(zhì)量難以獲得保證。培訓(xùn)機構(gòu)為迎合報考人數(shù)逐年增加的市場趨勢，往往會擴大招生，因此會出現(xiàn)教練緊缺，場地空間有限，車輛損耗巨大等現(xiàn)象。本應(yīng)一對一進行教學(xué)指導(dǎo)的教學(xué)方式被打破，一對二，一對多的情況屢見不鮮，在此情況下，單個學(xué)員駕駛練習(xí)的場地安排也不斷縮小規(guī)模，教學(xué)質(zhì)量不佳的擔憂迫在眉睫。學(xué)員大幅度增加的同時，車輛的使用率不斷攀高，車輛修理和報廢增加了駕校的投資成本，而燃料耗費造成的污染問題也不可小覷。因此，保證教學(xué)質(zhì)量，保障交通安全，乃至減少培訓(xùn)車輛的污染問題，都可在駕駛培訓(xùn)領(lǐng)域采用先進的技術(shù)，改善和優(yōu)化車輛駕駛培訓(xùn)考試。基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的駕駛系統(tǒng)有以下幾點優(yōu)勢：

    （１） 廣闊的應(yīng)用前景

    傳統(tǒng)虛擬駕駛技術(shù)無疑可以解決受訓(xùn)時間和地點會因為各種各樣的原因而受限的問題，其培訓(xùn)過程簡單高效，不但操作簡單，還能節(jié)約學(xué)員的時間。同時，因其考試硬件價格隨著科技的發(fā)展和完善不斷地下降，提供技術(shù)支持的VR技術(shù)發(fā)展迅速，虛擬駕駛考試培訓(xùn)將成為駕駛培訓(xùn)領(lǐng)域的一場全新的變革和主流。

    （２）重要的學(xué)術(shù)價值

    研究駕駛?cè)藛T在駕駛中的行為習(xí)慣和性格特點對提高培訓(xùn)效果尤其是保障道路安全來說具有非常重要的意義。駕駛?cè)说膶崟r駕駛能力可以從車輛的狀態(tài)信息中得到一定程度的體現(xiàn)，實驗群體的樣本在采集計算中確定了基準駕駛能力的相關(guān)標準，駕駛能力的評測需要相關(guān)標準的參照，可利用多方參照標準來測評培訓(xùn)效果。對比參照標準可使駕駛技能、駕駛習(xí)慣得到進一步規(guī)范。其他相關(guān)領(lǐng)域在此類相似問題上同樣可以借鑒該解決方法，有助于相關(guān)領(lǐng)域之間相互溝通借鑒和交叉融合，對推動科研創(chuàng)新發(fā)展具有深刻的指導(dǎo)意義。

    2.虛擬現(xiàn)實技術(shù)與車輛駕駛培訓(xùn)系統(tǒng)的結(jié)合

    駕駛培訓(xùn)系統(tǒng)以虛擬現(xiàn)實技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合體感交互技術(shù)、場景模擬技術(shù)，三維顯示技術(shù)，不僅能夠為用戶提供視覺、聽覺、以及觸覺感知，而且還可以實現(xiàn)在用戶與虛擬場景的自然交互，使駕駛環(huán)境可以與真實駕駛環(huán)境高度相似，駕駛者的所見，所聽以及動作觸感都與正常駕駛一般高度相似，才能獲得真實的沉浸感。在設(shè)計模擬駕駛系統(tǒng)時，應(yīng)首先考慮在項目應(yīng)用中應(yīng)遵循的技術(shù)原則主要方面如下：

    （1）安全性：由于在與系統(tǒng)進行交互時，體驗者需要做出一些肢體動作。因此，系統(tǒng)應(yīng)嚴格遵循安全原則，確保系統(tǒng)的整體安全和體驗者在體驗過程中的安全。

    （2）穩(wěn)定性：不可否認如果一個系統(tǒng)在運行過程中出現(xiàn)間斷將會使駕駛體驗降低，所以我們要系統(tǒng)實現(xiàn)穩(wěn)定性目標。它要求系統(tǒng)在體驗過程中具有不間斷的運行能力，體驗后平臺將保持穩(wěn)定。保證了大量體驗者體驗系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

    （3）實用性：系統(tǒng)的設(shè)計需要滿足用戶的體驗要求，讓用戶充分體驗整車駕駛的實用性和真實性。虛擬現(xiàn)實場景要美觀、實用、簡單易操作，給用戶呈現(xiàn)360度無死角的模擬駕駛場景。

    （4）先進性：在系統(tǒng)的方法設(shè)計、軟件及硬件的選擇都采用了目前最先進的技術(shù)，不僅保證了系統(tǒng)功能的可靠性，同時還使其整體水平達到國內(nèi)同行的領(lǐng)先水平。

    （5）靈活性：系統(tǒng)整個支撐平臺都采用了標準接口，維護方便，擴展靈活。系統(tǒng)的每個部分都是模塊化的。當系統(tǒng)出現(xiàn)問題時，損壞的模塊可以很容易的更換，系統(tǒng)可以在最短的時間內(nèi)修復(fù)。

    此外，駕駛模擬器作為主要的輸入設(shè)備，用于為虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)提供輸入信號，控制主控車輛，如圖1所示。輸入模塊主要包括以下6個方面：

    （1）方向盤，虛擬場景中車輛的運動方向由方向盤的旋轉(zhuǎn)角度控制。方向盤角度采用了與真實汽車模擬完全一致的設(shè)計，順時針和逆時針均可轉(zhuǎn)動1.5圈。

    （2）加速踏板，根據(jù)行車條件，通過調(diào)節(jié)加速踏板角度控制虛擬場景中車輛的速度；

    （3）離合器，輔助車輛啟動和換檔；

    （4）剎車踏板，通過調(diào)整剎車板的角度控制虛擬場景中車輛的運動速度；

    （5）換檔操作桿，通過變換檔位，以實現(xiàn)控制虛擬車輛的前進和倒退行駛；

    （6）手剎，輔助完成減速和停車。

    圖1模擬架勢器示意圖

    虛擬現(xiàn)實技術(shù)目前發(fā)展較為成熟，被廣泛應(yīng)用到很多領(lǐng)域，且其有效性在應(yīng)用實踐中得到進一步證實，因此本文以虛擬現(xiàn)實技術(shù)為基礎(chǔ)進行設(shè)計開發(fā)。虛擬現(xiàn)實是計算機技術(shù)為核心，計算機技術(shù)可以處理所有的視覺的，聽覺的，觸覺的相關(guān)信號，并把這些信號所產(chǎn)生的信息進行集成和處理，通過控制相關(guān)的設(shè)備就可以和計算機進行自然，并且計算機能夠模擬出虛擬交流對象，跟計算機的交互過程在用戶看來就是跟虛擬對象相互交流，從而產(chǎn)生就在現(xiàn)實世界一樣的感覺。如圖2所示，是虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的一般組成。

圖2虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的一般組成

    虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)主要四個主要部分，不同的部分分別執(zhí)行不同的功能系統(tǒng)輸入和系統(tǒng)輸出部分體現(xiàn)了信息的交互過程，追蹤用戶的動作或者行為，將其轉(zhuǎn)化為電腦軟件能處理的輸入信號，所以軟件平臺的任務(wù)就是利用算法和程序計算并分析每一個輸入信號，三維模型數(shù)據(jù)庫的作用就是根據(jù)軟件的控制不斷的更新數(shù)據(jù)庫，選擇適合向用戶展現(xiàn)的場景元素，而在該系統(tǒng)設(shè)計上要保證用戶收取輸出信號的操作非常簡單，在這種設(shè)計要求上，VR頭盔或者一些三維顯示設(shè)備都非常適合設(shè)計上的選擇。

    （１） 輸入模塊：本文所設(shè)計的駕駛培訓(xùn)系統(tǒng)包括多個輸入渠道，例如，采集駕駛模擬器的信息、體感交互設(shè)備捕捉用戶手部動作數(shù)據(jù)以及ＶＲ頭盔采集的用戶頭部等輸入信息。

    （２） 輸出模塊：虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的研究目的是能理解并模擬人類器官的一些。動作通過設(shè)備給予用戶相應(yīng)的反饋，用戶的操作會在該情形下產(chǎn)生什么樣的后果，會聽到什么，看到什么，或者觸摸到什么，都是系統(tǒng)的輸出設(shè)計上要考慮的，所以三維的立體的聲音效果，圖像視覺效果或者觸覺效果的設(shè)計處理既要靈敏又要恰到好處。

    （３） 虛擬現(xiàn)實軟件平臺：虛擬環(huán)境的所有設(shè)定都是給用戶服務(wù)的，用戶的位置變化或者其他操作變化都能改變場景渲染的角度，相應(yīng)的提供模擬現(xiàn)實環(huán)境的數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫也會發(fā)生改變，因此輸出的相關(guān)控制就從輸入信號開始經(jīng)由軟件平臺傳遞給了輸出設(shè)備。

    （４） 三維模型數(shù)據(jù)庫：系統(tǒng)的虛擬對象都是由完整的數(shù)據(jù)庫組成，包括形狀，光照，參數(shù)等相關(guān)數(shù)據(jù)集合，但是每一個操作者的操作數(shù)據(jù)都有所不同。因此，數(shù)據(jù)庫信息將根據(jù)用戶的操作內(nèi)容不斷更新。

    3.駕駛模擬器國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

    計算機技術(shù)高速發(fā)展的支持下，使得普通的電腦也可實現(xiàn)以往只能在專業(yè)顯像圖形的工作平臺上才能實現(xiàn)的虛擬現(xiàn)實技術(shù)。虛擬駕駛培訓(xùn)系統(tǒng)主要包括虛擬訓(xùn)練場景、汽車動力模型、三維顯示系統(tǒng)、聲音播放系統(tǒng)、人機交互系統(tǒng)、汽車運動控制模塊、評測模塊7個模塊。

    國外的模擬駕駛技術(shù)一開始只提供給航空駕駛的相關(guān)訓(xùn)練，模擬駕駛的概念也是在這個過程中被提出的，隨著相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域和應(yīng)用市場的發(fā)展和興起，特別是在ComputerGraphic（計算機圖形學(xué)）及其成像學(xué)方面的重大科研成果，讓早期主要用于航空等重要領(lǐng)域的模擬駕駛技術(shù)能夠逐漸應(yīng)用到汽車駕駛訓(xùn)練與國內(nèi)相比，國外比較早的就在相應(yīng)的領(lǐng)域進行開發(fā)研究，并且研究水平一直領(lǐng)先日本和歐洲等發(fā)達國家很早就在駕駛模擬器的研究和開發(fā)上投入了大量資金，他們己經(jīng)批準了使用駕駛訓(xùn)練模擬器來評估駕駛員駕駛能力的方法，并對模擬器的使用進行了立法規(guī)范。日本和西歐各國利用立法規(guī)范和資金推動使模擬駕駛技術(shù)迅速發(fā)展。他們將駕駛模擬測試應(yīng)用到事故預(yù)防中，采用同類型的駕駛模擬器來評價駕駛員應(yīng)對突發(fā)狀況和避免事故的能力，日本豐田汽車公司自主研發(fā)的駕駛模擬器如圖3所示。

    駕駛和車輛行駛的模擬都在ＶＲ空間進行，逼真的畫面立體視覺，以其高精度的視覺感受創(chuàng)造駕駛的真實感，搭配小振幅高應(yīng)答電動運動平臺系統(tǒng)和駕駛座艙模塊硬件系統(tǒng)，整合成了首臺大型駕駛模擬器。該模擬器使用的系統(tǒng)通過構(gòu)建數(shù)學(xué)模型來監(jiān)測人體反應(yīng)和感性特點。圖4是日本豐田公司推出的一款高度還原實際駕駛體驗的汽車模擬器，在當時處于國際頂尖水平，奠定了豐田公司的領(lǐng)先地位，這款模擬器實現(xiàn)了對客戶承諾的高仿真效果，獲得了非常高的用戶評價。

    為了迎合用戶的新奇體驗，這款模擬器是卡通造型，甚至為了使用戶感受更加的有沉浸感。此外，這款駕駛模擬器高度還原了汽車駕駛操控設(shè)備，配置了實車完全一樣的離合、減速踏板和加速踏板等硬件設(shè)備。并采用力反饋裝置模擬不同路面的路感，這些細節(jié)之處足可以看出產(chǎn)品研發(fā)者的用心。

圖3豐田汽車的架勢模擬器

圖4大型5屏幕CAVE

    國內(nèi)的汽車模擬器最初只能引進國外的現(xiàn)成設(shè)備，我國在汽車模擬相關(guān)領(lǐng)域的研究起步是比較晚、發(fā)展慢并且相當艱辛。我國最早引進的駕駛模擬器是從捷克進口的，其顯示方式是點光源平板投影，只提供了簡單的道路平面場景，沒有三維立體的上坡或者過橋的情景模擬。直到1970年之后，我國才開始從不斷引進模擬器的窘迫局面進入自主研發(fā)階段，設(shè)計開發(fā)了屬于自己的第一臺汽車駕駛模擬器，實現(xiàn)了從無到有的突破。雖然當時日本和西歐各國實現(xiàn)了汽車模擬駕駛器市場化，在此研究背景下，我國各大研究機構(gòu)和企業(yè)開始投入巨大精力進行駕駛模擬研究，其中主要包括在車輛專業(yè)較為領(lǐng)先的清華大學(xué)和吉林大學(xué)等著名高校，同時隨著計算機圖形、圖像學(xué)的發(fā)展，我國也近年也在模擬駕駛領(lǐng)域進步迅速，成果豐碩其中包括了許多具有代表性的研發(fā)成果，例如MCGI-9410T計算機成像系統(tǒng)與QM-CUI駕駛模擬器，這兩款產(chǎn)品分別由京航空航天公司和航空精密研究所設(shè)計開發(fā)研究成果如雨后春筍般出現(xiàn)，在此熱潮的推動下，眾多的中小型公司開始把產(chǎn)品投入市場銷售，比如北京宜愛和安徽三聯(lián)這種代表性公司。

    4. 研究展望

    虛擬現(xiàn)實技術(shù)在21世紀已發(fā)展成熟，并應(yīng)用于各大平臺，在駕駛培訓(xùn)領(lǐng)域引進虛擬現(xiàn)實技術(shù)己成為可能，VR技術(shù)給駕駛培訓(xùn)考試增加了新的培訓(xùn)方法，該方法通過VR技術(shù)的交互性特點，沉浸式特點和想象性特點來幫助培訓(xùn)人員建立置身于培訓(xùn)場景的真實感體驗。頭戴式VR設(shè)備在聽覺和視覺以及觸覺上能提供給駕駛?cè)藛T身臨其境的駕駛體驗，而設(shè)備成本相對、傳統(tǒng)駕駛培訓(xùn)來說要低的多，這使得頭戴式可穿戴設(shè)備在虛擬駕駛培訓(xùn)領(lǐng)域應(yīng)用的可能性大大提高。而無實地操作的VR技術(shù)可模擬一些危險場景，規(guī)避一些突發(fā)狀況造成的不安全隱患。

    虛擬駕駛模型雖然可以解決傳統(tǒng)駕駛考試培訓(xùn)中的一部分安全問題，但駕駛模型自身的不足之處仍需要改善。綜上所述，駕駛培訓(xùn)上應(yīng)用ＶＲ技術(shù)的前景非常廣闊。