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

    國(guó)民經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展時(shí)代，人們用車增多，交通安全問(wèn)題隨著機(jī)動(dòng)車的數(shù)量變多愈發(fā)嚴(yán)峻。汽車保有量和需求與日俱增對(duì)導(dǎo)致駕駛培訓(xùn)需求迅速增長(zhǎng)，同時(shí)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(shí)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(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，而且還能夠以逼真的駕駛場(chǎng)景高度還原真實(shí)訓(xùn)練場(chǎng)地，有效提升學(xué)員學(xué)習(xí)駕駛技能的效率與體驗(yàn)，這給汽車駕駛培訓(xùn)行業(yè)提供了新的途徑。作為納斯達(dá)克上市企業(yè)“微美全息US.WIMI”旗下研究機(jī)構(gòu)“微美全息科學(xué)院”的科學(xué)家們認(rèn)為，隨著這兩年來(lái)vr虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用市場(chǎng)占有率持續(xù)上升，全行業(yè)應(yīng)用容納量也開始迅速擴(kuò)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(diǎn)，對(duì)“虛擬現(xiàn)實(shí)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(shí)間倉(cāng)促、培訓(xùn)預(yù)約難等問(wèn)題，由于駕照考試報(bào)考人數(shù)龐大，市場(chǎng)雜亂，胡亂收費(fèi)現(xiàn)象一定程度上助長(zhǎng)了應(yīng)試培訓(xùn)，培訓(xùn)質(zhì)量難以獲得保證。培訓(xùn)機(jī)構(gòu)為迎合報(bào)考人數(shù)逐年增加的市場(chǎng)趨勢(shì)，往往會(huì)擴(kuò)大招生，因此會(huì)出現(xiàn)教練緊缺，場(chǎng)地空間有限，車輛損耗巨大等現(xiàn)象。本應(yīng)一對(duì)一進(jìn)行教學(xué)指導(dǎo)的教學(xué)方式被打破，一對(duì)二，一對(duì)多的情況屢見不鮮，在此情況下，單個(gè)學(xué)員駕駛練習(xí)的場(chǎng)地安排也不斷縮小規(guī)模，教學(xué)質(zhì)量不佳的擔(dān)憂迫在眉睫。學(xué)員大幅度增加的同時(shí)，車輛的使用率不斷攀高，車輛修理和報(bào)廢增加了駕校的投資成本，而燃料耗費(fèi)造成的污染問(wèn)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(wèn)題，都可在駕駛培訓(xùn)領(lǐng)域采用先進(jìn)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(shí)技術(shù)的駕駛系統(tǒng)有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：

    （１） 廣闊的應(yīng)用前景

    傳統(tǒng)虛擬駕駛技術(shù)無(wú)疑可以解決受訓(xùn)時(shí)間和地點(diǎn)會(huì)因?yàn)楦鞣N各樣的原因而受限的問(wèn)題，其培訓(xùn)過(guò)程簡(jiǎn)單高效，不但操作簡(jiǎn)單，還能節(jié)約學(xué)員的時(shí)間。同時(shí)，因其考試硬件價(jià)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(chǎng)全新的變革和主流。

    （２）重要的學(xué)術(shù)價(jià)值

    研究駕駛?cè)藛T在駕駛中的行為習(xí)慣和性格特點(diǎn)對(duì)提高培訓(xùn)效果尤其是保障道路安全來(lái)說(shuō)具有非常重要的意義。駕駛?cè)说膶?shí)時(shí)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(shí)驗(yàn)群體的樣本在采集計(jì)算中確定了基準(zhǔn)駕駛能力的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，駕駛能力的評(píng)測(cè)需要相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的參照，可利用多方參照標(biāo)準(zhǔn)來(lái)測(cè)評(píng)培訓(xùn)效果。對(duì)比參照標(biāo)準(zhǔn)可使駕駛技能、駕駛習(xí)慣得到進(jìn)一步規(guī)范。其他相關(guān)領(lǐng)域在此類相似問(wèn)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(duì)推動(dòng)科研創(chuàng)新發(fā)展具有深刻的指導(dǎo)意義。

    2.虛擬現(xiàn)實(shí)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(shí)技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合體感交互技術(shù)、場(chǎng)景模擬技術(shù)，三維顯示技術(shù)，不僅能夠?yàn)橛脩籼峁┮曈X、聽覺、以及觸覺感知，而且還可以實(shí)現(xiàn)在用戶與虛擬場(chǎng)景的自然交互，使駕駛環(huán)境可以與真實(shí)駕駛環(huán)境高度相似，駕駛者的所見，所聽以及動(dòng)作觸感都與正常駕駛一般高度相似，才能獲得真實(shí)的沉浸感。在設(shè)計(jì)模擬駕駛系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)首先考慮在項(xiàng)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(jìn)行交互時(shí)，體驗(yàn)者需要做出一些肢體動(dòng)作。因此，系統(tǒng)應(yīng)嚴(yán)格遵循安全原則，確保系統(tǒng)的整體安全和體驗(yàn)者在體驗(yàn)過(guò)程中的安全。

    （2）穩(wěn)定性：不可否認(rèn)如果一個(gè)系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)間斷將會(huì)使駕駛體驗(yàn)降低，所以我們要系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定性目標(biāo)。它要求系統(tǒng)在體驗(yàn)過(guò)程中具有不間斷的運(yùn)行能力，體驗(yàn)后平臺(tái)將保持穩(wěn)定。保證了大量體驗(yàn)者體驗(yàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

    （3）實(shí)用性：系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要滿足用戶的體驗(yàn)要求，讓用戶充分體驗(yàn)整車駕駛的實(shí)用性和真實(shí)性。虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景要美觀、實(shí)用、簡(jiǎn)單易操作，給用戶呈現(xiàn)360度無(wú)死角的模擬駕駛場(chǎng)景。

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

    （5）靈活性：系統(tǒng)整個(gè)支撐平臺(tái)都采用了標(biāo)準(zhǔn)接口，維護(hù)方便，擴(kuò)展靈活。系統(tǒng)的每個(gè)部分都是模塊化的。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，損壞的模塊可以很容易的更換，系統(tǒng)可以在最短的時(shí)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(shí)系統(tǒng)提供輸入信號(hào)，控制主控車輛，如圖1所示。輸入模塊主要包括以下6個(gè)方面：

    （1）方向盤，虛擬場(chǎng)景中車輛的運(yùn)動(dòng)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(shí)汽車模擬完全一致的設(shè)計(jì)，順時(shí)針和逆時(shí)針均可轉(zhuǎn)動(dòng)1.5圈。

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

    （3）離合器，輔助車輛啟動(dòng)和換檔；

    （4）剎車踏板，通過(guò)調(diào)整剎車板的角度控制虛擬場(chǎng)景中車輛的運(yùn)動(dòng)速度；

    （5）換檔操作桿，通過(guò)變換檔位，以實(shí)現(xiàn)控制虛擬車輛的前進(jìn)和倒退行駛；

    （6）手剎，輔助完成減速和停車。

    圖1模擬架勢(shì)器示意圖

    虛擬現(xiàn)實(shí)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(shí)踐中得到進(jìn)一步證實(shí)，因此本文以虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)。虛擬現(xiàn)實(shí)是計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心，計(jì)算機(jī)技術(shù)可以處理所有的視覺的，聽覺的，觸覺的相關(guān)信號(hào)，并把這些信號(hào)所產(chǎn)生的信息進(jìn)行集成和處理，通過(guò)控制相關(guān)的設(shè)備就可以和計(jì)算機(jī)進(jìn)行自然，并且計(jì)算機(jī)能夠模擬出虛擬交流對(duì)象，跟計(jì)算機(jī)的交互過(guò)程在用戶看來(lái)就是跟虛擬對(duì)象相互交流，從而產(chǎn)生就在現(xiàn)實(shí)世界一樣的感覺。如圖2所示，是虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的一般組成。

圖2虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的一般組成

    虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)主要四個(gè)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(guò)程，追蹤用戶的動(dòng)作或者行為，將其轉(zhuǎn)化為電腦軟件能處理的輸入信號(hào)，所以軟件平臺(tái)的任務(wù)就是利用算法和程序計(jì)算并分析每一個(gè)輸入信號(hào)，三維模型數(shù)據(jù)庫(kù)的作用就是根據(jù)軟件的控制不斷的更新數(shù)據(jù)庫(kù)，選擇適合向用戶展現(xiàn)的場(chǎng)景元素，而在該系統(tǒng)設(shè)計(jì)上要保證用戶收取輸出信號(hào)的操作非常簡(jiǎn)單，在這種設(shè)計(jì)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(jì)上的選擇。

    （１） 輸入模塊：本文所設(shè)計(jì)的駕駛培訓(xùn)系統(tǒng)包括多個(gè)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(dòng)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(shí)系統(tǒng)的研究目的是能理解并模擬人類器官的一些。動(dòng)作通過(guò)設(shè)備給予用戶相應(yīng)的反饋，用戶的操作會(huì)在該情形下產(chǎn)生什么樣的后果，會(huì)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(jì)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(jì)處理既要靈敏又要恰到好處。

    （３） 虛擬現(xiàn)實(shí)軟件平臺(tái)：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(chǎng)景渲染的角度，相應(yīng)的提供模擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境的數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫(kù)也會(huì)發(fā)生改變，因此輸出的相關(guān)控制就從輸入信號(hào)開始經(jīng)由軟件平臺(tái)傳遞給了輸出設(shè)備。

    （４） 三維模型數(shù)據(jù)庫(kù)：系統(tǒng)的虛擬對(duì)象都是由完整的數(shù)據(jù)庫(kù)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(gè)操作者的操作數(shù)據(jù)都有所不同。因此，數(shù)據(jù)庫(kù)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(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

    計(jì)算機(jī)技術(shù)高速發(fā)展的支持下，使得普通的電腦也可實(shí)現(xiàn)以往只能在專業(yè)顯像圖形的工作平臺(tái)上才能實(shí)現(xiàn)的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)。虛擬駕駛培訓(xùn)系統(tǒng)主要包括虛擬訓(xùn)練場(chǎng)景、汽車動(dòng)力模型、三維顯示系統(tǒng)、聲音播放系統(tǒng)、人機(jī)交互系統(tǒng)、汽車運(yùn)動(dòng)控制模塊、評(píng)測(cè)模塊7個(gè)模塊。

    國(guó)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(gè)過(guò)程中被提出的，隨著相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域和應(yīng)用市場(chǎng)的發(fā)展和興起，特別是在ComputerGraphic（計(jì)算機(jī)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(guó)內(nèi)相比，國(guó)外比較早的就在相應(yīng)的領(lǐng)域進(jìn)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(dá)國(guó)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(zhǔn)了使用駕駛訓(xùn)練模擬器來(lái)評(píng)估駕駛員駕駛能力的方法，并對(duì)模擬器的使用進(jìn)行了立法規(guī)范。日本和西歐各國(guó)利用立法規(guī)范和資金推動(dòng)使模擬駕駛技術(shù)迅速發(fā)展。他們將駕駛模擬測(cè)試應(yīng)用到事故預(yù)防中，采用同類型的駕駛模擬器來(lái)評(píng)價(jià)駕駛員應(yīng)對(duì)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(jìn)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(shí)感，搭配小振幅高應(yīng)答電動(dòng)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)系統(tǒng)和駕駛座艙模塊硬件系統(tǒng)，整合成了首臺(tái)大型駕駛模擬器。該模擬器使用的系統(tǒng)通過(guò)構(gòu)建數(shù)學(xué)模型來(lái)監(jiān)測(cè)人體反應(yīng)和感性特點(diǎn)。圖4是日本豐田公司推出的一款高度還原實(shí)際駕駛體驗(yàn)的汽車模擬器，在當(dāng)時(shí)處于國(guó)際頂尖水平，奠定了豐田公司的領(lǐng)先地位，這款模擬器實(shí)現(xiàn)了對(duì)客戶承諾的高仿真效果，獲得了非常高的用戶評(píng)價(jià)。

    為了迎合用戶的新奇體驗(yàn)，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(shí)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(xì)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(shì)模擬器

圖4大型5屏幕CAVE

    國(guó)內(nèi)的汽車模擬器最初只能引進(jìn)國(guó)外的現(xiàn)成設(shè)備，我國(guó)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(dāng)艱辛。我國(guó)最早引進(jìn)的駕駛模擬器是從捷克進(jìn)口的，其顯示方式是點(diǎn)光源平板投影，只提供了簡(jiǎn)單的道路平面場(chǎng)景，沒(méi)有三維立體的上坡或者過(guò)橋的情景模擬。直到1970年之后，我國(guó)才開始從不斷引進(jìn)模擬器的窘迫局面進(jìn)入自主研發(fā)階段，設(shè)計(jì)開發(fā)了屬于自己的第一臺(tái)汽車駕駛模擬器，實(shí)現(xiàn)了從無(wú)到有的突破。雖然當(dāng)時(shí)日本和西歐各國(guó)實(shí)現(xiàn)了汽車模擬駕駛器市場(chǎng)化，在此研究背景下，我國(guó)各大研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)開始投入巨大精力進(jìn)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(shí)隨著計(jì)算機(jī)圖形、圖像學(xué)的發(fā)展，我國(guó)也近年也在模擬駕駛領(lǐng)域進(jìn)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(jì)算機(jī)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(jì)開發(fā)研究成果如雨后春筍般出現(xiàn)，在此熱潮的推動(dòng)下，眾多的中小型公司開始把產(chǎn)品投入市場(chǎng)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(shí)技術(shù)在21世紀(jì)已發(fā)展成熟，并應(yīng)用于各大平臺(tái)，在駕駛培訓(xùn)領(lǐng)域引進(jìn)虛擬現(xiàn)實(shí)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(guò)VR技術(shù)的交互性特點(diǎn)，沉浸式特點(diǎn)和想象性特點(diǎn)來(lái)幫助培訓(xùn)人員建立置身于培訓(xùn)場(chǎng)景的真實(shí)感體驗(yàn)。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(yàn)，而設(shè)備成本相對(duì)、傳統(tǒng)駕駛培訓(xùn)來(lái)說(shuō)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(wú)實(shí)地操作的VR技術(shù)可模擬一些危險(xiǎn)場(chǎng)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(wèn)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。