驾驶训练模拟器的设计与开发
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2D 物体模型一 般为 行车 道、人行 道、河 流、草 地等。 建 模时将整个大地场 景建为 一个 3000m @ 3000m 的 方形 区域, 然后根据三个不同 等级区 域的 特征要 求进 行细 化。在建 模 时必须考虑 2D 物体之间 显示的 优先 级别, 很 好的处 理物 体 之间的层次顺序, 否则就会因模型之 间的重叠或 遮挡而使 一 些模型不可见。 614 3D 物体模型的建立
定义多 通道 图 形的 帧 缓存、通 道、视 点、场 景; 创建多通道图形的帧缓存、驾驶员通道、后视 镜和反光镜通道、驾驶员视 点和 场景模 型; 设置 多通道图形的帧缓存、驾驶 员通 道、后 视镜 和反 光镜通道、驾驶员 视点等资 源; 向多通 道图 形中 添加场景模型、光 照模型和 雾化 模型; 设置 多通 道图形的视口大小和远近裁剪面; 把 各个视点和 场景放入 各 个通道中; 将后视镜通道和反光镜通 道与驾驶员 通道连接 起 来; 设置后视镜和反 光镜 通道的 状态; 把 驾驶 员通道 放入 帧 缓存中。因篇幅 所限, 这 里不作 过多 的叙述, 具 体见 参考 文 献[ 1] 。 714 图像运动匹配一致性 7141 1 相关资源 7141 111 每帧刷新时间
收稿日期: 2003- 01- 02
图 1 驾驶训练模拟器系统构成
4 汽车整车动力学模型
利用达朗伯原理动静法, 建立了 包括沿垂 直于汽车纵 向 平面的横向轴 线的侧 向运 动、绕垂直 轴的 横摆运 动、车身 侧 倾自由度、沿前进方向的自由度和转 向盘转角 自由度在内 的 五自由度汽车模型。所建立的五自由度微分方程如下:
) 157 )
的场景模 型, OpenGL 程序设 计语 言, 以 及 OpenGVS 软件 , 并 选用 Windows2000 操作 系统和 Microsoft Visual C+ + 6. 0。
6 视景系统模型的设计
611 模型建立的结构流程 驾驶训 练模拟 器视景系 统的整 个场景 模型都 是由三 维
和二维物体 模 型构 成 的, 根据 这 些模 型功 能 要求 和位 置 不 同, 将它们按照一定的顺序排列组 合。从视景系 统各种特 征 物的性能要求出发, 将场景模型的建 立过程分为 五个阶段 来 完成, 模型建立的结构流程如图 2 所示。
得有限的硬件处理能力能被高效地利用。 61 5 系统模型的集成与调试
71 3 多通道图形显示技术的实现 多通道图形显示采用帧缓存 和一个 驾驶员通 道( driver
chn) 相连, 并将驾驶 员视点 设置 在该 通 道中, 同 时还 把整 个
视景系统的场景模型也放入到这个通道, 然后 通过驾驶员 通
道与各个子通道进行连接。每个通道的 视点和场 景均不同。
整个 视景系统通过对帧缓存 fbf 树型 结构的维 护处理来完 成 整个系统的同步更新、访问控制和恢复 系统功能等。
1 引言
驾驶训练模拟器具有 节能、安全、经济和 培训不受时间、 气候、场地的限 制, 训练效 率高、培 训周期 短等 优点。 因此, 研制开发适合我国道路状况和交通法规、符合我 国驾驶员 培 训教学计划和教学大纲的驾驶训练模拟器 , 并将 它广泛用 于 驾驶培训, 非常适合中国国情, 具有重大 的社会和经 济意义。 这样不仅可以极大地提高驾驶员的培训质 量和效率, 还能 促 进我国驾驶培训工作走上现代化、规范化和科 学化的道路。
第 21 卷 第 3 期 文章编号: 1006- 9348( 2004) 03- 0157- 04
计 算机仿真
驾驶训练模拟器的设计与开发
2004 年 3 月
魏明1, 曹正清1, 龚家伟1, 杨方廷2
( 1. 中国农业大学, 北京 100083; 2. 北京仿真中心, 北京 100854)
摘要: 随着仿真技术的发展, 开发用于驾驶培训的驾驶训练模拟器具有 重要的社会和 经济意义。文章介绍 了驾驶训 练模拟 器的系统构成, 并建立了五自由度整车动力学模型, 在视景系统模型的建 立过程中选取了 合适的图形处 理技术优化 场景模 型, 并在视景系统程序实现中采用了多通道图形显示技术, 对图像运动匹配一致性进行了重点研究。 关键词: 模拟器; 模型; 虚拟环境; 图形显示; 运动匹配 中图分类号: TP391 文献标识码: B
M( Ûu - vr ) = TtqiG/ R M( Ûv + ur ) + MshÛp = YBB+ Yrr + YUU+ YDD IxÛp - Msh( Ûv + ur ) + I xzÛr = LUU+ Lpp IzÛr + I xzÛp = NBB+ N rr + N UU+ N DD [ T - I s ( &H+ Ûr cosA- Ûp sinA) ] i = Py1 Dw + Iw&D + kwÛD + CwD
大小为 27528bytes 和 3423108bytes 的两个场景, 试验速 度 为 30km/ h、40km/ h、50km/ h 和 60km/ h 四种速 度, 试 验路程 为 450m, 系统时间单 位为秒( s) 。 7141 212 理论计算
汽车以 30km/ h 的速 度经 过 450m 的路 程所 需时 间 54s; 以 40km/ h、50km/ h、60km/ h 的速度 经过 450m 的 路程 需要 时 间分别为 40. 5s、32. 4s、27s。
5 开发环境
51 1 硬件环境 系统以 PC 机作 为运行平台, 其中 CPU 为 Pentium Ó 800,
内存 128MB, 硬盘 20G, 三星 SyncMaster750s 显示器, 32MB ELSA 影雷者 GLADIAC MX 显卡, 以及相应的声卡、网卡等。 51 2 软件环境
用 MultiGen Creator V2. 4 建立驾 驶训练 模拟器 视景系 统
71 2 单通道图形显示技术的设计与实现
单通道图 形 显示 的设 计 如下: 定 义 单通 道 图 形的 帧 缓
存、通道、视点和场景; 创建单通道图 形的帧缓存、通道、视点 和场景; 设置 单通 道 图形 的帧 缓 存、通道、视点 和 场景 等 资 源; 将光源和雾的模 型等 环境 构成选 项加 入到场 景中; 设 置
系统运 行时间 是指系统 从开始 编译到 程序运 行结束 所 需要的时间。 7141 114 图像运行时间
这个时间是指图像运行一段距离的时 间开销, 事实上 它 是系统运行时间 的一 部分, 和系 统运 行时 间相比 较, 其区 别 在于不包括系统的编译时间。 7141 2 模拟计算与试验验证 7141 211 试验条件
) 158 )
7 视景系统的实现
71 1 技术基础 任何 程 序 的 实
现都需 要 一些 相 关
Biblioteka Baidu
技术 的 支 持, 而 且
这些技 术 之间 都 存
在一定 层 次结 构 的
相关 性, 我 们 所 开 发的视 景 系统 所 涉
及到的 基 本层 次 结 构相 关 性 如图 3 所
图 3 基本层次结构关系
示。
模拟器由模拟座舱、操纵控制系统、仪表 系统、视景系统和 声 响系统等部分组成, 如图 1 所示。
2 国内外的发展现状
开始于 70 年代的汽车驾驶模 拟技术在 国外已 经得到 了 广泛的应用, 而我国在 90 年代开始这 方面的 研究以来 , 已 有 吉林工业大学、南京大学等多家科研 院所对该项 技术进行 了 深入的研究, 并取得了一定的成果。
单通道图形的视口大小和远近裁剪面; 把视点 和场景放入 通
道中; 向帧缓存中添加通道。
在工程中 建立程序反馈 ( gv main. c) , 用 户初 始化( gv user. c) , 建 立用 户 程 序 运 行 的 适 时 处理 和 控 制 ( gv use proc. c) , 创建消息响应( gv events. c) 。程序实现( 代码略) 。
纵观国内外汽车驾驶模拟技术的发展 状况, 可以将该 技 术划分为两个重要的研究领域:
1) 驾驶训练模拟器的视野、延误时 间和场景 显示的实 时 性与逼真度;
2) 驾驶模拟器的总体规划、各子系 统的模拟 以及交替 设 计技术。
目前该项技术的研究重点主要集中在: 1) 视景系统的实时交互性和真实沉 浸感; 2) 模拟行车体感。
3 系统构成
设计思想与原则: ¹ 满 足各 型车辆 驾驶 培训 的要 求; º 能够提供逼真的驾驶操作环境; » 所 开发的软件 具有较好 的 通用性; ¼安全可靠、经济实用。
根据上述设计思想 与原 则, 从人机 工程 学角 度出 发, 通 过各种传感器与外界输入构成反馈闭环回 路, 通 过链路通 信 实现系统对外界的实时响应, 完成 车辆驾驶 的真实模拟。 该
通过上述方法建立的模型大多是单 个独立的, 还没有 集 成到整个场景的系 统模型 中去 加以 考虑。虽 然在建 模时 已
经对单个模型在场景中的层次和显示问 题作了一些 考虑, 仍 因不能从整个 系统 的 角度 出 发考 虑而 不 能满 足系 统 要求。 因此 , 在系统模型的 集成 与调 试阶段, 还 要解 决各个 二维 物 体模 型的显示层次问题, 进一 步完 善 2D 物体 模型与 系统 模 型集成后的层次关系; 三维物体模型 之间遮挡 面 BSP 的分 割 和设置; LOD 的设置。
整个 视 景系 统 创建 了一 个 帧缓 存、一 个驾 驶员通道、两个子 通道( 后视 镜和反 光镜通 道) 、 一个驾驶 员 视点、视 景 系统 的场 景 模型 和 其中 的实体对象、一个 光照和一 个雾 化模型; 将 各个 对象实体、光照模 型和雾化 模型 加入场 景模 型; 然后将视 点 和场 景 放入 相应 的 通道, 并 把 各个 子通道添 加 到驾 驶 员通 道中, 最 后 把驾 驶 员通 道连接到帧 缓存中。多 通道图 形显示 技术 的资 源结构关系如图 4 所示。
3D 物体模型 是体 现空 间三 维造 型、立 体感 和真 实沉 浸 感最为关键的 部分, 这部 分物 体 模型 包括 建 筑物、树木、车 辆、交通标志、交通信号 灯等。 在 3D 物体 的建模 过程 中, 尤 其注意和考 虑 了怎 样正 确地 划分 BSP( Binary Space Partitioning) 树, 以确定正确 的遮挡 关系。考 虑到 计算 机硬件 系统 对 多边形的处 理 能力, 对 模 型的 内 容进 行了 科 学的 取舍 和 安 排, 如交 通标志、车 辆、标 志性建 筑等进 行详细 设计, 对其 他 的建筑物等则力求以基本真实为原则尽量 减少面的 处理, 使
这个时间影响到整个图像的显示和刷 新, 从 而影响到 图 形的实时性和真实 沉浸感。 通过对 每帧 刷新 时间进 行合 理 的设定和控制, 达到对整个图像运动 匹配一致性 的实现与 控 制。 7141 112 图形显示帧数
这里所 指的图 形显示帧 数是图 像运动 了一段 距离后 共 刷新的次数, 图形显示的实时性要求 是通过这个 参数来表 现 和衡量的。 7141 113 系统运行时间
图 2 模型建立的结构流程
612 地形地貌的建立 地形 地貌的 建立主 要在 于 表现 虚拟 环 境的 整体 轮 廓。
整个视景 系 统 模 型 的 覆 盖 区 域 为 3000m @ 3000m 的 正 方 形, 根据不 同的复杂 程度 又将 整 个地 形地 貌 分为 三个 不 同 的 等 级, 分 别 是 以 一 个 街 区 为 中 心 向 外 扩 展 的 面 积 为 1000m@ 1000m, 2000m @ 2000m, 3000m @ 3000m 的 三个 正 方 形区域 。 613 2D 物体模型的建立
对整个视景系统 作以下 的归 类与划 分, 建立 树结 构: ¹ 静态实体, 包括 地形表 面和文 化特征 物, 如 道路、树木、建 筑 物、交通标志、交通信号灯等; º 动态 实体对象, 如汽车等; » 环境构成选项, 如光照、雾等天气情况的自然效果。
最后从整个系统的角度出发, 根 据各个模 块模型的功 能 要求进行相应的链接处理, 从而完成 整个视景 系统场景模 型 的建立。
定义多 通道 图 形的 帧 缓存、通 道、视 点、场 景; 创建多通道图形的帧缓存、驾驶员通道、后视 镜和反光镜通道、驾驶员视 点和 场景模 型; 设置 多通道图形的帧缓存、驾驶 员通 道、后 视镜 和反 光镜通道、驾驶员 视点等资 源; 向多通 道图 形中 添加场景模型、光 照模型和 雾化 模型; 设置 多通 道图形的视口大小和远近裁剪面; 把 各个视点和 场景放入 各 个通道中; 将后视镜通道和反光镜通 道与驾驶员 通道连接 起 来; 设置后视镜和反 光镜 通道的 状态; 把 驾驶 员通道 放入 帧 缓存中。因篇幅 所限, 这 里不作 过多 的叙述, 具 体见 参考 文 献[ 1] 。 714 图像运动匹配一致性 7141 1 相关资源 7141 111 每帧刷新时间
收稿日期: 2003- 01- 02
图 1 驾驶训练模拟器系统构成
4 汽车整车动力学模型
利用达朗伯原理动静法, 建立了 包括沿垂 直于汽车纵 向 平面的横向轴 线的侧 向运 动、绕垂直 轴的 横摆运 动、车身 侧 倾自由度、沿前进方向的自由度和转 向盘转角 自由度在内 的 五自由度汽车模型。所建立的五自由度微分方程如下:
) 157 )
的场景模 型, OpenGL 程序设 计语 言, 以 及 OpenGVS 软件 , 并 选用 Windows2000 操作 系统和 Microsoft Visual C+ + 6. 0。
6 视景系统模型的设计
611 模型建立的结构流程 驾驶训 练模拟 器视景系 统的整 个场景 模型都 是由三 维
和二维物体 模 型构 成 的, 根据 这 些模 型功 能 要求 和位 置 不 同, 将它们按照一定的顺序排列组 合。从视景系 统各种特 征 物的性能要求出发, 将场景模型的建 立过程分为 五个阶段 来 完成, 模型建立的结构流程如图 2 所示。
得有限的硬件处理能力能被高效地利用。 61 5 系统模型的集成与调试
71 3 多通道图形显示技术的实现 多通道图形显示采用帧缓存 和一个 驾驶员通 道( driver
chn) 相连, 并将驾驶 员视点 设置 在该 通 道中, 同 时还 把整 个
视景系统的场景模型也放入到这个通道, 然后 通过驾驶员 通
道与各个子通道进行连接。每个通道的 视点和场 景均不同。
整个 视景系统通过对帧缓存 fbf 树型 结构的维 护处理来完 成 整个系统的同步更新、访问控制和恢复 系统功能等。
1 引言
驾驶训练模拟器具有 节能、安全、经济和 培训不受时间、 气候、场地的限 制, 训练效 率高、培 训周期 短等 优点。 因此, 研制开发适合我国道路状况和交通法规、符合我 国驾驶员 培 训教学计划和教学大纲的驾驶训练模拟器 , 并将 它广泛用 于 驾驶培训, 非常适合中国国情, 具有重大 的社会和经 济意义。 这样不仅可以极大地提高驾驶员的培训质 量和效率, 还能 促 进我国驾驶培训工作走上现代化、规范化和科 学化的道路。
第 21 卷 第 3 期 文章编号: 1006- 9348( 2004) 03- 0157- 04
计 算机仿真
驾驶训练模拟器的设计与开发
2004 年 3 月
魏明1, 曹正清1, 龚家伟1, 杨方廷2
( 1. 中国农业大学, 北京 100083; 2. 北京仿真中心, 北京 100854)
摘要: 随着仿真技术的发展, 开发用于驾驶培训的驾驶训练模拟器具有 重要的社会和 经济意义。文章介绍 了驾驶训 练模拟 器的系统构成, 并建立了五自由度整车动力学模型, 在视景系统模型的建 立过程中选取了 合适的图形处 理技术优化 场景模 型, 并在视景系统程序实现中采用了多通道图形显示技术, 对图像运动匹配一致性进行了重点研究。 关键词: 模拟器; 模型; 虚拟环境; 图形显示; 运动匹配 中图分类号: TP391 文献标识码: B
M( Ûu - vr ) = TtqiG/ R M( Ûv + ur ) + MshÛp = YBB+ Yrr + YUU+ YDD IxÛp - Msh( Ûv + ur ) + I xzÛr = LUU+ Lpp IzÛr + I xzÛp = NBB+ N rr + N UU+ N DD [ T - I s ( &H+ Ûr cosA- Ûp sinA) ] i = Py1 Dw + Iw&D + kwÛD + CwD
大小为 27528bytes 和 3423108bytes 的两个场景, 试验速 度 为 30km/ h、40km/ h、50km/ h 和 60km/ h 四种速 度, 试 验路程 为 450m, 系统时间单 位为秒( s) 。 7141 212 理论计算
汽车以 30km/ h 的速 度经 过 450m 的路 程所 需时 间 54s; 以 40km/ h、50km/ h、60km/ h 的速度 经过 450m 的 路程 需要 时 间分别为 40. 5s、32. 4s、27s。
5 开发环境
51 1 硬件环境 系统以 PC 机作 为运行平台, 其中 CPU 为 Pentium Ó 800,
内存 128MB, 硬盘 20G, 三星 SyncMaster750s 显示器, 32MB ELSA 影雷者 GLADIAC MX 显卡, 以及相应的声卡、网卡等。 51 2 软件环境
用 MultiGen Creator V2. 4 建立驾 驶训练 模拟器 视景系 统
71 2 单通道图形显示技术的设计与实现
单通道图 形 显示 的设 计 如下: 定 义 单通 道 图 形的 帧 缓
存、通道、视点和场景; 创建单通道图 形的帧缓存、通道、视点 和场景; 设置 单通 道 图形 的帧 缓 存、通道、视点 和 场景 等 资 源; 将光源和雾的模 型等 环境 构成选 项加 入到场 景中; 设 置
系统运 行时间 是指系统 从开始 编译到 程序运 行结束 所 需要的时间。 7141 114 图像运行时间
这个时间是指图像运行一段距离的时 间开销, 事实上 它 是系统运行时间 的一 部分, 和系 统运 行时 间相比 较, 其区 别 在于不包括系统的编译时间。 7141 2 模拟计算与试验验证 7141 211 试验条件
) 158 )
7 视景系统的实现
71 1 技术基础 任何 程 序 的 实
现都需 要 一些 相 关
Biblioteka Baidu
技术 的 支 持, 而 且
这些技 术 之间 都 存
在一定 层 次结 构 的
相关 性, 我 们 所 开 发的视 景 系统 所 涉
及到的 基 本层 次 结 构相 关 性 如图 3 所
图 3 基本层次结构关系
示。
模拟器由模拟座舱、操纵控制系统、仪表 系统、视景系统和 声 响系统等部分组成, 如图 1 所示。
2 国内外的发展现状
开始于 70 年代的汽车驾驶模 拟技术在 国外已 经得到 了 广泛的应用, 而我国在 90 年代开始这 方面的 研究以来 , 已 有 吉林工业大学、南京大学等多家科研 院所对该项 技术进行 了 深入的研究, 并取得了一定的成果。
单通道图形的视口大小和远近裁剪面; 把视点 和场景放入 通
道中; 向帧缓存中添加通道。
在工程中 建立程序反馈 ( gv main. c) , 用 户初 始化( gv user. c) , 建 立用 户 程 序 运 行 的 适 时 处理 和 控 制 ( gv use proc. c) , 创建消息响应( gv events. c) 。程序实现( 代码略) 。
纵观国内外汽车驾驶模拟技术的发展 状况, 可以将该 技 术划分为两个重要的研究领域:
1) 驾驶训练模拟器的视野、延误时 间和场景 显示的实 时 性与逼真度;
2) 驾驶模拟器的总体规划、各子系 统的模拟 以及交替 设 计技术。
目前该项技术的研究重点主要集中在: 1) 视景系统的实时交互性和真实沉 浸感; 2) 模拟行车体感。
3 系统构成
设计思想与原则: ¹ 满 足各 型车辆 驾驶 培训 的要 求; º 能够提供逼真的驾驶操作环境; » 所 开发的软件 具有较好 的 通用性; ¼安全可靠、经济实用。
根据上述设计思想 与原 则, 从人机 工程 学角 度出 发, 通 过各种传感器与外界输入构成反馈闭环回 路, 通 过链路通 信 实现系统对外界的实时响应, 完成 车辆驾驶 的真实模拟。 该
通过上述方法建立的模型大多是单 个独立的, 还没有 集 成到整个场景的系 统模型 中去 加以 考虑。虽 然在建 模时 已
经对单个模型在场景中的层次和显示问 题作了一些 考虑, 仍 因不能从整个 系统 的 角度 出 发考 虑而 不 能满 足系 统 要求。 因此 , 在系统模型的 集成 与调 试阶段, 还 要解 决各个 二维 物 体模 型的显示层次问题, 进一 步完 善 2D 物体 模型与 系统 模 型集成后的层次关系; 三维物体模型 之间遮挡 面 BSP 的分 割 和设置; LOD 的设置。
整个 视 景系 统 创建 了一 个 帧缓 存、一 个驾 驶员通道、两个子 通道( 后视 镜和反 光镜通 道) 、 一个驾驶 员 视点、视 景 系统 的场 景 模型 和 其中 的实体对象、一个 光照和一 个雾 化模型; 将 各个 对象实体、光照模 型和雾化 模型 加入场 景模 型; 然后将视 点 和场 景 放入 相应 的 通道, 并 把 各个 子通道添 加 到驾 驶 员通 道中, 最 后 把驾 驶 员通 道连接到帧 缓存中。多 通道图 形显示 技术 的资 源结构关系如图 4 所示。
3D 物体模型 是体 现空 间三 维造 型、立 体感 和真 实沉 浸 感最为关键的 部分, 这部 分物 体 模型 包括 建 筑物、树木、车 辆、交通标志、交通信号 灯等。 在 3D 物体 的建模 过程 中, 尤 其注意和考 虑 了怎 样正 确地 划分 BSP( Binary Space Partitioning) 树, 以确定正确 的遮挡 关系。考 虑到 计算 机硬件 系统 对 多边形的处 理 能力, 对 模 型的 内 容进 行了 科 学的 取舍 和 安 排, 如交 通标志、车 辆、标 志性建 筑等进 行详细 设计, 对其 他 的建筑物等则力求以基本真实为原则尽量 减少面的 处理, 使
这个时间影响到整个图像的显示和刷 新, 从 而影响到 图 形的实时性和真实 沉浸感。 通过对 每帧 刷新 时间进 行合 理 的设定和控制, 达到对整个图像运动 匹配一致性 的实现与 控 制。 7141 112 图形显示帧数
这里所 指的图 形显示帧 数是图 像运动 了一段 距离后 共 刷新的次数, 图形显示的实时性要求 是通过这个 参数来表 现 和衡量的。 7141 113 系统运行时间
图 2 模型建立的结构流程
612 地形地貌的建立 地形 地貌的 建立主 要在 于 表现 虚拟 环 境的 整体 轮 廓。
整个视景 系 统 模 型 的 覆 盖 区 域 为 3000m @ 3000m 的 正 方 形, 根据不 同的复杂 程度 又将 整 个地 形地 貌 分为 三个 不 同 的 等 级, 分 别 是 以 一 个 街 区 为 中 心 向 外 扩 展 的 面 积 为 1000m@ 1000m, 2000m @ 2000m, 3000m @ 3000m 的 三个 正 方 形区域 。 613 2D 物体模型的建立
对整个视景系统 作以下 的归 类与划 分, 建立 树结 构: ¹ 静态实体, 包括 地形表 面和文 化特征 物, 如 道路、树木、建 筑 物、交通标志、交通信号灯等; º 动态 实体对象, 如汽车等; » 环境构成选项, 如光照、雾等天气情况的自然效果。
最后从整个系统的角度出发, 根 据各个模 块模型的功 能 要求进行相应的链接处理, 从而完成 整个视景 系统场景模 型 的建立。