為解決駕駛模擬系統視景顯示中的顯示畫面粗糙及駕駛員視角固定等問題,採用3DsMax建立了墊江某汽車綜合試驗場三維高精度模型,並基於Unity3D和HTCVive搭建了虛擬現實顯示系統,進行汽車試驗場完整環境的渲染和VR顯示。最後透過LabviewRT和Carsim搭建了汽車動力學模擬平臺,至此完成了基於VR的駕駛模擬系統構建的全部過程。
模擬結果表明:基於虛擬現實試驗場景所開發的駕駛模擬系統顯示畫面良好,且駕駛員具有較高的視場角及自由靈活的觀察視角,有效提升了駕駛員沉浸感。作為納斯達克上市企業“微美全息US.WIMI”旗下研究機構“微美全息科學院”的科學家們就基於虛擬現實實驗場景下的模擬駕駛系統的應用進行探討。
關鍵詞:虛擬現實;汽車試驗場;3D建模;駕駛模擬器
目前中國已成為世界上第一大汽車生產和消費國,且逐年增長的汽車市場帶來了行業內的激烈競爭,駕駛員對汽車駕駛效能也有了越來越高的要求。在產品開發前期就引入人機互動的測評手段,採用模擬駕駛系統進行模擬測試,對於確保產品的成功開發和效能需求,奠定了良好的基礎。汽車試驗場可重現汽車行駛過程中遇到的各種道路和駕駛場景,是驗證測試汽車效能的重要手段。因此,國外已建立了眾多的汽車試驗場,如美國阿伯丁試驗場與Milford試驗場、德國ATP試驗場、英國MIRA試驗場等[1]。中國於1958年始,先後建立了海南試驗場、襄陽試驗場、定遠試驗場、中汽鹽城試驗場、上汽通用泛亞廣德試驗場、重慶西部試驗場等[2-3]。搭建實際場地進行測試驗證耗資巨大,且會受到時間和天氣等不可控因素影響。
隨著計算機模擬技術的發展,使在VR場景下透過駕駛模擬系統進行汽車相關的模擬模擬測試成為了可能。豐田交通研究所的Mimura等[4]在虛擬道路上透過駕駛模擬系統研究高齡人士開車時限速的必要性;美國弗吉尼亞大學Brown等[5]在虛擬環境下,透過模擬駕駛系統測試自動駕駛車輛對於正常人駕駛的影響;美國愛德華大學的Brown等[6]透過NADS在虛擬場景下測試不同的酒精濃度對駕駛的影響。
駕駛模擬系統採用傳統的視景顯示會造成顯示視角固定及畫面顯示粗糙等問題,因此,提出了一種基於VR試驗場景的駕駛模擬系統研發方案。參照墊江某汽車綜合試驗場等比例建立了3DsMax模型,並使用HTCVive和Unity3D搭建虛擬現實顯示系統。採用LabviewRT和Carsim構建汽車動力學模擬模型,實現了駕駛模擬在虛擬現實模擬條件下的人機互動。模擬結果表明:所構建的駕駛模擬系統實現了預期的開發功能和需求,場景顯示良好,並可給予駕駛員更廣、更自由的駕駛視角。
1 汽車綜合試驗場建模
1.1 高速環道建模
汽車試驗場中的高速環道可供試驗車進行連續高速行駛。文中高速環道設計形狀為長圓形,其三維模型的設計可分為水平面線型和橫斷面線型,見圖1所示。
圖1：高速環道3D模型
1) 水平面線型設計。水平面線型一般由直線段OM、緩和曲線段MN、圓曲線段NE組成。直線段曲率為0,圓曲線段曲率為1/r,緩和曲線段能使圓曲線和直線之間的曲率平滑過度,是水平面線型設計的重點。
2) 橫斷面線型設計。由於高速環道的最高車速較大,需設計橫向超高角β(坡度傾角)抵消汽車高速行駛時產生的離心力。圓曲線段NE的橫斷面線型設計。該試驗場設定了4條高速環道,車道至內向外,車速分別為80、120、160、200km/h。車速不同,則其橫向超高角不同,因此選擇3次拋物線作為橫斷面曲線(見圖1(b)橫斷面線型所示),使環道橫斷面間車速分佈得更為連續均勻。以第一車道邊界作為圓曲線橫斷面曲線起點,以曲線在每條車道中心線的一階導數為該車道橫向超高傾角的正弦值,求解該曲線方程。緩和曲線MN段的橫斷面型設計。由於緩和曲線各點曲率不同,則其橫斷面曲線方程不同,為避免曲線方程過多,以造成建模三角面過多,並引起場景渲染卡頓,所以只在緩和曲線段距起點每間隔40m處計算其橫斷面線型方程。3DsMax中基於水平面線型及橫斷面線型設計的汽車試驗場高速環道模型見圖2所示。
圖2：高速環道3D模型
1.3 其他試驗道路建模
該試驗場中還有直徑300m的動態試驗廣場,用於動態轉向、最小轉彎半徑、直角轉彎試驗;測試路段長400m,3車道,寬9m的舒適性道路,用於車內噪聲、平順性測試、異響測試評價;車道總長約4280m,2車道,寬8m的綜合評價道路,包含多種不同半徑彎道、不同縱向坡度坡道,用於整車效能主觀評價、磨合試驗等;車道總長約2000m,寬15m的基本效能環道,用於動力性測量、掛檔滑行測試、直接加速效能測試等。最終搭建起的完整汽車綜合試驗場模型見圖3所示。
圖3：汽車綜合試驗場道路模型
2 基於VR的汽車試驗場顯示
2.1 基於虛擬現實的視景顯示系統
駕駛模擬系統的傳統視景顯示中存在著顯示視角固定或畫面較為粗糙等問題。而結合VR技術及物理模擬引擎可搭建出視角自由、畫面精細的視景顯示系統。筆者在分析目前基於VR的視景顯示方案的基礎上,採用HTCVive作為虛擬現實開發硬體,透過雙目雙屏的影象視角差形成立體視感。雙屏解析度為2160×1200,畫素密度為447PPI,重新整理率為90Hz,能滿足人眼視覺的高畫質顯示。
採用Unity3D作為虛擬現實開發軟體。Unity3D對DirectX和OpenGL等底層圖形API具有高度最佳化的圖形渲染通道,並內建有基於開源SDKOpenVR構建而成的SteamVR外掛,支援VR硬體的接入和資訊封裝，方便了虛擬現實顯示系統的研發。虛擬現實視景顯示系統採用HTCVive作為顯示裝置,Unity3D作為圖形模擬及渲染引擎。虛擬現實系統顯示原理見圖4所示,HTCVive兩基站捕捉頭顯裝置運動,將運動資訊傳遞至Unity3D,其中的SteamVR再根據頭部旋轉資訊切換人眼實時所見畫面,並將其轉換為左右眼雙屏顯示,輸出至頭顯裝置,實現場景的3D立體顯示。
圖4：虛擬現實場景顯示原理
2.2 基於虛擬現實的汽車試驗環境搭建
實現了虛擬視景顯示後,還需在Unity3D中搭建完整的汽車試驗場環境,包括自然環境、試驗場測試道路、實時天氣系統。
1)環境地形。Unity3D中的Terrain工具可建立地形及設定地面紋理貼圖,並根據距離遠近切換顯示模型精細度,提高渲染速度。
2)試驗場道路。透過3Dmax完成汽車試驗場道路建模,考慮到模型的通用性,將其匯出為FBX格式,並匯入至Unity3DAsset中作為預製件,便於Unity3D中的管理與場景搭建。
3)天氣系統。天氣系統的建立主要運用了天空盒和粒子系統,可模擬出黃昏、夜晚的明暗顯示,以及雨天、雪天等不同天氣下的變換效果(見圖5)。
圖5: 場景渲染
2.3 基於虛擬現實的駕駛員所見畫面顯示
搭建了VR視景顯示系統及汽車試驗場景後,還需模擬出駕駛員的顯示視角,從而確定視角顯示畫面,並將該處畫面傳輸至頭顯裝置,使駕駛員具有三維沉浸感的視覺體驗。具體分為以下3個步驟完成。
1)Unity3D中駕駛員所見畫面顯示。為獲得駕駛員在汽車試驗場中的所見畫面,需建立Camera模擬模型。汽車試驗場環境下的所有物體在虛擬世界中都具有唯一世界座標,而Camera模型根據世界座標攝像機座標裁剪座標螢幕座標的座標變換,計算汽車試驗場中的模型在Camera中的顯示位置,並將Camera處的所見畫面實時顯示。在執行過程中將Camera模擬模型放置於駕駛員人眼處,即可模擬出駕駛員的所見畫面。
2)HTCVive中駕駛員所見畫面顯示。SteamVR的CameraRig已整合Camera模擬模型,在設定了CameraRig的各項屬性後,便可實時調取CameraRig處的顯示畫面,而後將其轉換為左右眼分屏的VR顯示,透過HDMI線傳輸畫面至HTCVive頭顯螢幕中,實現VR頭顯處的駕駛員所見畫面重現。
3) HTCVive中駕駛員所見畫面切換。隨著駕駛員頭部的位姿變化,頭顯裝置的座標資訊會透過SteamVR傳輸至Unity3D中,並實時更新CameraRig位姿,透過CameraRig在汽車試驗場景下的座標變化來改變頭顯裝置中的顯示畫面,保證駕駛員的所見畫面跟隨頭部運動而變化。
3 基於VR的駕駛模擬系統研發
3.1 駕駛模擬系統架構設計
駕駛模擬系統是在人車路環境下的閉環模擬系統。但基於VR的汽車試驗場景不能直接建立汽車動力學模擬模型,反映出汽車的運動狀態,還需結合Carsim及LabviewRT搭建汽車動力學聯合模擬平臺。駕駛員根據VR頭顯裝置中的虛擬場景來操縱羅技G27,透過汽車動力學模擬平臺採集駕駛員操控裝置訊號,結合整車動力學模型及虛擬道路,解算出實時的汽車位姿資訊,併發送至Unity3D,以驅動虛擬汽車運動。同時Unity3D根據頭部位姿資訊,並透過座標變換和SteamVR,實現駕駛員在頭顯裝置中的所見場景切換,從而形成閉環模擬。
3.2 駕駛模擬系統中駕駛操控裝置
羅技G27作為駕駛員操控裝置,透過USB介面及羅技驅動連線至HostPC中。由HostPC的Labview程式採集方向盤及踏板資料,並對採集到的資料進行預處理,使其適應車輛動力學模型輸入。
3.3 駕駛模擬系統中汽車動力學模擬平臺架構
本駕駛模擬系統採用了基於LabviewRT及CarSim的聯合模擬架構搭建車輛動力學實時模擬平臺。LabviewRT模擬環境由軟體Labview和硬體NIPXI8108兩部分構成。Labview是一種使用圖形化程式語言的開發環境,NIPXI8108為NI公司的高效能實時控制器。在HostPC端使用Labview的Real-Time模組開發LabviewRT程式,並透過乙太網將程式下載至NIPXI8108,從而建立實時執行環境。Carsim針對LabviewRT開發了3個子VI,分別為模擬初始化(*_Init.vi)、單步迭代(*_Step.vi)、模擬終止(*_Terminate.vi),以便巢狀入LabviewRT程式中,並在每一次模擬迴圈中可重複呼叫。
4 結論
根據汽車綜合試驗場標準引數,在3DsMax中等比例建立了墊江某試驗場模型,並結合Unity3D及HTCVive完成了VR視景顯示系統開發,透過LabviewRT及Carsim完成了汽車動力學實時模擬,最終完成了基於VR試驗場景的完整駕駛模擬系統研發。基於虛擬現實試驗場景的駕駛模擬系統中的場景較Carsim更為豐富,且與駕駛模擬系統的傳統單屏顯示相比,其FOV增加了22%~83%,其駕駛員前方的視角範圍從單屏的固定視角增加至自由的180°,駕駛顯示視角更廣、更靈活,符合實際駕駛狀態。
微美全息科學院成立於2020年8月，致力於全息AI視覺探索科技未知，以人類願景為驅動力，開展基礎科學和創新性技術研究。全息科學創新中心致力於全息AI視覺探索科技未知, 吸引、集聚、整合全球相關資源和優勢力量，推進以科技創新為核心的全面創新，開展基礎科學和創新性技術研究。微美全息科學院計劃在以下範疇拓展對未來世界的科學研究：
一、全息計算科學：腦機全息計算、量子全息計算、光電全息計算、中微子全息計算、生物全息計算、磁浮全息計算
二、全息通訊科學：腦機全息通訊、量子全息通訊、暗物質全息通訊、真空全息通訊、光電全息通訊、磁浮全息通訊
三、微整合科學：腦機微整合、中微子微整合、生物微整合、光電微整合、量子微整合、磁浮微整合
四、全息雲科學：腦機全息雲、量子全息雲、光電全息雲
以下是微美全息科學院的部分科學家成員：
郭松睿，湖南大學計算機科學技術工學博士，曾在中科院科學計算國家重點實驗室 合現實技術研修班 學習混合現實，增強現實技術，參與研發多個重點專案。
江濤，中國科學院瀋陽自動化研究所博士，機器人學國家重點實驗室，研究方向為微型仿生飛行器的氣動/結構設計、控制與系統開發，在2018年獲得 ICRCA-2018 機器人 EI 國際會議"最佳論文獎"。
楊軍超，重慶郵電大學通訊與資訊工程學院資訊與通訊工程專業博士研究生，華盛頓大學電子工程學院聯合培養博士，長期研究虛擬現實、5G多媒體傳輸最佳化、基於MEC的智慧轉碼最佳化，以第一作者發表SCI/EI 論文 6 篇，中文核心 1 篇，申請專利 4 項。
李維娜 ，2017 年博士畢業於韓國忠北國立大學的資訊和通訊工程學院。2017 年 8 月去了新加坡的 Singapore-MIT Alliance for research and technology centre(SMART)從事壓縮全息（compressive digital holography）的博士後工作，2018 年 11 月進入清華大學深圳國際研究生院的先進製造學部，在以前工作的基礎上把數字全息（digital holography）拓展到機器學習（machinelearning）領域，特別是對 U 型網路（U-net）的改進和應用。在上述研究領域以第一作者發表高水平論文 5 篇，以第二作者發表的高水平論文2 篇。
曲曉峰，香港理工大學博士，現任清華大學深圳研究生院博士後，主要研究生物特徵識別、機器視覺、模式識別，與綠米聯創合作進行嵌入式產品演算法、深度學習應用、影象與影片相關演算法以及生物特徵識別相關產品的開發。
危昔均，香港理工大學康復治療科學系博士，南方醫科大學深圳醫院虛擬現實康復實驗室負責人，主要研究基於虛擬現實技術的康復系統搭建及相關臨床和基礎研究。
單羽，昆士蘭科技大學數字媒體研究中心（澳大利亞）博士，研究方向為虛擬現實娛樂產業與亞洲創意經濟，曾參加多場虛擬現實產業的國際學術會議並發表主題演講，發表多篇以“虛擬現實藝術”相關的學術論文，並參與國內多個虛擬現實娛樂產業領域的專案研究。
劉超，新加坡南洋理工大學博士，是深圳市南山區領航人才，深圳市海外高層次人才孔雀計劃C類, Molecular Physics 2011年度最佳年輕作者提名，主要研究方向為人工智慧預測過渡金屬氫化物金屬氫鍵鍵長與解離能和環式加成反應中量子力學/分子力學反應機理研究，曾參與過流程模擬軟體的開發與研究。
張婷，美國西北大學博士後，香港大學博士，海外高層次人才孔雀計劃C類，主要從事VR/MR關鍵技術研發應用和複雜服務系統最佳化等研究，發表全息專利5項。獲全國＂挑戰杯＂創業計劃大賽 湖北省一等獎，華中科技大學一等獎。
李慶普，上海理工大學博士，在虛擬現實領域有豐富的研究經驗及專案實踐經驗，曾參與基於計算機觸覺技術的虛擬醫療模擬技術研究、汽車模擬駕駛模擬研究、多體感VR硬體研發及VR實訓安全教育等多個專案。其已發表多篇相關論文並取得多項專利。
微美全息科學院旨在促進計算機科學和全息、量子計算等相關領域面向實際行業場景和未來世界的前沿研究。建立產研合作平臺，促進重大科技創新應用，打造產業、研究中心深度融合的生態圈。微美全息科學院秉承“讓有人的地方就有科技”為使命，專注未來世界的全息科學研究，為全球人類科技進步添磚加瓦。
微美全息成立於2015年，納斯達克股票程式碼：WiMi。
微美全息專注於全息雲服務，主要聚集在車載AR全息HUD、3D全息脈衝LiDAR、頭戴光場全息裝置、全息半導體、全息雲軟體、全息汽車導航、元宇宙全息AR/VR裝置、元宇宙全息雲軟體等專業領域,覆蓋從全息車載AR技術、3D全息脈衝LiDAR技術、全息視覺半導體技術、全息軟體開發、全息AR虛擬廣告技術、全息AR虛擬娛樂技術、全息ARSDK支付、互動全息虛擬通訊、元宇宙全息AR技術，元宇宙虛擬雲服務等全息AR技術的多個環節，是一家全息雲綜合技術方案提供商。
