微美全息科学院：虛拟现实技术在车辆驾驶培训系统的应用

    国民经济高速发展时代，人们用车增多，交通安全问题随着机动车的数量变多愈发严峻。汽车保有量和需求与日俱增对导致驾驶培训需求迅速增长，同时也提出了更高的要求，传统的驾驶培训行业面临巨大的压力与挑战。

    目前，非沉浸式虚拟现实驾驶培训系统己经被广泛应用到驾驶技能培训以及交通安全教育领域，这种方式用基于驾驶培训具有方便快捷、操作简单等优点，而且还能够以逼真的驾驶场景高度还原真实训练场地，有效提升学员学习驾驶技能的效率与体验，这给汽车驾驶培训行业提供了新的途径。作为纳斯达克上市企业“微美全息US.WIMI”旗下研究机构“微美全息科学院”的科学家们认为，随着这两年来vr虚拟现实应用市场占有率持续上升，全行业应用容纳量也开始迅速扩张，因此vr技术已经正式入驻驾驶培训领域。以下是微美全息科学院的科学与技术的融合性观点，对“虚拟现实技术在车辆驾驶培训系统技术”具有前沿性指导意义。

    1、背景介绍

    驾校培训是获取驾照的传统培训方式，但是驾校培训质量参差不齐，有些驾校出现培训车辆数额紧张、培训时间仓促、培训预约难等问题，由于驾照考试报考人数庞大，市场杂乱，胡乱收费现象一定程度上助长了应试培训，培训质量难以获得保证。培训机构为迎合报考人数逐年增加的市场趋势，往往会扩大招生，因此会出现教练紧缺，场地空间有限，车辆损耗巨大等现象。本应一对一进行教学指导的教学方式被打破，一对二，一对多的情况屡见不鲜，在此情况下，单个学员驾驶练习的场地安排也不断缩小规模，教学质量不佳的担忧迫在眉睫。学员大幅度增加的同时，车辆的使用率不断攀高，车辆修理和报废增加了驾校的投资成本，而燃料耗费造成的污染问题也不可小觑。因此，保证教学质量，保障交通安全，乃至减少培训车辆的污染问题，都可在驾驶培训领域采用先进的技术，改善和优化车辆驾驶培训考试。基于虚拟现实技术的驾驶系统有以下几点优势：

    （１） 广阔的应用前景

    传统虚拟驾驶技术无疑可以解决受训时间和地点会因为各种各样的原因而受限的问题，其培训过程简单高效，不但操作简单，还能节约学员的时间。同时，因其考试硬件价格随着科技的发展和完善不断地下降，提供技术支持的VR技术发展迅速，虚拟驾驶考试培训将成为驾驶培训领域的一场全新的变革和主流。

    （２）重要的学术价值

    研究驾驶人员在驾驶中的行为习惯和性格特点对提高培训效果尤其是保障道路安全来说具有非常重要的意义。驾驶人的实时驾驶能力可以从车辆的状态信息中得到一定程度的体现，实验群体的样本在采集计算中确定了基准驾驶能力的相关标准，驾驶能力的评测需要相关标准的参照，可利用多方参照标准来测评培训效果。对比参照标准可使驾驶技能、驾驶习惯得到进一步规范。其他相关领域在此类相似问题上同样可以借鉴该解决方法，有助于相关领域之间相互沟通借鉴和交叉融合，对推动科研创新发展具有深刻的指导意义。

    2.虚拟现实技术与车辆驾驶培训系统的结合

    驾驶培训系统以虚拟现实技术为基础，结合体感交互技术、场景模拟技术，三维显示技术，不仅能够为用户提供视觉、听觉、以及触觉感知，而且还可以实现在用户与虚拟场景的自然交互，使驾驶环境可以与真实驾驶环境高度相似，驾驶者的所见，所听以及动作触感都与正常驾驶一般高度相似，才能获得真实的沉浸感。在设计模拟驾驶系统时，应首先考虑在项目应用中应遵循的技术原则主要方面如下：

    （1）安全性：由于在与系统进行交互时，体验者需要做出一些肢体动作。因此，系统应严格遵循安全原则，确保系统的整体安全和体验者在体验过程中的安全。

    （2）稳定性：不可否认如果一个系统在运行过程中出现间断将会使驾驶体验降低，所以我们要系统实现稳定性目标。它要求系统在体验过程中具有不间断的运行能力，体验后平台将保持稳定。保证了大量体验者体验系统的稳定运行。

    （3）实用性：系统的设计需要满足用户的体验要求，让用户充分体验整车驾驶的实用性和真实性。虚拟现实场景要美观、实用、简单易操作，给用户呈现360度无死角的模拟驾驶场景。

    （4）先进性：在系统的方法设计、软件及硬件的选择都采用了目前最先进的技术，不仅保证了系统功能的可靠性，同时还使其整体水平达到国内同行的领先水平。

    （5）灵活性：系统整个支撑平台都采用了标准接口，维护方便，扩展灵活。系统的每个部分都是模块化的。当系统出现问题时，损坏的模块可以很容易的更换，系统可以在最短的时间内修复。

    此外，驾驶模拟器作为主要的输入设备，用于为虚拟现实系统提供输入信号，控制主控车辆，如图1所示。输入模块主要包括以下6个方面：

    （1）方向盘，虚拟场景中车辆的运动方向由方向盘的旋转角度控制。方向盘角度采用了与真实汽车模拟完全一致的设计，顺时针和逆时针均可转动1.5圈。

    （2）加速踏板，根据行车条件，通过调节加速踏板角度控制虚拟场景中车辆的速度；

    （3）离合器，辅助车辆启动和换档；

    （4）刹车踏板，通过调整刹车板的角度控制虚拟场景中车辆的运动速度；

    （5）换档操作杆，通过变换档位，以实现控制虚拟车辆的前进和倒退行驶；

    （6）手刹，辅助完成减速和停车。

    图1模拟架势器示意图

    虚拟现实技术目前发展较为成熟，被广泛应用到很多领域，且其有效性在应用实践中得到进一步证实，因此本文以虚拟现实技术为基础进行设计开发。虚拟现实是计算机技术为核心，计算机技术可以处理所有的视觉的，听觉的，触觉的相关信号，并把这些信号所产生的信息进行集成和处理，通过控制相关的设备就可以和计算机进行自然，并且计算机能够模拟出虚拟交流对象，跟计算机的交互过程在用户看来就是跟虚拟对象相互交流，从而产生就在现实世界一样的感觉。如图2所示，是虚拟现实系统的一般组成。

图2虚拟现实系统的一般组成

    虚拟现实系统主要四个主要部分，不同的部分分别执行不同的功能系统输入和系统输出部分体现了信息的交互过程，追踪用户的动作或者行为，将其转化为电脑软件能处理的输入信号，所以软件平台的任务就是利用算法和程序计算并分析每一个输入信号，三维模型数据库的作用就是根据软件的控制不断的更新数据库，选择适合向用户展现的场景元素，而在该系统设计上要保证用户收取输出信号的操作非常简单，在这种设计要求上，VR头盔或者一些三维显示设备都非常适合设计上的选择。

    （１） 输入模块：本文所设计的驾驶培训系统包括多个输入渠道，例如，采集驾驶模拟器的信息、体感交互设备捕捉用户手部动作数据以及ＶＲ头盔采集的用户头部等输入信息。

    （２） 输出模块：虚拟现实系统的研究目的是能理解并模拟人类器官的一些。动作通过设备给予用户相应的反馈，用户的操作会在该情形下产生什么样的后果，会听到什么，看到什么，或者触摸到什么，都是系统的输出设计上要考虑的，所以三维的立体的声音效果，图像视觉效果或者触觉效果的设计处理既要灵敏又要恰到好处。

    （３） 虚拟现实软件平台：虚拟环境的所有设定都是给用户服务的，用户的位置变化或者其他操作变化都能改变场景渲染的角度，相应的提供模拟现实环境的数据的数据库也会发生改变，因此输出的相关控制就从输入信号开始经由软件平台传递给了输出设备。

    （４） 三维模型数据库：系统的虚拟对象都是由完整的数据库组成，包括形状，光照，参数等相关数据集合，但是每一个操作者的操作数据都有所不同。因此，数据库信息将根据用户的操作内容不断更新。

    3.驾驶模拟器国内外研究现状

    计算机技术高速发展的支持下，使得普通的电脑也可实现以往只能在专业显像图形的工作平台上才能实现的虚拟现实技术。虚拟驾驶培训系统主要包括虚拟训练场景、汽车动力模型、三维显示系统、声音播放系统、人机交互系统、汽车运动控制模块、评测模块7个模块。

    国外的模拟驾驶技术一开始只提供给航空驾驶的相关训练，模拟驾驶的概念也是在这个过程中被提出的，随着相关技术领域和应用市场的发展和兴起，特别是在ComputerGraphic（计算机图形学）及其成像学方面的重大科研成果，让早期主要用于航空等重要领域的模拟驾驶技术能够逐渐应用到汽车驾驶训练与国内相比，国外比较早的就在相应的领域进行开发研究，并且研究水平一直领先日本和欧洲等发达国家很早就在驾驶模拟器的研究和开发上投入了大量资金，他们己经批准了使用驾驶训练模拟器来评估驾驶员驾驶能力的方法，并对模拟器的使用进行了立法规范。日本和西欧各国利用立法规范和资金推动使模拟驾驶技术迅速发展。他们将驾驶模拟测试应用到事故预防中，采用同类型的驾驶模拟器来评价驾驶员应对突发状况和避免事故的能力，日本丰田汽车公司自主研发的驾驶模拟器如图3所示。

    驾驶和车辆行驶的模拟都在ＶＲ空间进行，逼真的画面立体视觉，以其高精度的视觉感受创造驾驶的真实感，搭配小振幅高应答电动运动平台系统和驾驶座舱模块硬件系统，整合成了首台大型驾驶模拟器。该模拟器使用的系统通过构建数学模型来监测人体反应和感性特点。图4是日本丰田公司推出的一款高度还原实际驾驶体验的汽车模拟器，在当时处于国际顶尖水平，奠定了丰田公司的领先地位，这款模拟器实现了对客户承诺的高仿真效果，获得了非常高的用户评价。

    为了迎合用户的新奇体验，这款模拟器是卡通造型，甚至为了使用户感受更加的有沉浸感。此外，这款驾驶模拟器高度还原了汽车驾驶操控设备，配置了实车完全一样的离合、减速踏板和加速踏板等硬件设备。并采用力反馈装置模拟不同路面的路感，这些细节之处足可以看出产品研发者的用心。

图3丰田汽车的架势模拟器

图4大型5屏幕CAVE

    国内的汽车模拟器最初只能引进国外的现成设备，我国在汽车模拟相关领域的研究起步是比较晚、发展慢并且相当艰辛。我国最早引进的驾驶模拟器是从捷克进口的，其显示方式是点光源平板投影，只提供了简单的道路平面场景，没有三维立体的上坡或者过桥的情景模拟。直到1970年之后，我国才开始从不断引进模拟器的窘迫局面进入自主研发阶段，设计开发了属于自己的第一台汽车驾驶模拟器，实现了从无到有的突破。虽然当时日本和西欧各国实现了汽车模拟驾驶器市场化，在此研究背景下，我国各大研究机构和企业开始投入巨大精力进行驾驶模拟研究，其中主要包括在车辆专业较为领先的清华大学和吉林大学等著名高校，同时随着计算机图形、图像学的发展，我国也近年也在模拟驾驶领域进步迅速，成果丰硕其中包括了许多具有代表性的研发成果，例如MCGI-9410T计算机成像系统与QM-CUI驾驶模拟器，这两款产品分别由京航空航天公司和航空精密研究所设计开发研究成果如雨后春笋般出现，在此热潮的推动下，众多的中小型公司开始把产品投入市场销售，比如北京宜爱和安徽三联这种代表性公司。

    4. 研究展望

    虚拟现实技术在21世纪已发展成熟，并应用于各大平台，在驾驶培训领域引进虚拟现实技术己成为可能，VR技术给驾驶培训考试增加了新的培训方法，该方法通过VR技术的交互性特点，沉浸式特点和想象性特点来帮助培训人员建立置身于培训场景的真实感体验。头戴式VR设备在听觉和视觉以及触觉上能提供给驾驶人员身临其境的驾驶体验，而设备成本相对、传统驾驶培训来说要低的多，这使得头戴式可穿戴设备在虚拟驾驶培训领域应用的可能性大大提高。而无实地操作的VR技术可模拟一些危险场景，规避一些突发状况造成的不安全隐患。

    虚拟驾驶模型虽然可以解决传统驾驶考试培训中的一部分安全问题，但驾驶模型自身的不足之处仍需要改善。综上所述，驾驶培训上应用ＶＲ技术的前景非常广阔。