环境感知学习车辆仿真平台在虚拟现实中的应用

Kuei-Shu许

嘉南药理大学，台湾

姜金凤，魏宏远，李宗汉

台湾金属工业研发中心

摘要

近年来，仿真技术在学习中的应用受到了广泛的关注，但目前对汽车驾驶仿真系统的研究还很少。在本研究中，我们开发了一个车辆驾驶模拟系统，以协助新手练习驾驶技巧。具体来说，车辆驾驶仿真系统是根据行驶过程中可能遇到的各种驾驶环境因素，包括道路、时间、天气、环境景物、交通流、驾驶员车辆等进行设计的。此外，为了提高车辆驾驶仿真系统的真实感，在研究过程中对软件和硬件进行了重新设计和更新，特别是为了增加仿真环境的真实感和未来驾驶仿真系统的扩展。因此，驾驶员可以构建自己必要的驾驶情境，从而提高自己的驾驶技能。在视觉仿真环境中进行实验可以减少驾驶员的外部因素，并且可以重复进行，因此通过视觉仿真技术进行研究是一种更好的方法。

关键词：虚拟现实，感知学习，车辆仿真平台

简介

虚拟现实在电脑游戏和手机中的应用目前在互联网上很流行。当用户在虚拟现实场景中模拟一个行驶车辆的场景时，可以使用多个摄像头对用户进行观察。此外，对于在这种情况下行驶的车辆的工况分析，除了环境因素和外部可变条件外，还可以通过情景模拟来测试用户的响应、动作变化等。此外，它可能是开发汽车设备和零部件的标准。用户习惯可以通过虚拟现实的直接操作获得。

驾驶仿真系统采用虚拟现实技术对真实车辆的驾驶行为进行仿真。虚拟驾驶技术以其安全、经济的优势，可以替代部分真实的车辆训练，正日益受到人们的欢迎。训练型驾驶模拟器能够正确模拟驾驶行为，使用户获得与真实车辆训练相同的体验，提高训练的质量和效率。

虚拟智能车辆首先必须能够正确地在道路上行驶。智能车辆必须区分虚拟场景的预定义道路网络，因此必须以智能车辆能够识别的方式描述道路网络数据。现实世界中的巷道是多用途的，但即使是最复杂的巷道，也可以分为不同半径的直线巷道和弧形巷道。本文将实际巷道分为直线巷道、顺时针弧形巷道和逆时针弧形巷道三种类型。每一种道路类型都有自己的坐标系，以o点为原点。原点设置在右侧车道的起点，方便与其他会话的连接。道路网络描述是定义每个会话的参数(属性)。

本文以立体视觉系统在虚拟现实系统中的应用为研究对象。计算机视觉系统可以大致分为平面视觉和立体视觉，这两种视觉在估计图像中目标物体的深度信息(也称为深度感知)的能力上是不同的，因此计算机视觉系统更加实用。实际应用有很多，如遥感监测、医学图像处理、机器人视觉系统、军事侦察、矿产勘探、地图学等。近年来，计算机视觉系统在理论和应用上都取得了长足的进步图像处理或实用算法应用程序。然而，仍然有许多核心计算机可视化与人类视觉相媲美的技术有待突破系统(Klancar, Kristan, and Karba,2004;KaewTrakulPong,鲍登,2003)。利用图像变换、图像增强、阈值化、滤波、边缘检测、细化等图像处理方法，CCD(电荷耦合器件)相机可以将空间中的三维立体对象捕获为二维平面图像。使其成为一种有用的图像信息，用于特征提取、识别、视觉伺服等应用。（Tsechpenakis, Rapantzikos, Tsapatsoulis, and Kollias, 2004年）使其成为一种有用的图像信息，用于特征提取、识别、视觉伺服等应用(Bergasa, Alcantarilla, and Schleicher,2010)。Barab, Thomas, Dodge, Carteaux， amp; Tuzun, 2005;《Carleton-Hug, and Hug, 2010》。

文献状况：

bull;一个汽车驾驶仿真系统开发支持新手司机在练习自己的技能。

bull;提高汽车驾驶的现实仿真系统，特别是为增加仿真环境的真实感和对未来驾驶仿真系统的扩展。

bull;司机可以构建自己的必要以提高自己的驾驶技能。

本文对文献的贡献：

bull;Kinect是用于执行增强现实并针对驾驶员操作行为模型的反馈情况改进系统设计。

bull;采用3 d绘图软件建模和绘图，绘制整个街道和建筑模型。

bull;设计模拟和不同的情况评估以提高开发效率加上更多的安全验证测试平台。

3D VR在教育中的应用研究如下研究:Monahan, McArdle, Bertolotto， (2008) Chang, Chen amp; Hsu，(2011)在2007年开发了一款3D VR交互系统，用于辅助教师对学生进行光波的教学。2007年，Ranon公司将3D VR应用于医学教育培训，为医疗实习生进入医学领域提供了巨大的优势。Brenton等人在2007年利用3D VR进行解剖学教学，让学生熟悉解剖实践的要点，节省了大量的实验材料费用，同时也解决了环保问题。Crohn amp; Birnbaum在2010年开发了一套学习平台，指导学生学习手语，使手语的学习效果优于课堂的学习，因为学生处于3D VR领域。作者等人应用3D虚拟现实进一步教育和训练事故处理氢燃料站通过构造各种可能的事故在3D虚拟现实平台上通过知识经验丰富的氢燃料站建设员工,这样员工能理解标准的处理流程和故障排除在一次事故中。通过该3D VR平台，为氢燃料站运营人员的教育培训提供了一个完善的平台。Sampaio等人在2010年将3D VR与实物相结合应用于工程教育中，让学生了解工程建设的结构监控，并运用这些教学方法进行实际高效的学习。

本研究拟构建一个“车辆VR测试系统”，如图1所示。邀请了用户参加不同的环境变量下的a柱结构改进评价的试验。使用摄像机记录被测操作人员的情况，并在测试结束后填写相关的调查问卷。

无人驾驶

虚拟现实

编程

车辆

数据库

粒子系统

人

智能高效

系统集成

警报系统

图1 研究流程图

问卷调查和量化和定性观察的数据,未来的移动学习可以通过移动学习游戏系统结构研究人员提前添加各种变量进行评估测试,减少开发成本和不确定因素的发展,以达到提高新产品开发的好处。因此，本研究采用车辆载体和VR进行研究。

综上所述，将3D VR应用到汽车开发评价中是有可能的，这有利于提高产品开发的具体有效性。因此，本研究将Unity 3D游戏引擎与VR结合应用于汽车产品的开发。通过操作测试后的问卷调查，了解人们的接受程度。本实验的结果将有利于后续研究人员的研究开发。

研究方法：

在本研究中，我们使用了在驾驶中更常用的街道景观作为主要场景。使用Sketchup软件进行建模和绘图一个城市的整个建筑模型。绘制构建模型后导入Unity，制作虚拟现实界面。在场景方面，经过多次讨论后，我们决定会制作多个更有代表性的场景进行测试，以便更准确、更充分的多维数据收集。

本项目拟构建“增强现实驾驶考试系统”，该平台的功能包括虚拟现实和增强现实，是目前最困难的人机协同机器系统之一。在系统中，交互式运动模拟器允许驾驶员的行为模型进入虚拟场景，通过方向盘操纵车辆。将主动增强现实技术与增强现实技术相结合，提出两种不同的增强现实行动交互模型，邀请驾驶员对不同的突发情况进行实用性测试。为该项目建立了多个三维的街景环境模型。

因此，该项目旨在提供一种独特的优先开发方式通过测试驱动程序行为进行操作测试。首先，允许驾驶员在虚拟仿真环境下进行驾驶行为的分析，对驾驶员进行行为测试，也可以作为新开发汽车产品的测试平台。其次，虚拟现实作为一种教学工具，能够衍生出一种新的教学方法学习策略。即使操作员可能之前没有计算机经验，也可以很好地执行这种学习模型。虚拟现实允许学习者沉浸在学习体验环境中，这一事实使得驾驶员能够从产品开发的测试过程中提供有效的信息反馈。

虚拟现实驱动程序实时仿真：

汽车虚拟现实a柱结构测试系统的实验研究

本文研究的车辆的a柱结构验证了虚拟现实系统，同时模拟了车辆a柱结构的改进。利用计算机辅助建模软件构建虚拟场景，构建真实的街道和虚拟环境，首先在Unity3D虚拟现实系统中采用模型构建的方式呈现，对比不同的车辆A柱结构和环境变量，测试和评价开发效益。同时，在虚拟现实系统中，加入各种突发情况仿真，将仿真环境的数据与驾驶车辆用户的真实数据进行相互比较，为a柱结构设计及后续改进提供开发人员参考规范。采用Unity3D游戏引擎进行集成仿真。通过场景中的测试和操作数据以及它们的运动行为，随后应用多个不同的环境变量。在一般的驾驶过程中，a柱结构对驾驶员产生影响，导致事故发生。分析了各环境变量对汽车a柱结构变化的影响，以及测试人员对不同a柱结构的视觉冲击角度，以提高汽车a柱开发的开发效益，降低开发成本。

背景变量项a柱结构改进车辆虚拟现实评价测试系统使用动机的说明性统计

通过问卷调查，剔除无效调查，获得100个可行调查。由表1可知，在“性别”背景变量项中，共有两组，分别为“男性”和“女性”。共有100名测试者，其中“男性”组50人占全部测试者的50%，“女性”组50人占全部测试者的50%。从以上数据中可以看出，两组测试人员在“性别”背景变量项上的人数相当接近。“主要使用目的”背景变量项共分为“目标”、“娱乐”、“开发”三组，其中“目标”组30人，占总人数的30%测试人员;“娱乐”组37人，占测试人员总数的37%;3人属于“开发”组，占所有测试人员的33%。从以上数据表明，三组测试人员的分布比较均匀在“主要用途”背景变量项中，如图2所示。

表1：不同背景变量项的说明性统计摘要表

背景变量项	组别	数量	百分比
性别	女性	50	50%
	男性	50	50%
主要使用目的	目标	30	30%
	娱乐	37	37%
	发展	33	33%

图2 图3 不同天气的驾驶行为-晴天

车辆虚拟现实评价测试系统使用动机的单因素方差分析

对于三组不同主要使用目的的个体方面和整体而言，对于整车虚拟现实a柱结构改进测试系统的使用动机评价，各组测试人员在“娱乐动机”、“开发动机”、后对比两个关联量化表中均存在显著差异。在“娱乐动机”方面的后比较中，“发展动机”的方差是同质的，方差分析的F检验达到显著差异。采用Games-Howell方法的后对比结果进行后对比。测试人员的主要使用目的是“开发”，其社会动机优于“目标”和“娱乐”。在“开发动机”的事后比较中，由于“开发动机”同质性的方差以及方差分析的F检验达到显著差异，测试人员主要使用目的为“娱乐”的娱乐动机明显优于“目标”和“开发”。综上所述，在车辆虚拟现实a柱结构改进评价测试系统中，娱乐和开发仍然是激励测试人员的主要目的。

汽车产品测试系统激励并发情况分析

总体而言，有驾驶经验的驾驶员在整车产品测试系统中处于中等水平，平均得分在3.62 - 3.80之间(表2)。在“娱乐动机”方面，平均得分为3.62。在“目标动机”中，平均得分为3.80。在“可能性动机”方面，平均得分为3.66分。结果表明，在Unity 3D VR整车产品测试系统中，有驾驶经验的驾驶员在娱乐动机、目标动机和可能性动机方面处于中等水平(平均分为3分)。

表2 汽车产品测试开发动机各方面描述性统计汇总表

方面	最小值	最大值	平均	标准偏差	顺序
娱乐动机	1	5	3.62	0.81	3
目标动机	1	5	3.80	0.67	1
可能性动机	1	5	3.66	0.73	2

汽车产品测试系统使用动机的产品弯矩相关分析

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英语原文共 9 页

资料编号：[4741]