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基于虚拟现实的汽车驾驶模拟器建模技术研究

作　者: 周慎
导　师: 陈定方
学　校: 武汉理工大学
专　业: 机械制造及自动化
关键词: 汽车驾驶模拟器虚拟现实建模 Quest3D ODE
分类号: U471
类　型: 硕士论文
年　份: 2005年
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内容摘要

目前,驾驶员非职业化已成为我国交通行业的一个新特点,这就使得培训大量非职业驾驶员的工作变得比较紧迫。然而,按部就班的传统驾驶培训方法太过于呆板和僵化,在讲求时间和效率的社会显然不适合面向大量非职业化驾驶员和有特殊驾驶要求的培训,此外,实车培训需消耗昂贵的油料,还要加上大量的维修费等,而且新驾驶员因操作不当给环境带来的噪音和污染都比熟练驾驶员高得多,这些都是非常现实的,也是迫切需要解决的。汽车驾驶训练模拟器正是这样一种既能提高驾驶员培训水平,又可以降低各种费用的最为有效的训练工具。虚拟现实是一种先进的计算机界面技术,它通过给用户同时提供诸如视觉、听觉、触觉等各种直观而又自然的实时感知交互手段,最大限度地方便用户操作,减轻用户负担,提高整个系统的工作效率。将虚拟现实技术应用于汽车驾驶模拟训练系统中,通过计算机产生汽车行驶过程中的虚拟视景、音响效果和运动仿真,使操作者沉浸在虚拟驾驶环境中,根据虚拟驾驶环境提供的视觉、听觉、触觉感受,构想其驾驶动作,体验、认识和学习现实世界中的汽车驾驶,显然具有节能、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,开发汽车驾驶训练模拟器具有重大的社会和经济意义。本文正是从这个角度出发,在国内首次应用虚拟现实开发软件Quest3D开发汽车驾驶训练模拟器视景系统软件,采用软件工程的思想,研究了针对虚拟现实应用下几何模型和物理模型的建构方法。讨论了3dsMax建立的多边形几何模型与通用图形库DirectX所接受的.X模型的转化与优化问题;在分析了3dsMax高级的全局光照明原理的基础上,将在传统三维动画领域应用的光能传递与贴图烘焙技术应用到本次汽车驾驶模拟器虚拟场景中,最大程度地挖掘了各个软件的潜力,并解决了以往汽车驾驶模拟器视景系统图形界面单一、图形实时交互性和沉浸感差等问题。同时,以虚拟现实中物理建模理论为背景,采用先进的动力学引擎ODE,实现了具有一定物理特征的虚拟汽车模型。本论文视景系统场景模型的建立与优化过程和基于ODE的车辆物理学模型的实现不仅适合于汽车驾驶模拟器视景系统的开发,而且同样适应于坦克模拟器与虚拟战场系统模型等的建立与实现。

全文目录

第1章绪论  8-14
  1．1 引言  8-9
  1．2 汽车驾驶训练模拟器的分类  9-10
  1．3 国内外发展状况  10-12
    1．3．1 国外发展状况  10-11
    1．3．2 国内发展状况  11-12
  1．4 本论文研究内容  12-14
第2章虚拟现实系统综述  14-23
  2．1 虚拟现实技术概要  14-17
    2．1．1 虚拟现实的特点  14-16
    2．1．2 虚拟现实技术发展概况  16-17
  2．2 虚拟现实中的建模方法  17-18
    2．2．1 建模方法综述  17
    2．2．2 虚拟现实建模的特点  17-18
  2．3 汽车驾驶模拟器中的建模技术  18-19
  2．4 基于PC虚拟现实系统的确定  19-23
    2．4．1 虚拟现实系统的分类  19-20
    2．4．2 基于PC的软硬件平台  20-21
    2．4．3 开发环境简介  21-23
第3章系统几何建模方法  23-36
  3．1 概论  23
  3．2 系统几何建模总体思路  23-24
  3．3 计算机图形学中的几何模型表示方法  24-25
  3．4 三维几何建模方法分析与比较  25-31
    3．4．1 几何建模方法的数学原理  25-30
    3．4．2 软件中的几何建模特点比较  30-31
    3．4．3 几何建模方法小结  31
  3．5 车辆几何模型建模实例  31-36
    3．5．1 准备工作  31-32
    3．5．2 创建整体外观轮廓  32-33
    3．5．3 模型细化  33-34
    3．5．4 小结  34-36
第4章模型的转换和优化研究  36-60
  4．1 引言  36
  4．2 核心技术解析  36-41
    4．2．1 通道(channel)的概念  36-38
    4．2．2 通道的组织  38-39
    4．2．3 特定通道介绍  39-41
  4．3 QUEST3D中对．X模型的分析  41-42
  4．4 3DSMAX中建立与优化．X模型的讨论  42-46
    4．4．1 建模要点  43
    4．4．2 材质要点  43-45
    4．4．3 纹理要求  45-46
  4．5 图形绘制驾驶室内景  46-48
    4．5．1 Oveday方法  46
    4．5．2 Stencil buffer方法  46-47
    4．5．3 Z buffer方法  47-48
  4．6 全局光照分析与实现  48-60
    4．6．1 全局光照概述  48-49
    4．6．2 光线跟踪与光能传递  49-51
    4．6．3 光能传递的实现  51-54
    4．6．4 贴图烘焙技术  54-60
第5章基于 ODE的车辆物理及行为建模与实现  60-85
  5．1 概述  60
  5．2 ODE公开动力学引擎  60-61
  5．3 物理建模基础理论  61-69
    5．3．1 时间模型  62-64
    5．3．2 空间模型  64-67
    5．3．3 质量模型  67-69
  5．4 碰撞检测  69-71
  5．5 车辆动力学模型实现  71-82
    5．5．1 模型简化分析  71-72
    5．5．2 刚体的连接机制  72-76
    5．5．3 通道实现  76-82
  5．6 在道路交通设计与评估中的应用  82-85
第6章总结与展望  85-87
致谢  87-88
参考文献  88-91
攻读硕士期间参加的科研项目和发表的论文  91-92
附录  92

基于虚拟现实的汽车驾驶模拟器建模技术研究

内容摘要

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