汽车驾驶训练模拟器视景系统软件的研究与开发
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摘要
目前，驾驶员非职业化已成了我国交通行业的一个新特点，这就使得培训大量非职业化驾驶员的工作变得比较迫切。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于面向大量非职业化驾驶员和有特殊驾驶要求的培训，另外，实车培训需耗费昂贵的油料，还要加上大量的维修费用等，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，而且是迫切需要解决的。
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。由于使用了计算机技术、控制技术、声响技术、机械工程技术、车辆工程技术和各种实车操纵件、仪表板等来逼真模拟车辆行驶环境和驾驶舱的环境，使受训人员可以有驾驶车辆的真实感觉。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，研制汽车驾驶训练模拟器就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MultiGen、OpenGVS软件和OpenGL图形库研究开发汽车驾驶训练模拟器视景系统软件，采用人机工程学思想设计了汽车驾驶训练模拟器系统方案，并在参考大量文献的基础上建立五自由度(侧向运动、横摆运动、车身侧倾、纵向运动和转向盘转角)汽车动力学模型，重点研究了视景系统软件的模型建立和软件实现。同时，对视景系统模型建立过程中所使用的消隐处理的BSP方法、纹理处理的MIP映射、明暗处理的Gouraud光照模型以及物体多细节等级(LODs)等实时图形处理的算法作了详细的探讨。尤其是对多通道的图形显示技术和图像运动的匹配一致性作了深入的研究，从而解决了以往汽车驾驶训练模拟器视景系统图形界面单一、图形实时交互性和真实沉浸感差等问题。最后在此基础上完成了汽车驾驶训练模拟器视景系统软件的研究开发工作。
本论文视景系统场景模型的建立过程和多通道图形显示技术以及图像运动的匹配一致性等实现方法不仅适用于汽车驾驶训练模拟器视景系统软件的开发，而且同样可以适用于飞行模拟器、坦克模拟器以及虚拟战场视景系统模型等的建立和实现。
The nonprofessional driver has become the new feature of China traffic situation,which causes that the work of training nonprofessional driver become necessary. But the method of traditional driving training is very stiff and staid,that isn t fit for training a lot of nonprofessional driver in the society of regarding time and efficiency. On the other hand,the oil of using is expensive and the upkeep costs quickly increase with actual vehicle,and so the new drivers improperly operate that the noises and pollution increase. These things are practical and must be solved.
The vehicle driving training simulator is an effective facility of driving training,because it can advance the level of driving training and reduce multi-fares. The vehicle driving training simulator can simulate the cab and running environment of vehicle,because it relates to computer technology,control technology,sound technology,mechanical engineering technology,vehicle engineering technology,controlling facility and panel of vehicle and etc.,that has the actual feeling of driving vehicle. It has lots of advantages,which are low-costs,safety,effect for time,climate,field,and effective and the training period decrease,and so on.
Because vehicle driving training simulator has great society an economical significance,we firstly design the software for visual system of vehicle driving training simulator with MultiGen,OpenGVS and OpenGL in China. The project for system of vehicle driving training simulator was designed,the 5-degrees of freedom (lateral displacement,yaw velocity,roll angle,longitudinal displacement and steer angle) dynamic model is constructed basing on multi-literature,modeling procedure and model structure,and realizing about visual system are especial research in the paper. On the other hand,we especially study BSP,MIP,Gouraud shading model and LODs,multi-channel graphics display and animation matching. We solve the issues of multiple graphics interface,real-time system and realism immersion of visual system of vehicle driving training simulator. Finally,we finish the software of visual system of vehicle driving training simulator basing on these research.
In the paper,these methods of modeling,multi-channel graphics display and matching can develop the software of visual system of vehicle driving training simulator,and they are also fit for visual system of flight simulator,tank simulator and virtual battlefield,and so on.
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。由于使用了计算机技术、控制技术、声响技术、机械工程技术、车辆工程技术和各种实车操纵件、仪表板等来逼真模拟车辆行驶环境和驾驶舱的环境，使受训人员可以有驾驶车辆的真实感觉。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，研制汽车驾驶训练模拟器就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MultiGen、OpenGVS软件和OpenGL图形库研究开发汽车驾驶训练模拟器视景系统软件，采用人机工程学思想设计了汽车驾驶训练模拟器系统方案，并在参考大量文献的基础上建立五自由度(侧向运动、横摆运动、车身侧倾、纵向运动和转向盘转角)汽车动力学模型，重点研究了视景系统软件的模型建立和软件实现。同时，对视景系统模型建立过程中所使用的消隐处理的BSP方法、纹理处理的MIP映射、明暗处理的Gouraud光照模型以及物体多细节等级(LODs)等实时图形处理的算法作了详细的探讨。尤其是对多通道的图形显示技术和图像运动的匹配一致性作了深入的研究，从而解决了以往汽车驾驶训练模拟器视景系统图形界面单一、图形实时交互性和真实沉浸感差等问题。最后在此基础上完成了汽车驾驶训练模拟器视景系统软件的研究开发工作。
本论文视景系统场景模型的建立过程和多通道图形显示技术以及图像运动的匹配一致性等实现方法不仅适用于汽车驾驶训练模拟器视景系统软件的开发，而且同样可以适用于飞行模拟器、坦克模拟器以及虚拟战场视景系统模型等的建立和实现。
The nonprofessional driver has become the new feature of China traffic situation,which causes that the work of training nonprofessional driver become necessary. But the method of traditional driving training is very stiff and staid,that isn t fit for training a lot of nonprofessional driver in the society of regarding time and efficiency. On the other hand,the oil of using is expensive and the upkeep costs quickly increase with actual vehicle,and so the new drivers improperly operate that the noises and pollution increase. These things are practical and must be solved.
The vehicle driving training simulator is an effective facility of driving training,because it can advance the level of driving training and reduce multi-fares. The vehicle driving training simulator can simulate the cab and running environment of vehicle,because it relates to computer technology,control technology,sound technology,mechanical engineering technology,vehicle engineering technology,controlling facility and panel of vehicle and etc.,that has the actual feeling of driving vehicle. It has lots of advantages,which are low-costs,safety,effect for time,climate,field,and effective and the training period decrease,and so on.
Because vehicle driving training simulator has great society an economical significance,we firstly design the software for visual system of vehicle driving training simulator with MultiGen,OpenGVS and OpenGL in China. The project for system of vehicle driving training simulator was designed,the 5-degrees of freedom (lateral displacement,yaw velocity,roll angle,longitudinal displacement and steer angle) dynamic model is constructed basing on multi-literature,modeling procedure and model structure,and realizing about visual system are especial research in the paper. On the other hand,we especially study BSP,MIP,Gouraud shading model and LODs,multi-channel graphics display and animation matching. We solve the issues of multiple graphics interface,real-time system and realism immersion of visual system of vehicle driving training simulator. Finally,we finish the software of visual system of vehicle driving training simulator basing on these research.
In the paper,these methods of modeling,multi-channel graphics display and matching can develop the software of visual system of vehicle driving training simulator,and they are also fit for visual system of flight simulator,tank simulator and virtual battlefield,and so on.
引文
1．清华大学余志生 主编，汽车理论，机械工业出版社，1981
2．清华大学余志生 主编，汽车理论(第2版)，机械工业出版社，1989
3．郭孔辉，汽车操纵动力学，吉林科学技术出版社，1991
4．汪成为 高文 王行仁，灵境(虚拟现实)技术的理论、实现及应用，清华大学出版社、广西科学技术大学出版社，1996
5．鄢来斌 李思昆 曾亮 何连跃，分布式虚拟海战视景生成，系统仿真学报，2000年，第12卷，第4期，348～350、382
6．陈华斌 周美玉 何太军，视景仿真在机车仿真器中的应用，系统仿真学报 1999年，第11卷，第5期，368～370、374
7．顾希，驾驶员—汽车—环境闭环系统操纵稳定性研究中的模糊控制方法，北京农业工程大学博士论文，1993
8．熊坚，车辆人—机系统操纵稳定性动态仿真的研究，北京农业大学博士论文，1989
9．宗长富，开发型驾驶模拟器逼真度的改进与汽车操纵稳定性综合评价研究，吉林工业大学博士论文，1998
10．杨得军，汽车驾驶模拟器操作触感模拟系统的开发与建模，吉林工业大学在职人员学位论文，1997
11．胡铁翔，汽车驾驶模拟器多媒体声响仿真系统的研制，吉林工业大学硕士论文，1998
12．戴建东，主动式三维汽车驾驶训练模拟器的设计与实现，南京大学硕士论文，1998
13．曾新宇，列车驾驶模拟器图形仿真系统的研制，北方交通大学硕士论文，1997
14．邵良杰，虚拟现实视景技术研究——汽车模拟驾驶器计算机三维成像及动画实现，东南大学硕士论文，1998
15．姚玉辉，汽车模拟驾驶器视觉仿真研究及OpenGL三维动画实现，东南大学硕士论文，1998
16．丁浩杰 徐福培 徐斌 钱蔚 张旦 王婉，主动式三维汽车驾驶训练模拟器的设计与实现，系统仿真学报，2000年，第12卷，第3期，287—290
17．金钰 兰新章，飞行模拟器视景系统的设计与总调，北京理工大学学报，2000年，第20卷，第1期，90～93
18．陈文英 马光宇，利用OpenGL开发视景仿真软件系统，电脑编程技巧与维护，1999年，第1期，54～57
19．刘蕴博 郭孔辉，计算机模拟技术在汽车制动稳定性研究中的应用，汽车工程，1991年，第4期，193～201
20．孙家广 杨长贵编著，计算机图形学，清华大学出版社，1995
21．白燕斌 史惠康等编，OpenGL三维图形库编程指南，机械工业出版社，1998
22．吴斌 毕丽蕴编著，OpenGL编程实例与技巧，人民邮电出版社，1999
23．朱亚平 白建军 边晓东 王爱民编著，OpenGL编程实例，人民邮电出版社，1999
24．彭晓明 王坚编著，OpenGL深入编程与实例揭秘，人民邮电出版社，1999
25．费广正 乔林编著，Visual C++6.0 OpenGL高级编程技术——OpenGL篇，中国铁道出版社，2000
26．[美]Richard C.Leinecker Tom Archer著，张艳 王文学 尹岩青等译，Visual C++6.0宝典，电子工业出版社，1999
27．飞思教育产品研发中心 编著，Adobe中国授权培训管理中心监制，图形图象设计专家——Photoshop6.0基础及应用教程，电子工业出版社，2000
28. OpenGVS Programming Guide, Quantum 3D, 1999
29. R. Wade Allen, Theodore J. Rosenthal, Bimal L. Aponso, David H. Klyde,Fritz G. Anderson, and Jeffrey R. Hogue, Jeffrey P. Chrstos, ALow Cost PC Based Driving Simulator for Prototyping and Hardware-in-the-Loop Applications ,SAE 980222
30. Mark Segal, Kurt Akeley, The OpenGL Graphics System: A Specification(Version 1.2)
2．清华大学余志生 主编，汽车理论(第2版)，机械工业出版社，1989
3．郭孔辉，汽车操纵动力学，吉林科学技术出版社，1991
4．汪成为 高文 王行仁，灵境(虚拟现实)技术的理论、实现及应用，清华大学出版社、广西科学技术大学出版社，1996
5．鄢来斌 李思昆 曾亮 何连跃，分布式虚拟海战视景生成，系统仿真学报，2000年，第12卷，第4期，348～350、382
6．陈华斌 周美玉 何太军，视景仿真在机车仿真器中的应用，系统仿真学报 1999年，第11卷，第5期，368～370、374
7．顾希，驾驶员—汽车—环境闭环系统操纵稳定性研究中的模糊控制方法，北京农业工程大学博士论文，1993
8．熊坚，车辆人—机系统操纵稳定性动态仿真的研究，北京农业大学博士论文，1989
9．宗长富，开发型驾驶模拟器逼真度的改进与汽车操纵稳定性综合评价研究，吉林工业大学博士论文，1998
10．杨得军，汽车驾驶模拟器操作触感模拟系统的开发与建模，吉林工业大学在职人员学位论文，1997
11．胡铁翔，汽车驾驶模拟器多媒体声响仿真系统的研制，吉林工业大学硕士论文，1998
12．戴建东，主动式三维汽车驾驶训练模拟器的设计与实现，南京大学硕士论文，1998
13．曾新宇，列车驾驶模拟器图形仿真系统的研制，北方交通大学硕士论文，1997
14．邵良杰，虚拟现实视景技术研究——汽车模拟驾驶器计算机三维成像及动画实现，东南大学硕士论文，1998
15．姚玉辉，汽车模拟驾驶器视觉仿真研究及OpenGL三维动画实现，东南大学硕士论文，1998
16．丁浩杰 徐福培 徐斌 钱蔚 张旦 王婉，主动式三维汽车驾驶训练模拟器的设计与实现，系统仿真学报，2000年，第12卷，第3期，287—290
17．金钰 兰新章，飞行模拟器视景系统的设计与总调，北京理工大学学报，2000年，第20卷，第1期，90～93
18．陈文英 马光宇，利用OpenGL开发视景仿真软件系统，电脑编程技巧与维护，1999年，第1期，54～57
19．刘蕴博 郭孔辉，计算机模拟技术在汽车制动稳定性研究中的应用，汽车工程，1991年，第4期，193～201
20．孙家广 杨长贵编著，计算机图形学，清华大学出版社，1995
21．白燕斌 史惠康等编，OpenGL三维图形库编程指南，机械工业出版社，1998
22．吴斌 毕丽蕴编著，OpenGL编程实例与技巧，人民邮电出版社，1999
23．朱亚平 白建军 边晓东 王爱民编著，OpenGL编程实例，人民邮电出版社，1999
24．彭晓明 王坚编著，OpenGL深入编程与实例揭秘，人民邮电出版社，1999
25．费广正 乔林编著，Visual C++6.0 OpenGL高级编程技术——OpenGL篇，中国铁道出版社，2000
26．[美]Richard C.Leinecker Tom Archer著，张艳 王文学 尹岩青等译，Visual C++6.0宝典，电子工业出版社，1999
27．飞思教育产品研发中心 编著，Adobe中国授权培训管理中心监制，图形图象设计专家——Photoshop6.0基础及应用教程，电子工业出版社，2000
28. OpenGVS Programming Guide, Quantum 3D, 1999
29. R. Wade Allen, Theodore J. Rosenthal, Bimal L. Aponso, David H. Klyde,Fritz G. Anderson, and Jeffrey R. Hogue, Jeffrey P. Chrstos, ALow Cost PC Based Driving Simulator for Prototyping and Hardware-in-the-Loop Applications ,SAE 980222
30. Mark Segal, Kurt Akeley, The OpenGL Graphics System: A Specification(Version 1.2)
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