交通仿真中的虚拟现实技术.doc

1、 1 图 1.1：虚拟现实的I 特征交通仿真中的虚拟现实技术【摘 要】虚拟现实技术是当今科技发展的新热点，虚拟现实技术也越来越多的成为交通仿真领域应用软件发展的新趋势。本文简要介绍了虚拟现实技术的特点，探讨了在交通仿真中虚拟现实技术的应用情况，并对虚拟现实技术在这些领城的发展进行了展望。【关键词】虚拟现实；交通仿真 随着我国的交通事业迅速的发展。在交通仿真应用软件不断更新，除了模型本身，虚拟现实技术的应用越来越多的成为这些软件发展的新趋势以及评价的一个重要指标，为实际应用提供了更为直观、有效的工具。本文就交通仿真中虚拟现实技术的应用进行了分析和介绍，并对今后交通仿真领域虚拟现实技术的发展进行了

2、展望。一、虚拟现实技术综述虚拟现实技术(virtual reality, VR)，又称临境技术，是以沉浸性、交互性和构想性为基本特征（如图 1.）的计算机高级人机界面。它综合利用了计算机图形学、仿真技术、多媒体技术、人工智能技术、计算机网络技术、并行处理技术和多传感器技术，模拟人的视觉、听觉、触觉等感觉器官功能，使人能够沉浸在计算机生成的虚拟境界中，并能够通过语言、手势等自然的方式与之进行实时交互，创建了一种适人化的多维信息空间。使用者不仅能够通过虚拟现实系统感受到在客观物理世界中所经历的“身临其境” 的逼真性，而且能够突破空间、时间以及其它客 观限制，感受到真实世界中无法亲身经历的体验。虚拟

3、现实技术具有超越现实的虚拟性。虚拟现实系统（如图 1.）的核心设备仍然是计算机。它的一个主要功能是生成虚拟境界的图形，故此又称为图形工作站。图 像显示设备是用于产生立体视觉效果的关键外设，目前常见的产品包括光阀眼镜、三维投影仪和头盔显示器等。其中高档的头盔显示器在屏蔽现 2 实世界的同时，提供高分辨率、大视场角的虚拟场景，并带有立体声耳机，可以使人产生强烈的浸没感。其他外设主要用于实现与虚拟现实的交互功能，包括数据手套、三维鼠标、运动跟踪器、力反馈装置、 语音识别与合成系统，等等。虚拟现实是近年来十分活跃的技术研究领域，是一系列高新技术的汇集。虚拟现实是多媒体技术发展的更高境界，是这些技术更高

4、层次的集成和渗透。它能给用户以更逼真的体验，为人们探索宏观世界和微观世界以及由于种种原因不便于直接观察事物的运动变化规律，提供了极大的便利。将某种概念设计或构思转化为可视化或可操作化的过程，实现逼真的现场效果，达到任复杂环境的廉价模拟训练等目的。虚拟现实技术已经和理论分析、科学实验一起，成为人类探索客观世界规律三大手段。二、交通仿真的概念仿真是将所研究的问题用其它手段加以模仿的一种技术，按所用的方法分为物理仿真和数学模型仿真即计算机仿真。物理仿真就是对真实系统建立物理模型；数学模型仿真就是运用计算机及相应的程序代码表示实际系统，使之运行时与实际系统在逻辑上具有相同或类似的特性，从而可以用它来检

5、验实际系统，修改实际 系统的不足之处，或者用于教学演示等，并能节省费用和时间，减少不必要的风险。具体来说，交通仿真技术是运用现代计算机技术建立能够替代实际交通系统的计算机模型的研究过程，该模型能够再现现实交通系统的特性，分析在各种设定条件下交通系统的可能行为，通过模型仿真的试验结果，以寻求现实交通问题的最优解、评价运输设施各类设计方案的效果。宏观仿真和微观仿真是根据交通研究模型的不同而对交通仿真进行研究的两种主要方法。根据交通宏观参数来描述交通流状态的模型是宏观交通模型，它主要是针对车流整体。而侧重模拟车辆个体运动状态的研究方法则是微观交通模型。若交通流的运行是通过流量密度关系来控制，流体运动

6、的机制通过交通流的运动来处理，且模型不追踪单个车辆处理，则主要应用在宏观仿真图 1.2：虚拟现实系统的组成 3 中。典型的宏观仿真问题有路径出行选择问题、网络流量分配问题等。微观仿真模型以单个车辆为描述对象，以跟车模型为基础，追踪每辆车的运动过程，在微 观模型中，每辆车的位置和当前速度是很重要的参数，在交通网络环境中单个“ 驾驶员 车辆元素” 的动态变 化是微观模型的考察重点。在考察过程中，要遵循的二个规则:车辆移动的基本 规则(跟车模型和换道模型)、信号约束规则和服务优先规则。到目前为止，较为成熟并且已具有相当商业性和通用性的交通仿真软件有:苏格兰 Quadstone、Limited 公司的

7、 PARAMICS；美国联邦公路署(FHWA) 开发的 CORSIM，NETSIM；德国 PTV 公司的 VISSIM；西班牙 TSS 公司的AIMSUN2；另外 还有由 TRRL 开发的 TRANSYT；由 MIT 开发的 DYNAMIT 等。三、交通仿真中的虚拟现实技术交通系统是一个涉及驾驶员、车辆、道路、交通环境相互作用的复杂系统，既有其确定性的一面，又有随机性的一面，同时还有人的行为因素的影响。尤其对于我国大城市的交通系统。相比较国外的交通系统而言，其复杂性、不确定性、人的行为因素的影响表现得更为突出和集中。对于这此复杂的交通现象和交通问题的分析， 传统的分析方法即经验模型法和分析模型

8、法很难加以科学、直观的分析，随着计算机技术的飞速发展，在复杂的交通系统的设计和分析中，因计算机仿真的优点在交通领域得到较为广泛的应用。但随着“数字交通，概念的提出和基础设施的建设，人们在对交通的仿真精度提出更高要求的同时对系统界面的友好、直观也更为关注，而虚拟现实技术是解决这一问题的途径之一。20 世纪 90 年代后，如何对交通实际情况虚拟现实(VR)、多媒体技术(MMT )和二、三维动画技术有效地结合实现更加友好的人机工程成为交通仿真软件的研发重点。、微观交通仿真中的虚拟现实技术2000 年后，交通环境的 3D 可视化的开发和 实现己经成为交通仿真的一个重要的研究方向。3D 仿真技术的实现逐

9、步开始与两个方面的技 术紧密结合在一起，一方面是 3D 引擎技术，另一方面是就是虚 拟现实技术(VR) 。 4 当前微观仿真技术应用比较多的领域是城市地理信息系统，基于细节层次显示技术和视景分块调度技术，结合虚拟现实技术，通过对图形数据和属性数据库的共同管理、分析及操作。实现数据可视化，也可使用基于图形和基于图像的建模技术对建筑物和其他一些复杂的模型如树木等进行重建，再利用有理函数模型表示遥感影像与地面之间的构象关系，使用纹理映射技术，构建具有高度真实感的平面或者三维景观图。或者将城市表面几何对象经过模型化后，都以数字的形式存储在计算机中，采用纹理和贴图技术、LOD 模型、动态多分辨率的纹理与

10、影像优化技术，进行微观仿真。 在软件方面，目前国内比较成功的交通仿真产品有同济大学的邹智军、杨东援开发的 TESS；浙江大学的王晓薇、李平研究的城域混合交通流仿真系统的人机界面设计实现；同济大学的钟邦秀、杨晓光建立的面向对象微观交通仿真系统；清华大学的娄明、张毅研究的基于 Java3D 技术的虚拟车辆仿真系统；北京工业大学的荣建、向怀坤、冯天科研究的基于 GIS 的城市快速路交通仿真模型研究；中国农业大学的孙晋文对基于 Agent 的智能交通控制策略与可视化动态仿真进行了研究等。但由于我国相关软件开发与国外还有相当差距，国内软件并没有得到推广。目前，国内交通行业仍以引进国外交通仿真软件为主，应

11、用较广的软件主要有英国的苏格兰 Quadstone 公司开发的 Paramics、德国 PTV 的Vissim、美国 Caliper 公司的 TansModeler 等。2、行人仿真中的虚拟现实技术中国的城市交通以非机动车和机动车的混合交通流为主，行人干扰现象严重，所以，对行人进行仿真研究具有重要意义。与机动车模拟仿真研究相比，对于行人运动仿真的研究起步较晚，究其原因主要在于行人运动比车辆运动更加复杂的缘故。 现在流行的行人仿真软件大都为国外开发的软件，如 Keith Still 教授在 1996 年开发的 Legion 仿真系统；英国合乐(Halcrow)公司开发的PAXPORT 仿真系统；

12、荷兰 Delft 理工大学开 发的 NOMAD 仿真系统；ANSYS公司开发的 STEPS 仿真系统等。 国内面临的交通流问题从来都是混合交通流，但国外微观交通仿真软件绝大多数没有行人和自行车仿真功能。值得一提的是由德国 PTV 公司开发的 5 图 3.3：交通标志三维动态设计界面VISSIM 微观仿真软件已在它的 VISSIM5.1 版本中加入了基于社会力模型行人仿真模块，可实现了行人和车辆的动态交互行为，很大程度提升了仿真的准确性。在行人三维设计方面，Legion 和 VISSIM 的行人模块支持 3D 图形效果，加上模型因素，被业界较为广泛的使用。3、交通标志标线仿真中的虚拟现实技术在道

13、路交通标志标线的设计、设置中应满足驾驶员在极短时间内易于辨别道路交通标志标线的要求，即满足道路交通标志标线视认性的要求。目前，道路交通标志标线视认性测试方法有实验室内静态测试与实车场地动态测试两种，但这两种方法存在很多不足。 应用虚拟现实技术 VR(Virtual Reality)的交通标志仿真系统的开发与研究受到越来越广泛的关注，这类仿真系统依照实际的交通设施设计方法设计，采用三维虚拟现实技术，从人机功效学的角度，实现人、车、路三维互动建模仿真，尽可能逼真的重现现实，以保证虚拟世界最基本的沉浸感。模拟各种动态道路环境对交通标志的视认性及设置有效性进行综合评价，从而达到了优化交通标志设计方案、

14、提高道路安全运营和节约试验费用的目的。 目前国内外交通工程领域对交通标志的研究大多还局限在对标志外观尺寸、颜色搭配、信息表述形式以及设施结构等方面，道路设计行业使用的交通标识标线设计模块也都停留在平面图形库水平。利用虚拟仿真系统设计交通标志的研究尚处于起步阶段，我国已经有部分科研单位和大专院校开展了相关研究，如武汉理工大学 ITS 研究中设计了基于半物理模型汽车模拟器的道路交通标志标线虚拟测试系统，交通部公路科学研究院等研究并开发了道路交通标志三维虚拟仿真评价系统，长安大学开发了基于真实环境的交通标志仿真试验系统。这些系统目前尚处于研发阶段。 4、交通规划中的虚拟现实技术目前，国际上专业交通规

15、划软件多达百种，但常用的只有十几种，如美国 6 的 TransCAD、英国的 Cube、加拿大的 EMME2 以及德国的 PTV 系统等。 尽管国内一些科研机构也在试图研制具有自主知识产权的交通规划专业软件，如东 南大学交通学院的 TranStar，建设部城市交通工程技术中心的TranSolution。但 这些软 件也仅限于研究阶段，软件本身多有不尽如人意的地方，未能得到成功的商业推广和普遍的认同。因此，目前国内基本上还是以应用国外成熟交通规划软件为主。将虚拟现实技术和地理信息系统(GIS)相结合，构成虚拟地理信息系统，可以实现设计方案的优化。在城市交通规划中，利用虚拟 GIS 技术可以完成城

16、市道路地形图及相关信息的录入，实现空间数据和属性数据的采集，建立三维地形模型。并构建出一个与客观世界相一致的虚拟环境，以便用户能够逼真地感知它的存在，因此，GIS 与交通规划的结合是今后交通分析软件的发展方向。图 3.4：虚拟现实技术在城市交通仿真系统中的应用、交通事故模拟与再现中的虚拟现实技术目前交通事故处理主要依靠皮尺测量、记录证据、人为判断，存在明显的缺陷。交通事故现场勘查比较先进的手段是用全站仪代替皮尺进行现场测量和比例图的绘制，效率有了一定的提高。但是和摄影测量( 图像测距)技术相比，在现场的测量速度方面仍有很大差距。 基于虚拟现实技术，开发三维动画演示软件，以三维动画的形式演示车辆

17、在整个事故过程中的运动。在构造虚拟现实环境中，用户可以改变场景元素、改变视角、添加背景、灯光等演示要素，软件具有操作性、灵活性、真实感强等特点。许多国家相 继研究出了用于事故再现的应用软件，如美国国家道路交通安 7 全局(NHTSA)资助开发了大型事故再现软件系 统 SMAC 和 CRASH，奥地利开发了 PCCRASH，EESARM，HVOSM，IMPAC 等。 这些系统一直在不断地完善发展中。国内也已经开始了探索汽车碰撞事故的计算机模拟研究。清华大学汽车研究所与云南省道路交通管理科学技术研究所合作开发的“道路交通事故再现分析系统”，也取得了一定的成果。但是我国在这个领图 5.5：汽 车 碰

18、撞事故仿真 软 件主界面 编 程 结 构 图域的研究还处于起步阶段，事故数据处理和计算机模拟研究的基础很薄弱，需要进一步发展和改进。、虚拟驾驶 系统中的虚拟现实技术计算机仿真技术、实时图形图像处理技术的飞速发展，为汽车仿真的研究提供了有力的工具和帮助。利用仿真技术可以进行不同虚拟环境的开发和多种车辆模型的设计，为汽车驾驶训练开辟了新方向。利用虚拟驾驶系统进行训练，不受时间、 场地和气候的限制，在达到培训质量的前提下，具有经济、环保的优点，因此，利用计算机来开发汽车虚拟驾驶系统是一种有效的手段。 将虚拟现实技术应用于汽车驾驶，即利用计算机构建用于汽车驾驶的虚拟环境和用于驾驶的车辆，产生“人一车一

19、环境 ”闭环系统，在这一闭环系统中驾驶汽车，可根据 车辆的行驶不断变换相应的虚拟视景、场景音效和车辆的运动仿真，使驾驶员 沉浸到这一环境中，并根据虚拟环境中产生的触觉，听觉和视觉，变换相应的驾驶动作，使得虚拟驾驶车辆的位置在行驶环境中不断变化，以此产生驾驶员和虚拟环境的交互，达到训练驾驶员动作或研究“人一车一环境” 特性的目的。这种能够正确模拟汽车驾驶动作，获得实车驾驶感觉的仿真系统就是汽车虚拟驾驶系统。据研究表明，运用“ 智能模拟加实车”组训模式进行汽车驾驶教学，可使实车训练效率提高 3-5 倍，在确保达到同等的 训练效果的前提下，可比现行的训练时间减少 30%的实车训练，强化汽车驾驶 安全

20、意识的快速形成。汽车驾驶智能模拟培训系统可以提供城市道路、村镇道路、山区道路、雨天道路、冰雪道路、 8 雾天道路、高速公路等十余种道路天候条件的 3D 驾驶环境，以及上千种交通事故经典案例和可自由编辑案例的工具， 同时系统还可以测量学员的驾驶技能缺陷，自动生成个性化的培训计划，从而使学员可以跨越时间空间完成驾驶经历积累，使驾驶教学活动更加丰富灵活和更具人性化。上世纪 80 年代以来，德国、瑞士、日本、美国的各大汽车厂家都分别建立了开发型汽车虚拟驾驶系统。日本政府在 1970 年以正式法律规定，汽车驾驶培训学校必须装备汽车驾驶模拟器；在欧洲，有法律规定，运营驾驶人每年必须在模拟器上驾驶 7 小时

21、，以训练应对突发交通状况的技能，保证交通安全。在国内，汽车虚拟驾驶系统发展较晚，2006 年吉林大学动态模拟国家实验室建设的具有 6 自由度运动系统的开发型车辆驾驶模拟器，其规模和性能居世界先进水平。目前，北京宣 爱、北京紫光和上海红外等几家上规模的企业已使用汽车虚拟驾驶系统。随着视景技术的成熟和硬件成本的降低，汽车驾驶模拟器能在成本较低的微机平台上实现原来只有在专业图形工作站上才能实现的虚拟现实技术，驾驶模拟器将迎来很好的发展机遇。图 3.6 汽车虚拟驾驶系统四、结束语以上列举的只是虚拟现实在交通仿真中应用的几个方面，虚拟现实技术在汽车设计与制造等方面也有广泛应用。现阶段，由于受到传感技术等

22、的限制，大部分虚拟现实环境还停留在视听阶段，能同时提供视觉、听觉、触觉、嗅觉等的虚拟现实系统还没有广泛应用。相信随着计算机技术及传感技术等的不断发展以及人们对人脑的认识的提高，虚拟现实技术必将应用到更广泛的领域。可以预言，能够 准确描述仿真对象的模型加上先进的虚拟现实技术是未来交通仿真 9 软件发展的方向。参考文献1、虚 拟现实 技 术 在我国道路交通 发 展的 应 用与展望 粱静 土木建筑工程信息技 术 2009第期2、虚拟现实技术 刘光然 清华大学出版社 2011，01 3、虚拟现实技术研究 谢 健 第十七届信息论学术年会论文集 20104、虚拟现实技术在交通工具设计过程中的应用研究 张力君 硕士论文 20115、虚拟现实技术在城市交通仿真系统中的应用 硕士论文 费娜 2009 6、虚拟现实技术在城市轨道交通设计中的应用 魏英洪 图 像 图 形技 术 研究与 应 用 20107、基于虚拟现实技术的复杂城市道路交通仿真平台研究 夏萍 硕士论文 20118、基于虚拟现实技术的道路交通设计浅析 贺海 城市道桥与防洪 2011 年第期9、虚拟现实技术的应用方法研究 傅莹 信息科技 2010 年第 12 期10、虚拟现实技术在数字交通中的应用展望 戴杰君 中国电子商务 2011 年第期