虛擬汽車駕駛仿真系統(tǒng)研究

　　1 引 言

　　得益于現(xiàn)代計算機技術(shù)的高速發(fā)展，3D圖形的應用領(lǐng)域日益廣闊。無論是科學研究、工程設計還是影視娛樂、模擬仿真，3D技術(shù)都憑借其真實、直觀、可塑性強等特點展現(xiàn)出強大的優(yōu)越性。虛擬汽車駕駛是3D技術(shù)在汽車領(lǐng)域的一個重要應用。他采用圖形仿真手段產(chǎn)生逼真的三維虛擬空間，駕駛員在虛擬環(huán)境中駕駛虛擬汽車，感覺就像是在操縱實車一樣。

　　目前該技術(shù)最為常見的應用就是各類賽車游戲，配合制作精良的賽道環(huán)境，令人感覺身臨其境。本文采用OpenGL語言構(gòu)建了一個虛擬汽車駕駛仿真系統(tǒng)，重點研究了在虛擬汽車行駛過程中如何進行視點切換以及如何實現(xiàn)車身因路面的起伏而產(chǎn)生顛簸的效果。

　　2 算法流程

　　OpenGL是一個功能強大的圖形系統(tǒng)軟件接口，他允許程序員創(chuàng)建交互式程序，生成具有真實感的圖像。圖1是使用OpenGL實現(xiàn)虛擬汽車駕駛的流程圖。

　　程序采用雙緩沖的繪圖方式。在顯示當前幀的同時，計算機在后臺計算汽車在下一幀中的位移、偏轉(zhuǎn)角、視點的位置、視點的朝向以及由顛簸引起的車身偏轉(zhuǎn)。計算好以后將這些參數(shù)傳遞給圖形函數(shù)進行渲染，最后將渲染好的幀替換當前幀。

　　3 關(guān)鍵技術(shù)

　　3.1 速度/方向的控制

　　本文的汽車采用的是一個由3DSMAX制作的吉普車模型。汽車的行駛方向由LEFT鍵和RIGHT鍵控制，前進和后退由UP鍵和BACK鍵控制。系統(tǒng)坐標采用右手坐標系。

　　假設在ti時刻，汽車的速率為vi，在x-z坐標系中，汽車的行駛方向與x軸正向的夾角為φi，汽車的位移為si={sxi，szi}，那么在ti+1時刻，vi+1，φi+1和si+1可由式(1)得到：

　　3.2 視點切換

　　要實現(xiàn)三維場景中的虛擬駕駛，操作者的視點就必須隨著汽車的運動不斷地切換，以便實時地掌握汽車的運動狀態(tài)以及所處的環(huán)境。OpenGL的GLU函數(shù)庫提供了一個允許視點自由移動的函數(shù)——gluLookAt(eyex，eyey，eyez，centerx，centery，centerz，upx，upy，upz)，他的功能就如同一臺攝像機。

　　{eyex，eyey，eyez}表示攝像機的位置，{centerx，cen-tery，centerz}表示鏡頭對準的方向，{upx，upy，upz)表示攝像機頂面的法向量。

　　由于本文的視點切換是在一個平面內(nèi)進行的，因此{upx，upy，upz)可設為常量{0.0，1.0，0.0}。為了讓汽車始終出現(xiàn)在我們的視野中，攝像機的位置必須不斷地隨汽車位置的變化而變化。本文的攝像機尾隨在汽車背后，并始終保持一定的距離。

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　　除了實時改變視點的位置，還必須實時改變視線的方向{centerx，centery，centerz)。當汽車沿直線行駛時，視線方向正對汽車的背面，如圖2(a)所示。當汽車轉(zhuǎn)彎時，如果視線方向還是始終正對著背面，真實感就會降低不少。因此在汽車的轉(zhuǎn)角較大時，讓車身在視野中產(chǎn)生一定的偏轉(zhuǎn)，如圖2(b)所示。轉(zhuǎn)彎結(jié)束后，視線方向與汽車背面的法向量之間的夾角漸漸縮小，直到完全重合至圖2(a)所示效果。

　　3.3 顛簸效果

　　汽車在高低不平的路面上行駛時會產(chǎn)生顛簸。為了模擬這種現(xiàn)象，首先必須繪制一個起伏的地面，然后再考慮汽車產(chǎn)生顛簸時的狀態(tài)方程。

　　3.3.1 場景的繪制

　　場景的繪制采用天空盒的方法，地面部分略微有些起伏，以便配合汽車產(chǎn)生顛簸的效果。起伏地面的繪制采用網(wǎng)格化的方法。首先繪制一個平面網(wǎng)格，然后對網(wǎng)格上的各個交叉點賦予在一定范圍內(nèi)的隨機高度值，就產(chǎn)生了起伏的效果。

　　3.3.2 車輪高度的確定

　　汽車在行駛的過程中，每個輪子的高度都會隨著地面的起伏而變化，這是汽車產(chǎn)生顛簸的原因。假設某一時刻t，汽車的左前輪行駛至點s(sx，sy，sz)。其中sx，sz可以由式(1)得出，而sy則采用雙線性算法來計算。圖3為雙線性算法的原理圖。

　　P1，P2，P3，P4為S點所在網(wǎng)格的4個頂點，其坐標分別為(x1，y1，z1)，(x2，y2，z2)，(x3，y3，z3)，(x4，y4，z4)。P5，P6分別在P1，P3和P2，P4的連線上，其坐標分別為(x5，y5，z5)和(x6，y6，z6)。由這些點的幾何關(guān)系，即可得到求sy的方程組：

　　3.3.3 車身的顛簸

　　車身的顛簸是由于車輪不在同一高度而產(chǎn)生的。在汽車行駛過程中，經(jīng)常會出現(xiàn)4個車輪不共面的情況，而導入的3DS汽車模型的輪子始終處于同一平面?？紤]到虛擬場景中地面的高度值是通過隨機賦值得到的，無法保證車輪時刻共面，因此當4個輪子不共面時，就只能選取其中的3個輪子來確定車輪所在的平面。本文選取左前輪，左后輪和右后輪。假設在t時刻，這3個輪子的高度分別是Y1，Y2，Y3，如圖4所示。

　　圖4中，由左后輪指向左前輪的向量記為φ，由左后輪指向右后輪的向量記為ω，向量α為{0.0，1.0，0.0)，他們和其余向量之間的關(guān)系是：

　　φ是向量α和β之間的夾角，且始終非負。顯然，汽車圍繞向量γ旋轉(zhuǎn)φ