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基于摄像头交互的虚拟汽车驾驶研究

泰州市公路管理处 葛俊 2017-8-20 8:05:54

  摘要:本文就以基于摄像头交互的虚拟汽车驾驶研究为题展开了相关的研究工作,设计出了一种汽车虚拟驾驶系统,利用混合现实手段来实现对汽车的虚拟驾驶体验。通过摄像头作为交互媒介,通过打印出一张方向盘图案将之放置于摄像头前来实现汽车虚拟驾驶。此种虚拟汽车驾驶方式在成本费用上优势显著,是一种有效的虚拟交互手段,具备有一定的商业价值。
   关键词:摄像头;视觉交互;汽车驾驶
  
   利用汽车模拟驾驶系统能够促使人们给予人工所构造出的环境当中,真切的感受到汽车驾驶体验,此种沉浸式的虚拟驾驶系统能够协助人员更加有效的开展驾驶训练及效果评估,有着极强的娱乐价值。而目前所主流采用的桌面式汽车驾驶模拟系统,大都是通过鼠标、键盘等工具来进行交互体验,这种汽车模拟驾驶方式操控起来其效果感受与实际的汽车操控存在着较大的差距,趣味性远远不足。因此,本文就提出了一些基于摄像头交互的虚拟汽车驾驶系统,以期能够为相关的研究人员提供一些参考。
   一、概述
   模拟驾驶系统的设计,必须要能够提供以三维场景下的汽车虚拟环境,而主要的交互手段即为摄像头与一张带有标记的打印纸来充当模拟驾驶方向盘。其具体操作过程即为在摄像头前对打印纸进行转动与遮挡,从而促使系统能够将纸张的位置改变与标记状态进行计算分析,从而来实现对虚拟车辆的有效掌控。在同时顾及到模拟驾驶应达到较高的真实性要求,也就是在汽车驾驶时,要确保汽车不会穿过地面以及树木等相关障碍物,同时还要确保车辆在加减速以及发生碰撞情况后会产生剧烈晃动,因此还需在新系统当中新加入物理模拟模块。
   二、算法设计
   本次研究所设计出的基于摄像头交互的虚拟汽车驾驶系统主要是由三部分所构成:摄像头交互视觉模块、三维视景模块、物理模拟模块。其中摄像头交互视觉模块是该系统当中最为重要的一部分。下文将就在系统设计中所涉及到的一些具体算法来展开具体分析。
   (一)建立坐标系
   要想实现对虚拟场景内的汽车实现驾驶操控,便要能够把摄像头所获得的视频数据以及虚拟场景当中的汽车操控构建起互相对应的一种关系,在此方面主要牵涉到三处坐标系统,也就是摄像头坐标系统、世界坐标系与图像坐标系。标定纸位于世界坐标系当中,摄像头存在于其自身的坐标系统当中。摄像头可通过获取标定信息来把所对应的世界坐标转换至自身坐标系之下。而后再利用针孔摄像机模型来把摄像头坐标之下的坐标转换至屏幕图像坐标系之下。通过这一坐标转变处理便可把真实场景内的标定纸坐标反映到虚拟场景当中,由此也便就实现了对虚拟汽车的控制。
   (二)三维显示及物理模拟
   在此次研究中采用OpenSceneGrap三维模拟软件来进行场景管理与渲染。鉴于3D场景仅提供汽车在驾驶过程中通过驾驶室所观察到的局部信息,为了能够给予应用者提供以更加详尽的方位信息,系统还结合了谷歌地图来提供以2D地图信息,从而也便能够在驾驶阶段直接观察到汽车所在场景的方位信息,2D地图显示是利用谷歌地图API编程来完成的,对于方位信息的确定则是利用JavaSeript调用来把主程序内的汽车位置传导至谷歌地图。同时对每一量模拟车辆均给予后视镜效果,系统内部新增两处视图依次对左右后视镜进行模拟,也就是针对场景实施多次绘制。为确保虚拟场景中的汽车行驶能够更加符合于真实场景下的状况,就必须要应用到物理模拟,也别是碰撞检测以及碰撞响应处置,对于车辆在发生碰撞情况以及加减速、转弯等情况下所出现的晃动程度进行充分模拟。进而便可依据物理模拟所获得的结果来予以响应,并对车辆的实际运行状况与其余相关活动物状态定期予以更新。这一物理状态所发生的改变也将实时传导至视景系统当中,并通过对3D图像的更新来予以显示。
   三、结果分析
   用户通过对标定纸的旋转及标识遮挡等操作便可实现对虚拟场景内的车辆进行操控。在实际检验的过程中显示环境光也会导致图像数据的识别效果受到一定程度的干扰,对于虚拟汽车在进行操控时也会发生一定的影响,然而怎样调整在不同环境光照之下的辨别率并非交互研究的关键,因此对这一方面不展开更加深入的探讨。然而在一般性的光照条件下,这一方法是具有实践可靠作兴的。因采用黑白方块充当标示,在对比度方面效果较为突出,由此也便可促使算法能够更好的进行识别。但也应注意到在用户所操控的标定纸脱离摄像头的覆盖范围后,系统便会出现暂时性的盲状态,此时只要标定纸重新回到摄像头的覆盖范围内系统便可恢复正常。在整个系统的运行界面中采用红色来标识各窗口的作用,视频监视窗口当中不同类型标定信息则选用多种颜色与粗细程度不同的线框来予以标示区分。
   结束语
   总而言之,在本次研究中就提出了一种利用摄像头来充当交互手段,借助于事前所打印的纸张来作为方(未完,下一页

  
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