虛擬汽車(chē)駕駛仿真系統(tǒng)研究

　　1 引 言

　　得益于現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，3D圖形的應(yīng)用領(lǐng)域日益廣闊。無(wú)論是科學(xué)研究、工程設(shè)計(jì)還是影視娛樂(lè)、模擬仿真，3D技術(shù)都憑借其真實(shí)、直觀、可塑性強(qiáng)等特點(diǎn)展現(xiàn)出強(qiáng)大的優(yōu)越性。虛擬汽車(chē)駕駛是3D技術(shù)在汽車(chē)領(lǐng)域的一個(gè)重要應(yīng)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(chē)，感覺(jué)就像是在操縱實(shí)車(chē)一樣。

　　目前該技術(shù)最為常見(jiàn)的應(yīng)用就是各類(lèi)賽車(chē)游戲，配合制作精良的賽道環(huán)境，令人感覺(jué)身臨其境。本文采用OpenGL語(yǔ)言構(gòu)建了一個(gè)虛擬汽車(chē)駕駛仿真系統(tǒng)，重點(diǎn)研究了在虛擬汽車(chē)行駛過(guò)程中如何進(jìn)行視點(diǎn)切換以及如何實(shí)現(xiàn)車(chē)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(gè)功能強(qiáng)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(shí)感的圖像。圖1是使用OpenGL實(shí)現(xiàn)虛擬汽車(chē)駕駛的流程圖。

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

　　3 關(guān)鍵技術(shù)

　　3.1 速度/方向的控制

　　本文的汽車(chē)采用的是一個(gè)由3DSMAX制作的吉普車(chē)模型。汽車(chē)的行駛方向由LEFT鍵和RIGHT鍵控制，前進(jìn)和后退由UP鍵和BACK鍵控制。系統(tǒng)坐標(biāo)采用右手坐標(biāo)系。

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

　　3.2 視點(diǎn)切換

　　要實(shí)現(xiàn)三維場(chǎng)景中的虛擬駕駛，操作者的視點(diǎn)就必須隨著汽車(chē)的運(yùn)動(dòng)不斷地切換，以便實(shí)時(shí)地掌握汽車(chē)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)以及所處的環(huán)境。OpenGL的GLU函數(shù)庫(kù)提供了一個(gè)允許視點(diǎn)自由移動(dòng)的函數(shù)——gluLookAt(eyex，eyey，eyez，centerx，centery，centerz，upx，upy，upz)，他的功能就如同一臺(tái)攝像機(jī)。

　　{eyex，eyey，eyez}表示攝像機(jī)的位置，{centerx，cen-tery，centerz}表示鏡頭對(duì)準(zhǔn)的方向，{upx，upy，upz)表示攝像機(jī)頂面的法向量。

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

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　　除了實(shí)時(shí)改變視點(diǎn)的位置，還必須實(shí)時(shí)改變視線的方向{centerx，centery，centerz)。當(dāng)汽車(chē)沿直線行駛時(shí)，視線方向正對(duì)汽車(chē)的背面，如圖2(a)所示。當(dāng)汽車(chē)轉(zhuǎn)彎時(shí)，如果視線方向還是始終正對(duì)著背面，真實(shí)感就會(huì)降低不少。因此在汽車(chē)的轉(zhuǎn)角較大時(shí)，讓車(chē)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(chē)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(chē)在高低不平的路面上行駛時(shí)會(huì)產(chǎn)生顛簸。為了模擬這種現(xiàn)象，首先必須繪制一個(gè)起伏的地面，然后再考慮汽車(chē)產(chǎn)生顛簸時(shí)的狀態(tài)方程。

　　3.3.1 場(chǎng)景的繪制

　　場(chǎng)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(chē)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(gè)平面網(wǎng)格，然后對(duì)網(wǎng)格上的各個(gè)交叉點(diǎn)賦予在一定范圍內(nèi)的隨機(jī)高度值，就產(chǎn)生了起伏的效果。

　　3.3.2 車(chē)輪高度的確定

　　汽車(chē)在行駛的過(guò)程中，每個(gè)輪子的高度都會(huì)隨著地面的起伏而變化，這是汽車(chē)產(chǎn)生顛簸的原因。假設(shè)某一時(shí)刻t，汽車(chē)的左前輪行駛至點(diǎn)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(lái)計(jì)算。圖3為雙線性算法的原理圖。

　　P1，P2，P3，P4為S點(diǎn)所在網(wǎng)格的4個(gè)頂點(diǎn)，其坐標(biāo)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(biāo)分別為(x5，y5，z5)和(x6，y6，z6)。由這些點(diǎn)的幾何關(guān)系，即可得到求sy的方程組：

　　3.3.3 車(chē)身的顛簸

　　車(chē)身的顛簸是由于車(chē)輪不在同一高度而產(chǎn)生的。在汽車(chē)行駛過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)4個(gè)車(chē)輪不共面的情況，而導(dǎo)入的3DS汽車(chē)模型的輪子始終處于同一平面?？紤]到虛擬場(chǎng)景中地面的高度值是通過(guò)隨機(jī)賦值得到的，無(wú)法保證車(chē)輪時(shí)刻共面，因此當(dāng)4個(gè)輪子不共面時(shí)，就只能選取其中的3個(gè)輪子來(lái)確定車(chē)輪所在的平面。本文選取左前輪，左后輪和右后輪。假設(shè)在t時(shí)刻，這3個(gè)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(fù)。顯然，汽車(chē)圍繞向量γ旋轉(zhuǎn)φ