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基于攝像頭交互的虛擬汽車駕駛研究
泰州市公路管理處 葛俊 2017/8/20 8:05:54
摘要：本文就以基于攝像頭交互的虛擬汽車駕駛研究為題展開了相關(guān)的研究工作，設(shè)計出了一種汽車虛擬駕駛系統(tǒng)，利用混合現(xiàn)實(shí)手段來實(shí)現(xiàn)對汽車的虛擬駕駛體驗(yàn)。通過攝像頭作為交互媒介，通過打印出一張方向盤圖案將之放置于攝像頭前來實(shí)現(xiàn)汽車虛擬駕駛。此種虛擬汽車駕駛方式在成本費(fèi)用上優(yōu)勢顯著，是一種有效的虛擬交互手段，具備有一定的商業(yè)價值。
關(guān)鍵詞：攝像頭；視覺交互；汽車駕駛
利用汽車模擬駕駛系統(tǒng)能夠促使人們給予人工所構(gòu)造出的環(huán)境當(dāng)中，真切的感受到汽車駕駛體驗(yàn)，此種沉浸式的虛擬駕駛系統(tǒng)能夠協(xié)助人員更加有效的開展駕駛訓(xùn)練及效果評估，有著極強(qiáng)的娛樂價值。而目前所主流采用的桌面式汽車駕駛模擬系統(tǒng)，大都是通過鼠標(biāo)、鍵盤等工具來進(jìn)行交互體驗(yàn)，這種汽車模擬駕駛方式操控起來其效果感受與實(shí)際的汽車操控存在著較大的差距，趣味性遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足。因此，本文就提出了一些基于攝像頭交互的虛擬汽車駕駛系統(tǒng)，以期能夠?yàn)橄嚓P(guān)的研究人員提供一些參考。
一、概述
模擬駕駛系統(tǒng)的設(shè)計，必須要能夠提供以三維場景下的汽車虛擬環(huán)境，而主要的交互手段即為攝像頭與一張帶有標(biāo)記的打印紙來充當(dāng)模擬駕駛方向盤。其具體操作過程即為在攝像頭前對打印紙進(jìn)行轉(zhuǎn)動與遮擋，從而促使系統(tǒng)能夠?qū)⒓垙埖奈恢酶淖兣c標(biāo)記狀態(tài)進(jìn)行計算分析，從而來實(shí)現(xiàn)對虛擬車輛的有效掌控。在同時顧及到模擬駕駛應(yīng)達(dá)到較高的真實(shí)性要求，也就是在汽車駕駛時，要確保汽車不會穿過地面以及樹木等相關(guān)障礙物，同時還要確保車輛在加減速以及發(fā)生碰撞情況后會產(chǎn)生劇烈晃動，因此還需在新系統(tǒng)當(dāng)中新加入物理模擬模塊。
二、算法設(shè)計
本次研究所設(shè)計出的基于攝像頭交互的虛擬汽車駕駛系統(tǒng)主要是由三部分所構(gòu)成：攝像頭交互視覺模塊、三維視景模塊、物理模擬模塊。其中攝像頭交互視覺模塊是該系統(tǒng)當(dāng)中最為重要的一部分。下文將就在系統(tǒng)設(shè)計中所涉及到的一些具體算法來展開具體分析。
（一）建立坐標(biāo)系
要想實(shí)現(xiàn)對虛擬場景內(nèi)的汽車實(shí)現(xiàn)駕駛操控，便要能夠把攝像頭所獲得的視頻數(shù)據(jù)以及虛擬場景當(dāng)中的汽車操控構(gòu)建起互相對應(yīng)的一種關(guān)系，在此方面主要牽涉到三處坐標(biāo)系統(tǒng)，也就是攝像頭坐標(biāo)系統(tǒng)、世界坐標(biāo)系與圖像坐標(biāo)系。標(biāo)定紙位于世界坐標(biāo)系當(dāng)中，攝像頭存在于其自身的坐標(biāo)系統(tǒng)當(dāng)中。攝像頭可通過獲取標(biāo)定信息來把所對應(yīng)的世界坐標(biāo)轉(zhuǎn)換至自身坐標(biāo)系之下。而后再利用針孔攝像機(jī)模型來把攝像頭坐標(biāo)之下的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換至屏幕圖像坐標(biāo)系之下。通過這一坐標(biāo)轉(zhuǎn)變處理便可把真實(shí)場景內(nèi)的標(biāo)定紙坐標(biāo)反映到虛擬場景當(dāng)中，由此也便就實(shí)現(xiàn)了對虛擬汽車的控制。
（二）三維顯示及物理模擬
在此次研究中采用OpenSceneGrap三維模擬軟件來進(jìn)行場景管理與渲染。鑒于3D場景僅提供汽車在駕駛過程中通過駕駛室所觀察到的局部信息，為了能夠給予應(yīng)用者提供以更加詳盡的方位信息，系統(tǒng)還結(jié)合了谷歌地圖來提供以2D地圖信息，從而也便能夠在駕駛階段直接觀察到汽車所在場景的方位信息，2D地圖顯示是利用谷歌地圖API編程來完成的，對于方位信息的確定則是利用JavaSeript調(diào)用來把主程序內(nèi)的汽車位置傳導(dǎo)至谷歌地圖。同時對每一量模擬車輛均給予后視鏡效果，系統(tǒng)內(nèi)部新增兩處視圖依次對左右后視鏡進(jìn)行模擬，也就是針對場景實(shí)施多次繪制。為確保虛擬場景中的汽車行駛能夠更加符合于真實(shí)場景下的狀況，就必須要應(yīng)用到物理模擬，也別是碰撞檢測以及碰撞響應(yīng)處置，對于車輛在發(fā)生碰撞情況以及加減速、轉(zhuǎn)彎等情況下所出現(xiàn)的晃動程度進(jìn)行充分模擬。進(jìn)而便可依據(jù)物理模擬所獲得的結(jié)果來予以響應(yīng)，并對車輛的實(shí)際運(yùn)行狀況與其余相關(guān)活動物狀態(tài)定期予以更新。這一物理狀態(tài)所發(fā)生的改變也將實(shí)時傳導(dǎo)至視景系統(tǒng)當(dāng)中，并通過對3D圖像的更新來予以顯示。
三、結(jié)果分析
用戶通過對標(biāo)定紙的旋轉(zhuǎn)及標(biāo)識遮擋等操作便可實(shí)現(xiàn)對虛擬場景內(nèi)的車輛進(jìn)行操控。在實(shí)際檢驗(yàn)的過程中顯示環(huán)境光也會導(dǎo)致圖像數(shù)據(jù)的識別效果受到一定程度的干擾，對于虛擬汽車在進(jìn)行操控時也會發(fā)生一定的影響，然而怎樣調(diào)整在不同環(huán)境光照之下的辨別率并非交互研究的關(guān)鍵，因此對這一方面不展開更加深入的探討。然而在一般性的光照條件下，這一方法是具有實(shí)踐可靠作興的。因采用黑白方塊充當(dāng)標(biāo)示，在對比度方面效果較為突出，由此也便可促使算法能夠更好的進(jìn)行識別。但也應(yīng)注意到在用戶所操控的標(biāo)定紙脫離攝像頭的覆蓋范圍后，系統(tǒng)便會出現(xiàn)暫時性的盲狀態(tài)，此時只要標(biāo)定紙重新回到攝像頭的覆蓋范圍內(nèi)系統(tǒng)便可恢復(fù)正常。在整個系統(tǒng)的運(yùn)行界面中采用紅色來標(biāo)識各窗口的作用，視頻監(jiān)視窗口當(dāng)中不同類型標(biāo)定信息則選用多種顏色與粗細(xì)程度不同的線框來予以標(biāo)示區(qū)分。
結(jié)束語
總而言之，在本次研究中就提出了一種利用攝像頭來充當(dāng)交互手段，借助于事前所打印的紙張來作為（未完，下一頁）
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