國民經濟高速發展時代，人們用車增多，交通安全問題隨著機動車的數量變多愈發嚴峻。汽車保有量和需求與日俱增對導致駕駛培訓需求迅速增長，同時也提出了更高的要求，傳統的駕駛培訓行業面臨巨大的壓力與挑戰。

    目前，非沉浸式虛擬現實駕駛培訓系統己經被廣泛應用到駕駛技能培訓以及交通安全教育領域，這種方式用基于駕駛培訓具有方便快捷、操作簡單等優點，而且還能夠以逼真的駕駛場景高度還原真實訓練場地，有效提升學員學習駕駛技能的效率與體驗，這給汽車駕駛培訓行業提供了新的途徑。作為納斯達克上市企業“微美全息US.WIMI”旗下研究機構“微美全息科學院”的科學家們認為，隨著這兩年來vr虛擬現實應用市場占有率持續上升，全行業應用容納量也開始迅速擴張，因此vr技術已經正式入駐駕駛培訓領域。以下是微美全息科學院的科學與技術的融合性觀點，對“虛擬現實技術在車輛駕駛培訓系統技術”具有前沿性指導意義。

    1、背景介紹

    駕校培訓是獲取駕照的傳統培訓方式，但是駕校培訓質量參差不齊，有些駕校出現培訓車輛數額緊張、培訓時間倉促、培訓預約難等問題，由于駕照考試報考人數龐大，市場雜亂，胡亂收費現象一定程度上助長了應試培訓，培訓質量難以獲得保證。培訓機構為迎合報考人數逐年增加的市場趨勢，往往會擴大招生，因此會出現教練緊缺，場地空間有限，車輛損耗巨大等現象。本應一對一進行教學指導的教學方式被打破，一對二，一對多的情況屢見不鮮，在此情況下，單個學員駕駛練習的場地安排也不斷縮小規模，教學質量不佳的擔憂迫在眉睫。學員大幅度增加的同時，車輛的使用率不斷攀高，車輛修理和報廢增加了駕校的投資成本，而燃料耗費造成的污染問題也不可小覷。因此，保證教學質量，保障交通安全，乃至減少培訓車輛的污染問題，都可在駕駛培訓領域采用先進的技術，改善和優化車輛駕駛培訓考試。基于虛擬現實技術的駕駛系統有以下幾點優勢：

    （１） 廣闊的應用前景

    傳統虛擬駕駛技術無疑可以解決受訓時間和地點會因為各種各樣的原因而受限的問題，其培訓過程簡單高效，不但操作簡單，還能節約學員的時間。同時，因其考試硬件價格隨著科技的發展和完善不斷地下降，提供技術支持的VR技術發展迅速，虛擬駕駛考試培訓將成為駕駛培訓領域的一場全新的變革和主流。

    （２）重要的學術價值

    研究駕駛人員在駕駛中的行為習慣和性格特點對提高培訓效果尤其是保障道路安全來說具有非常重要的意義。駕駛人的實時駕駛能力可以從車輛的狀態信息中得到一定程度的體現，實驗群體的樣本在采集計算中確定了基準駕駛能力的相關標準，駕駛能力的評測需要相關標準的參照，可利用多方參照標準來測評培訓效果。對比參照標準可使駕駛技能、駕駛習慣得到進一步規范。其他相關領域在此類相似問題上同樣可以借鑒該解決方法，有助于相關領域之間相互溝通借鑒和交叉融合，對推動科研創新發展具有深刻的指導意義。

    2.虛擬現實技術與車輛駕駛培訓系統的結合

    駕駛培訓系統以虛擬現實技術為基礎，結合體感交互技術、場景模擬技術，三維顯示技術，不僅能夠為用戶提供視覺、聽覺、以及觸覺感知，而且還可以實現在用戶與虛擬場景的自然交互，使駕駛環境可以與真實駕駛環境高度相似，駕駛者的所見，所聽以及動作觸感都與正常駕駛一般高度相似，才能獲得真實的沉浸感。在設計模擬駕駛系統時，應首先考慮在項目應用中應遵循的技術原則主要方面如下：

    （1）安全性：由于在與系統進行交互時，體驗者需要做出一些肢體動作。因此，系統應嚴格遵循安全原則，確保系統的整體安全和體驗者在體驗過程中的安全。

    （2）穩定性：不可否認如果一個系統在運行過程中出現間斷將會使駕駛體驗降低，所以我們要系統實現穩定性目標。它要求系統在體驗過程中具有不間斷的運行能力，體驗后平臺將保持穩定。保證了大量體驗者體驗系統的穩定運行。

    （3）實用性：系統的設計需要滿足用戶的體驗要求，讓用戶充分體驗整車駕駛的實用性和真實性。虛擬現實場景要美觀、實用、簡單易操作，給用戶呈現360度無死角的模擬駕駛場景。

    （4）先進性：在系統的方法設計、軟件及硬件的選擇都采用了目前最先進的技術，不僅保證了系統功能的可靠性，同時還使其整體水平達到國內同行的領先水平。

    （5）靈活性：系統整個支撐平臺都采用了標準接口，維護方便，擴展靈活。系統的每個部分都是模塊化的。當系統出現問題時，損壞的模塊可以很容易的更換，系統可以在最短的時間內修復。

    此外，駕駛模擬器作為主要的輸入設備，用于為虛擬現實系統提供輸入信號，控制主控車輛，如圖1所示。輸入模塊主要包括以下6個方面：

    （1）方向盤，虛擬場景中車輛的運動方向由方向盤的旋轉角度控制。方向盤角度采用了與真實汽車模擬完全一致的設計，順時針和逆時針均可轉動1.5圈。

    （2）加速踏板，根據行車條件，通過調節加速踏板角度控制虛擬場景中車輛的速度；

    （3）離合器，輔助車輛啟動和換檔；

    （4）剎車踏板，通過調整剎車板的角度控制虛擬場景中車輛的運動速度；

    （5）換檔操作桿，通過變換檔位，以實現控制虛擬車輛的前進和倒退行駛；

    （6）手剎，輔助完成減速和停車。

    圖1模擬架勢器示意圖

    虛擬現實技術目前發展較為成熟，被廣泛應用到很多領域，且其有效性在應用實踐中得到進一步證實，因此本文以虛擬現實技術為基礎進行設計開發。虛擬現實是計算機技術為核心，計算機技術可以處理所有的視覺的，聽覺的，觸覺的相關信號，并把這些信號所產生的信息進行集成和處理，通過控制相關的設備就可以和計算機進行自然，并且計算機能夠模擬出虛擬交流對象，跟計算機的交互過程在用戶看來就是跟虛擬對象相互交流，從而產生就在現實世界一樣的感覺。如圖2所示，是虛擬現實系統的一般組成。

圖2虛擬現實系統的一般組成

    虛擬現實系統主要四個主要部分，不同的部分分別執行不同的功能系統輸入和系統輸出部分體現了信息的交互過程，追蹤用戶的動作或者行為，將其轉化為電腦軟件能處理的輸入信號，所以軟件平臺的任務就是利用算法和程序計算并分析每一個輸入信號，三維模型數據庫的作用就是根據軟件的控制不斷的更新數據庫，選擇適合向用戶展現的場景元素，而在該系統設計上要保證用戶收取輸出信號的操作非常簡單，在這種設計要求上，VR頭盔或者一些三維顯示設備都非常適合設計上的選擇。

    （１） 輸入模塊：本文所設計的駕駛培訓系統包括多個輸入渠道，例如，采集駕駛模擬器的信息、體感交互設備捕捉用戶手部動作數據以及ＶＲ頭盔采集的用戶頭部等輸入信息。

    （２） 輸出模塊：虛擬現實系統的研究目的是能理解并模擬人類器官的一些。動作通過設備給予用戶相應的反饋，用戶的操作會在該情形下產生什么樣的后果，會聽到什么，看到什么，或者觸摸到什么，都是系統的輸出設計上要考慮的，所以三維的立體的聲音效果，圖像視覺效果或者觸覺效果的設計處理既要靈敏又要恰到好處。

    （３） 虛擬現實軟件平臺：虛擬環境的所有設定都是給用戶服務的，用戶的位置變化或者其他操作變化都能改變場景渲染的角度，相應的提供模擬現實環境的數據的數據庫也會發生改變，因此輸出的相關控制就從輸入信號開始經由軟件平臺傳遞給了輸出設備。

    （４） 三維模型數據庫：系統的虛擬對象都是由完整的數據庫組成，包括形狀，光照，參數等相關數據集合，但是每一個操作者的操作數據都有所不同。因此，數據庫信息將根據用戶的操作內容不斷更新。

    3.駕駛模擬器國內外研究現狀

    計算機技術高速發展的支持下，使得普通的電腦也可實現以往只能在專業顯像圖形的工作平臺上才能實現的虛擬現實技術。虛擬駕駛培訓系統主要包括虛擬訓練場景、汽車動力模型、三維顯示系統、聲音播放系統、人機交互系統、汽車運動控制模塊、評測模塊7個模塊。

    國外的模擬駕駛技術一開始只提供給航空駕駛的相關訓練，模擬駕駛的概念也是在這個過程中被提出的，隨著相關技術領域和應用市場的發展和興起，特別是在ComputerGraphic（計算機圖形學）及其成像學方面的重大科研成果，讓早期主要用于航空等重要領域的模擬駕駛技術能夠逐漸應用到汽車駕駛訓練與國內相比，國外比較早的就在相應的領域進行開發研究，并且研究水平一直領先日本和歐洲等發達國家很早就在駕駛模擬器的研究和開發上投入了大量資金，他們己經批準了使用駕駛訓練模擬器來評估駕駛員駕駛能力的方法，并對模擬器的使用進行了立法規范。日本和西歐各國利用立法規范和資金推動使模擬駕駛技術迅速發展。他們將駕駛模擬測試應用到事故預防中，采用同類型的駕駛模擬器來評價駕駛員應對突發狀況和避免事故的能力，日本豐田汽車公司自主研發的駕駛模擬器如圖3所示。

    駕駛和車輛行駛的模擬都在ＶＲ空間進行，逼真的畫面立體視覺，以其高精度的視覺感受創造駕駛的真實感，搭配小振幅高應答電動運動平臺系統和駕駛座艙模塊硬件系統，整合成了首臺大型駕駛模擬器。該模擬器使用的系統通過構建數學模型來監測人體反應和感性特點。圖4是日本豐田公司推出的一款高度還原實際駕駛體驗的汽車模擬器，在當時處于國際頂尖水平，奠定了豐田公司的領先地位，這款模擬器實現了對客戶承諾的高仿真效果，獲得了非常高的用戶評價。

    為了迎合用戶的新奇體驗，這款模擬器是卡通造型，甚至為了使用戶感受更加的有沉浸感。此外，這款駕駛模擬器高度還原了汽車駕駛操控設備，配置了實車完全一樣的離合、減速踏板和加速踏板等硬件設備。并采用力反饋裝置模擬不同路面的路感，這些細節之處足可以看出產品研發者的用心。

圖3豐田汽車的架勢模擬器

圖4大型5屏幕CAVE

    國內的汽車模擬器最初只能引進國外的現成設備，我國在汽車模擬相關領域的研究起步是比較晚、發展慢并且相當艱辛。我國最早引進的駕駛模擬器是從捷克進口的，其顯示方式是點光源平板投影，只提供了簡單的道路平面場景，沒有三維立體的上坡或者過橋的情景模擬。直到1970年之后，我國才開始從不斷引進模擬器的窘迫局面進入自主研發階段，設計開發了屬于自己的第一臺汽車駕駛模擬器，實現了從無到有的突破。雖然當時日本和西歐各國實現了汽車模擬駕駛器市場化，在此研究背景下，我國各大研究機構和企業開始投入巨大精力進行駕駛模擬研究，其中主要包括在車輛專業較為領先的清華大學和吉林大學等著名高校，同時隨著計算機圖形、圖像學的發展，我國也近年也在模擬駕駛領域進步迅速，成果豐碩其中包括了許多具有代表性的研發成果，例如MCGI-9410T計算機成像系統與QM-CUI駕駛模擬器，這兩款產品分別由京航空航天公司和航空精密研究所設計開發研究成果如雨后春筍般出現，在此熱潮的推動下，眾多的中小型公司開始把產品投入市場銷售，比如北京宜愛和安徽三聯這種代表性公司。

    4. 研究展望

    虛擬現實技術在21世紀已發展成熟，并應用于各大平臺，在駕駛培訓領域引進虛擬現實技術己成為可能，VR技術給駕駛培訓考試增加了新的培訓方法，該方法通過VR技術的交互性特點，沉浸式特點和想象性特點來幫助培訓人員建立置身于培訓場景的真實感體驗。頭戴式VR設備在聽覺和視覺以及觸覺上能提供給駕駛人員身臨其境的駕駛體驗，而設備成本相對、傳統駕駛培訓來說要低的多，這使得頭戴式可穿戴設備在虛擬駕駛培訓領域應用的可能性大大提高。而無實地操作的VR技術可模擬一些危險場景，規避一些突發狀況造成的不安全隱患。

    虛擬駕駛模型雖然可以解決傳統駕駛考試培訓中的一部分安全問題，但駕駛模型自身的不足之處仍需要改善。綜上所述，駕駛培訓上應用ＶＲ技術的前景非常廣闊。