CN103745627A - 一种用于模拟驾驶的三维视景仿真方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及计算机仿真，提供了一种用于模拟驾驶的三维视景仿真方法及系统，该方法具体包括：加载列车沿轨道行驶的三维场景模型；以固定频率刷新向用户输出的用户驾驶列车的运行画面，每一次刷新包括：根据场景状态输入信号对应地更新所述三维场景模型，包括根据信号机状态输入信号对应地更新所述三维场景模型中的信号机状态；根据该列车的运动状态输入信号计算用户当前时刻在所述三维场景模型中的视点及视角；结合更新后的三维场景模型和所述视点及视角刷新向用户输出的用户驾驶列车的运行画面。本发明实现了不同环境下高逼真度的三维视景仿真，有助于提高CBTC培训的培训效果。

Description

一种用于模拟驾驶的三维视景仿真方法及系统

技术领域

本发明涉及通信技术，具体涉及一种用于模拟驾驶的三维视景仿真方法及系统。

背景技术

国产CBTC系统（Communication Based Train Control System，基于无线通信的列车控制系统）是一种列车自动控制系统，基于移动闭塞列车间隔的原理，实现对列车的控制，主要适用于地铁、轻轨系统。国产CBTC系统中的系统控制等级支持多种控制模式，从基于半自动闭塞的站间闭塞到基于固定闭塞原理和应答器的点式控制等级，再到使用高精度列车定位、车地连续双向通讯的CBTC控制等级。能够允许覆盖同一个信号系统下不同自动化等级的运行、不同性质列车的混运及多种驾驶模式的应用，也使系统具备后备模式的运行可能。

CBTC系统的复杂性给推广使用造成了一定的难度，急需一套可视化的培训系统用于列车驾驶员、调度员操作培训，信号维修人员故障发现和处理培训，并可实现各子系统及其子系统间的互动教学。可视化的培训系统可以带给用户直观的、生动的、沉浸式的感观体验，使用户更容易掌握CBTC系统的使用。

在现有的可视化培训系统中，视景显示多采用现场录像，受到场地、天气设备的影响，很难给人以虚拟环境的真实感，使得CBTC培训系统的培训效果大大降低。具体来说，主要采取现场录像模拟列车运行的方法存在以下缺陷：

通过现场录像方法对现场环境的模拟不能展示现场信号设备(信号机、道岔、屏蔽门等)的实时状态，列车驾驶员对于现场环境并没有准确的把握。而且通过录像方法生成的视景是对现场环境的二维展示，不能为用户提供直观、生动、沉浸式的感观体验。因此，基于该方法的CBTC培训系统的培训效果很低。

发明内容

（一）解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供一种用于模拟驾驶的三维视景仿真方法及系统，实现了不同环境下高逼真度的三维视景仿真，有助于提高CBTC培训的培训效果。

（二）技术方案

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

一种用于模拟驾驶的三维视景仿真方法，其特征在于，该方法包括：

加载列车沿轨道行驶的三维场景模型；

以固定频率刷新向用户输出的用户驾驶列车的运行画面，每一次刷新包括：

根据场景状态输入信号对应地更新所述三维场景模型，包括根据信号机状态输入信号对应地更新所述三维场景模型中的信号机状态；

根据该列车的运动状态输入信号计算用户当前时刻在所述三维场景模型中的视点及视角；

结合更新后的三维场景模型和所述视点及视角刷新向用户输出的用户驾驶列车的运行画面。

优选地，所述根据场景状态输入信号对应地更新所述三维场景模型还包括：根据其他列车位置输入信号对应地更新所述三维场景模型中其他列车的位置。

优选地，所述根据场景状态输入信号对应地更新所述三维场景模型还包括：根据道岔正反位状态信号对应地更新所述三维场景模型中的道岔正反位状态。

优选地，所述根据场景状态输入信号对应地更新所述三维场景模型还包括：根据用户输入的天气状况输入信号对应地更新所述三维场景模型中的天气状况。

优选地，所述每一次刷新还包括：

根据天气状况输入信号和列车的运动状态输入信号选择环境音效并向用户输出该环境音效；

当接收到报警输入信号时向用户输出相应的报警音效。

一种用于模拟驾驶的三维视景仿真系统，其特征在于，该系统包括：

三维场景加载模块，用于加载有列车沿轨道行驶的三维场景模型；

三维视景刷新模块，用于以固定频率刷新向用户输出的用户驾驶列车的运行画面；

所述三维视景刷新模块包括：

三维场景更新单元，用于根据场景状态输入信号对应地更新所述三维场景模型，包括信号机状态更新子单元，所述信号机状态更新子单元用于根据信号机状态输入信号对应地更新所述三维场景模型中的信号机状态；

视点视角计算单元，用于根据该列车的运动状态输入信号计算用户当前时刻在所述三维场景模型中的视点及视角；

三维视景输出单元，用于结合更新后的三维场景模型和所述视点及视角刷新向用户输出的用户驾驶列车的运行画面。

优选地，所述三维场景更新单元还包括其他列车位置更新子单元，用于根据其他列车位置输入信号对应地更新所述三维场景模型中其他列车的位置。

优选地，所述三维场景更新单元还包括道岔正反位状态更新子单元，所述道岔正反位状态更新子单元用于根据道岔正反位状态信号对应地更新所述三维场景模型中的道岔正反位状态。

优选地，所述三维场景更新单元还包括天气状况更新子单元，所述天气状况更新子单元用于根据用户输入的天气状况输入信号对应地更新所述三维场景模型中的天气状况。

优选地，所述三维视景刷新模块还包括：

环境音效刷新单元，用于根据天气状况输入信号和列车的运动状态输入信号选择环境音效并向用户输出该环境音效；

报警音效输出单元，用于当接收到报警输入信号时向用户输出相应的报警音效。

（三）有益效果

本发明至少具有如下的有益效果：

本发明通过连续刷新向用户输出的画面，其中按场景状态输入信号更新了三维场景模型，并按列车的运动状态输入信号更新了用户在三维场景模型中所处的视点和视角，从而只要刷新间隔足够小，也就是所述固定频率足够高，那么用户就可以从屏幕上体验到像电影一样身临其境动画效果，如此就实现了列车运行这一场景的实时动态显示。

由于本发明中实时动态显示，用户能对现场信号机状态进行准确的把握，并可以从中获得图像和声音上的沉浸式体验，包括不同天气环境下的现场环境以及当前的车辆状态。也就是实现了不同环境下高逼真度的三维视景仿真，有助于提高CBTC培训的培训效果。

当然，实施本发明的任一产品或方法并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明一个实施例中一种用于模拟驾驶的三维视景仿真方法流程图；

图2是本发明一个实施例中向用户输出的画面示意图；

图3是本发明一个实施例中一种用于模拟驾驶的三维视景仿真系统框图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

本发明实施例提供了一种用于模拟驾驶的三维视景仿真方法，参见图1，该方法包括：

步骤101：加载列车沿轨道行驶的三维场景模型。

以固定频率刷新向用户输出的用户驾驶列车的运行画面，每一次刷新包括：

步骤102：根据场景状态输入信号对应地更新所述三维场景模型；

其中包括根据信号机状态输入信号对应地更新所述三维场景模型中的信号机状态；

步骤103：根据该列车的运动状态输入信号计算用户当前时刻在所述三维场景模型中的视点及视角；

步骤104：结合更新后的三维场景模型和所述视点及视角刷新向用户输出的用户驾驶列车的运行画面。

也就是说，本实施例先制作了一个虚拟的三维场景模型，这一过程可以基于现有的多种三维建模软件来实现，这一模型下包含了列车沿轨道行驶场景中需要展现出来的子模型，比如说信号机子模型。从而三维视景仿真中，就先加载这一模型，然后通过以固定的频率（频率足够高）刷新向用户输出的画面来实现向用户提供三维动画效果。这里所说的画面就是从三维场景模型中选取一定的视点和视角，从而确定向用户投影三维模型场景中的哪些投影面。

当然在此之前要更新这一三维场景模型，更新的依据来源于外部输入信号中的场景状态输入信号，其中包含了当前时刻场景状态的信息。比如说其中的信号机状态输入信号中包含了当前场景下信号机的状态信息，通过接收、分析这一信号，就可以在三维场景模型中对应地更新其中信号机子模型的显示状态。

然而视点和视角的选取需要由列车的当前位置来决定，所以通过接收列车的运动状态输入信号，就可以从中提取出所需的列车运动状态信息，基于一定的物理公式就可以计算出当前时刻列车所处的位置和面对的方向，从而就可以确定需要选取的视点和视角。

基于这一方法，可以向用户实时地展示一个具有动画效果的动态列车行驶画面，其中场景的具体状态都会随着输入信号做相应的更新，所以可以给用户一种身临其境的感受；更重要的是，用户能对包括信号机状态的列车现场运行情况有着一个全面而准确的把握，这一点对于CBTC培训而言是非常有帮助的。所以本方法可以实现不同环境下高逼真度的三维视景仿真，并有助于提高CBTC培训的培训效果。

以上为对本方法最一般方案所作的说明，下面将以一个更为具体的例子来对本方法进行进一步的说明。

在步骤101中，具体使用Creator、Vires等三维建模软件制作三维场景模型，三维场景模型中主要包括列车模型（包括停止和行驶状态），轨道模型（包含可以变轨的道岔），信号机模型，周围景物、景观模型，以及包括天气特效（晴、雨、雪、雾等天气状况）在内的多种附加环境特效（可以运用OSG图形开发组件实现）。三维场景模型一般以文件的形式存储在存储设备上，在需要使用的时候可以通过必要的软硬件环境对其进行加载。

本实施例中向用户输出画面这一过程通过以下装置实现：可以实现前、后向视景的分别置于用户前面和后面的两块弧幕；画面通过设置在用户头顶上的注目投影系统来向两块弧幕进行投影；具体的三维视景仿真以软件的形式安装在计算机设备上，通过线路的连接来将计算机输出的视频信号由注目投影系统转化为具体的画面。与上述方法一致，以一个固定的频率刷新画面，用以形成动画效果。另外设置一个音频输出设备，用于向用户提供音效。而且，计算机上连接有多路信号输入采集设备，用于接收所有更新画面需要的场景状态输入信号。

在步骤102中，计算机根据接收到的场景状态输入信号对应地更新所述三维场景模型，其中具体包括：

对于信号机状态的更新。通过接收、分析信号机状态输入信号，在三维场景模型中对应地更新其中信号机子模型的显示状态。比如说信号机状态输入信号中包括了改变信号机指示灯的明暗状态信息，就对应地在三维场景模型中按照输入信号改变对应信号机指示灯的明暗。

对于道岔正反位状态的更新。通过接收、分析道岔正反位状态输入信号，在三维场景模型中对应地更新其中的道岔正反位状态。比如道岔正反位状态输入信号包括了某一个道岔由正位扳到反位的信息，就对应地在三维场景模型中按照输入信号将道岔由正位变为反位。

对于其他列车位置的更新。通过接收、分析其他列车位置输入信号对应地更新所述三维场景模型中其他列车的位置。直接读取其他列车位置，在三维场景模型中对应地设置列车模型即可。

对于天气状况的更新。通过接收、分析用户输入的天气状况输入信号对应地更新所述三维场景模型中的天气状况。这里的天气状况输入信号是用户根据输入设备选择天气状况而输入的，根据这一信号对应地更新三维场景模型中的对应的天气状况即可。

在步骤103中，根据该列车的运动状态输入信号计算用户当前时刻在所述三维场景模型中的视点及视角。本步骤主要内容就是接收运动状态输入信号，并以此计算用户的视点及视角。具体情景下，列车的运动状态输入信号包括有诸多参量，最主要的参量来源于上一时刻的列车运动状态，包括加速度、速度和位移（均为矢量，包括数值和方向），这一参量可以暂存在计算机中或者由外部存储器保存；和这一时刻的运动状态控制信号，包括牵引力信号（决定正向加速度），紧急制动信号（决定主要的负向加速度），以及各种天气状况下可能存在的其他阻力（决定次要的负向加速度）。从而通过构建物理模型，基于具体的公式可以计算得到对应时刻列车的加速度、速度、以及位移。得到计算结果后就可以对应地得到用户当前时刻应该处在三维场景模型中的哪个视点上，面对着哪个方向，也就是得到了对应的视点和视角。

步骤104中，主要就是将更新后的三维场景模型和得到的视点视角刷新向用户输出的用户驾驶列车的运行画面。这一过程中，注目投影系统通过相机及其参数来定义三维图形渲染中投影矩阵，并控制动态场景中视点。用近裁剪面距离、远裁剪面距离、水平视角和垂直视角来定义视锥体的几何形状，然后根据照相机在场景中的位置和方向得到视锥体在三维场景中的姿势和位置，选取进入视锥体的场景并且把它们投影到平面上。

另外，在每次刷新画面时都会对应地更新环境音效，多种环境音效以音频文件的形式由计算机软件调用，可以根据天气状况输入信号和列车的运动状态输入信号来确定当前适合输出哪一种环境音效，并对应地输出以完成驾驶环境中环境音效的模拟。而且在接收到报警输入信号时向用户输出相应的报警音效。

综上所述，本方法对用户处在模拟驾驶环境看到的画面、听到的声音都进行了仿真，而且通过与真实情景很接近的三维场景模型对列车的行驶过程都有着很逼真的再现，具体的向用户输出的画面参见图2。本发明实施例不仅具有上面已经提到过的有益效果，还实现了在不同天气下现场环境下输出对应的视景与声音，提高了沉浸感。而且很逼真地再现了模拟驾驶列车中的具体情景，有助于提高CBTC培训的培训效果。

实施例2

本发明实施例提供了一种用于模拟驾驶的三维视景仿真系统，参见图3，该系统包括：

三维场景加载模块31，用于加载有列车沿轨道行驶的三维场景模型；

三维视景刷新模块32，用于以固定频率刷新向用户输出的用户驾驶列车的运行画面；

所述三维视景刷新模块包括：

三维场景更新单元321，用于根据场景状态输入信号对应地更新所述三维场景模型，包括信号机状态更新子单元，所述信号机状态更新子单元用于根据信号机状态输入信号对应地更新所述三维场景模型中的信号机状态；

视点视角计算单元321，用于根据该列车的运动状态输入信号计算用户当前时刻在所述三维场景模型中的视点及视角；

三维视景输出单元323，用于结合更新后的三维场景模型和所述视点及视角刷新向用户输出的用户驾驶列车的运行画面。

以上装置即构成了三维视景仿真系统的主体，可以按照其组合关系来实现其对三维视景的仿真。

其中，三维场景更新单元还包括：

其他列车位置更新子单元3211，用于根据其他列车位置输入信号对应地更新所述三维场景模型中其他列车的位置；

道岔正反位状态更新子单元3212，所述道岔正反位状态更新子单元用于根据道岔正反位状态信号对应地更新所述三维场景模型中的道岔正反位状态；

天气状况更新子单元3213，所述天气状况更新子单元用于根据用户输入的天气状况输入信号对应地更新所述三维场景模型中的天气状况。

另外，所述三维视景刷新模块还包括：

环境音效刷新单元324，用于根据天气状况输入信号和列车的运动状态输入信号选择环境音效并向用户输出该环境音效；

报警音效输出单元325，用于当接收到报警输入信号时向用户输出相应的报警音效。

本发明实施例的系统对应于所提出的用于模拟驾驶的三维视景仿真方法，可以对用户处在模拟驾驶环境看到的画面、听到的声音都进行了仿真，而且通过与真实情景很接近的三维场景模型对列车的行驶过程都有着很逼真的再现，具体的向用户输出的画面参见图2。本发明实施例不仅具有上面已经提到过的有益效果，还实现了在不同天气下现场环境下输出对应的视景与声音，提高了沉浸感。而且很逼真地再现了模拟驾驶列车中的具体情景，有助于提高CBTC培训的培训效果。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种用于模拟驾驶的三维视景仿真方法，其特征在于，该方法包括：

加载列车沿轨道行驶的三维场景模型；

以固定频率刷新向用户输出的用户驾驶列车的运行画面，每一次刷新包括：

根据场景状态输入信号对应地更新所述三维场景模型，包括根据信号机状态输入信号对应地更新所述三维场景模型中的信号机状态；

根据该列车的运动状态输入信号计算用户当前时刻在所述三维场景模型中的视点及视角；

结合更新后的三维场景模型和所述视点及视角刷新向用户输出的用户驾驶列车的运行画面。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据场景状态输入信号对应地更新所述三维场景模型还包括：根据其他列车位置输入信号对应地更新所述三维场景模型中其他列车的位置。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据场景状态输入信号对应地更新所述三维场景模型还包括：根据道岔正反位状态信号对应地更新所述三维场景模型中的道岔正反位状态。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据场景状态输入信号对应地更新所述三维场景模型还包括：根据用户输入的天气状况输入信号对应地更新所述三维场景模型中的天气状况。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述每一次刷新还包括：

根据天气状况输入信号和列车的运动状态输入信号选择环境音效并向用户输出该环境音效；

当接收到报警输入信号时向用户输出相应的报警音效。

6.一种用于模拟驾驶的三维视景仿真系统，其特征在于，该系统包括：

三维场景加载模块，用于加载有列车沿轨道行驶的三维场景模型；

三维视景刷新模块，用于以固定频率刷新向用户输出的用户驾驶列车的运行画面；

所述三维视景刷新模块包括：

三维场景更新单元，用于根据场景状态输入信号对应地更新所述三维场景模型，包括信号机状态更新子单元，所述信号机状态更新子单元用于根据信号机状态输入信号对应地更新所述三维场景模型中的信号机状态；

视点视角计算单元，用于根据该列车的运动状态输入信号计算用户当前时刻在所述三维场景模型中的视点及视角；

三维视景输出单元，用于结合更新后的三维场景模型和所述视点及视角刷新向用户输出的用户驾驶列车的运行画面。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述三维场景更新单元还包括其他列车位置更新子单元，用于根据其他列车位置输入信号对应地更新所述三维场景模型中其他列车的位置。

8.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述三维场景更新单元还包括道岔正反位状态更新子单元，所述道岔正反位状态更新子单元用于根据道岔正反位状态信号对应地更新所述三维场景模型中的道岔正反位状态。

9.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述三维场景更新单元还包括天气状况更新子单元，所述天气状况更新子单元用于根据用户输入的天气状况输入信号对应地更新所述三维场景模型中的天气状况。

10.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述三维视景刷新模块还包括：

环境音效刷新单元，用于根据天气状况输入信号和列车的运动状态输入信号选择环境音效并向用户输出该环境音效；

报警音效输出单元，用于当接收到报警输入信号时向用户输出相应的报警音效。

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