摘 要

随着新兴的技术正在蓬勃地发展，虚拟现实（VR）已经不再是一个理论概念，而是开始走近大众的生活，实现了在科研、教学、游戏等领域的更深层次推广与运用。虚拟现实是一个集仿真技术、传感技术、人机工程学和网络技术等多种软硬技术于一体的技术，考虑到汽车制造行业的应用，借助虚拟现实技术的沉浸感、交互性和想象性三大特点发展出了汽车虚拟仿真驾驶系统，该系统能够真实地模拟汽车在各个场景下行驶的空间姿态，并且观察到汽车性能参数的变化，降低汽车性能测试的成本，提高安全性和效率；此外，虚拟仿真驾驶系统可以让驾驶者在车辆行驶过程中从不同角度体验驾驶的乐趣，模拟驾驶过程中可能发生的各种危险场景，以此来降低实际驾驶中事故发生率。

本文在研究虚拟仿真驾驶系统的发展基础上，借助三维建模软件3ds Max、Rhino和Unity 3D对汽车虚拟仿真驾驶系统进行场景建模渲染。论文的主要研究内容包括：

1. 根据设计原则，以中国交通道路法规标准和汽车试验场道路标准为理论基础，对整体虚拟驾驶场景提出总体框架。
2. 通过三维建模软件3ds Max和Rhino的基本功能，绘制试验场和山地道路的草图，创建完整的汽车试验场和山地场景。
3. 在Unity 3D软件中完成虚拟仿真驾驶系统场景的导入，放置车辆实体模型，添加植被、天空等模块，使场景变得更加真实。

论文实现了虚拟驾驶系统仿真场景的建立，虚拟驾驶系统不仅在汽车性能测试中是一种高效安全的测试方法，而且能够给正在研发阶段的无人驾驶提供技术支持，对虚拟仿真驾驶系统进一步的研究和普及奠定了基础，课题具有一定程度的研究意义和实用价值。

关键词：虚拟现实；场景建模；汽车测试；模拟驾驶

Abstract

With the booming development of emerging technologies, virtual reality (VR) is no longer a theoretical concept, but has begun to approach the life of the public, realizing the deeper promotion and application in scientific research, teaching, games and other fields. Virtual reality is a collection of simulation technology, sensor technology, ergonomics, and a variety of hard and soft technology such as network technology in the integration of technology, considering the application of automobile manufacturing industry, with the help of virtual reality technology of immersive, interactive, and imaginative three characteristics developed the virtual driving simulation system, the system can truly simulate the cars drive in each scenario space posture, and observe the change of performance parameters, reduce the cost of automobile performance test, improve safety and efficiency; In addition, the virtual simulation driving system can allow drivers to experience the fun of driving from different angles during the driving process, and simulate various dangerous scenarios that may occur during the driving process, so as to reduce the accident rate in actual driving.

On the basis of studying the development of virtual simulation driving system, this paper uses 3D modeling software 3ds Max, Rhino and Unity 3D to conduct scene modeling and rendering of virtual simulation driving system. The main research contents of this paper include:

(1) according to the design principles, the overall virtual driving scene is put forward based on China's road laws and regulations and the road standards of automobile test sites as the theoretical basis.

(2) through the basic functions of 3d modeling software 3ds Max and Rhino, draw the sketch of test site and mountain road, and create a complete automobile test site and mountain scene.

(3) complete the virtual simulation driving system scene import in Unity 3D software, place the vehicle entity model, add vegetation, sky and other modules, make the scene more real.

Paper realized the establishment of the virtual driving simulation scenarios, not only virtual driving system in automobile performance test is an effective and safe test method, but also to provide the technical support is developing stage of the unmanned, further research and popularization of virtual driving simulation system laid a solid foundation, the subject has a certain degree of research significance and application value.

Key Words：virtual reality；scene modeling；vehicle testing；driving simulation

目 录

第1章 绪 论 1

1.1 引言 1

1.2 研究背景 1

1.3 研究意义 2

1.4 国内外研究现状 2

1.4.1 国外研究现状 2

1.4.2 国内研究现状 3

1.5 研究内容 4

第2章 场景设计概述 5

2.1 汽车试验场道路设施设计 5

2.1.1 高速环道 5

2.1.2 纵坡 6

2.1.3 耐久性试验 6

2.1.4 转向试验圆广场 7

2.1.5 涉水池 7

2.2 城市山地道路设计标准 7

2.2.1 城市道路设计及规范 7

2.2.2 山区道路设计及规范 9

第3章 虚拟驾驶场景建模平台 10

3.1三维软件 10

3.1.1 3ds Max三维软件 10

3.1.2 Rhino三维软件 10

3.2 Unity 3D虚拟现实软件 10

3.3本章小结 11

第4章 虚拟驾驶场景搭建 12

4.1三维建模 12

4.1.1 道路建模 12

4.1.2 地形建模 13

4.2纹理贴图 16

4.2.1道路UV贴图 16

4.2.2 Unity3d纹理贴图 16

4.3虚拟场景的导入 17

第5章 总结与展望 19

参考文献 21

致 谢 22

第1章 绪 论

1.1 引言

随着社会快速的进步和许多新型技术的高速发展，我们社会上车辆的数量慢慢地逐渐趋于饱和状态，而且糟糕的是交通事故的发生率在不断增长，为了减小交通危险的发生和规范驾驶员正确驾驶，更是为了适应未来无人智能车辆的发展，虚拟现实技术（VR）所具有的沉浸性、交互性和想象性这三大特点结合在一起，从而开发出虚拟仿真驾驶系统，提出了新的解决方法。

1.2 研究背景

虚拟现实技术（Virtual Reality，简称VR）是最近几年来对于信息技术产业而言的前沿科技之一，这项技术近几年在国内外得到了飞速的发展，并且形成了广泛的应用领域，对人们的生活方式和工作方式产生了深刻的影响。

虚拟现实技术主要的模块是包括模拟真实的环境、感知外界事物、机械学习技能和使用外界传感设备进行感知的传递等方面，模拟真实环境是由计算机算法生成的实时的三维动态图像，感知技能是指通过这个技术，在使用外接设备的情况下，机器能够做到具有一切人类可以感知的东西的能力，这样可以在很快的速度下观察身边三维空间内的任何物体。人们使用设备时，计算机的算法对模拟真实的环境进行快速复杂的运算，将精准的3D世界影像传到配备的外界设备中，这样可以使用户产生强烈的临场感。

目前，虚拟现实技术正在快速进入制造工业的多个领域，汽车作为制造业与人类生活最为亲近的行业之一，自然不会放弃新技术的应用。虚拟现实技术在车身外形造型、内饰设计、汽车工艺制造、汽车开发试验等等领域广泛推广，它广泛地应用在汽车行业，使传统汽车制造行业的思想理念、设计开发方式、汽车零部件供应、公司组织形式、汽车市场份额竞争和高薪人才培养方面正在产生全方位的创新和变革。

虚拟驾驶仿真系统已经成为当今社会上科学研究的热点问题，在虚拟技术研究领域扮演着非常重要的角色。虚拟仿真驾驶系统是基于计算机算法技术产生汽车正在行驶过程中的虚拟场景、外界的声音效果和车辆、人体的运动仿真，使驾驶员沉浸在虚拟场景的复杂交通环境中，通过这样的场景使之产生真实的驾驶感觉，可以达到用来学习正确的驾驶技术额目除此之外。，驾驶员还可以体验现实的物理世界中的汽车驾驶。系统与三维图像即时生成技术、多技术感知传感器、汽车动力学、、六自由度运动平台等相结合。

虚拟仿真驾驶在汽车性能测试中得到很好的发挥，建立虚拟试验场景，实时记录车辆行驶的数据，观察汽车实时转向、加速减速、碰撞等姿态，虚拟仿真驾驶系统可以在实时的仿真技术平台的基础上开发测试系统，并且与驾驶员的真实的想法和在现实世界中的实际正常行为结合在一起，实现对正在行驶的车辆和新测试技术的开发及主客观的全面综合评价，这样的目的是为了汽车推出新产品和新技术做铺垫，并且对车辆的研究与开发测试提供大力的支持和帮助。

1.3 研究意义

虚拟驾驶仿真系统在汽车测试开发的范围中应用非常广泛，典型的测试领域分为以下几种：驾驶员辅助系统与主被动安全技术的开发测试、乘客舒适性评估、车辆电子控制系统开发测试、驾驶员运动学研究、车联网、车路协同技术开发等。

系统依靠强大逼真的3D场景库，有效地提高了汽车产品地开发效率、缩短开发的周期、降低人力物力的开发成本和风险；有效地涵盖了汽车产品设计开发的工具链，可以用在各个阶段的快速验证与试验；与传统汽车设计和汽车测试相比，虚拟仿真驾驶系统的客观条件限制变少，测试种类更加充分，对新产品的特性了解更加全面；同时，用户不用必须坐在车里中，只需要通过修改参数就可以完成不同汽车产品在不同工况包括极限工况下的测试；因为虚拟驾驶系统可以效果更好地完成极限和危险工况下的试验，这样可以消除汽车开发中道路试验的危险因素；并且可以随时变化的虚拟3D场景大大地降低了汽车在室外试验场测试前的准备工作和测试难度。

1.4 国内外研究现状

1.4.1 国外研究现状

早在六十年前的时候，以美国为首的一些发达国家，汽车虚拟驾驶仿真系统已经在驾驶培训和公共交通领域得到了普遍的应用。在二十世纪七十年代，美国等一些发达国家已经将汽车虚拟驾驶仿真系统普遍应用于驾校；1995年，日本一家研究机构将体感技术运用于当时先进的虚拟驾驶模拟器中；2015年，奥迪在全新一代奥迪TT上展示了一个全新的概念——“虚拟驾驶仓”（Virtual Cockpit），在全数字化面板的展示下，虚拟驾驶仓结合车联网，通过云数据库对实时车辆信息、道路导航系统、驾驶员的娱乐信息等各种基本功能，这样的目的只是为驾驶者提供全新体验，使之在枯燥的驾驶环境中，有不一样的用户体验。

图1.1 奥迪公司的“虚拟驾驶仓”

在2017年，位于德国的大型汽车制造商——宝马有限公司正在准备建造一个高级的、全新的用于自动驾驶技术的研发的模拟驾驶中心。这个处于摇篮中的设计计划对于模拟驾驶中心来说规划中需要到的最重要的硬件是两个专门用于适应无人车的模拟自动驾驶模拟器。这个全新的驾驶模拟器能够产生的纵向与横向加速度达到了1.0 g，这个数据意味着车辆能够复制学习动态的躲避机动、汽车的完全制动和路面的硬加速度，坐在车辆上模拟驾驶座椅上的汽车开发检测人员将会在外界设备的屏幕上看到一个与现实驾驶场景极其相似的三维透视图，并且可以检测驾驶员的行为和自动驾驶的车辆复杂的城市道路驾驶情况。

在2018年，大众有限汽车公司正在公司内部推广使用基于虚拟技术的虚拟验证，用来测试新开发的驾驶员辅助系统，以达到让汽车开发流程变得更快、更高效的方式，在此研究项目上，大众公司的权威专家们已经决定在公司内部开发的软件SimFAS用于汽车测试，软件在未来将会被用在驾驶员辅助系统上，该系统是模拟ID模型系列。

1.4.2 国内研究现状

国内在虚拟驾驶技术在制造业的应用比国外发展较晚一些，从国外引入带自主研发，是一个漫长的过程。在“十三五”计划中，我国相关部门大力推动虚拟现实技术的研发和应用，包括新能源汽车、智能化无人汽车和智能网络连接汽车。随着5G技术的普及，和车联网数量的大量增长，这样情况意味着社会需要更多的能够基于硬件的测试，虚拟仿真驾驶系统的虚拟汽车测试将在一定程度上减少汽车产品的开发成本并提升开发的效率。

中视典数字科技是中国比较早地抓住虚拟技术地企业，主要在数字汽车地三维可视化、数字汽车虚拟仿真驾驶以及六个自由度运动平台的软硬件于一体化的汽车产品专业研发有限公司，公司已经研发出来的VRP虚拟现实驾驶系统，不仅能够模拟真实的道路交通环境，比如大型建筑、湖泊、桥梁、人物模型、隧道、植被，还能在一定程度上模拟各种天气环境，包括夜晚、白天、阳光、下雨、太阳、下雪等等,除此之外，研发的VRP系统自带有的高清画质渲染图片技术，也让三维汽车造型设计和开发从理论变成了实际。

图1.2 中视典科技公司的虚拟驾驶系统

蔚来汽车把虚拟现实技术运用于自动驾驶虚拟测试软件中，用过计算机图形学来避免安全事故的发生，以此来加速了安全自动驾驶车辆的开发流程，该技术能够在较短时间内自动地快速生成城市道路交通场景，包括红绿灯，路牌等等。平台不是架空现实物理世界地，而是使用各种真实世界地形地三维地图数据，通过计算机复杂算法来生成道路场景模型，教会自动驾驶过程中的汽车如何使用正确的驾驶技术，并且能够确保自动驾驶过程中的汽车在软件运行中学习驾驶规避行为的过程。在虚拟驾驶场景中所有的道路场景元素都可以调整参数和编程运行，比如车道的数量、地形地貌的模型、山脉位置、道路曲率半径等等。

1.5 研究内容

本文在国内外汽车虚拟仿真驾驶系统的研究基础上，结合汽车性能测试试验场和城市山区道路，进行虚拟场景的建模，使驾驶者能够在系统中获得实时的、逼真的、动态的虚拟仿真驾驶体验。本文重点解决以下问题：

（1）依据中国交通道路法规对城市道路和山区道路进行设计规划，使之接近于现实世界道路，在此基础上，自由发挥创作像“我的世界”游戏中的场景；

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