張燕軍 劉 群 談 衛(wèi) 孫有朝 李竹峰(揚(yáng)州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 江蘇 揚(yáng)州 57)(南京航空航天大學(xué)民航學(xué)院 江蘇 南京 006)

0 引 言

隨著汽車行駛路況和車輛性能的復(fù)雜化，全風(fēng)擋平視顯示的信息量和顯示模式是否合理，將對汽車駕駛工效產(chǎn)生直接影響。合理的平視顯示信息指引，可以增強(qiáng)駕駛員的主觀情景意識和信息感知水平，提高駕駛員的駕駛行為績效，緩解駕駛員緊張和壓力情緒，并能為車輛行駛安全性提供保證；反之，則將導(dǎo)致駕駛員注意力分散、主觀情景意識喪失、認(rèn)知負(fù)荷過載甚至加劇車輛的人機(jī)交互安全風(fēng)險，對駕駛員如何快速準(zhǔn)確地獲取車輛行駛狀況提出了較高的要求。因此，需要借助實驗環(huán)節(jié)對全風(fēng)擋平視顯示駕駛工效進(jìn)行研究。

目前國內(nèi)外專家學(xué)者主要針對被試者的心理生理指標(biāo)參數(shù)以及行為績效水平對顯示界面的字符字體、大小、色彩、顯示位置及顯示界面編碼開展工效研究：如文獻(xiàn)[1]研究字符對顯示界面的工效影響；文獻(xiàn)[2-3]通過比較顯示界面的文字類型、位置方位及透明度對反應(yīng)時間和正確率的影響研究；文獻(xiàn)[4]研究駕駛?cè)藛T的分心反應(yīng)時間的影響；文獻(xiàn)[5]對比分析了顯示界面尺寸大小對駕駛者操作信息輸入的影響；文獻(xiàn)[6]研究了車輛顯示的信息量對反應(yīng)時間的影響。綜合以上研究的問題，平視顯示界面需要有較好的柔性，并根據(jù)需求實時修改參數(shù)屬性，在實際行駛過程中，駕駛員會基于行駛的外部環(huán)境信息和車況信息進(jìn)行決策、判斷、處理，利用操縱控制設(shè)備完成駕駛?cè)蝿?wù)。為了研究全風(fēng)擋平視顯示對駕駛工效的影響，需要采集駕駛員操縱車輛時的生理數(shù)據(jù)、心理數(shù)據(jù)和決策數(shù)據(jù)。采集的數(shù)據(jù)用于表征平視顯示信息量和模式是否合理，為緩解認(rèn)知疲勞和提高駕駛行為績效的影響水平及后續(xù)系統(tǒng)研制開發(fā)提供實驗數(shù)據(jù)的支持。現(xiàn)有的駕駛仿真平臺多用于駕駛員的考證駕駛訓(xùn)練或作為娛樂系統(tǒng)，如文獻(xiàn)[7-8]基于裝配視景平臺的研究，文獻(xiàn)[9]提出了一種基于虛擬現(xiàn)實的駕駛訓(xùn)練研究和方法，文獻(xiàn)[10]對車輛駕駛模擬器的發(fā)展與應(yīng)用進(jìn)行了研究。大部分研究還沒有行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)備都缺乏記錄被試者的駕駛數(shù)據(jù)，而且界面單一固定無法實現(xiàn)即時修改，需要編寫控制臺程序，實時監(jiān)測修改全風(fēng)擋平視顯示界面屬性。

本文將基于虛擬儀表開發(fā)技術(shù)和三維空間場景構(gòu)建技術(shù)[11-15]，利用GL Studio開發(fā)行駛環(huán)境的視覺增強(qiáng)顯示(如路標(biāo)/牌、路障、行人、車道等)和車況信息顯示(如車速、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、油量、導(dǎo)航、通信等)等全風(fēng)擋平視顯示對象；基于Multigen Creator和Vega Prime開發(fā)不同行駛路況場景(雨、霧、夜間行駛等)環(huán)境仿真模塊；集成眼動儀、腦電圖儀、心電圖儀、動作跟蹤捕捉系統(tǒng)等試驗數(shù)據(jù)采集設(shè)備以便于獲得駕駛操縱過程中駕駛員的生理心理數(shù)據(jù)；構(gòu)建基于虛擬現(xiàn)實與模擬駕駛技術(shù)的車載全風(fēng)擋平視顯示的駕駛工效仿真系統(tǒng)，實現(xiàn)不同模擬駕駛場景下的全風(fēng)擋平視顯示仿真及界面重構(gòu)，為全風(fēng)擋平視顯示的駕駛員認(rèn)知和行為特征等研究提供重要支持。

1 系統(tǒng)需求分析及框架設(shè)計

被試者處于駕駛平臺中，接收車輛行駛環(huán)境和車況信息，操縱控制裝置，實驗人員通過調(diào)整顯示界面元素參數(shù)，利用眼動儀、腦電圖儀、心電圖儀、動作跟蹤捕捉系統(tǒng)等數(shù)據(jù)采集設(shè)備記錄數(shù)據(jù)，通過分析數(shù)據(jù)來達(dá)到界面工效研究。

為了達(dá)到研究預(yù)期效果，該仿真系統(tǒng)的功能需求應(yīng)包含以下方面：

1) 虛擬行駛環(huán)境要有強(qiáng)的“沉浸感”。

2) 全風(fēng)擋平視顯示界面實時顯示車況信息。

3) 可以增強(qiáng)顯示外部行駛環(huán)境信息。

4) 全風(fēng)擋平視顯示界面可快速重構(gòu)。

5) 通過操縱裝置可進(jìn)行汽車運(yùn)動控制。

6) 采集被試者心理生理特征指標(biāo)數(shù)據(jù)。

為實現(xiàn)上述功能需求，仿真系統(tǒng)應(yīng)包含以下模塊：

(1) 行駛環(huán)境仿真模塊。設(shè)計不同路況場景，提供車輛行駛的外部環(huán)境，并其要求場景建模仿真具有強(qiáng)的“沉浸感”。

(2) 全風(fēng)擋平視顯示仿真模塊。利用虛擬儀表技術(shù)開發(fā)全風(fēng)擋平視顯示界面，實現(xiàn)實時顯示車況信息、增強(qiáng)顯示外部行駛環(huán)境，界面元素參數(shù)設(shè)置功能。

(3) 仿真計算機(jī)。提供實時行駛環(huán)境數(shù)據(jù)。

(4) 駕駛操縱模塊。涉及到駕駛盤、油門、剎車及檔位等駕駛操縱信息的輸入。它是駕駛員與汽車操縱系統(tǒng)間最主要的信息輸入通道。

(5) 數(shù)據(jù)管理模塊。主要實現(xiàn)將仿真計算生成的信息傳遞給全風(fēng)擋平視顯示仿真模塊及行駛環(huán)境仿真模塊，將操縱模塊的信息傳遞給行駛環(huán)境仿真模塊，將全風(fēng)擋平視顯示仿真模塊中的控制數(shù)據(jù)反饋給仿真計算機(jī)，并接收行駛環(huán)境模塊返回的行駛狀態(tài)數(shù)據(jù)信息。

(6) 試驗數(shù)據(jù)采集分析模塊。記錄眼動、操作動作等試驗數(shù)據(jù)，分析各項指標(biāo)試驗數(shù)據(jù)，結(jié)合被試者的主觀評價可用于評定全風(fēng)擋平視顯示的信息量和顯示模式是否合理，為顯示界面元素優(yōu)化提供依據(jù)。系統(tǒng)總體方案如圖1所示。

圖1 車載全風(fēng)擋平視顯示交互仿真系統(tǒng)總體方案

2 全風(fēng)擋平視顯示模塊設(shè)計

全風(fēng)擋平視顯示界面可以降低被試者低頭看儀表的頻率和增強(qiáng)顯示當(dāng)前行駛的外部環(huán)境，是被試者獲取外部行駛環(huán)境信息和車況信息的重要來源。因此虛擬界面要求能夠?qū)崟r顯示行駛環(huán)境信息和車況信息，并且可以實時修改元素屬性。根據(jù)上述要求，本部分基于GL Studio虛擬儀表技術(shù)對全風(fēng)擋平視顯示模塊進(jìn)行開發(fā)。

GL Studio是一款快速開發(fā)虛擬儀表的工具，能夠?qū)崟r生成2D或3D交互式的虛擬圖形，并且可以導(dǎo)出C++源代碼獨立運(yùn)行。

2.1 全風(fēng)擋平視界面開發(fā)流程

為了實現(xiàn)全風(fēng)擋平視顯示仿真，根據(jù)本文的總體設(shè)計需求，在編譯環(huán)境中選擇合適的工程類型，生成.gls文件；根據(jù)實時仿真的需求，為全風(fēng)擋平視顯示對象添加相應(yīng)的屬性、方法和變量，如為車輛超速信息添加適當(dāng)?shù)幕卣{(diào)函數(shù)等。利用GL Studio代碼生成器生成.app和.h文件格式的源代碼文件，并將源代碼編譯成相應(yīng)的可執(zhí)行文件或者庫文件；根據(jù)試驗需要，設(shè)定顯示界面的工作約束和顯示位置，對工程對象進(jìn)行合理的行為代碼設(shè)計和優(yōu)化以及對象透明度和顯示窗口的優(yōu)化。根據(jù)文獻(xiàn)[15]的相關(guān)知識制定全風(fēng)擋平視顯示界面對象開發(fā)流程如圖2所示。

圖2 全風(fēng)擋平視顯示界面對象開發(fā)流程

2.2 模型建立

車況信息界面主要有速度、油量、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、導(dǎo)航儀表等信息，可根據(jù)GL Studio提供的指針旋轉(zhuǎn)類、文本類和指示燈實現(xiàn)制作。利用GL Studio設(shè)計窗口的Textured Text Grid可以添加文本，它能夠選擇字體、字形、行列、顏色、位置等基本屬性，圖3所示為全風(fēng)擋平視顯示界面編碼庫。

圖3 全風(fēng)擋平視顯示界面編碼庫

以虛擬車速儀表為例，獲取車輛行駛速度仿真部分代碼如下：

void suduxunipenlClass::Penl (const float& value)

{

//獲取車輛速度

_penl=value;

//速度指針旋轉(zhuǎn)算法

//算法加入負(fù)號，是為了實現(xiàn)指針逆時針旋轉(zhuǎn)

needle->DynamicRotate(-(_penl*(360/360)),Z_AXIS);

}

根據(jù)文獻(xiàn)[11]可知GL Studio內(nèi)部存在諸多的封裝插件、并提供了大量控件函數(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)虛擬儀表數(shù)據(jù)的實時交互顯示，逼真地表達(dá)儀表的工作狀態(tài)。視覺增強(qiáng)顯示類界面符號是通過定義字符或圖形紋理屬性實現(xiàn)其實時的顯隱，通過調(diào)用Visibility Function實現(xiàn)指示符號的明暗變化，利用Blink Rate Function控制指示符合閃爍的頻率，對于聲音模擬使用PLAY_SOUND(self,0)函數(shù)調(diào)用預(yù)制的音頻文件。

3 行駛環(huán)境仿真模塊設(shè)計

3.1 行駛環(huán)境對象建模

行駛環(huán)境對象建模[16]是利用MultiGen Creator建立道路、建筑、欄桿等對象模型以及大面積的地形，并制作模型紋理及貼圖，最后對模型進(jìn)行轉(zhuǎn)換、集成，實現(xiàn)輕量化來降低計算機(jī)內(nèi)存的開銷。行駛環(huán)境對象模型引入Open Flight數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，采取節(jié)點分層，滿足對場景中對象的編輯、控制及渲染需求。場景模型開發(fā)流程圖如圖4所示。

圖4 場景模型開發(fā)流程

3.2 大面積地形建模

大面積地形建模則是通過調(diào)用某區(qū)域海拔數(shù)據(jù)生成地形數(shù)據(jù)庫，在很多工程應(yīng)用中廣泛使用以DEM格式的地形數(shù)據(jù)，在使用這些海拔數(shù)據(jù)之前需要進(jìn)行必要的數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換，然后導(dǎo)入到Creator中才可以生成地形數(shù)據(jù)庫。主要包括導(dǎo)入記錄真實地理信息的原始地形數(shù)據(jù)，設(shè)置地形轉(zhuǎn)換算法，制作和收集應(yīng)用地形紋理，映射地形特征數(shù)據(jù)，而后生成模型數(shù)據(jù)庫等。

建筑物建模行駛環(huán)境仿真中，建筑物、植被等的逼真程度可以有效地為被試者提供較好的“沉浸感”。對于結(jié)構(gòu)較為簡單的建筑物(比較規(guī)則的形狀)，可以看作是由三角面、矩形面等規(guī)則幾何圖形組成，因此在Creator中利用矩形平面拉伸出長方體，在長方體的上面添加合適的錐體，并在前面添加合適的紋理，實現(xiàn)簡單的房屋建模。較復(fù)雜的建筑物則是借助機(jī)械方面的三維軟件進(jìn)行輔助建模，并將模型進(jìn)行輕量化處理后導(dǎo)入到Creator中進(jìn)行貼圖操作。

3.3 動態(tài)對象建模

本文行駛環(huán)境中主要運(yùn)動的模型是車輛，因此首先建立車輛的靜態(tài)模型[17]，其中車輛運(yùn)動的主要部件車輪是通過單獨設(shè)置DOF節(jié)點，實現(xiàn)仿真過程中每個車輪的轉(zhuǎn)動。如圖5所示車輛節(jié)點層次結(jié)構(gòu)。

圖5 車輛節(jié)點層次結(jié)構(gòu)

3.4 場景布置定義

場景采用文獻(xiàn)[18]中所提的Vega Prime軟件并進(jìn)行定義布置，Vega Prime主要包括面向用戶的LynX圖形界面工具和可移植的C語言函數(shù)庫。在LynX圖形用戶界面中需要將場景模型按順序一一導(dǎo)入其中，其次通過定義場景中的光照、環(huán)境特效、添加不同天時天氣的路況場景(雨、霧、夜間行駛等)?；谙嘟皇噶糠╗19]實現(xiàn)車輛模型與環(huán)境對象的實時干涉檢測，以避免對象穿透現(xiàn)象影響逼真度。視景實時驅(qū)動是根據(jù)駕駛操縱模塊數(shù)據(jù)，由仿真計算機(jī)實時解算行駛方位，實現(xiàn)視點控制和變化軌跡控制。行駛環(huán)境仿真模塊結(jié)構(gòu)框架如圖6所示。

圖6 行駛環(huán)境仿真模塊結(jié)構(gòu)框架

4 數(shù)據(jù)管理模塊設(shè)計

數(shù)據(jù)管理模塊主要包含如下功能：1) 實現(xiàn)各個模塊之間的信息傳遞；2) 界面顯示調(diào)整功能；3) 行駛環(huán)境的選擇；4) 系統(tǒng)參數(shù)配置。

利用MFC構(gòu)建管理模塊，是通過在MFC中創(chuàng)建一個公共類[20]，將LynX圖形界面工具中導(dǎo)出的代碼移植到該類中進(jìn)行修改、優(yōu)化、封裝，應(yīng)用程序開發(fā)工作主要包括配置編譯環(huán)境、啟動主線程、動態(tài)加載物體；根據(jù)采集被試者的操作姿態(tài)去控制駕駛者的視點或視角，控制特效，控制聲音，配置行為動作的響應(yīng)函數(shù)等。MFC提供的可編輯框控件可以為行駛環(huán)境運(yùn)行時提供顯示位置。由文獻(xiàn)[21]相關(guān)知識可利用C++提供的MSComm控件設(shè)置串口通信，在time類參數(shù)中實現(xiàn)實時記錄顯示所需的數(shù)據(jù)，設(shè)定IP及端口號完成行駛環(huán)境與平視顯示界面的通信設(shè)置。

基于MFC對Vega Prime中的代碼運(yùn)行配置，加載等操作。

UINT Public_Member::CTS_RunBasicThread(LPVOID)

{

vp::initialize(__argc,__argv);

Public_Member::CTS_Define();

vpKernel::instance()->configure();

Public_Member::CTS_pObject_observer=vpObject::find(″car″);

Public_Member:: CTS_pObject_observer->ref();

vpWindow*vpWin=*vpWindow::begin();

vpWin->setParent(Public_Member::CTS_RunningWindow);

vpWin->setBorderEnable(false);

vpWin->setFullScreenEnable(true);

vpWin->setInputEnable(true);

vpWin->open();

while(vpKernel::instance()->beginFrame()!=0)

{

vpKernel::instance()->endFrame();

Public_Member::CTS_pObject_observer->setTranslate(x,y,10);

x=x+t*t*a;

y=y+t*t*a;

if(!Public_Member::CTS_continueRunVP)

{

vpKernel::instance()->unconfigure();

vp::shutdown();

return 0;

}

}

return 0;

}

4.1 模塊信息的傳遞

仿真計算機(jī)產(chǎn)生的參數(shù)傳遞給全風(fēng)擋平視顯示仿真模塊及行駛環(huán)境仿真模塊。被試操縱產(chǎn)生的動作數(shù)據(jù)由操縱模塊傳遞給數(shù)據(jù)管理模塊。全風(fēng)擋平視顯示仿真模塊解析來源于仿真計算機(jī)的數(shù)據(jù)，將增強(qiáng)顯示信息及車況信息顯示于風(fēng)擋上。試驗數(shù)據(jù)采集分析模塊實時采集記錄被試者駕駛操縱過程中的眼動、行為動作等生理心理特征數(shù)據(jù)并發(fā)送至數(shù)據(jù)管理模塊。

4.2 數(shù)據(jù)通信接口設(shè)計

通過各個操作部件引起的信號變化，經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)接口設(shè)計，向虛擬行駛環(huán)境、全風(fēng)擋平視顯示界面發(fā)送數(shù)據(jù)。為了實現(xiàn)駕駛模擬和全風(fēng)擋平視顯示的實時性及逼真度需求[22]，全風(fēng)擋平視顯示模塊、行駛環(huán)境模塊采用基于TCP/IP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)通信方式，如圖7所示。

圖7 行駛環(huán)境與全風(fēng)擋平視顯示通信模式

利用安裝在駕駛仿真器油門下方的位移傳感器采集控制車輛的速度。位移傳感器的位移和電壓存在線性關(guān)系，通過測量電壓的變化可求得傳感器的位移變化量，根據(jù)單位時間即可測出車輛的加速度，根據(jù)加速度得出車輛的位移量。根據(jù)文獻(xiàn)[23]得出以下公式：

(1)

式中：s1為下一個時刻位移傳感器位移量；s0為當(dāng)前時刻位移傳感器的位移量；t為兩個時刻的時間差。

5 全風(fēng)擋平視顯示駕駛仿真的實現(xiàn)

基于車輛系統(tǒng)仿真的框架下，通過全風(fēng)擋平視顯示模塊、行駛環(huán)境模塊、數(shù)據(jù)管理模塊等設(shè)計與集成調(diào)試，開發(fā)了全風(fēng)擋平視顯示的駕駛工效仿真系統(tǒng)。圖8和圖9分別為全風(fēng)擋平視顯示界面場景和全風(fēng)擋平視顯示的駕駛工效模擬試驗。最終通過對車載仿真系統(tǒng)的測試和試驗，該系統(tǒng)實現(xiàn)了不同模擬駕駛場景下的全風(fēng)擋平視顯示仿真及界面重構(gòu)，為全風(fēng)擋平視顯示的駕駛員認(rèn)知和行為特征等研究提供了平臺支持，能夠滿足車載全風(fēng)擋平視顯示的工效仿真需求研究。

圖8 全風(fēng)擋平視顯示虛擬仿真場景

圖9 全風(fēng)擋平視顯示的駕駛工效模擬試驗

6 結(jié) 語

為了滿足車載全風(fēng)擋平視駕駛工效仿真研究，通過需求分析，設(shè)計了全風(fēng)擋平視顯示系統(tǒng)框架，并對各個模塊進(jìn)行了設(shè)計和開發(fā)，得出了以下結(jié)論：

(1) 該仿真系統(tǒng)行駛環(huán)境有較強(qiáng)的“沉浸式”感覺和體驗，并且實現(xiàn)行駛環(huán)境的視覺增強(qiáng)顯示以及平視車況信息，使駕駛者更能及時高效獲得車輛狀況信息，能夠?qū)崿F(xiàn)駕駛工效仿真研究。

(2) 該系統(tǒng)顯示的信息量和模式量符合駕駛工效模擬試驗需求，構(gòu)建的全風(fēng)擋平視顯示仿真平臺為駕駛工效評估及人機(jī)工效機(jī)理研究提供了支持。

[1] 周穎偉,莊達(dá)民,吳旭,等.顯示界面字符編碼工效設(shè)計與分析[J].北京航空航天大學(xué)學(xué)報,2013,39(6):761- 765.

[2] 張磊,莊達(dá)民.飛機(jī)界面設(shè)計顏色匹配性[J].北京航空航天大學(xué)學(xué)報,2009,35(8):1001- 1004.

[3] 張磊,莊達(dá)民.人機(jī)顯示界面中的文字和位置編碼[J].北京航空航天大學(xué)學(xué)報,2011,37(2):185- 188.

[4] 吳志周, 賈俊飛. 駕駛分心行為及應(yīng)對策略研究綜述[J]. 交通信息與安全, 2011, 29(5):5- 9.

[5] Stelzer E M, Wickens C D. Pilots strategically compensate for display enlargements in surveillance and flight control tasks[J]. Human Factors, 2006, 48(1):166- 181.

[6] Wickens C D, Alexander A L, Ambinder M S, et al. The role of highlighting in visual search through maps.[J]. Spat Vis, 2004, 17(4-5):373- 388.

[7] 許志,唐碩.裝配式實時飛行視景仿真平臺研究[J].計算機(jī)工程與設(shè)計,2005,26(12):3298- 3300.

[8] 泮斌峰,唐碩.可裝配式飛行視景仿真系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報,2007,19(4):768- 771.

[9] 汪成為,高文.王行仁,等.虛擬現(xiàn)實技術(shù)理論與實現(xiàn)及應(yīng)用[M].北京: 清華大學(xué)出版社,1996.

[10] 孫顯營,熊堅.車輛駕駛模擬器的發(fā)展綜述[J].交通科技, 2006(6):48- 50.

[11] 于輝,趙經(jīng)成.GL Studio虛擬儀表技術(shù)應(yīng)用與系統(tǒng)開發(fā)[M].北京：國防工業(yè)出版社,2010.

[12] 談衛(wèi), 孫有朝.面向顯示界面工效研究的飛機(jī)座艙仿真系統(tǒng)[J]. 計算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用, 2016,25(8):41- 47.

[13] 劉群, 張燕軍, 李竹峰,等. 基于MFC對話框和Vega Prime的沉浸式跑步視景仿真[J]. 農(nóng)業(yè)裝備技術(shù), 2017, 43(3):39- 42.

[14] 萬明,南建國.Vega Prime視景仿真開發(fā)技術(shù)[M].北京：國防工業(yè)出版社,2015.

[15] DiSTL. GL Studio 3.1 Users Manual[Z]. 2005.

[16] 孟曉梅,劉文慶. MultiGen Creator教程[M]. 北京：國防工業(yè)出版社,2005.

[17] 邵曉東,陳天鴻. Creator建模藝術(shù)[M].西安電子科技大學(xué)出版社,2014.

[18] 徐恩,李學(xué)軍,鄒紅霞,等.基于Creator/VP 的三維虛擬環(huán)境建模[J]. 系統(tǒng)仿真學(xué)報,2009,21(10):121- 123.

[19] 劉衛(wèi)東.可視化與視景仿真技術(shù)[M]. 西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2012.

[20] 王孝平,董秀成,鄭海. Vega Prime實時三維虛擬現(xiàn)實開發(fā)技術(shù)[M]. 成都：西南交通大學(xué)出版社,2012.

[21] 劉長征.Visual C++串口通信及測控應(yīng)用實例詳解[M].北京：電子工業(yè)出版社,2013.

[22] 侯曉琴. Visual C++2005[M]. 北京：清華出版社,2013.

[23] 梁森,王侃夫. 自動檢測與轉(zhuǎn)換技術(shù)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.