基于虚拟现实的行人自行车交通违法警示体验平台的设计与实现＊

王峻极 刘东波 高 岩 尤志栋

（公安部交通管理科学研究所 江苏 无锡214151）

0 引 言

在我国城市交通系统中，步行、自行车占全部方式的60%以上［1］，同时交通事故死亡人数也一直占总数的较高比例，特别是自行车所占比例呈逐年升高趋势，见表1［2］。行人和自行车骑乘人是交通参与者中的弱势群体，容易受到伤害，同时受到的安全教育少，对法律法规不熟悉，安全知识少。尤其是违法的危害认识程度低，常有机动车不敢碰撞或是机动车驾驶人会主动避让等心理。目前，我国针对行人、自行车驾驶人交通安全宣传教育的形式呆板、手段单一，尤其是带有互动性质的体验式交通安全科普教育尚属空白。随着信息技术和图像技术的飞速发展，运用虚拟现实技术构建虚拟现实的行人自行车交通违法警示体验平台已经可行。针对行人和自行车骑乘人交通违法行为特点与心理，通过构建虚拟现实的道路交通场景和常见的交通冲突事件环境等，体验者通过配戴立体眼镜在三维立体播放环境中，以不同身份、视角身临其境体验交通违法可能带来的危险，使其感受如同现实发生过危险一样，深刻铭记，具有广阔的应用前景。

1 虚拟现实技术

1．1 虚拟现实技术在交通安全宣传教育应用基础

虚拟现实（virtual reality，VR）是近年来出现的高新技术，也称灵境技术或人工环境。虚拟现实是利用电脑模拟产生一个三维空间的虚拟世界，提供使用者关于视觉、听觉、触觉等感官的模拟，让使用者如同身历其境一般，可以及时、没有限制地观察三度空间内的事物［3］。在开展交通安全宣传教育工作中，互动性和参与性强是受教育者能够接受和领悟的基础，单纯的说教效果微乎其微，甚至会适得其反。虚拟现实技术能将三维空间的意念清楚的表示出来，能使学习者直接、自然地与虚拟环境中的各种对象进行交互作用，并通过多种形式参与到事件的发展变化过程中去，从而获得最大的控制和操作整个环境的自由度［4］。利用虚拟现实技术构建针对不同人群的交通安全教育平台的最大优势在于带给受教育者第1人称的直观感受，规避了普通多媒体技术只能通过机器符号作为载体的第3人称形式进行交流的弊端［5］。

表1 2007～2011年步行、自行车死亡人员统计表Tab．1 Walk，bike deaths personnel tables in 2007～2011

1．2 国内外行人自行车虚拟平台现状

在国内，上海交通大学CIM研究所开发的交互式自行车模拟器由1个6自由度的Stewart运动平台、手把及脚踏板力反馈系统、视觉系统以及听觉系统组成，能给骑车者带来真实感的骑车感受［6］。北京航空航天大学基于虚拟现实技术设计了1个健身车仿真器VR－BWS并加以实现，该系统以健身车作为人机交互的工具，综合运用了传感器技术、DSP控制技术、三维建模技术和碰撞检测技术，并通过立体显示等多通道交互技术实现了人在虚拟环境中的漫游，主要用于校园环境体验［7］。中视典公司实时自行车漫游系统主要用于城市虚拟场景漫游。

在国外，德国Tuebignen大学、美国卡内基梅隆大学以及美国乔治亚理工大学都开发了自行车模拟器，其运动平台有1～2个自由度，能进行初步的动感模拟，主要开展VR技术的相关研究。韩国KAIST大学开发了基于6自由度运动平台的自行车模拟器，并对运动生成系统及力觉反馈系统进行了研究［8］。

2 警示体验平台总体设计

行人自行车交通违法警示体验系统涉及教育心理学、交通管理规范、虚拟环境、交互仿真、视景仿真等多领域的内容，是这些领域研究成果在行人自行车交通违法虚拟现实中的综合应用。目前，国内外一些院校和科研单位在此方面做了大量的探索和尝试，因其所构建的虚拟现实系统应用目的不同，所以硬件构成和软件实现方式上也有很大差别。为了更好地满足行人自行车驾驶人交通违法体验的需求，经过广泛调研、需求分析和多方比较，本结对交通违法体验系统的功能架构及软硬件实现方案进行了总体设计。

2．1 设计理念和原则

提供形象生动的体验方式。交通违法体验系统的体验内容以交通违法过程体验为主，不过分追求展示交通违法造成交通事故的机理。

以体验者为核心。结合行人自行车驾驶人的年龄结构、文化层次、安全意识、出行习惯等各方面要求设计体验内容。体验内容均为基本交通安全常识，如行人横过马路要停下来并“向左看、向右看”，骑自行车横过马路时必须停车观察后再通过等，适当突出一些实用性强的交通安全教育理念。

体验过程设计科学。围绕行人自行车驾驶人交通违法的特点及心理，并选择适当的策略来设计体验过程。体验过程的设计科学严谨，符合公众认知和受教规律，能综合反映交通违法后果的严重性。体验过程和各环节衔接的设计有一定的挑战性和趣味性，能吸引和激励体验者积极参与到体验过程中。

技术合理。选择了Virtools作为虚拟现实系统仿真软件系统开发工具，配备了具有一定超前性的桌面虚拟现实体验系统和投影系统，确保技术先进，功能完备，运行可靠，同时兼顾系统经济性，具有示范应用和大范围推广价值。

2．2 总体功能架构设计

行人自行车交通违法警示体验系统定位为：针对行人自行车驾驶人交通违法行为特点与心理，通过构建虚拟现实的道路交通场景和常见的交通冲突事件环境等，体验者通过配戴立体眼镜在三维立体播放环境中，以不同身份、视角身临其境体验交通违法可能带来的危险，使其感受如同现实发生过危险一样，深刻铭记。能够让行人骑自行车人在虚拟仿真的交通环境中，体验闯红灯、乱穿马路等违法行为的实际危险。为此设计的交通违法体验系统应实现大范围的交通视景显示场景、高沉浸感的道路交通环境视景仿真、符合实际交通流特征的交通环境等基本功能

基于此目标和需求，借鉴国内外研发虚拟行走、自行车虚拟漫游、驾驶模拟器等相关设备的设计、开发、使用经验，对交通违法体验系统总体框架和功能进行总体设计［9］。总体上，交通违法体验系统主要由桌面虚拟现实硬件系统、2通道立体投影系统、行人自行车动力学仿真系统、视景仿真及驱动系统、道路交通场景建模系统、道路交通流仿真系统、交通违法事件触发仿真系统、交通违法碰撞系统和系统集成与总控平台等9大功能模块组成。见图1。

图1 平台总体框架及功能模块组成Fig．1 The overall framework and functions of the platform modules

3 警示体验平台关键技术

3．1 行人、自行车运动模拟系统

行人、自行车运动模拟系统组成主要由自行车车体、速度、角度传感器、数据采集卡、工控计算机、采集系统软件、操纵杆等部分组成。系统架构见图2，数据采集示意见图3。

图2 运动模拟系统系统架构图Fig．2 Motion simulation system architecture

图3 运动模拟系统数据采集示意图Fig．3 Motion simulation system data acquisition diagram

自行车运动信息采集输出装置由能够蹬踏的电动自行车改装，使用原车的操控部件，增加固定装置。对车把手、后轮鼓进行数字化改造，加装光电编码器、角位移传感器等传感设备，并通过接口电路与采样控制系统相连。光电编码器与车轮同步施转，并以增量式编码方式记录自行车车轮旋转角度对应的脉冲，然后将检测到的脉冲数据换成车轮的旋转圈数，即自行车相对于某一参考点的瞬时位置；角位移传感器检测车把转角，控制场景中视点和视线的方向；采样控制系统将模拟或开关量信号转变成数字信号供仿真运算使用。

行人运动信息采集输出装置通过对现有“自由行走”虚拟现实设备的研发应用情况的调研分析，虽然在理论上有多种方式可以实现，但尚没有1种已经成熟应用的设备。因此违法体验区行人运动信息采集输出装置不追求真实行走的体验感，运动信息采集输出装置为一能实现对场景进行向左、向右、前行及速度控制的按键手柄或摇杆装置。

3．2 视景仿真系统

视景仿真系统通过行人、自行车运动模拟系统输入的控制信息，实时计算行人、自行车的位置和姿态信息，同时根据交通流模块的输出和调用相应的违法事件管理模块，由场景驱动模块完成实时渲染处理，能够实现交通视景仿真、行走、骑行体验过程逻辑驱动等功能。视景仿真系统按照不同功能共有9组软件模块，软件模块组成和调用关系见图4。硬件设备主要包括图形工作站及其他辅助设备。

图4 软件模块组成和调用关系Fig．4 The relationship between software modules and call

三维模型模块：包括道路、建筑、以及周边各类状态不可变的设施等静态环境以及行道树、隔离护栏、隔离墩等可损坏的、信号灯等状态可改变的动态环境。车道的几何信息采用曲线进行描述，其坐标空间与视景显示系统中虚拟场景的坐标空间相对应。

行人、自行车动力学模块：包括行人、自行车整车结构数字化模型及动力学数学模型，根据传感器控制器传过来的位置、姿态数据输入，实时解算行人、自行车的运动姿态和状态信息。

交通流模块：模拟交通场景中除本人（车）外的交通状况，构建较为逼真的交通环境。对车辆（包括机动车和非机动车）及行人仿真建模，根据交通流仿真模型定义本车周围的行人、车辆状况，以一定的时序、位置通过仿真场景中，与本车交互作用；另外，交通流模块需定义当体验者本人（车）没有在特定位置和交通流状态下未发生交通违法行为时，其视线内的行人（自行车）将会发生违法行为。

信号灯模块：使用现实中交通灯的规则去控制三维场景中交通灯变换过程。

声音模块：模拟马路上行人和车辆的声音，当有车辆走近时，声音就会变大，远离时声音相应减小。

物理特性模块：用于模拟场景中目标行人、自行车所具有的惯性、冲力及刚体运动、相互作用力，如发生碰撞时效果。

违法事件管理模块：主要使用交通流、信号灯、声音、物理特性4个模块加上具体的违法情况编写成为18个违法事件库，并用1个管理机制加以管理，当需要让系统产生某个违法事件的时候，调出对应的事件，然后模拟出对应事件的环境。

立体投影、虚拟仿真播放软件模块：采用偏振被动式立体，可将三维场景进行视觉分离，输出为左眼、右眼2个通道，以实现立体影像，景深和立体效果可实时调整。

视景驱动模块：根据行人、自行车动力学模块的计算输出，控制三维场景中的行人、自行车的车速和方向（即体验者视角的方向和前景速度），实时渲染，通过立体投影、虚拟仿真播放软件模块将体验过程中的交通环境以三维视景的方式显示，呈现给体验者。

3．3 视景显示系统

视景显示系统是用于提供虚拟交通场景的图像显示设备。行人自行车交通违法警示体验平台的沉浸式虚拟现实功能区采用单通道立体投影装置，是一套基于虚拟现实工作站平台的虚拟现实立体投影解决方案，全面支持计算机群集和网络虚拟现实系统，支持基于OpenGL、Direct3D等各类型立体程序产生的虚拟立体显示，包括投影幕、投影仪、吊架、偏光镜、无源立体眼镜等部件；桌面式虚拟现实功能区采用Desktop VR装置，主要包括立体显示器、无源立体眼镜等部件［10］。

4 警示体验平台的主要功能实现

4．1 漫游交互的实现

漫游交互就是对交通违法体验系统中行人、自行车、机动车角色或者相机的交互控制。这种操控包括了直接操作方式和间接操作的方式。直接操作主要是指采用键盘鼠标或手柄对对象的直接操制，间接的操作就是采用界面设定的程序去操作角色，如地图控制、目标菜单控制。在本研究中考虑到不同用户的需求，这几种方式都有采纳。对这种控制，首先要考虑用户的操作习惯，本系统采用鼠标键盘和微软公司的xBOX手柄操控角色或者相机。对比较复杂的的场景，为了方便用户的操作，采用地图的方式，这样用户可以在地图定出目标点找到所需的位置。在交通违法体验系统中，除了普通漫游外，还有1种就是对重要地点进行标记，或采用直按传送的方式到达目标地点。在漫游的控制中，除了对角色与相机控制外，还要考虑到角色、相机与其他对象的碰撞控制，要不就会有角色或相机跑到不应该的地方去。所以在本系统的漫游控制程序中，设置了实现虚拟角色运动，碰撞检测、地图、地理信息导览搜寻、界面和选单等控制脚本程序。

4．2 基于Virtools虚拟现实引擎的交互体验实现

基于Virtools虚拟现实引擎，结合软件工程理念，交互体验功能架构见图5。

图5 交互体验功能架构图Fig．5 Interactive experience features Chart

5 平台的应用

5．1 功能区和体验形式

行人自行车交通违法警示体验平台共分2个功能区域，一为沉浸式虚拟现实体验功能区，共3种布设形式，实现2种方式的体验，一为桌面式虚拟现实功能区，主要进行桌面式虚拟现实体验。

平台提供3种体验形式，即沉浸式虚拟现实体验、桌面式虚拟现实体验和观看行人自行车交通违法演示。沉浸式虚拟现实体验桌面式虚拟现实体验中的违法行为触发方式为：体验者在违法事件触发区域内如不发生违法行为，那么视线中的第三者行人／自行车驾驶人将触发相应的违法行为。

沉浸式虚拟现实体验。体验者通过运动模拟平台和立体显示装置组成的闭合式虚拟交通环境漫游体验交通违法的危害。

桌面式虚拟现实体验。体验者通过桌面立体显示装置，以鼠标、键盘驱动三维仿真模块实时生成三维交通场景，在虚拟交通环境中漫游体验交通违法的危害。观看行人／自行车交通违法演示。

体验者通过观看3D形式交通违法演示，体验交通违法的危害。

5．2 平台的推广应用

行人自行车交通违法警示体验平台对场地要求较高，整体造价偏高，目前主要应用于各地建设的道路交通安全宣传教育主题教育基地。目前，在广东、浙江等地形成了良好的交通安全宣传推广效应，已建成投入使用的多套平台运转良好。广东中山将平台安排在大型交通安全教育示范基地进行示范活动，丰富和完善了交通安全主题宣教的内容和装备，有利于社会群众接受多元化的交通安全教育。浙江杭州建设在一处电子商务园内，里面聚集了多家电子商务服务企业，有数万多名年轻员工，，既能满足商务园日常教育，也能辐射到周边社区群众的教育。

6 结束语

行人自行车交通违法警示体验平台应用了虚拟现实技术，改变了传统交通安全宣传教育中施教者直接掌握教育活动，受教者的主体地位受到限制，导致合作少，探索性、创造性不易发挥的局面。利用行人自行车交通违法警示体验平台，体验者能以目标体验者或第三者的角度定性感知各种操作行为的危险度，实际感受各种违法行为可能带来的危险和引发的事故过程。以此，意识到交通违法的严重后果，提高交通守法意识，强化交通安全意识。并能通过体验学习实践如何通过交叉口、横过道路等基本交通安全知识，进一步提高对危险交通环境的预判和反应能力，降低危险发生的概率。

［1］ 吴雪梅．浅谈步行街的规划设计［J］．科技资讯，2007（26）：176－177．

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［6］ 何其昌．交互式自行车模拟器视景仿真系统开发［J］．计算机仿真，2006（2）：252－255．

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［9］ 王翠云．虚拟仿真操纵平台设计及人机交互评估的研究［D］．哈尔滨：哈尔滨工业大学，2009．

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