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山区高速公路人—车—路(环境)运行虚拟仿真系统关键技术研究

袁望方  
【摘要】: 采用虚拟现实技术将真实的道路线形、路面状况和交通环境通过计算机仿真对公路交通相关问题进行研究,是公路交通科技发展中的高科技手段。我国山区高速公路安全保障体系不完善,行车安全存在极大隐患。建立山区高速公路人-车-路(环境)联合运行虚拟仿真系统,进行虚拟试验,是对山区高速公路运行进行量化和可视化安全评价的有效技术手段。然而,提高虚拟试验的真实性和准确性,是仿真系统实用化的关键,直接影响安全评价结果的准确性,以及相应安全工程措施的有效性,因此提高山区高速公路人-车-路(环境)联合运行虚拟仿真系统在山区高速公路安全评价过程中的逼真性、实时性和有效性有重要意义。 本研究在证明了虚拟现实技术在驾驶员道路安全感认知评价中可行性的基础上,研究了虚拟仿真系统模型优化技术、GIS融合的地形生成技术和逼真化场景模型的生成技术,并应用于山区高速公路人-车-路(环境)联合运行虚拟仿真系统的创建,进行山区高速公路安全检测与评价,研究的主要内容有: (1)提出将虚拟现实技术应用于山区高速公路安全性评价,建立虚拟仿真体系的方法。分析了将人-车-路(环境)联合运行虚拟仿真系统应用于山区高速公路安全性检测和评价存在的运行速度、地形生成和真实感问题。在采用虚拟试验手段、以模糊数学为工具,研究虚拟道路试验技术可行性的基础上,提出将虚拟现实技术应用于山区高速公路安全问题研究是可行的。 (2)研究了山区高速公路人-车-路(环境)联合运行虚拟仿真系统的模型优化技术。通过对LOD技术(多层次细节技术)进行研究,研究在山区高速公路虚拟模型绘制过程中的多层次细节技术,选择实时绘制模型时选择LOD的方法,并研究LOD技术在虚拟高速公路虚拟仿真模型中的应用。通过对Multigen Creator/Vega系统中实时剔除过程和绘制过程的分析、对纹理映射原理和算法分析、减少多边形数量的方法分析、边界体原理分析等,研究调整数据库层次结构方法、纹理映射技术、边界体技术等模型优化技术在高速公路虚拟仿真模型中的应用。 (3)研究了山区高速公路人-车-路(环境)联合运行虚拟仿真系统的地形模型生成技术。在对地形模型的基础数字高程模型(DEM)和三维地形的生成方法进行分析的基础上,通过研究GIS原始地形数据转换为建模使用的数据格式的方法,对基于GIS数据融合的高速公路地形生成系统进行研究。另外,通过对地形建模转换算法的研究,选择高速公路虚拟地形的转换算法,并研究基于GIS数据融合的高速公路地形模型生成系统在实际的高速公路地形生成中的应用。 (4)研究了山区高速公路人-车-路(环境)联合运行虚拟仿真系统中的逼真化场景实现技术。基于光照模型和着色模式的原理,研究光照技术在高速公路虚拟仿真系统中的应用。通过MultiGen Creator/Vega虚拟仿真实时漫游系统走样现象的分析,研究反走样技术来提高场景的真实感。通过非真实感绘制技术的研究,研究动漫原理在山区高速公路虚拟仿真系统中的应用。并基于模糊数学的模糊综合评判方法,研究虚拟山区高速公路场景的逼真度评价方法。 (5)研究模型优化技术、GIS融合的虚拟地形仿真系统和逼真化场景实现技术在虚拟山区高速公路建模和场景驱动中的应用,并通过仿真试验,进行模型优化效果评价研究和场景逼真度评价研究,还研究了西汉高速虚拟仿真系统在安保工程设施设计中的应用。 综上所述,本研究的创新点主要体现在以下几个方面: (1)将LOD技术、调整数据库层次结构方法、纹理映射技术、边界体技术等模型优化技术应用于山区高速公路虚拟仿真系统中,以减小大规模虚拟场景数据库模型的多边形数量,从而提高虚拟场景的运行速度。 (2)通过转化GIS原始地形数据和高速公路地形转换算法研究,开发GIS数据融合的高速公路虚拟地形生成系统,将虚拟地形生成系统应用于山区高速公路大地形的生成。 (3)将光照技术、反走样技术、动漫原理应用于山区高速公路虚拟现实系统,并进行虚拟高速公路模糊综合评判的方法研究来验证其逼真度。


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