寇增亞　劉浩學(xué)　趙煒華

【摘要】為解決交通心理學(xué)課程教學(xué)及駕駛?cè)擞?xùn)練中應(yīng)激反應(yīng)難以進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的問題，開發(fā)了駕駛?cè)藨?yīng)激訓(xùn)練系統(tǒng)。以Visual C++編程環(huán)境為平臺，綜合運(yùn)用DirectX技術(shù)、3ds Max、Photoshop和骨骼動畫技術(shù)，模擬道路駕駛中的人-車-路及環(huán)境，結(jié)合駕駛應(yīng)激狀態(tài)產(chǎn)生機(jī)理，設(shè)計(jì)多個(gè)形象逼真的應(yīng)激訓(xùn)練場景。系統(tǒng)不僅可以實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，而且包括發(fā)動機(jī)聲音、制動、鳴笛等音效系統(tǒng)。系統(tǒng)應(yīng)激場景多，畫面逼真且運(yùn)行流暢，可實(shí)現(xiàn)安全狀態(tài)下的駕駛應(yīng)激過程體驗(yàn)，滿足教學(xué)和訓(xùn)練需要。

【關(guān)鍵詞】交通心理學(xué) 應(yīng)激 訓(xùn)練 實(shí)驗(yàn) 系統(tǒng)

【基金項(xiàng)目】中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金（50778023）；長安大學(xué)基礎(chǔ)研究支持計(jì)劃專項(xiàng)基金資助；汽車運(yùn)輸安全保障技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金資助。

【Abstract】In order to solve the problem that stress response is difficult to test in traffic psychology courses and driver training a stress training system of drivers was developed. Development took advantage of DirectX， 3ds Max， Photoshop and Skeletal animation on the platform of Visual C++ Program. Combined with the mechanism of driving stress many vivid stress scenes were designed to simulate traffic system including person， road， automobile and environment. System not only can achieve human-computer interaction， but also include audio systems such as engine sound， brake and whistle. System involves many stress scenarios and run smoothly. System moot the needs of teaching and training and realize the experience of stress in driving.

【Keywords】traffic psychology； stress； training； experiment； system

【中圖分類號】U491.254 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】2095-3089（2015）08-0211-02

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的重要環(huán)節(jié)，不僅是課程教學(xué)的必要補(bǔ)充，而且可以提高學(xué)生動手能力，增強(qiáng)對實(shí)際問題的理解，獲得真實(shí)體會，加深理解和記憶，為創(chuàng)新能力培養(yǎng)提供平臺[1-3]。在交通心理學(xué)和汽車性能等實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程中，駕駛?cè)诵睦?、駕駛行為和車輛運(yùn)動狀態(tài)等，均屬于可描述但無法體驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。駕駛模擬器雖然可實(shí)現(xiàn)一部分功能，但也存在缺陷，主要是駕駛應(yīng)激狀態(tài)模塊缺少。駕駛?cè)嗽诰o急情況下所表現(xiàn)出的行為狀態(tài)稱為應(yīng)激狀態(tài)。應(yīng)激是在出乎意料的緊張或危險(xiǎn)情況下，引起的情緒狀態(tài)，是駕駛?cè)藢Ω鞣N刺激應(yīng)答性反應(yīng)的綜合表現(xiàn)，即各種不同刺激對駕駛?cè)说淖饔茫约斑@些作用所導(dǎo)致的駕駛?cè)说母鞣N變化。駕駛?cè)嗽谛熊囘^程中突然碰到危險(xiǎn)情況時(shí)，需集中精力、保持高度的緊張狀態(tài)，充分發(fā)揮自己的駕駛技能，才能應(yīng)付突如其來的危險(xiǎn)[4，5]。對于駕駛?cè)藨?yīng)激狀態(tài)實(shí)驗(yàn)，因?yàn)閷?shí)車實(shí)驗(yàn)容易發(fā)生事故，存在非常大的危險(xiǎn)性，所以在交通心理學(xué)教學(xué)中，從未進(jìn)行過相關(guān)內(nèi)容實(shí)驗(yàn)。但駕駛?cè)藨?yīng)激狀態(tài)下的反應(yīng)，對于交通安全影響巨大，對于相關(guān)教學(xué)和研究也具有重要意義。基于上述原因，本文利用現(xiàn)有駕駛模擬器平臺，開發(fā)駕駛?cè)藨?yīng)激訓(xùn)練及體驗(yàn)系統(tǒng)，填補(bǔ)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目空白，滿足了教學(xué)和相關(guān)研究需要。

1.系統(tǒng)開發(fā)的理論基礎(chǔ)

對于復(fù)雜交通環(huán)境中所出現(xiàn)的應(yīng)急狀態(tài)，會因?yàn)閭€(gè)體差異而存在很大不同。當(dāng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行過程中，有些實(shí)驗(yàn)者可能會做出完全錯(cuò)誤的反應(yīng)和操作。而對于這類錯(cuò)誤反應(yīng)的學(xué)生，在以后工作和學(xué)習(xí)中的偏誤認(rèn)識將長期存在，即使反復(fù)進(jìn)行理論講解和分析，也無法使其認(rèn)識深入[6，7]。實(shí)踐證明，人們可以通過有計(jì)劃、有目的的專項(xiàng)訓(xùn)練來掌握或提高從事某種社會活動的能力。這是由于大腦皮層具有系統(tǒng)性活動的機(jī)能，能夠把這些“刺激”有規(guī)律地協(xié)調(diào)成為一個(gè)條件反射鏈索系統(tǒng)，由此造成的結(jié)果就是動力定型。動力定型形成以后，一旦有關(guān)刺激物作用于有機(jī)體，條件反射的鏈索系統(tǒng)就自動地出現(xiàn)。所以動力定型又稱自動化了的條件反射系統(tǒng)，即由于條件反射“習(xí)慣”的長期積累、強(qiáng)化，以致成為一種固定化的動作模式。人們在生活中養(yǎng)成的各種習(xí)慣、技能以及生活方式都是動力定型的建立。

基于以上理論，應(yīng)激狀態(tài)反應(yīng)也是一種動力定型，而相關(guān)的訓(xùn)練和體驗(yàn)過程就是這種動力定型的建立過程。對學(xué)生來說，則可以實(shí)現(xiàn)駕駛?cè)藨?yīng)激狀態(tài)體驗(yàn)。對于研究人員來說，可對被試者進(jìn)行反復(fù)的應(yīng)激訓(xùn)練，研究應(yīng)激狀態(tài)的反應(yīng)時(shí)間減少量和反應(yīng)準(zhǔn)確率的提高程度。對于駕駛?cè)藖碚f，通過訓(xùn)練的途徑豐富了駕駛?cè)说慕?jīng)驗(yàn)，使得已形成的某種駕駛技能進(jìn)行優(yōu)化遷移，這在極大程度上減少或避免了交通事故的發(fā)生。

此類計(jì)算機(jī)學(xué)習(xí)和體驗(yàn)系統(tǒng)，不僅可以保障學(xué)生完成低成本、安全的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，而且對于應(yīng)激狀態(tài)的相關(guān)理論、車輛性能和駕駛行為等研究工作，也具有重要意義。

2.系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)基礎(chǔ)及工具

該系統(tǒng)以市場購置的駕駛模擬器為平臺，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行開發(fā)。由于開發(fā)過程對于部分配件的技術(shù)參數(shù)要求相對較高，對原機(jī)的部件進(jìn)行了更換。計(jì)算機(jī)CPU為 2.66G/8MB /45nm，顯卡選用HD5770，顯存為1G，內(nèi)存為2GB，其它為常規(guī)配置。由于Windows操作系統(tǒng)在中國的普及性較高，而且具有兼容性與可移植性好等突出的優(yōu)點(diǎn)，所以本課件的開發(fā)選擇在Windows XP下進(jìn)行。而在Windows操作系統(tǒng)壞境下所運(yùn)行的各種三維動畫、虛擬現(xiàn)實(shí)、游戲等，大多需要DirectX技術(shù)的支持[8]。

為了使系統(tǒng)運(yùn)行流暢，各種應(yīng)激場景形象逼真，以微軟DirectX技術(shù)、Visual C++編程環(huán)境并結(jié)合多種計(jì)算機(jī)圖形軟件，實(shí)現(xiàn)駕駛?cè)藨?yīng)激訓(xùn)練系統(tǒng)的開發(fā)。應(yīng)用3ds Max和Photoshop軟件建立了車輛、交通標(biāo)志、路沿石等近40個(gè)三維網(wǎng)絡(luò)模型，并采用骨骼動畫這一新技術(shù)，實(shí)現(xiàn)人物行走的動畫效果；實(shí)現(xiàn)了鍵盤、駕駛模擬器與應(yīng)激系統(tǒng)的雙重實(shí)時(shí)交互，利用Direct3D矩陣變換實(shí)現(xiàn)了車輛加速、制動及轉(zhuǎn)向控制；同時(shí)系統(tǒng)為行車過程中添加了發(fā)動機(jī)、車輛制動、鳴笛等相關(guān)音效。

3.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及實(shí)現(xiàn)方法

系統(tǒng)設(shè)計(jì)以不同道路環(huán)境下所產(chǎn)生的事故類型分析為基礎(chǔ)，提取該道路條件下出現(xiàn)概率較高的應(yīng)急狀態(tài)，以現(xiàn)實(shí)環(huán)境為基礎(chǔ)構(gòu)建應(yīng)激場景的相關(guān)模型。場景設(shè)計(jì)和各模型在虛擬環(huán)境中，按照人類視覺特性建立坐標(biāo)系，很好的將三維世界映射到計(jì)算機(jī)二維平面。系統(tǒng)包括視景子系統(tǒng)、控制子系統(tǒng)和音響子系統(tǒng)三個(gè)功能模塊。本系統(tǒng)可視性、操作性、靈活性強(qiáng)，界面設(shè)計(jì)友好，交互能力強(qiáng)。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

3.1視景子系統(tǒng)

在所建立的上述系統(tǒng)中，視景子系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)的重點(diǎn)和主體，是應(yīng)激場景建立和功能實(shí)現(xiàn)的根本。該子系統(tǒng)主要用于表現(xiàn)場景的真實(shí)性和應(yīng)激狀態(tài)的意外性。駕駛?cè)嗽谛熊囘^程中所看到的一切都是構(gòu)成視景子系統(tǒng)的元素。這些元素主要包括：道路、車輛、行人、天空、路燈、路沿石、交通標(biāo)志、樹木以及遠(yuǎn)處的群山等等。其部分模型效果如圖2、圖3所示。

1）車輛、建筑物和交通設(shè)施等模型

車輛、行人和道路環(huán)境是交通系統(tǒng)的三要素，在場景中添加這些模型不僅可以充實(shí)場景，而且還可以增強(qiáng)場景的立體感和真實(shí)性。

2）天空及道路的渲染

天空是應(yīng)激場景的一個(gè)重要組成部分，它用于襯托場景氛圍，增加駕駛?cè)说某两小?/p>

3）行人的渲染

行人是重要的交通系統(tǒng)參與者，因?yàn)槠渚哂行凶唠S意性大、方向多變等特點(diǎn)，因而由行人所引起的駕駛?cè)藨?yīng)激經(jīng)常發(fā)生。

4）樹木的渲染

樹木不僅是道路環(huán)境的必要組成部分，而且使動畫界面更加友好、美觀，也提高了畫面逼真程度。

5）駕駛室及群山的渲染

隨著道路環(huán)境的變化，駕駛室及周圍環(huán)境也相應(yīng)變化，可以使得動畫內(nèi)容更加豐富，而且可模擬不同道路條件下的差異。按照汽車行駛過車程中，進(jìn)入駕駛?cè)艘曇熬拔锏娜S參數(shù)和順序，將上述元素合理組合，構(gòu)建相應(yīng)的應(yīng)激場景。在本系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)了自行車騎乘人橫穿馬路、施工場地突然出現(xiàn)行人、正常行駛的前車突然制動停車、視線盲區(qū)突然駛過車輛四個(gè)典型場景。其中兩個(gè)場景的運(yùn)行后效果分別如圖4、圖5所示。

3.2控制子系統(tǒng)

控制子系統(tǒng)就是將軟件系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)鍵盤、駕駛模擬器等硬件系統(tǒng)建立友好鏈接，使駕駛?cè)伺c應(yīng)激訓(xùn)練系統(tǒng)完成實(shí)時(shí)交互的一個(gè)系統(tǒng)。

本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對鍵盤和駕駛模擬器的雙重識別，通過任一方式均可完成對場景中的車輛實(shí)現(xiàn)加速、制動和轉(zhuǎn)向等功能的控制。本文采用一套由Fly Eagle公司開發(fā)，型號為FE-8288的駕駛模擬器，它主要由轉(zhuǎn)向盤、變速桿、加速踏板、制動踏板、駐車制動器及其他輔助按鍵組成。其系統(tǒng)構(gòu)成如圖6所示。

3.3音響子系統(tǒng)

為了使整個(gè)應(yīng)激場景更加逼真，系統(tǒng)建立了音響子系統(tǒng)。音響子系統(tǒng)通過DirectSound接口來實(shí)現(xiàn)行車過程中各種聲音的播放，這些聲音主要包括行車過程中的發(fā)動機(jī)聲音、制動聲音及鳴笛聲音等。以上聲音的播放過程，DirectSound提供了相應(yīng)的封裝代碼?；揪幊绦问绞?，取得聲卡中的一塊內(nèi)存或系統(tǒng)內(nèi)存作為次緩沖區(qū)，裝入聲音數(shù)據(jù)到次緩沖區(qū)，設(shè)置聲音格式，調(diào)用次緩沖區(qū)的Play和Stop方法播放或停播聲音。這一步實(shí)際是實(shí)現(xiàn)次緩沖區(qū)數(shù)據(jù)到混聲器的傳送。然后數(shù)據(jù)在混聲器處理后，再進(jìn)入主緩沖區(qū)，聲卡自動將聲音通過揚(yáng)聲器播放出來。

4.系統(tǒng)技術(shù)特點(diǎn)

1）DirectX技術(shù)

通常所說的DirectX一般是指DirectX SDK，它是微軟公司提供的一套用于開發(fā)高性能多媒體程序的應(yīng)用程序接口。它解決了高層軟件與硬件的隔離問題，從而使各個(gè)硬件廠商可根據(jù)DirectX制定的API規(guī)范生產(chǎn)各自的硬件和對應(yīng)的驅(qū)動程序，并使高層DirectX應(yīng)用軟件對各種硬件的實(shí)現(xiàn)具有普遍的適應(yīng)性?；贒irectX開發(fā)的多媒體程序即可以充分利用系統(tǒng)硬件的加速功能，又隱藏了硬件相關(guān)的設(shè)備屬性。通過編寫與硬件設(shè)備無關(guān)的高效代碼，DirectX程序總能以最佳方式運(yùn)行，因此具有效率高并且易于開發(fā)的優(yōu)點(diǎn)。

2）紋理映射技術(shù)

紋理映射技術(shù)是駕駛?cè)藨?yīng)激訓(xùn)練系統(tǒng)在開發(fā)過程中所用到的關(guān)鍵技術(shù)之一。紋理是指物體表面本身所具有的圖案。在DirectX中，場景中的模型表面通常是由大量三角形面組合而成，如果場景中模型的數(shù)量較多并且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，系統(tǒng)渲染的實(shí)時(shí)性將達(dá)不到要求，導(dǎo)致系統(tǒng)畫面出現(xiàn)失幀，運(yùn)行不流暢。所以對場景中的物體，應(yīng)盡量采用較少的三角形面組成。紋理映射是一種將二維圖形映射到三維物體表面來產(chǎn)生特殊效果或真實(shí)感的一種技術(shù)，使用紋理映射技術(shù)可以避免對場景的每個(gè)細(xì)節(jié)都使用多邊形來表示，進(jìn)而可以大大減少場景模型的多邊形數(shù)目，提高圖形顯示速度。場景中的許多建筑物，通過在立方體表面上貼圖，即采用紋理映射便可產(chǎn)生真實(shí)的視覺效果。

3）廣告牌技術(shù)

廣告牌（billboard）技術(shù)是一種2Din3D的三維仿真技術(shù)，可節(jié)省大量的三維計(jì)算處理。它將二維的“廣告牌”圖像放置在三維的場景中，并使它始終面向視點(diǎn)，這樣就可確保在計(jì)算機(jī)屏幕上，永遠(yuǎn)只會見到廣告牌的正面，而不會見到廣告牌的側(cè)面。

廣告牌技術(shù)的原理是可簡單地利用一個(gè)矩形面貼上圖片來實(shí)現(xiàn)二維圖形的三維模擬。只要攝像機(jī)發(fā)生移動或旋轉(zhuǎn)，我們就同時(shí)移動或旋轉(zhuǎn)矩形面的4個(gè)頂點(diǎn)，使矩形面的法向量始終面對攝像機(jī)，這樣位于矩形面內(nèi)的圖像看似就是三維的。具體實(shí)現(xiàn)可使用ID3DXSprite接口所提供的方法來進(jìn)行。本應(yīng)激訓(xùn)練系統(tǒng)對樹木的渲染就是利用該技術(shù)實(shí)現(xiàn)三維模擬仿真的。

4）網(wǎng)絡(luò)模型技術(shù)

Direct3D可以通過程序代碼構(gòu)建一些簡單的三維幾何圖形進(jìn)行渲染，但對一些比較復(fù)雜的三維幾何圖形來說便顯得非常困難。通常情況下三維圖形開發(fā)接口需要與其他功能強(qiáng)大的三維建模軟件結(jié)合起來，先利用3ds Max、Maya等三維建模軟件制作出復(fù)雜物體的模型，保存到相應(yīng)的模型文件中，然后三維圖形開發(fā)接口再將保存在文件中的模型加載到程序中進(jìn)行顯示。

本應(yīng)激訓(xùn)練系統(tǒng)中的模型全部由3ds Max軟件制作，為了可以導(dǎo)出Direct3D可以識別的*.X文件，先要安裝一個(gè)與3ds Max版本對應(yīng)的插件，這個(gè)插件俗稱熊貓插件。熊貓插件可以在網(wǎng)絡(luò)資源中下載，但必須要與3ds Max的版本一致，否則無效。

5）骨骼動畫技術(shù)

傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)動畫是采用圖形與圖像的處理技術(shù)，借助于編程或動畫制作軟件生成一系列的靜止圖像，通過一張一張播放這些靜止圖像的方法來產(chǎn)生物體運(yùn)動的效果。但應(yīng)用這種動畫技術(shù)，首先要將所有動畫圖片載入程序，占用內(nèi)存空間較大，靈活性也不高。本文嘗試使用了骨骼動畫這種新技術(shù)，取得了比較理想的動畫效果。骨骼動畫是一種新興的三維動畫技術(shù)，其動畫效果具有人機(jī)交互的實(shí)時(shí)性、真實(shí)性和生動性。骨骼動畫使用骨骼的變換矩陣來說明每一動畫幀時(shí)刻的變換，從而可通過計(jì)算的方式來獲得動畫幀時(shí)刻的各個(gè)網(wǎng)絡(luò)頂點(diǎn)的新坐標(biāo)，較之直接存放每一動畫幀的所有頂點(diǎn)坐標(biāo)的方法，可節(jié)省大量內(nèi)存。

5.結(jié)語

本系統(tǒng)依據(jù)交通心理學(xué)、車輛性能等方面理論基礎(chǔ)，針對相關(guān)教學(xué)中內(nèi)容可以描述，但由于駕駛實(shí)驗(yàn)極度危險(xiǎn)而無法獲得真實(shí)感受的缺點(diǎn)，通過多媒體技術(shù)豐富生動的音頻、視頻、動畫和方式模擬展示出來。除應(yīng)激場景的顯示外，還可通過操作控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。通過沉浸于逼真的虛擬環(huán)境中，學(xué)生不僅可進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，而且對涉及知識的理解也更加明確。經(jīng)專家評議和教學(xué)測試，不僅可以實(shí)現(xiàn)預(yù)期目的，提高和改善教學(xué)效果，而且具有商業(yè)開發(fā)價(jià)值。

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