陳鼎，張麗霞，潘福全，陳永康，胡瑩瑩，李曉霞，林佳佳

（青島理工大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，山東 青島 266520）

1 引言

目前交通信號燈已經(jīng)成為城市道路指示車輛道路通行的主要交通設(shè)施，設(shè)置地點(diǎn)主要在道路交叉口。交叉口車流量大，車輛在此進(jìn)行直行、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)等交通行為，如果沒有交通信號來指示通行，不但容易導(dǎo)致交通擁堵與混亂，而且還會導(dǎo)致交通事故[1][2][3]。因此，按照交通信號燈指示行駛尤為重要。但如果前方有大型車輛遮擋或大霧等不良天氣遮擋等，后方車輛的駕駛員對信號燈的辨識受到嚴(yán)重影響。如圖1 所示。

圖1 前方車輛遮擋交通信號

目前研究車內(nèi)道路交通信息顯示的很少。在中國知網(wǎng)數(shù)據(jù)庫中，選擇“文獻(xiàn)”中的“主題”，分別以“車內(nèi)交通信號”、“駕駛室交通信號”進(jìn)行檢索，結(jié)果顯示為0。說明這方便的研究幾乎處于空白[4]。

2 駕駛室內(nèi)交通信號顯示設(shè)計(jì)方法

為了解決前方大型車輛遮擋或大霧等不良天氣遮擋后方駕駛員的視線，導(dǎo)致后車駕駛員無法觀測到前方交通信號問題，本研究設(shè)計(jì)了一種在汽車駕駛室內(nèi)自動(dòng)顯示道路交通信號系統(tǒng)的方法。

（1）開發(fā)具有4G 通訊功能的交通信號傳輸模塊。

（2）車輛配備交通信號傳輸模塊與導(dǎo)航系統(tǒng)。

（3）開發(fā)專門算法，并運(yùn)用該算法判斷車輛所處的具體位置。

（4）通過算法計(jì)算車輛具體位置與前方交叉口紅綠燈的相對位置關(guān)系。

（5）車輛交通信號模塊接收來自于交通管理部門授權(quán)的該紅綠燈的交通信號信息。

（6）該信息在車輛交通信號模塊進(jìn)行顯示。

（7）駕駛員根據(jù)與前方交叉口交通信號燈一致的信號進(jìn)行交通行為的決策。

該方法的技術(shù)路線如圖2 所示。

圖2 技術(shù)路線

3 仿真方法與仿真結(jié)果

交通仿真技術(shù)能夠把尚未實(shí)現(xiàn)或難以實(shí)現(xiàn)的某種方法或技術(shù)，通過計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)并展現(xiàn)所期望的方法與技術(shù)實(shí)施后的運(yùn)行效果。交通仿真是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程。它包括問題分析、模型建立、數(shù)據(jù)輸入、程序編制、仿真運(yùn)行、輸出結(jié)果處理等過程。

本研究仿真車輛進(jìn)入交叉口有效范圍，車內(nèi)交通信號傳輸系統(tǒng)啟動(dòng)，前方紅綠燈數(shù)據(jù)在車內(nèi)顯示屏顯示，達(dá)到既使車輛前方有大型車遮擋，駕駛員看不到信號燈，但仍然可以在車內(nèi)利用顯示裝置收到紅綠燈信號。

3.1 交通模型結(jié)構(gòu)及組成

實(shí)現(xiàn)一個(gè)完整的交通仿真，往往運(yùn)用多個(gè)仿真軟件，本研究主要運(yùn)用了3Dmax[5]與SolidWorks[6]軟件。3Dmax 是Autodesk 公司在20 世紀(jì)90 年代推出的一款三維動(dòng)畫創(chuàng)作工具，是目前應(yīng)用最廣泛的三維建模、動(dòng)畫、渲染軟件，其功能強(qiáng)大，可支持多種相關(guān)軟件不同類型文件的導(dǎo)入、導(dǎo)出，并且渲染速度快，畫面質(zhì)量高，在三維仿真領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。SolidWorks 是一款功能強(qiáng)大的三維建模軟件，可以很好的和三維仿真軟件進(jìn)行聯(lián)合仿真。

一般而言，交通仿真涉及到車輛、車道、信號燈等為仿真建模單元。本仿真的整個(gè)模型由城市道路汽車模型和車內(nèi)交通信號模型兩個(gè)模型構(gòu)成。

（1）城市道路模型：城市道路模型模擬的是城市紅綠燈路口的模擬，主要部件有路面、路面標(biāo)線、圍欄、交通信號燈、路邊綠植房屋等。道路建模時(shí)先在3Dmax 的頂視圖中建立相應(yīng)長度的正交直線，然后利用SpeedRoad 插件在正交直線的基礎(chǔ)上建立一個(gè)雙向四車道的十字交叉路口（包括道路分隔欄、路面標(biāo)線、交通信號燈等道路基礎(chǔ)設(shè)施）。為了形象模擬周圍環(huán)境還可以利用Ghost Town 插件在路邊建立對應(yīng)的建筑物，在道路旁邊添加做好的綠植模型等，這樣可以建成更加形象的交通環(huán)境場景。

（2）車輛與車內(nèi)交通信號系統(tǒng)：汽車模型信號系統(tǒng)的承載體由汽車外殼，車門、車輪、底盤、后視鏡、車燈等零件構(gòu)成；車內(nèi)交通信號系統(tǒng)是車內(nèi)信號系統(tǒng)的模擬，由透明顯示屏、車內(nèi)裝飾，顯示數(shù)字等零件構(gòu)成。

汽車和車內(nèi)交通信號系統(tǒng)模型由SolidWorks 建立。利用SolidWorks 進(jìn)行建模時(shí)，要明確汽車的各部分零件，根據(jù)車輛各部分的零件尺寸創(chuàng)建零件圖。零件完成后，按照汽車設(shè)計(jì)要求組裝零部件，并根據(jù)不同的連接方式建立不同的約束。

模型建立完成后即可將其導(dǎo)入3Dmax 中。將SolidWorks模型導(dǎo)入到3Dmax 中時(shí)將SolidWorks 文件另存為.wrl 文件。需要注意在另存為文件時(shí)，修改輸出版本與單位，并在單一文件中保存裝配體所有零件，從而可將裝配體中的多個(gè)零件同時(shí)導(dǎo)入3Dmax 中。雖然裝配體在3Dmax 中的位置與SolidWorks 中保持一致，裝配關(guān)系卻不再存在，即零件之間可以任意移動(dòng)或旋轉(zhuǎn)。因此，需要將零件之間設(shè)立父子關(guān)系，父零件在進(jìn)行移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)、縮放時(shí)可帶動(dòng)子零件作相應(yīng)變化，而子零件在進(jìn)行移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)、縮放時(shí)不會影響父零件。本仿真將設(shè)計(jì)零件的所有零件的最終父零件都建立在汽車的外殼上，方便在移動(dòng)整個(gè)汽車時(shí)的動(dòng)作。

3.2 仿真動(dòng)畫設(shè)計(jì)

對于外部車輛運(yùn)動(dòng)模型，建立物理相機(jī)在車輛上方合適位置，將相機(jī)頭部與車輛建立父子關(guān)系，使鏡頭隨著車輛運(yùn)動(dòng)。車內(nèi)交通動(dòng)畫是將相機(jī)放在車中合適位置，將車輛和相機(jī)、信號顯示裝置分別建立父子關(guān)系，讓鏡頭和車輛同時(shí)移動(dòng)，更好更清楚的提供系統(tǒng)的工作動(dòng)畫。動(dòng)畫設(shè)計(jì)中使用了3Dmax 的“曲線編輯器”，通過給汽車車輪和整體添加關(guān)鍵幀實(shí)現(xiàn)車輛在道路上的運(yùn)動(dòng)。

為了簡明扼要的仿真車內(nèi)交通信號的運(yùn)行效果，并降低電腦資源的耗用。本仿真動(dòng)畫設(shè)置了500 幀，動(dòng)畫持續(xù)約23秒。實(shí)現(xiàn)了動(dòng)畫中汽車運(yùn)動(dòng)的連貫性。隨后調(diào)整3DMAX 渲染設(shè)置，在“渲染幀窗口”中把要“要渲染的區(qū)域”選擇為攝影機(jī)視圖，保持整個(gè)輔助器在運(yùn)動(dòng)過程中全部零部件始終處于畫面之內(nèi)。接著在“渲染設(shè)置”窗口選擇“時(shí)間輸出”為整個(gè)活動(dòng)時(shí)間段，然后調(diào)整光線等元素，使畫面看起來更加自然。為了更真實(shí)的實(shí)現(xiàn)仿真，可以用“材質(zhì)編輯器”給汽車、道路等添加合適的材質(zhì)貼圖，使道路有粗糙顆粒感，汽車表面有光滑感。

仿真動(dòng)作完成后，開始進(jìn)行動(dòng)畫渲染，此時(shí)可以直接渲染成仿真動(dòng)畫，但為了保證動(dòng)畫的質(zhì)量，用V-Ray 渲染器插件將每幀動(dòng)畫渲染成帶有序列號的圖片。為了找到合適的光源和影像可以先將渲染的畫質(zhì)調(diào)低，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)渲染，找到合適的渲染參數(shù)后再將參數(shù)調(diào)高，進(jìn)行整體的圖片序列輸出。最后將渲染出來的序列圖用剪輯軟件Adobe Premiere 將圖片生成avi.或者mp4.格式的動(dòng)畫。

3.3 仿真結(jié)果

仿真結(jié)果是以動(dòng)畫視頻的方式展現(xiàn)的，由于論文難于用視頻方式進(jìn)行表達(dá)，進(jìn)行了截圖。如圖3 所示，在一個(gè)交叉口的左側(cè)車道，一輛大貨車在前方行駛，跟馳的小汽車駕駛員無法直接觀察到前面路口的信號燈。此時(shí)的駕駛員心理應(yīng)該比較復(fù)雜，因?yàn)樗磺宄胺铰房诘慕煌ㄐ盘柷闆r。如果小轎車駕駛員繼續(xù)跟馳前方大貨車，恰好此時(shí)是綠燈的最后幾秒鐘，這樣很可能導(dǎo)致小汽車闖紅燈，如果是闖紅燈，又很可能導(dǎo)致這輛小汽車與對向放行的汽車發(fā)生交通事故。

但是本研究的汽車駕駛室內(nèi)道路交通信號實(shí)現(xiàn)后，就杜絕了這種危險(xiǎn)境況。如圖4 所示。即使前方大型車遮擋了前方的信號燈，但駕駛員通過室內(nèi)交通信號顯示系統(tǒng)，清晰的了解了前方交叉口交通信號燈的指示情況，從而能夠從容不迫的進(jìn)行正確的交通決策。不但不會增加駕駛員的心理生理負(fù)擔(dān)，而且還提高了道路交叉口的安全性。

圖3 小汽車被前方大貨車遮擋視線

圖4 前方交通信號在駕駛室內(nèi)顯示

4 結(jié)論

本研究提出了一種道路交通信號在汽車駕駛室內(nèi)顯示的方法，通過3Dmax 和SolidWorks 仿真軟件建立了車內(nèi)交通信號系統(tǒng)模型，并實(shí)現(xiàn)了車內(nèi)交通信號的傳輸與顯示。仿真結(jié)果表明，該方法可以使駕駛員從駕駛室內(nèi)的顯示屏看到前方交叉口的交通信號，解決了因前方大型車輛遮擋或不良天氣遮擋而無法觀測前方交叉口信號燈的實(shí)際問題，從而能夠減少駕駛員的心理負(fù)荷，提高道路交叉口的交通安全性。今后進(jìn)一步研究交通信號傳輸模塊與相關(guān)算法，并進(jìn)行實(shí)車實(shí)驗(yàn)。