虚拟现实中小儿行人安全的一种低损耗方法.doc

虚拟现实中小儿行人安全的一种低损耗方法
摘要：
虚拟实现(VR)技术在近期已经有了巨大的进步。一些描绘先进虚拟环境允许用户互动和操作的VR工具已经取得了发展。这些工具已经应用于训练和学习。本文提出了一个用于研究儿童面对真实世界中道路安全状态的VR工具。这项研究的驱动力是在美国5-9岁的儿童死亡的主要的原因是行人受伤。提出的VR工具包括用来仿真一个虚拟环境面对典型行人横过马路的VR软件和硬件。VR工具用仿真的交通平台重现了一条街道。用一个替身重现了行人。旨在训练儿童避开事故安全地穿越马路。在一个可控的环境中，虚拟环境允许用户融入(以及调查测量)横穿街道的行为。
1. 绪论
最近几十年间，虚拟实现(VR)已经发展为一个学科，成为一门成熟的技术。近年来硬件和软件技术的进步使得这项技术的损耗大大减少。如此迅速发展的环境使得VR成为一个有着广泛应用的潜力无穷的领域。用计算机来做3D互动工具仿真是各个领域里面最普遍的应用。最近一段时期，防务、汽车、和航天电子工业都从VR中获益匪浅，而很多其他工业也来是实施VR[1]。
本文着眼于VR及时在儿童行人安全的应用。病死率年度分析报告系统(FARS)美国高速公路交通安全局(NHTSA)的年度报告表明，在美国至少有308个县的发生交通意外的儿童的死亡率达到或超过了90%。这为儿童行人安全研究提供了一个基础，并把投入VR技术作为一个经济实用的选择[2,3]。
2. 理论框架
VR技术可为发展一个教育儿童安全地横穿马路工具提供基础[4]。
2.1. VR 软件
VR技术对电脑可用的软硬件资源有很重的依赖。所需软件包括建模软件、应用程序接口(API)，以及驱动和引擎[4]。
2.2. VR硬件
VR一直与独特的昂贵硬件设备相连。技术的发展带来了损耗的减少，现在已经有一些不同的VR硬件设备用于市场。流行的VR硬件包括偷窥显示器(HMD)，计算机辅助虚拟环境(CAVE)，和虚拟手套[4]。
2.3. 虚拟环境
虚拟环境是VR系统的重要组成部分。真实世界的对象、实体和场景可以重现逼真的视觉效果。虚拟环境提供了针对VR系统浸入或扩散所需的基础。这些虚拟环境取决于应用可以是二维或者三维[5]。
2.4. 原理模型
模型如图一所示。对象S引入VR环境。VR环境提供了音频和视频浸入主体，主体的音频视频反馈，让主体决定穿越或不穿越街道。主体的决定通过传感器垫输入。传感器垫的输出传给VR环境中的司机。如果虚拟环境中的替身和汽车没有相撞，则过程是成功的。如果侦测到虚拟环境中的替身和汽车相撞了，尝试就失败了，同时把相关的输出传给主体。

3. 方法论
这部分描述了处理问题以及获取大部分适宜的工具设置所需的基于VR系统来教育行人安全的不同方法。这些步骤在相关性、效率、态度以及可学习性都是基于真实的方法论[6]。
3.1. 选择位置
因为能够辨别物理地址，所以位置是重要的，用户将会将会发现位置适于联系[7]。相关性是真实设计方法论的首要因素。作者本人寻访了伯明翰的很多方位，进行了相关调查。拍摄了用以评估的图片，选择了理想的位置。但是为了研究的目的，设计了一个可视化的虚拟地点。
3.2. 选择3D建模软件
选择合适的3D建模软件是这项工程最关键的层面[8]。表一列出了3D建模工具，通过排除法选出最适用的工具。可学习性和效率是真实方法论中的重要部分。Maya，3D Studio Max，Lightwave和Blender是一些可以考虑的软件。

3.3. 引擎和驱动的选择
从动画的观点看，引擎或者驱动是重要的。使用软件设计的模块可以通过驱动来注入生机。选择驱动的时候首要关注效率和可移植性。驱动评估(表二所示)面对对象的图像成像引擎（OGRE），透明空间、创始3D和3D游戏制作。

3.4. 硬件选择
硬件是基于VR的系统最重要的组件之一。为必要的进程提供能量来获取平滑无褶皱的音频、视觉和动画输出。表三表明了所提出的VR工具的硬件配置。

4. 设计
在改进的虚拟世界模型和替身的设计模块中描绘原型的设计。
4.1. 拟议参数设计
工程设计的主要思想是设计有用的和有效率的VR技术以教导儿童安全地横穿马路。这部分说明为这一工具所提出的设计。图二为基于所安排的计算机辅助虚拟环境(CAVE)的设计原理。在图二中重现了用于180度仿真的5块大屏幕的建立，用于为用户D提供虚拟环境。屏幕的排序类似于之前提到的CAVE。然而由于没有完全覆盖用户D的视野，图八所示的创建考虑了作为部分CAVE的更多现实情况。B是代表遏制的压力传感垫。周围的扩音器C将会提供音效。

4.2. 测试模式设计
Maya基本功能和工具用于制作背景房子树木。用纹理建造合并模型的各个部分。把所给模型分为若干部分，并独立构建，是一种很好的操作[9]。这些组件一旦建立，就可以导入到单个文件。房子的模型如图三所示。

树的模型如图四所示。多边形的复杂性很高，意味着需要更长的绘制时间。这些房子和树木由镜像修改复制，作为虚拟环境的外加模型来使用。

使用Maya生成车的模型和纹理。图五和图六所示为一辆车的未渲染和渲染模式。

4.3. 替身设计
如很多其他的3D模件包一样，Maya提供了一种人类运动学设计。可以使身体的不同部分协同运动。这种功能的主要优点在于实现替身。图七所示为一个伸出双手的女孩替身。
为了展示其内部的多边形的复杂性，模型是没有纹理。替身设计最有趣的部分是随着人类运动而运动的骨架。

4.4. 虚拟环境设计
所有的个体组件放在一起，组成虚拟环境。图八所示为一个用于学习的简单虚拟环境。

5. 执行
图八所示的虚拟环境是之前部分所述的设计过程的结果。房子和树木组成虚拟世界的背景。可以增加一点树木和房子，使得场景更加生动和复杂。完成之后，下一个重要的目标是实现互动。
5.1. 硬件配置
选择一台具有3.2GHz主频CPU、2G内存和NVIDIA 6600 GT图像采集卡和40GB硬盘驱动器的电脑。建议协同环绕音效系统来安装压力传感垫。但是在这项工程中，设计和设备安装中引入了一些修改。初始的目标是用五块屏幕实现180度的视野被替换了，是而为了减少设计多边形的复杂程度。用一块屏幕显示取代之前的方案。这是适于原型的VR桌面类型。笔者建议使用鼠标替代压力传感垫来触发动画。使用普通的音箱不会损坏原型的质量。
5.2. 结构安排
图九所示是基于耗费、方便、复杂度、和可用性考虑到最后实现结果。A是三大块平板显示器，B是电脑鼠标，C是语音系统，D是用户或对象，E是所要求的计算机。这一步非常简单，但影响相关性、效率、可学习性和可用性。这种3D环绕音效系统设计是为用户提供音效的关键。

用户D在屏幕A中看到虚拟世界，用鼠标B触发替身开始行走。这样的安排，还是有少量的光缆和电线阻碍或干扰用户。可以使用无线鼠标，使得导线从用户视野中除去，使得用户更加灵活，可以处于更多位置。
5.3. 动画驱动
使用3D游戏制作器实现3D动画驱动。3D游戏制作器提供可以连接现存3D环境的预编译驱动。实验装置成功地使用了动画和检测碰撞司机[10]。
6. 讨论
在这个项目课题中，分析了不同的3D建模工具。学习和比较了它们的特点、3D渲染能力和接口功能。特别关注到了耗费，在专业图像中的受欢迎程度和开源开发者联盟。基于笔者对多个建模软件的使用经验，可以放心地说建模工具能够有效率地建模。大部分的建模工具缺少互动动画的内置驱动或引擎，使得它们离这项研究的要求相差甚远。对于这项工程而且，没有一款建模软件有绝对的优势。Maya可以很好地建模；然而Blender开源、免费并且有着相类似的基本特点。
对于描述虚拟世界来说，一个合适的位置是不确定的。原因很明显，这样就能很迅速地设计及其复杂的真实世界。因此，原型可以是一个虚构的情景。可以使用经济容易的3D游戏制作器来做动画引擎。
基于现实概念的方法贯穿于设计过程。因为很容易就会偏离项目的核心功能，所以相关性非常重要。模型的制作和设备的选择明显与这项研究的主题相关。效率是任何项目的突出部分。选择工具和方法与优化耗费、时间、能源紧密相关。做好规划确定这三者的属性，以到达最优解决方案。最后，可学习性对项目训练和教导方面的目标具有决定性的影响。
这项研究的恰当地设计发展针对儿童行人安全的VR工具。在该项目整个过程中所遇到的各种因素，已经全部包含。采用这个设计方法和建议是解决这个问题的可行的方法。因此，研究的目的在于为选择合适的软件和硬件，以及利用其它组件构建虚拟环境，还有对于动画替身的建议提供一个指导纲领。
需要对提出的VR工具的可用性和效率做出决定。这个思想比较停留在理论上。在真实世界中测试时，会有不利条件。而且有必要知道5到9岁年龄组的儿童是否能接受VR工具。
7. 结论
VR技术用作训练儿童行人安全的工具。在本设计中提出、设计以及实现了一个低损耗的方案。通过使用便宜的硬件和最小的软件开发达到了经济的解决方案。高端的硬件可以取得更好的效果，但是会不经意间增加成本。而且VR工具可以在可控的环境中测试真实的对象，采集统计数据以研究对象的相关性、可靠性和效率。
8. 建议和展望
3D建模工具是这项研究中的重要部分。因此需要选择最优的工具。3D激光扫描设备是扫描任何现实世界的灵活的选项。这将帮助制作取代本研究中的虚拟背景[11]的纯3D背景。
这项研究描绘了用3片显示器向用户显示的解决方案。如此建立了浸入度相当低的VR桌面系统。因此未来研究的一部分是原始方案建议的5个屏幕的半圆形显示。一个360度视野的计算机辅助虚拟环境将是最理想的。
9. 参考文献
10. 鸣谢