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虚拟现实在无人驾驶地铁中的应用浅析

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it" f f0 “ i ㈣ri ■鞠投● V 。 L 明 文献引用格式:朱波,晋睿,屠宣.虚拟现实在无人驾驶地铁中的应用浅析[J].电视技术,2017,41(4/5):243—247. ZHU B,JIN R,TU X.Applications of virtual reality for driverless subway:a brief analysis[J].Video engineering, 2017,41(4/5):243—247, 中图分类号:TP391.4 文献标志码:A DOI:10.16280/j.videoe.2017.h4.046 虚拟现实在无人驾驶地铁中的应用浅析 朱波,晋睿,屠宣 (重庆市轨道交通(集团)有限公司,重庆401120) 摘要:虚拟现实(Vitrual Reality,VR)在近几年来在消费电子领域得到迅猛发展,得到学术界、工业界的广泛关注。从虚拟现 实发展背景入手,简单介绍虚拟现实的发展现状和技术发展趋势。同时,结合目前先进的无人驾驶地铁技术,探讨了虚拟现 实在轨道交通行业中的典型应用,一方面为虚拟现实中的关键技术找到了新的实际应用,另一方面,为无人驾驶地铁中的系 统工程问题提供了新的解决思路和技术方案。 关键词:虚拟现实;无人驾驶地铁;人机交互 Applications of virtual reality for driverless subway:a brief analysis ZHU Bo.JIN Rui.TU Xuan (Chongqing Rail Transit(Group)Co.,Ltd.,Chongqing401120,China) Abstract:Virtual Reality(VR)has been developing rapidly in the field of consumer electronics in recent years,which attracts ex— tensive attention from academia and industry.In this paper,the background of VR development is firtsly introduced.Secondly,the state-of-the-art status and development trends of VR aye described.After that,combined with the current driverless subway tech— nology,this paper discusses the typical application of VR in this area.On the one hand,this paper has found a new practical印一 plication for VR,and on the other hand,this paper provides new ideas and technical solutions for the system engineering problem in the driverless subway system. Key words:virtual reality;driverless subway;human computer interface. 虚拟现实(Virtual Reality,VR)是一种可以创建 发展前景预测分析报告显示,目前,虚拟现实产业正 和体验虚拟世界的计算机仿真系统,它利用计算机 在跨越萌芽期,行业发展空间广阔。伴随面向消费 技术生成实现三维动态视景和实体行为的系统仿 市场的硬件和内容的批量上市,预计到2020年,全 真,并利用多传感器、交互设备等,使用户获得沉浸 球VR设备年销量将达4 000万台,市场规模约400 式的体验。它是融合计算机图形学、人工智能、多媒 亿元,市场容量超过千亿元。 体技术等多领域最新成果的综合性信息技术。随着 目前,虚拟现实的成熟应用主要集中在娱乐领 人们对于外界环境的视听感知要求越来越高,虚拟 域,尤其是游戏产业,主要作为一种先进的人机交互 现实技术已经成为目前视声领域的主流发展方向之 手段。另外在医疗、教育、军事等领域也有尝试性的 一,而基于虚拟现实技术的电子产品已经成为工业 应用。本文将结合目前发展迅速的轨道交通行业, 界和产业界重点开发和推广的方向。例如,在2016 重点探讨虚拟现实在无人驾驶地铁中的应用方向及 年和2017年的国际消费电子展(International Con— 可行性。 sumer Electronics Show,CES)上,国内外主流厂商都 推出了最新的虚拟现实产品。另外,据中国产业调 研网发布的2016年中国虚拟现实市场现状调研与 1 虚拟现实发展现状 虚拟现实的起源最早可追溯到公元1516年左 投稿网址http://www.videoe.cn J《电视技术》第41卷第4/5期(总第493期)243 -V DEo APPLICAT视频应用与工程 ION&PROJECT ■翻敖囊 『J¨f …r l” 右的第一批360全景壁画的诞生。而现代虚拟现实 多年的发展,随着信息技术快速发展,虚拟现实中的 的起点一般公认是从l9世纪6O年代,Ivan Suther- 关键技术在特定的应用领域已经达到了成熟可用的 land创造出的有史可循最早的头戴式现实器(Head 程度,基于虚拟现实的产品数量也已经呈现爆发式 Mounted Display,HMD)。这台原型机已经实现了立 增长。经过近60年的发展,虚拟现实在关键技术研 体显示、计算机实时渲染、头部位置追踪、虚巧交互 究和产业应用方面都得到了长足的进步 , 和模型生成等技术,并能够提供初级体验。通过50 胃,辜  "IK ̄I/si、 舅 豳, 匾 J T l 。。  l荤 率 辛罕I  I l2T014 一 ~固 技术研究方面,中国从“九五”就开始投入,主 向军事应用和高端商业应用。近几年来,随着虚拟 要应用于军事仿真训练,尤其是北京航空航天大 现实技术的不断成熟和相关产业链的不断完善,尤 学,持续开展了多武器协同作战的战术演练系统研 其是硬件成本的大幅度降低,使得虚拟现实产品的 究,并成功实现了多种武器平台的虚拟仿真: j。国 成本有了较大下降空间,因此适用于普通消费者的 内的其他研究机构和高校也相继开展这方面的技 虚拟现实产品得到了迅猛发展,并取得了较大产业 术研究。其中浙江大学、西安交通大学、西北工业 规模。目前,国内的虚拟现实相关产品一方面来源 大学、国防科技大学、上海交通大学等单位也进行 于传统软硬件或内容制作公司,如手机厂商、智能硬 了大量的研究工作并取得了一定的成果。目前,虚 件厂商、视频服务商等,他们主要依托传统的硬件平 拟现实的很多关键技术尚不成熟,例如三维环境仿 台或软件平台的优势进行产品适配性改造;另一方 真建模还不够逼真,在实际中难以给人较好的视觉 面则来源于初创公司,尤其是在“大众创业,万众创 效果;人机交互技术如语音交互、手势交互、头部跟 新”的浪潮下,一大批具有核心技术的初创团队在投 踪的可靠性不高,基于接触式的传感交互设备的使 融资运作下开始在硬件、软件、服务、内容等方面持 友好性不好,大大降低了用户的体验效果;新型 续发力。表1对比了目前国内外虚拟现实行业发展 高端传感器的成本较高,定制化程度较高,只能在 的主要区别,从中可以看出:国内的行业竞争较为激 高端行业市场中使用,无法实现高端产品的批量化 烈,还没有形成细分市场,产品的同质化较高,容易 和产业化。因此,虚拟现实的技术研究依然任重而 形成价格竞争;另一方面,国内产品的技术成熟度较 道远。 低,核心技术较少,产品附加值较低,难以形成大的 产业应用方面,中国前期的虚拟现实产品技术 国际竞争力。这些对中国整个行业的发展较为 成熟度有限,应用范围较窄,研发成本较高,主要面 不利。 2A.A..《电视技术》第41卷第4/5期(总第493期)I投稿网址http://www.videoe.cn V。DEo AP 。cAT视IO频N&应P用R 舌 _II 表l 国内外虚拟现实行业在发展过程中的主要区别 2 虚拟现实发展趋势 虚拟现实是一项包含环境感知、视频显示、 维 实产品要朝着“低成本、高性能”的方向发展,才能够 真正地实现产业化。具体地,其发展方向主要有以 下几点 。 : 建模、系统集成等多项核心技术的交叉型技术,它的 1)虚拟环境低成本快速建模技术。虚拟现实产 主要研究内容包括对外界环境准确的虚拟表示、对 品的核心研发内容之一就是虚拟环境的建立,即采 虚拟环境感知信息的真实合成、人与虚拟环境交互 用动态环境建模技术的获取实际环境的 维数据, 的自然性、数据可视化、计算机图形生成、智能交互 并建立相应的环境模型,也就是业内常说的内容制 等问题,通过这些内容使得用户能够获得对虚拟环 作。目前,在虚拟现实产业中,内容制作仍然是最大 境的身临其境地感知 。 的一个瓶颈,主要是高逼真的环境建模的软硬件和 虚拟现实的实质是使用信息技术构建一种虚拟 人力成本较高,而且制作周期长,对于研发人员的要 极大地了虚拟现实产业的发展。因此, 的世界,并能够与该虚拟世界进行自由交互。虚拟 求也高,现实具有以下特征:1)多感知性,即融合了视觉、听 虚拟现实产品要实现大规模的应用推广,必须要解 觉、触觉、运动、嗅觉等感知,甚至具备人的一切感 决环境的低成本的快速建模。 知;2)存在感,即使用者在虚拟环境中能够感受到环 2)实时j维图形可视化技术。由于计算机图形 境的真实存在,使得用户难以辨别出环境的真伪;3) 学技术的快速发展,三维图形的可视化相对较为成 交互性,即使月j者和虚拟环境中的实物之间交互的 熟,目前的主要难点在于实时生成高质量的 维罔 自然程度;4)自主性,即虚拟环境中的实物能够按照 形。尤其是在视频显示方面,随着高清显示设备的 现实世界中的运动规律根据变化进行自适应的动作 成熟应用,高清内容的大量出现,融合在在不降低显 调整。基于以上特征,虚拟现实的最终目标是要用 示质量的基础上,提高视频显示的刷新频率将是虚 户佩戴例如头盔、手套、等硬件传感设备,通 拟现实今后研究的重要课题。 过视觉、触觉、听觉等感知虚拟环境,并得到在真实 环境中一样的体验效果。 3)先进的人机交互技术。虚拟环境与使用者之 间的信息交互体验直接关系虚拟现实产品的用户友 目前,由于虚拟现实关键技术仍有较大程度的 好性,目前通用的虚拟现实交互设备主要是可穿戴 包括数据手套、头盔显示器、位置传感器、数 发展空间,尤其是在虚拟环境中,使用者仍然能够感 的设备,受到与真实环境的较大差距,甚至有时候有不适的 据衣服、和j维声音产生器等。近年来,随着语音交 手势交互、眼动交互等新的人机交互技术的出 感觉;另外,由于虚拟现实产品的基础元器件、单元 互、模块等还没有形成批量化,尤其是性能较高的传感 现,新型的人机交互产品也将会成为未来虚拟现实 器件的成本依然较高。基于以上原因,现有的消费 主要研究的方向。 级产品无法满足人们的需求,而高性能的虚拟现实 4)虚拟现实建模设计智能化。虚拟现实中的设 设备依然难以广泛应用和推广。因此,未来虚拟现 计和建模过程较为繁琐,往往需要耗费大量的人力 投稿网址http://www.videoe.cal《电视技术》第41卷第4/5期(总第493期)245 V 。 L c 熬 成本和时间成本。随着智能化时代的到来,各种智 拟设计,设计人员可以在物理样机制造之前尽可能 能化技术可以应用到虚拟现实中来,例如可以采用 地发现设计缺陷,从而将制造风险降至最低 J。 语音合成、场景生成等技术自动地生成所需要的虚 拟环境及人物特效,在这个过程中,只需要对模型的 2)列车虚拟装配 无人驾驶列车装配过程较为复杂,为保证无人 属性进行参数化调整,就可以实现对不同需求的自 驾驶列车的设计符合工程力学、流体力学等的要求, 适应调整,形成满足不同需要的系统模型。因此,将 可以利用计算机对列车各部件进行虚拟仿真,使装 人工智能技术和虚拟现实技术向结合,可以节省大 备人员可以在计算机上进行虚拟装配,从而能够方 量的时间和精力,更加快速地完成产品的设计和 便地检查出各部件之间是否兼容,对于装配工人的 建模。 培训尤为重要,现场装配训练不仅需要占用大量的 5)分布式虚拟现实技术(Distributed Virtual En. 软硬件资源,而且培训的效果难以评估。列车虚拟 vironment,DVE)。传统的虚拟现实开发采用集成式 装配让受训人员在虚拟环境中熟悉列车各个部件及 的方式,即所有的设计、建模、开发、测试、评估等工 其装配过程,提高培训人员的设备装配能力。学员 作都在一个集中的平台上完成,脱离不了时间和空 只需要佩戴虚拟现实头盔或者眼镜,即可获得身临 间的。随着计算机网络技术和分布式计算技术 其境的场景,提高了装配训练的效果。 的发展,越来越多的厂商倾向于分布式的开发模式, 通过不同开发团队和开发平台的协同工作,资源共 3)列车虚拟运行 无人驾驶列车的测试运行是在正式上线运行前 享,能够跨越地域和时域的约束,完成复杂的产品开 对无人驾驶列车可靠性、安全性的最终检验,在真实 发任务。分布式虚拟现实将成为今后虚拟现实技术 条件下运行需要耗费大量的人、财、物投入。为了尽 发展的重要方向。 量减少测试的时间,同时又能检测出所有的风险,可 3 虚拟现实在无人驾驶地铁中的应用 以采用虚拟运行的方式。利用计算机三维虚拟仿真 技术对无人驾驶列车的运行状态、各部件实时状况 随着地铁列车技术的飞速发展,无人驾驶地铁 及列车运行环境的变化情况进行模拟,从而在物理 列车已经成为未来的主流发展趋势,随着、北 运行前最大程度地检测列车运行的可行性;同时,可 京、上海等地相继启动无人地铁列车建设项目,我国 以利用计算机对部分参数进行更改测试,观测数据 地铁列车也将进入无人驾驶的新阶段。运用三维虚 变化对列车运行带来的影响,从而发现不同参数对 拟与仿真技术模拟出从设计制造到运行维护等各阶 于列车运行的影响规律,为列车正式运行使用提供 段、各环节的三维虚拟环境,研发人员和使用者可以 了参考,降低了真实运行的风险,并使相关的工作人 在虚拟环境中全身心投入到无人驾驶地铁的整个工 员在遇到突发状况后能够快速进行处理。 程之中进行操作,从而能够在物理资源环境受限的 条件下,拓展研发人员和技术人员的设计和研发能 降低了整个工程项目的时间成本和人力成本。 1)列车虚拟设计 4)列车运行监控 传统的显控技术仅仅将列车行驶的各种状态信 形式显示出来,引入虚拟现实技术可以更为直观地 进行实时监控。基于虚拟现实的实时监控系统可划 力,有助于提高整个工程项目的效率和质量,同时也 息和列车设备的参数信息在中控平台上以数字化的 在无人驾驶列车设计过程中可以采用虚拟现实 分成车载部分和控制中心部分。车载部分完成地铁  技术对地铁车站、运行线路、通信链路等基础设施及 列车参数的采集、发送,同时对控制中信号的接收、无人驾驶列车内部车载设备以三维立体的方式呈现 执行以及自主行驶等功能。控制中心部分完成控制 给设计人员,使项目设计人员坐在电脑前就能感受 中心操纵指令的采集、发送和对车载发射机发送的 到地铁列车的整个运行过程。另外,设计人员通过 信号的接收、存储、显示、天线跟踪等功能。远程监 三维立体模型,可以在虚拟环境下以不同的视角对 控人员可佩戴虚拟现实头盔设备实时感知列车的运  车辆的组成结构和各部分的构造进行观察,也可以 行状态 ]。随时对车辆在不同的工作条件下的动力学性能、运 行状态、车厢内状况等方面进行研究。通过列车虚 5)列车虚拟维修 维修和保养是保证无人驾驶列车安全、可靠运 246《电视技术》第41 ̄g4/5期(总第493期)I投稿网址http://www.videoe.on 熬 行过程中进行维修训练,而在列车发生故障时难以  及时相应和处理,因此,引人虚拟现实技术在日常培 参考文献:V 。 A 警- 行的重要环节。维修人员不可能在列车实际上线运 拓宽了虚拟现实的应用领域。  训和实时维修中就可以有效提高维修人员的能力和 [1]田禹.基于虚拟现实(VR)的体验式新闻设计研究[D].故障的解决效率。一方面,维修人员在日常中可以 利用虚拟现实技术进行维修预演和仿真,加强对自 北京:美术学院,2016. [2]张晨,刘博.虚拟现实技术的应用研究[J].数字技术与 应用,2015(11):45_46. 身的维修技能掌握;另一方面,在列车出现突发故障 时,维修人员可以通过虚拟现实设备,参照虚拟维修 训练教程现场学习,尽快解决现场故障。 [3]刘华益,汪莉,单磊,等.虚拟现实产业发展[R]. 北京:中国电子技术标准化研究院,2016. [4]徐娟.基于虚拟现实技术的铁道车辆运行仿真系统研究 [D].长沙:中南大学,2009. 4 小结 本文简单介绍了虚拟现实的基本概念和应用背 景,并对虚拟现实的研究和产业发展状况进行了分 时,对虚拟现实在无人驾驶地铁中的应用方向进行 了探讨,为无人驾驶地铁行业技术研究人员提供了 [5]赵刚,张晓林.基于虚拟现实技术的无人直升机实时监 控系统[J].北京航空航天大学学报,2003,29(4): 291—294. 康绍鹏,乔志华,等.增强现实研究现状及其在 析,在此基础上归纳了虚拟现实的技术发展趋势,同 [6]李一波,遥操作中的应用[M]//陈宗海.系统仿真技术及其应用 (第10卷).合肥:中国科学技术大学出版社,2008: 790—793. 新的技术手段,为他们在列车设计、装配、运行、监 控、维修过程中的问题提供了新的解决思路,同时, 也给虚拟现实相关从业人员提供了新的应用方向, 责任编辑:哈宏疆 收稿日期:2017-02-09 (上接第233页) 参考文献: [9]陆斯.基于静态特征的高速公路停车识别与多路视频并 行处理研究与实现[D].重庆:重庆大学,2014. [1]姜伟,范巍巍,王吴.苏州市机动车配建停车位建设差额 收费[J].山西建筑,2010,36(7):195—196. [10]芮挺,沈春林,张金林.车牌识别中倾斜牌照的快速矫正 算法[J].计算机工程,2004,30(13):122—124. [11]QIN F,FANG B,ZHAO H.Traffic sign segmentation and recognition in scene images[C]//IEEE Chinese Conference Off Pattern Recognition(CCPR),2010.[S.1.]:IEEE, 2010:1—5. 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