[发明专利]车辆动画仿真方法及系统

说明书

技术领域

本发明涉及交通仿真领域和计算机图形学领域，尤其涉及车辆动画仿真方法及系统

背景技术

随着虚拟现实技术的发展，虚拟城市研究吸引了大批的学者，目前已形成了大量成熟的软件，如google maps，virtual Earth等。将高细节、高逼真度的车辆动画仿真融入到城市模拟中，不仅可以提高模拟的可信度和增强视觉体验，还对交通设计、交通规划等具有重要指导作用。

城市车辆运动模拟具有如下两点突出特点：首先交通路网结构复杂，并线，加宽，各种平交路口和各种立体交叉线路纵横交错，错综复杂。其次是车辆规模庞大，最近几年，随着经济的快速发展，城市内车辆数目迅猛增长，以北京市为例，2013年，北京机动车辆保有量已超过520万辆。如何实现大规模车辆在复杂的路网内运动的逼真模拟，是城市车辆动画模拟面临的重要问题。

目前国内外已有许多领域的学者投入到车辆运动模拟的研究中，并相应产生了不少交通模拟系统。这些系统大致可分为微观模拟方法和宏观模拟方法两类。微观模拟方法在较细力度上模拟车辆运动。但是，微观模拟方法采用基于个体的微观交通模型模拟车辆运动，模拟计算的效率和车辆数目紧密相关，这些方法主要用于小规模的车辆运动模拟，当车辆规模达到数万或十万以上后，普通PC机已无法实现实时的模拟计算，所以不适合做城市级大规模车辆运动的模拟。宏观模拟方法采用基于流体的宏观交通流模型模拟运动车辆之间的关系，模拟计算时间和车辆数目无关，主要用于大规模车辆运动的模拟仿真。这些方法作为交通评价、规划和设计的工具，主要研究交通流的大致运动趋势，该宏观交通流模型为了提高计算效率，简化甚至省略了个体车辆运动行为的模拟，无法逼真细节的描述各种复杂交通场景内车辆的运动行为(如各种换道行为)，从而降低了模拟结果的准确性和真实性。

总之，现有交通仿真不能满足大规模车辆动画模拟的需求，主要是因为现有用于大规模车辆动画模拟的宏观流方法主要在一维空间中描述车辆的运动， 而实际上，车辆是在二维公路平面上运动的，所以现有模型只能简化车道间车流交互的描述，一般通过密度差和路径驱使等来实现，不能细致描述车辆运动行为，如换道行为等。深入了解了宏观流的属性后发现，解决该项缺陷可通过改进现有宏观流模型来实现。

发明内容

为了解决上述问题的不足，本发明提供了大规模车辆动画仿真方法与系统。本发明的目的是该车辆动画仿真不仅可以描述车道的车流，还可以描述车道间的车流运动，并且求解过程中得到车辆的换道轨迹，最终实现了大规模车辆在复杂场景内运动行为逼真高效的描述。

为达到上述目的，本发明提供一种大规模车辆动画仿真方法及系统，根据车流的初边界数据、路网语义数据及车流初值数据，计算仿真过程中每一时刻车辆的位置和状态，从而模拟整个运动过程。本发明采用描述车辆换道行为的交互式宏观交通流模型来实现大规模车辆运动的细力度模拟。本发明将换道模型作为约束条件添加至交互式宏观交通流模型的求解过程中，实现了车辆运动的逼真模拟。

本发明提出一种车辆动画仿真方法，包括：

步骤1，获取车流数据，并根据所述车流数据，模拟车流运动行为，其中所述车辆运动行为是根据当前车道前方车辆以及左右邻居车道前方车辆对当前位置车辆的影响共同确定；

步骤2，构建换道模型，通过所述换道模型，获取所述车辆运动行为中所述当前位置车辆的换道决策和换道轨迹；

步骤3，将所述换道决策、所述换道轨迹与所述车流运动行为相结合，以完成车辆动画仿真。

所述的车辆动画仿真方法，所述步骤1包括：

通过交互式宏观流模型模拟所述车流运动行为，所述交互式宏观流模型的公式为：