Aufbau Eines Fahrsimulators Zu Forschungszwecken
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Planung und Aufbau eines realistischen Fahrsimulators fur¨ die Untersuchung von kognitiven Dialogsystemen - Schwerpunkt Software Studienarbeit am Cognitive Systems Lab Prof. Dr.-Ing. Tanja Schultz Fakult¨at fur¨ Informatik Universit¨at Karlsruhe (TH) von cand. inform. Rikard Oxler¨ Betreuer: Prof. Dr.-Ing. Tanja Schultz Dipl.-Inform. Felix Putze Tag der Anmeldung: 28. Dezember 2008 Tag der Abgabe: 28. April 2009 Ich erkl¨are hiermit, dass ich die vorliegende Arbeit selbst¨andig verfasst und keine anderen als die angegebenen Quellen und Hilfsmittel verwendet habe. Karlsruhe, den 28. April 2009 Zusammenfassung Die vorliegende Studienarbeit besch¨aftigt sich mit dem Aufbau eines Fahrsimulators zu Forschungszwecken. Der Schwerpunkt liegt dabei bei der dafur¨ notwendigen Soft- ware. Das Dokument beschreibt, welche Anforderungen an solch ein System gestellt werden, welche bisherigen L¨osungsans¨atze es gibt und wie unsere L¨osung dafur¨ aus- sieht. Mit Hilfe dieser Arbeit soll es sp¨ater m¨oglich sein, das System zu warten oder Erweiterungen vorzunehmen. Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung 1 1.1 Zielsetzung der Arbeit . .1 1.2 Gliederung der Arbeit . .2 2 Grundlagen 3 2.1 Hardware .................................3 2.1.1 Projektion . .3 2.1.2 Sound ...............................4 2.1.3 Eingabeger¨ate...........................4 2.1.4 Kraftruckmeldung¨ ........................4 2.2 Software..................................4 2.2.1 Was muss ein Simulationssystem fur¨ uns leisten . .4 2.2.1.1 Szenarien . .5 2.2.1.2 Verkehr .........................5 2.2.1.3 Fahrverhalten . .5 2.2.2 M¨ogliche Szenarien/Versuche . .5 3 Analyse bestehender Fahrsimulatoren 7 3.1 Virtual Environments Laboratory . .7 3.2 VDrift ...................................7 3.3 Grand Theft Auto . .8 3.3.1 Multi Theft Auto . .9 3.4 Silab....................................9 3.5 AutoSim.................................. 11 3.6 STISIM .................................. 12 3.7 SCANeR™ ................................. 13 3.8 Zusammenfassung . 13 4 Arbeit mit GTA 17 4.1 Aufbau der Infrastruktur . 17 4.2 Installation ................................ 18 4.2.1 Lauff¨ahiges Windows unter X Rechnern . 18 4.2.2 GTA installieren . 18 4.2.3 Downgrade ............................ 18 4.2.4 Installation MTA . 19 4.2.5 Installation unseres Versuchsszenarios . 19 4.2.6 Umgebung starten (mehrere Rechner / Server) . 19 4.3 Szenario .................................. 22 4.3.1 Szenarioerstellung . 23 viii Inhaltsverzeichnis 4.3.1.1 Client .......................... 23 4.3.1.2 Server .......................... 23 4.3.2 Szenarioauswertung . 24 4.4 PreOpen-Source ............................. 25 4.4.1 Integration Lenkrad . 25 4.4.2 Mehrere Ansichten integrieren . 25 4.5 Open-Source................................ 27 4.5.1 Installation SourceCode . 27 4.5.1.1 Installation der Entwicklungsumgebung . 27 4.5.1.2 SVN Source Code . 28 4.5.1.3 Patch .......................... 29 4.5.1.4 Compile, Deploy and Run . 29 4.5.2 Implementierung der Kameraansicht . 30 4.5.3 Joystick Support . 31 5 Evaluierung 33 5.1 Ergebnis.................................. 36 6 Zusammenfassung und Ausblick 43 Literaturverzeichnis 45 1. Einleitung Jeder, der schon einmal mit einem Navigationssystem im Straßenverkehr unterwegs war, weiß, dass diese Systeme bei weitem noch nicht ausgereift sind. Zwar findet man mittlerweile fast immer den Weg, jedoch reicht eine gute Streckenfuhrung¨ allein nicht aus. Die Eingabe des Zieles und jede weitere Kommunikation mit dem Ger¨at erfordert bisher eine hohe Konzentration des Fahrers, so dass sie nicht w¨ahrend der Fahrt erfolgen darf. Ansonsten k¨onnte es zu gef¨ahrlichen Beeintr¨achtigungen kommen. Deshalb sollte sich das Ger¨at an den Benutzer anpassen. Fur¨ die L¨osung dieses Problems bietet sich ein adaptives Dialogsystem an. Der Fah- rer in einem Auto muss bis zu mehreren Stunden mit dem System interagieren und muss dabei die ganze Zeit auf den Verkehr und die Umgebung reagieren k¨onnen. Der Benutzer darf hier nicht abgelenkt werden, da er somit zu einer Gefahr fur¨ sich und Andere auf der Straße werden k¨onnte. Das Gleiche gilt naturlich¨ auch, wenn das System einschl¨afernd wirkt und der Fahrer dadurch zu sp¨at auf Ereignisse im Straßenverkehr reagiert. Um eine Evaluierung solcher adaptiver Dialogsystem zu erm¨oglichen sind Fahrsimu- latoren vonn¨oten. Nur mit ihnen kann garantiert werden, dass niemand verletzt wird oder sogar Schlimmeres passiert. Hier k¨onnen in einer sicheren Umgebung alle Funk- tionen erprobt und verbessert werden. Die Versuche sind beliebig oft reproduzier- bar und alle auftretenden Parameter k¨onnen aufgezeichnet und analysiert werden. Außerdem ist sichergestellt, dass die fur¨ die jeweilige Untersuchung notwendigen Situationen jederzeit erzeugt und kontrolliert werden k¨onnen. Erst wenn die Sicherheit des Systems gew¨ahrleistet ist, k¨onnen die Tests auch auf Fahrzeuge im realen Straßenverkehr ausgeweitet werden. 1.1 Zielsetzung der Arbeit Ziel unserer Arbeit war es, einen kompletten Fahrsimulator aufzubauen. Mit diesem sollen Versuche zur Evaluierung eines adaptiven Dialogsystems durchgefuhrt¨ werden. Diese Arbeit besch¨aftigt sich prim¨ar mit der hierfur¨ erforderlichen Software. Der Aufbau der Hardware wird in Frieder Reinholds Studienarbeit n¨aher beschrieben [18]. 2 1. Einleitung Zus¨atzlich zu dem von uns fertiggestellten System soll es mit dieser Arbeit auch Anderen erm¨oglicht werden, den Fahrsimulator nachzubilden oder zu warten. 1.2 Gliederung der Arbeit Die folgenden Kapitel besch¨aftigen sich mit der Software fur¨ einen Fahrsimulator. Angefangen bei der Suche nach bereits erh¨altlichen Systemen bis hin zur Implemen- tierung und Evaluierung des von uns entwickelten Systems. Das Kapitel \Grundlagen" befasst sich damit, was Fahrsimulatoren alles leisten mus-¨ sen, um unseren Anforderungen Genuge¨ zu tun und sich somit fur¨ unsere Versuche zu eignen. Im Kapitel\Analyse bestehender Fahrsimulatoren"werden verschiedene existierende Fahrsimulatoren begutachtet, mit welchen wir uns w¨ahrend unserer Arbeit eingehend besch¨aftigt haben. Das Kapitel \Arbeit mit GTA" besch¨aftigt sich mit dem letztendlich von uns ver- wendeten System GTA (Grand Theft Auto). Hier wird erkl¨art, wie sich die Software installieren und verwenden l¨asst. In der \Evaluierung" beschreiben wir M¨oglichkeiten, um den von uns aufgebauten Fahrsimulator auf seine Leistungsf¨ahigkeit hin zu testen. Im letzten Teil wird eine Zusammenfassung unserer Arbeit und ein Ausblick auf zukunftige¨ Projekte gegeben. 2. Grundlagen Immersion bezeichnet den Grad des Eintauchens in eine virtuelle Realit¨at. Unser Ziel war es eine m¨oglichst hohe Immersion zu erm¨oglichen, um z. B. Effekte wie erh¨ohte kognitive Auslastung unter realistischen Bedingungen untersuchen zu k¨onnen. Doch welche Faktoren spielen dafur¨ uberhaupt¨ eine Rolle und auf was ist dabei zu achten? Nachfolgend wird beschrieben welche Kriterien fur¨ die Wahl der Hard- und Software wichtig waren. 2.1 Hardware Um einen Fahrsimulator betreiben zu k¨onnen, ist als erstes eine entsprechende Hard- ware erforderlich. Diese fungiert als Nahtstelle zwischen dem Mensch und der si- mulierten Welt. Außerdem kann die Software nicht unabh¨angig von der Hardware existieren. Die Hardware muss naturlich¨ die Anforderungen (z. B. Performance) der Software erfullen¨ k¨onnen, damit diese voll ausgenutzt werden kann. Zus¨atzlich muss sie auch unsere Anforderungen an den Realismus erfullen.¨ Ein einfacher Desktop- Rechner mit einem Bildschirm, Tastatur und Maus reicht nicht aus, um ein reales Fahrgefuhl¨ zu vermitteln. 2.1.1 Projektion Da die Benutzung nur einer, nach vorne ausgerichten, Ansicht ein vorausschauendes Fahren erschwert, strebten wir einen Aufbau mit mehreren Projektoren an. Zur Realisierung der, auf nicht nur einen Monitor, beschr¨ankten Ansicht, gibt es prinzipiell zwei M¨oglichkeiten. Falls die Simulatorsoftware es unterstutzt,¨ k¨onnen an einen Rechner mehrere Anzeigen angeschlossen werden. Die m¨ogliche Anzahl variiert mit den verwendeten Grafikkarten. Da die meisten Simulatoren jedoch wegen Geschwindigkeitseinbußen darauf verzichten, mussen¨ mehrere Rechner mit je einer Ansicht in einem Netzwerk verbunden werden. 4 2. Grundlagen 2.1.2 Sound Der heutzutage in der Standardkonfiguration erh¨altliche 5.1 Sound reicht fur¨ unsere Zwecke. Dabei erzeugen funf¨ im Raum verteilte Boxen den mit der Soundkarte gene- rierten Ton und sorgen so fur¨ einen Raumklang. Da tiefe T¨one schwer zu lokalisieren sind, genugt¨ ein einzelner Subwoofer. 2.1.3 Eingabeger¨ate Als Eingabeger¨at ist ein Lenkrad, wie es in einem normalen Auto verwendet wird, einer Tastatur- und Maussteuerung vorzuziehen, da Probanden mit einer solchen Steuerung vertraut sind und sie mehr Realismus bietet. Es stehen viele, fur¨ den Spielebereich entwickelte, Ger¨ate zur Auswahl. Von einem Lenkrad, bis hin zu drei Pedalen und einer Sechs-Gang-Schaltung. 2.1.4 Kraftruckmeldung¨ Fur¨ die Kraftruckmeldung¨ gibt es verschiedene Ans¨atze. Zum einen kann ein ein- faches Force-Feedback-Lenkrad verwendet werden, dass unter Windows uber¨ die DirectInput-Schnittstelle von Microsofts DirectX angesprochen wird. Es stehen je- doch auch ausgefeiltere Aufbauten wie Bewegungsplattformen zur Verfugung.¨ Je- doch kommen diese fur¨ uns aus Ressourcen- und Platzmangel nicht in Frage. Eine einfache aber effiziente L¨osung um die Motor- und Fahrbahnvirbrationen zu simulie- ren, ist es, den vorhandenen Sound abzugreifen und die tiefen Frequenzen mit einem Bassshaker wiederzugeben. Ein Bassshaker erzeugt, als Basslautsprecher