一种基于数字孪生与世界模型的驾驶场景仿真方法与流程

本发明涉及驾驶场景仿真，尤其涉及一种基于数字孪生与世界模型的驾驶场景仿真方法。

背景技术：

1、驾驶仿真是智能交通、自动驾驶算法研发与驾驶人因研究的基础设施。现有驾驶场景仿真技术存在两条相互割裂的技术路线。其一为基于传统三维实时渲染引擎的驾驶仿真系统（如scaner studio、carla、基于unreal/unity的仿真平台等）：此类系统以道路逻辑网络与车辆动力学模型为核心，几何与物理正确、渲染延迟低、可支持人在环（driver-in-the-loop）闭环驾驶，但其光栅化渲染画面真实感不足，与真实车载摄像头采集图像之间存在显著的“域差”（domain gap），导致基于其渲染画面训练或评测的感知算法难以迁移至真实场景；同时其三维资产建模依赖人工，针对大范围真实城市场景的建模成本高、周期长。其二为近期出现的世界模型（如基于扩散变换器的多模态世界基础模型）：此类模型可生成高度逼真的驾驶视频画面，但存在三方面缺陷：（1）生成时延远高于实时帧率，单段视频生成耗时达数十秒至数分钟量级，无法满足实时闭环仿真的时延要求；（2）生成过程为随机采样，输出不保证物理一致性与几何对齐，且其官方说明明确指出输出不应被当作物理精确的仿真依据，因而无法直接承担闭环仿真中的物理权威角色；（3）多批次连续生成时存在风格漂移、帧间闪烁与批间接缝等时序不一致问题。

2、此外，现有技术缺乏将数字孪生侧已知的几何真值缓冲（逐像素深度、精确运动矢量场、语义分割）系统性地用于约束世界模型生成的手段：现有视频插帧与帧生成技术（如基于光流估计的帧生成）需从图像中估计运动，估计误差在生成画面不一致时被进一步放大；现有风格迁移与视频生成的时序一致性方法亦多依赖估计光流。综上，现有技术难以同时满足“几何/物理正确”与“画面逼真”两项要求，且缺乏在可接受延迟下将二者结合的系统性架构。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于数字孪生与世界模型的驾驶场景仿真方法。

2、本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于数字孪生与世界模型的驾驶场景仿真方法，包括以下步骤：

3、程序化几何建模阶段：以统一投影坐标系下的基础地理数据为输入，利用cga规则程序化生成驾驶场景视觉几何，并转换为数字孪生侧可挂载的视觉几何资产；

4、数字孪生逻辑建模与配准阶段：在数字孪生侧的驾驶仿真软件中构建道路逻辑网络，并将视觉几何资产与道路逻辑网络进行空间配准及贴地对齐；

5、仿真运行阶段：运行驾驶仿真，并以稀疏频率离屏输出仿真关键帧及仿真关键帧对应的几何真值缓冲；

6、世界模型稀疏关键帧逼真化阶段：将仿真关键帧及其几何真值缓冲作为条件，通过世界模型进行图生图风格迁移，生成逼真关键帧；

7、帧生成、前瞻缓冲与实时回流阶段：在相邻逼真关键帧之间，沿精确运动矢量场进行运动补偿重投影以补全中间帧，经后处理输出连贯的实时视频流。

8、优选的，所述程序化几何建模阶段还包括以下步骤：

9、基础地理数据准备步骤：获取并预处理目标区域的道路中线矢量数据与建筑底面矢量数据，将道路中线矢量数据与建筑底面矢量数据统一重投影至选定坐标系并进行拓扑清洗与属性整备，消除道路中线的悬挂线、重复线与微小碎段，为道路中线补齐道路等级、车道数和设计速度字段，为建筑底面补齐层数或高度字段；

10、cga规则编写与几何生成步骤：将预处理后的道路中线矢量数据与建筑底面矢量数据输入程序化建模软件，在程序化建模软件中编写cga规则，生成包含建筑、路面、绿化与街道设施的视觉几何；其中建筑采用底面挤出后拆分为立面与屋顶并赋予材质，路面与人行道沿道路要素生成铺装，绿化与街道设施通过实例化函数插入模型库资产，并以缩放函数与旋转函数配合均匀随机函数做限制性随机变换；

11、兼容性导出步骤：将生成的视觉几何导出为中间格式，导出时锁定单位为米、竖直向上轴为z轴，并对所有顶点坐标减去本地原点偏移量；

12、资产格式转换与校验步骤：将导出的中间格式文件转换为目标引擎格式得到视觉几何资产，并进行模型朝向、法线、材质、纹理与尺度的校验。

13、优选的，所述数字孪生逻辑建模与配准阶段还包括以下步骤：

14、道路中线数据导入步骤：将同源的道路中线数据导入数字孪生侧的地形编辑模块，生成初始道路轴线与初始交叉口；

15、道路逻辑网络构建步骤：对初始道路轴线与初始交叉口进行逻辑化整备，包括将道路轴线线形转换为解析函数表达、沿道路轴线定义横断面并按里程切分区段、处理渐变段建立渐变横断面、整备交叉口以及对道路轴线进行高程预置；

16、资产链接与坐标配准步骤：将视觉几何资产挂载为背景三维地形，基于统一投影坐标系与本地原点偏移量完成道路逻辑网络与背景三维地形在平面坐标与尺度上的配准；

17、贴地对齐与滚动面设置步骤：对每条道路轴线启用贴地指令，按设定里程间隔自动生成高程控制柄，将里程-高程曲线吸附至背景三维地形表面，设置滚动面以提供车辆接地高程，使行车逻辑层与视觉几何层在高程上一致。

18、优选的，所述仿真关键帧与几何真值缓冲经硬件编码器编码，附以仿真时间戳传输至神经渲染测计算节点；

19、几何真值缓冲包括：仿真关键帧彩色图像、逐像素深度图、精确运动矢量场、语义分割图、相机位姿与自车控制量；其中精确运动矢量场由仿真几何解析计算得到，对仿真关键帧时刻k的任意像素p，先由深度图反投影得到其对应世界点，再将该世界点经目标时刻t的相机位姿投影回像面，计算公式如下：

20、；

21、式中，xw(p)为像素p对应的世界点坐标；p为像素坐标；d(k,p)为时刻k深度图在像素p处的深度值；π为相机投影函数；π-1为含深度的逆投影函数，t(k)、t(t)分别为时刻k与时刻t的相机位姿变换矩阵；m(k→t)为像素p所属物体自时刻k至时刻t的刚体运动矩阵；mv(k→t,p)为精确运动矢量场在像素p处的取值。

22、优选的，所述世界模型稀疏关键帧逼真化阶段还包括以下步骤：

23、条件打包步骤：将待迁移的仿真关键帧与结构控制条件、全局风格锚定帧、链式时序条件及文本提示组装为多模态生成请求，并提交至世界模型服务端；

24、批次化少步生成步骤：以低去噪强度的图生图模式配合少步蒸馏与cfg蒸馏压缩单批生成时延，进行批次化生成；每个批次内k个仿真关键帧联合生成，相邻批次设置g个批次重叠帧并对重叠区的隐变量做线性羽化混合；同时执行噪声搬运，将各帧初始噪声沿精确运动矢量场跨帧搬运，从而抑制帧间闪烁；

25、风格后训练步骤：预先以仿真关键帧及几何真值缓冲为条件侧，目标侧以目标风格图像或与仿真视角对齐的真实采集图像，构成条件-目标配对样本；对世界模型进行低秩适配微调，以收窄输出分布并抑制风格漂移。

26、优选的，所述线性羽化混合通过以下公式实现：

27、；

28、式中：z(t)为重叠区第t个批次重叠帧的混合隐变量；za(t)和zb(t)分别为前一批次与后一批次在目标帧的隐变量；g为批次重叠帧数量；w(t)为线性羽化权重，t自1取至g；

29、所述噪声搬运通过以下公式实现：；

30、式中，、分别为时刻k与时刻t的初始噪声场；mv(k→t,p)为精确运动矢量场在像素p处的取值。

31、优选的，所述运动补偿重投影通过以下公式实现：

32、；

33、式中，i(k,p)为第k个逼真关键帧在像素p处的颜色值；mv(k→t,p)为精确运动矢量场在像素p处的取值；为重投影所得中间帧；

34、重投影采用前向溅射实现，多个源像素落入同一目标像素时，按深度图作深度测试取最近者，空洞由兜底渲染填补，并向后一逼真关键帧做交叉淡化过渡：；

35、式中，w、w′分别为自前一与后一逼真关键帧向时刻t的运动补偿重投影算子；tk、tk+1为前后逼真关键帧时刻；为时间插值权重；为相邻两个逼真关键帧之间，在时刻t经前后双向运动补偿重投影，并通过交叉淡化过渡融合后，得到的最终补全中间帧图像；为前一逼真关键帧图像；为后一逼真关键帧图像。

36、优选的，所述帧生成、前瞻缓冲与实时回流阶段还包括以下步骤：

37、利用数字孪生侧对近未来状态的可预测性，以当前自车状态经车辆动力学模型向前积分预测未来相机轨迹，提前发起逼真化请求并存入前瞻缓冲，播放时，按仿真时钟自前瞻缓冲同步取帧合成输出，使生成时延被隐藏于预测视界之后；

38、同时设置失配兜底机制，比较实际相机位姿与预测相机位姿，当判定预测失配时丢弃失效的前瞻缓冲并降级显示兜底渲染，以最新自车状态重新发起前瞻生成。

39、优选的，缓冲深度与时延预算须满足：

40、；

41、式中，b为前瞻缓冲所需逼真关键帧数量；tgen为单批逼真关键帧生成时延；tnet为编码传输与解码时延之和；tpost为运动补偿重投影、超采样与颜色后校正的后处理时延之和；th为预测视界时长；fkey为关键帧频率；为向上取整运算。

42、优选的，所述帧生成、前瞻缓冲与实时回流阶段中的后处理包括：对重投影所得全帧率序列经深度学习超采样提升至显示分辨率，随后对每帧执行轻量颜色后校正，以全局风格锚定帧为基准执行自适应实例归一化，消除残余色调漂移；

43、自适应实例归一化通过以下公式实现：；

44、式中，x、y分别为校正前后帧的像素特征；、为当前帧特征的均值与标准差；、为全局风格锚定帧特征的均值与标准差。

45、本发明的有益效果是：

46、1）兼顾物理正确与画面逼真：车辆动力学、交通逻辑与人在环控制始终运行于数字孪生侧，画面逼真度由世界模型在其上叠加：感知域差被显著缩小的同时，仿真结论仍以数字孪生侧物理权威为准，规避了世界模型输出不可作为物理依据的固有缺陷。

47、2）在可接受时延下逼近实时逼真渲染：世界模型生成由逐帧降为每秒一至三帧的稀疏逼真关键帧，计算量下降一至两个数量级；配合少步蒸馏、低去噪强度图生图与前瞻缓冲，生成时延被隐藏于预测视界之后；中间帧由精确运动矢量场的轻量运动补偿重投影产生（单帧毫秒级），整体可在普通多卡环境分摊部署。

48、3）长时序输出稳定不漂移：风格后训练从先验上收窄分布、全局风格锚定帧与噪声搬运从条件上钉住外观与时序、颜色后校正兜底残余误差，三个层面叠加使连续批次生成的风格一致性显著优于单一运行期约束方案；且时序一致性建立在精确运动矢量场之上，不受光流估计误差影响。

49、4）建模与实施成本可控：视觉几何由cga规则程序化批量生成，避免人工逐栋建模；道路逻辑网络由同源gis数据导入转换，避免重复测绘；风格后训练的配对数据由仿真流程自动批量产出，仅目标风格精修需少量人工；本发明可分期落地并按算力条件将逼真关键帧生成与插帧显示拆分至不同节点部署。