虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在滅火救援模擬實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

付麗秋

(中國(guó)人民武裝警察部隊(duì)學(xué)院科研部,河北廊坊 065000)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在滅火救援模擬實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

付麗秋

(中國(guó)人民武裝警察部隊(duì)學(xué)院科研部,河北廊坊 065000)

為滿足油罐火災(zāi)模擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)和消防救援訓(xùn)練的需要,用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)建立了大型油罐區(qū)虛擬場(chǎng)景和實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)。介紹了三維建模工具和建模過(guò)程,以及用程序腳本實(shí)現(xiàn)參數(shù)傳遞和煙火特效制作問題。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)改變了單一的消防救援訓(xùn)練方法,可以逼真地模擬多種類型的災(zāi)害場(chǎng)景供消防官兵訓(xùn)練使用,既能避免真實(shí)火場(chǎng)的危險(xiǎn),又可以極大地降低演練費(fèi)用。

虛擬現(xiàn)實(shí);消防建模;消防訓(xùn)練;災(zāi)害場(chǎng)景;滅火救援

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)(VRT)是指利用人工智能、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、人機(jī)接口、多媒體、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)以及電子、機(jī)械、視聽等高新技術(shù),模擬人在特定環(huán)境中的視、聽、動(dòng)作等行為的高級(jí)人機(jī)交互技術(shù)[1]。近年來(lái),虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在消防領(lǐng)域得到很多應(yīng)用,例如動(dòng)態(tài)模擬消防器材、裝備的操作;模擬火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)及現(xiàn)場(chǎng)氣象;模擬控制火情態(tài)勢(shì)、煙氣擴(kuò)散、災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)人員疏散的情況等。

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展,石油及石油產(chǎn)品在生產(chǎn)、生活中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛,油罐已成為重要的生產(chǎn)設(shè)施。油罐內(nèi)儲(chǔ)存的油品一般都具有易揮發(fā)、易流失、易燃燒的性質(zhì),一旦發(fā)生火災(zāi),必將造成重大損失。為此,我校建立了大型油罐區(qū)虛擬場(chǎng)景,可以滿足油罐火災(zāi)模擬實(shí)驗(yàn)和消防救援模擬訓(xùn)練的需要。

1 數(shù)據(jù)采集

1.1 原始數(shù)據(jù)采集

利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行油罐火災(zāi)模擬和消防訓(xùn)練,首先需要采集紋理數(shù)據(jù)。地形模型、建筑模型、交通設(shè)施模型、植被模型等數(shù)據(jù),可以通過(guò)實(shí)地拍照采集,也可通過(guò)攝影測(cè)量、激光掃描等技術(shù)采集。管線模型的紋理可以用圖像處理的方式采集。

利用攝影測(cè)量、激光掃描等技術(shù)提取的紋理應(yīng)滿足分辨率要求,且影像應(yīng)無(wú)變形、無(wú)失真。采取實(shí)地拍照采集紋理應(yīng)盡量選擇光線較為柔和、均勻的天氣,按正視角度進(jìn)行拍攝,應(yīng)避免逆光拍攝。對(duì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜或無(wú)法正視拍攝的表面,應(yīng)進(jìn)行多角度拍攝,并利用圖像處理軟件進(jìn)行糾正和拼接處理。應(yīng)拍攝建模物體所有部位的表面影像。對(duì)于有重復(fù)單元的表面,宜拍攝局部;無(wú)重復(fù)單元的表面,應(yīng)拍攝完整表面。應(yīng)根據(jù)不同細(xì)節(jié)層次的模型確定拍照需要表現(xiàn)的細(xì)節(jié),拍攝有代表性的表面影像、制作可重復(fù)利用的紋理[2]。我校對(duì)虛擬油罐區(qū)的場(chǎng)景采取實(shí)地拍照的方式采集數(shù)據(jù)。

1.2 建模數(shù)據(jù)處理

紋理數(shù)據(jù)應(yīng)保持色調(diào)協(xié)調(diào)、自然美觀,真實(shí)反映實(shí)際材質(zhì)的顏色、質(zhì)感、圖案和年代特征。紋理數(shù)據(jù)應(yīng)減少視角或鏡頭畸變引起的變形,且不宜含有建模影像以外的其他影像;相同細(xì)節(jié)層次的模型紋理應(yīng)具有相近的紋理分辨率;紋理數(shù)據(jù)拼接應(yīng)無(wú)縫,且過(guò)渡自然;宜轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的文件格式[3-4]。

2 三維建模

2.1 建模工具和命名規(guī)則

建模采用3ds MAX和MultiGen Creator相結(jié)合的建模方法。通過(guò)3ds MAX創(chuàng)建場(chǎng)景模型,利用MultiGen Creator軟件的Open Flight數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),設(shè)置DOF節(jié)點(diǎn)。

采用統(tǒng)一的命名規(guī)則,例如:區(qū)域名-物體名-編號(hào)。模型要用英文命名,并保證命名的唯一性。名稱不能超過(guò)32個(gè)字符[5]。

模型不應(yīng)缺面,所有面必須貼圖,可以統(tǒng)一檢查是否存在未貼圖的面;不要制作近于白色的紋理進(jìn)行貼圖,否則看上去似乎該面未貼圖。

2.2 建模過(guò)程

(1)單位統(tǒng)一。按照實(shí)際尺寸大小建模,比例要精確。如需預(yù)估尺寸,要盡量借助參照物。室內(nèi)場(chǎng)景單位用mm,室外場(chǎng)景用m,機(jī)械產(chǎn)品模型用mm。

(2)模型定位。模型做好后,應(yīng)與原圖位置相同。建模時(shí)應(yīng)依照帶有CAD地圖的文件確定模型位置,導(dǎo)入的CAD地圖最好在(0,0,0)的位置,并且不得對(duì)這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)文件進(jìn)行任何修改[6-7]。

(3)創(chuàng)建模型。模型創(chuàng)建過(guò)程中,不能有共面、漏面和反面的現(xiàn)象,單個(gè)物體的面數(shù)不要太多。模型的面以四邊形為主,在需要的地方輔以三角形,不能有多邊形。模型面的法線方向要保持一致,盡量避免對(duì)模型進(jìn)行布爾計(jì)算,可以復(fù)制的物體盡量復(fù)制。應(yīng)嚴(yán)格遵守對(duì)齊原則,對(duì)齊時(shí)要使用捕捉工具[8]。

(4)模型細(xì)節(jié)。模型必須有基本細(xì)節(jié),如油罐頂部的泡沫發(fā)生器及其管線等,要按照實(shí)際使用情況設(shè)計(jì)布線,不封閉的模型必須有厚度。

(5)模型簡(jiǎn)化。除重點(diǎn)模型外,盡量簡(jiǎn)化模型,能用貼圖表現(xiàn)的結(jié)構(gòu)盡量用貼圖表現(xiàn);盡可能減少材質(zhì)數(shù)量,以提高渲染工作效率。

(6)模型修正。對(duì)鏡像的物體要進(jìn)行修正,刪除冗余的點(diǎn)、線、面以及重合線、重疊面,并焊接相近或重合的點(diǎn),保證模型無(wú)裂縫?？床灰姷奈矬w不建,看不見的面要?jiǎng)h除。模型的UV要展平,不能出現(xiàn)拉伸,杜絕錯(cuò)建、漏建。模型不存在共面和相距太近的面。當(dāng)兩個(gè)目標(biāo)共面時(shí),將小面模型的共面面片刪除。兩個(gè)平行面之間的垂直距離應(yīng)大于1m,如果小于1m則刪除模型內(nèi)部冗余的面。不應(yīng)存在閃爍重疊的面,不允許存在變形的凹面[9-10]。

(7)模型命名。對(duì)完成后的模型進(jìn)行合理的塌陷,并按標(biāo)準(zhǔn)命名。

3 實(shí)時(shí)控制與交互

虛擬場(chǎng)景中的實(shí)體需要進(jìn)行實(shí)時(shí)控制和交互。在油罐區(qū)的模擬中,主要實(shí)現(xiàn)對(duì)視角、消防車的運(yùn)動(dòng)及消防裝備的控制。數(shù)據(jù)的獲取是通過(guò)程序函數(shù)實(shí)現(xiàn);設(shè)備控制是通過(guò)程序?qū)OF節(jié)點(diǎn)的控制實(shí)現(xiàn)的。為更好地實(shí)現(xiàn)與用戶交互,可以通過(guò)Macromedia公司推出的交互式矢量圖和Web動(dòng)畫標(biāo)準(zhǔn)的Flash軟件建立一個(gè)與用戶交互的窗口,實(shí)現(xiàn)用戶與虛擬仿真系統(tǒng)之間參數(shù)互傳[11-12]。以下是用C語(yǔ)言程序?qū)崿F(xiàn)參數(shù)傳遞的代碼片段。

4 煙火特效制作

在完成場(chǎng)景建模的基礎(chǔ)之上,需要對(duì)場(chǎng)景添加諸如煙、火、天氣、風(fēng)、雨、雪等特殊效果。特效的制作不拘泥于一種方法。

一種是通過(guò)Delta3D提供的雨雪等粒子特效以及碰撞檢測(cè)功能,并封裝Open Scene Graph(OSG)等開源引擎中提供的粒子系統(tǒng)工具,如ExplosionEffect、FireEffect、Explosion DebrisEffect等,用于火災(zāi)和爆炸后顆粒的模擬[13]。

一種是使用FUMEFX_FOR_3DSMAX插件制作煙火效果。根據(jù)用戶需要,對(duì)對(duì)象源以及Gen、Sim、Rend、Illum等相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。參數(shù)設(shè)置不同,其效果亦不同。圖1為參數(shù)面板設(shè)置及其對(duì)應(yīng)的結(jié)果, 圖2為輸出效果。

圖1 參數(shù)面板設(shè)置

圖2 輸出效果圖

也可以使用Particle Illusion軟件。此軟件是一個(gè)獨(dú)立運(yùn)作的動(dòng)畫軟件,具有超炫的二維粒子系統(tǒng),不同的粒子所對(duì)應(yīng)的參數(shù)也不同。通過(guò)對(duì)其參數(shù)進(jìn)行設(shè)置,創(chuàng)作諸如火、爆炸、煙霧、煙花等動(dòng)態(tài)效果。圖3為動(dòng)態(tài)火焰64幀合成圖[14-15]。

5 結(jié)束語(yǔ)

三維建模是建立消防救援模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的基礎(chǔ)工作之一,也是一項(xiàng)費(fèi)時(shí)、耗力、耗資源的工作。模型的制作精度直接影響可視化表現(xiàn)效果,模型制作得越精細(xì),場(chǎng)景表現(xiàn)就越逼真。但高精度的三維模型會(huì)嚴(yán)重影響系統(tǒng)的運(yùn)行速度。對(duì)于如何規(guī)范三維建模,目前還沒有統(tǒng)一規(guī)范,導(dǎo)致不同應(yīng)用平臺(tái)的模型不能共享,因而造成很大的資源浪費(fèi)。

圖3 動(dòng)態(tài)火焰64幀合成圖

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在消防實(shí)訓(xùn)中的應(yīng)用,既可以模擬不同類型、不同危害的災(zāi)害事故場(chǎng)景,又可以根據(jù)不同的災(zāi)害事故變化,采用多種滅火救援戰(zhàn)術(shù)嘗試;既可以避免火場(chǎng)危險(xiǎn),又可以降低實(shí)戰(zhàn)演習(xí)費(fèi)用;既可以實(shí)現(xiàn)災(zāi)害場(chǎng)景重現(xiàn),又可以增強(qiáng)事故處理經(jīng)驗(yàn)。

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Application of virtual reality technology in simulation experiments of fire-fighting and rescue

Fu Liqiu
(Department of Scientific Research,Chinese People’s Armed Police Force Academy,Langfang 065000,China)

With the rapid development of computer technology,the virtual reality technology has been applied more and more widely in the field of fire protection.Simulation training fields of fire-fighting and rescue changes the single training method in the past.This article introduces simulating the disaster scene of various types of fire officers and soldiers used for training,to avoid the real scene of fire risk and greatly reduce drilling costs.This article focuses on the technology such as modeling and firework.

virtual reality;fire protection modeling;fire protection drill;disaster scene;fire-fighting and rescue

TP391.9

A

1002-4956(2015)4-0130-03

2014-09-18

公安部科技強(qiáng)警基礎(chǔ)工作專項(xiàng)項(xiàng)目“滅火救援模擬訓(xùn)練三維仿真引擎研究”(2013GABJC026)

付麗秋(1975—),女(滿族),黑龍江哈爾濱,碩士,副教授,研究方向?yàn)闇缁鹁仍夹g(shù).

E-mail:fuliqiu＠sina.com