一種基于虛擬現(xiàn)實的氣象災(zāi)害逃生演練系統(tǒng)構(gòu)建

王緣 余日季

摘 要：隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展，模擬真實的氣象災(zāi)害成為可能。基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)，構(gòu)建氣象災(zāi)害逃生演練系統(tǒng)，通過逼真的氣象災(zāi)害場景訓(xùn)練，不僅可以提高體驗者的興趣，還能增強(qiáng)其臨場感以及面對氣象災(zāi)害的應(yīng)急處理及逃生能力。利用計算機(jī)設(shè)備構(gòu)建生動逼真的虛擬環(huán)境，讓體驗者擁有身臨其境之感，使他們能更方便、更直接地融入虛擬空間，并通過語言、手勢、感官等與計算機(jī)進(jìn)行實時交互。與傳統(tǒng)逃生演練方式相比，基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的氣象災(zāi)害逃生演練系統(tǒng)優(yōu)勢明顯，具有廣闊應(yīng)用空間。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實;Unity3D;虛擬雷電逃生系統(tǒng);沉浸式虛擬認(rèn)知

DOI：10. 11907/rjdk. 191928 開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

中圖分類號：TP319文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-7800（2019）008-0088-04

Evacuation Exercise System for Meteorological Disasters Based on Virtual Reality

WANG Yuan1，YU Ri-ji2

（1. School of Computer & Information Engineering， Hubei University， Wuhan 430062， China;

2. College of Art， Hubei University， Wuhan 430062， China）

Abstract：With the development of virtual reality technology， it is possible to simulate real meteorological disasters. In this paper， virtual reality technology is applied to meteorological disaster escape drills. Through training in realistic meteorological disaster scenarios， the interest of the experiencer can be enhanced， and the sense of the experiencer's presence can be enhanced， as well as the ability of emergency respose and escape from meteorological disasters. Vivid and realistic virtual environment is constructed mainly by using computer equipment， which enables the experiencer to have a sense of immersion in the virtual space more conveniently and directly， and interact with the computer in real time through language， gestures， senses and so on. It can lay a good foundation for the development and application of virtual reality technology in modern society. From the two aspects of virtual reality industry itself and its combination with meteorological application， the problems faced by virtual reality technology in meteorological application are discussed， and the possible research directions and future prospects are prospected.

Key Words： virtual reality;Unity3D;virtual lightning escape system;immersive virtual cognition

基金項目：國家重點(diǎn)研發(fā)計劃項目（2016YFB1101702）

作者簡介：王緣（1995-），女，湖北大學(xué)計算機(jī)與信息工程學(xué)院碩士研究生，研究方向為計算機(jī)技術(shù);余日季（1976-），男，博士，湖北大學(xué)藝術(shù)學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師，研究方向為AR/VR/MR數(shù)字交互設(shè)計與開發(fā)、動畫與數(shù)字媒體創(chuàng)意設(shè)計、數(shù)字媒體技術(shù)與產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用、文化遺產(chǎn)數(shù)字化保護(hù)。

0 引言

當(dāng)前，VR技術(shù)多應(yīng)用于游戲和教育中，它可以提升游戲角色逼真度與用戶沉浸感，也能夠為學(xué)習(xí)者提供一種新的學(xué)習(xí)環(huán)境，讓學(xué)習(xí)者更加輕松地理解復(fù)雜概念，提高學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)興趣和效率。本文將VR應(yīng)用于氣象災(zāi)害預(yù)防演練領(lǐng)域，其通過對雷電發(fā)生之際的暴雨或暴雪等惡劣天氣場景的逼真再現(xiàn)，解決傳統(tǒng)預(yù)防演練難以解決的問題。體驗者可在虛擬世界中體會到雷電發(fā)生時的真實感受，并在虛擬空間中隨意走動，同時也可隨意切換場景，與各場景中的虛擬物體進(jìn)行觸碰等交互操作，并能對逃生方式進(jìn)行重復(fù)演練。這種游戲形式的逃生教學(xué)，不僅可以加深體驗者的印象，更能有效提升體驗者對氣象災(zāi)害的認(rèn)知能力并學(xué)會必備的逃生技能。

1 相關(guān)概念及內(nèi)涵

1.1 虛擬現(xiàn)實技術(shù)

虛擬現(xiàn)實技術(shù)通過三維模型實現(xiàn)人機(jī)交互操作，具有多感知性、沉浸感、交互性、構(gòu)想性等特點(diǎn)，是一個富有挑戰(zhàn)性的交叉技術(shù)前沿學(xué)科和研究領(lǐng)域[1]。在虛擬現(xiàn)實中，人們可以通過佩戴頭盔，手持手柄控制器，在規(guī)定范圍內(nèi)與虛擬世界的人或物進(jìn)行體驗和互動。

1.2 氣象災(zāi)害逃生演練

氣象災(zāi)害是危害人類生命安全的常見災(zāi)害，其中以雷電為主。大多數(shù)學(xué)生可能很少經(jīng)歷過雷電災(zāi)害，當(dāng)雷電來臨時通常會不知所措，也無法發(fā)現(xiàn)潛在的危險隱患，因此會對自身安全帶來一定威脅[2]。目前，雖然很多學(xué)校經(jīng)常在校開展火災(zāi)或者地震等應(yīng)急疏散演習(xí)，讓學(xué)生掌握相應(yīng)的逃生方法，這樣當(dāng)災(zāi)害來臨時能減少損失，同時保證學(xué)生人身安全。但以往各類演習(xí)中存在一些弊端，例如：①疏散演習(xí)不僅耗時長，并且需要較大的演習(xí)場地，但依舊無法模擬出真正的復(fù)雜環(huán)境，且效果不太理想;②對于雷電這種無法通過演練開展的演習(xí)就只能通過網(wǎng)上文字或動畫方式呈現(xiàn)在學(xué)生面前，然而這種方式過于單一，參與度不夠，缺乏交互性和生動性，當(dāng)真正的災(zāi)難來臨之際學(xué)生可能會亂了手腳，從而無法使用正確的逃生方式;③由于參加演習(xí)的學(xué)生人數(shù)較多，設(shè)備有限，因此各類安全演習(xí)不便重復(fù)進(jìn)行，很難針對不同的問題反復(fù)演練。鑒于此，基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)開展氣象災(zāi)害逃生演練不失為一種有效途徑，設(shè)計并開發(fā)相應(yīng)的系統(tǒng)成為必要。

1.3 沉浸式VR虛擬認(rèn)知環(huán)境

沉浸式虛擬現(xiàn)實的明顯特點(diǎn)是利用頭盔顯示器將用戶的視覺、聽覺封閉起來，產(chǎn)生虛擬視覺;同時，它利用數(shù)據(jù)手套或手柄將用戶的手感通道封閉起來，產(chǎn)生虛擬觸動感，頭、手、眼均有相應(yīng)跟蹤器追蹤，使系統(tǒng)達(dá)到盡可能的實時性[3]。本文設(shè)定的認(rèn)知環(huán)境為在地形陡峭的半山坡上，且伴隨暴雨、雷電天氣。通過沉浸式虛擬現(xiàn)實設(shè)備，體驗者切身體驗當(dāng)雷電來臨時的虛擬場景并學(xué)習(xí)正確逃生方法，以達(dá)到掌握氣象災(zāi)害逃生知識和技能的目的。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 架構(gòu)設(shè)計

氣象災(zāi)害逃生演練系統(tǒng)采用三層體系結(jié)構(gòu)模型的整體軟件架構(gòu)，按照三層體系結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分為3部分：應(yīng)用層、業(yè)務(wù)層、數(shù)據(jù)層。應(yīng)用層即表現(xiàn)層，提供用戶界面，根據(jù)用戶的不同操作選擇相應(yīng)功能;業(yè)務(wù)層主要處理用戶請求，將用戶請求傳遞給表現(xiàn)層，各服務(wù)器與數(shù)據(jù)層進(jìn)行交互，完成對數(shù)據(jù)的操作;數(shù)據(jù)層是系統(tǒng)數(shù)據(jù)的管理核心。以Unity 3D為渲染引擎，用 HTC? Hive頭盔作為體驗虛擬現(xiàn)實設(shè)備，以控制手柄作為連續(xù)位移設(shè)備，設(shè)計氣象災(zāi)害逃生演練系統(tǒng)[4]。在構(gòu)建虛擬雷電場景的基礎(chǔ)上，通過虛擬現(xiàn)實頭盔再現(xiàn)雷電場景，利用操控手柄控制位置的移動和觸碰交互實現(xiàn)預(yù)防雷電的演練操作。進(jìn)入系統(tǒng)后將會有兩種選擇模式，通過手柄射線選擇自己想體驗的模式進(jìn)行學(xué)習(xí)即可。虛擬逃生系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

2.2 關(guān)鍵技術(shù)

2.2.1 Unity 3D引擎

Unity3D是由Unity Technologies開發(fā)的具有跨平臺性和全面整合的游戲開發(fā)引擎，其可實現(xiàn)聲音及許多炫酷效果，具有強(qiáng)大的地形系統(tǒng)、豐富的粒子系統(tǒng)以及全面的圖形圖像功能等，支持大部分音頻、視頻、文本等軟件格式。Unity3D不僅是開發(fā)游戲的好工具，也是開發(fā)虛擬現(xiàn)實、仿真技術(shù)的引擎開發(fā)工具。Unity3D具有強(qiáng)大的功能特點(diǎn)，并提供了豐富的資源商店，擁有可視化編輯窗口，以及強(qiáng)大的著色器渲染功能。同時，Unity還提供了高性能的光影渲染系統(tǒng)，使圖像達(dá)到更加逼真的效果。其中最為重要的是Unity具有跨平臺性的特點(diǎn)，開發(fā)者可將開發(fā)好的作品發(fā)布到不同的平臺上運(yùn)行。

2.2.2 顯示技術(shù)

為了更好地實現(xiàn)虛擬場景的模擬并增強(qiáng)用戶在虛擬環(huán)境中的沉浸式感知，需要整合不同的虛擬設(shè)備。常用的顯示設(shè)備主要有頭盔式顯示器、立體眼鏡、大屏幕投影等。本文使用頭盔式顯示器，即HTC VIVE設(shè)備[5]。

HTC VIVE是2015年3月在巴塞羅拉世界移動通信大會上，HTC發(fā)布的由HTC和Value聯(lián)合開發(fā)的一款VR頭戴式產(chǎn)品。其搭配了一個頭戴式顯示器、兩個手柄控制器和一個能在空間內(nèi)追蹤顯示器與控制器的定位系統(tǒng)。其中Steam VR是HTC VIVE開發(fā)的核心，開啟Steam VR后就可以在頭顯中以360°視角觀察虛擬環(huán)境，使用戶可自由環(huán)顧并沉浸在逼真的虛擬環(huán)境里。

2.2.3 三維建模與氣象災(zāi)害真實感模擬

當(dāng)前有許多優(yōu)秀的建模軟件，例如Maya、Zbrush、3Ds Max等。Maya是世界頂級的三維動畫制作軟件，主要運(yùn)用于對影視廣告、電影特效等對象的制作，其功能完善、靈活性強(qiáng)，是電影業(yè)的高端制作軟件。Zbrush以強(qiáng)大的功能和直觀的工作流程著稱，是一個數(shù)字雕刻和繪畫軟件。該系統(tǒng)主要采用3DsMax軟件對場景和動畫進(jìn)行建模。

3DsMax是Discreet公司開發(fā)的基于PC系統(tǒng)的三維建模、渲染、動畫制作軟件[6]。它擁有強(qiáng)大的三維建模和逼真的渲染功能，是當(dāng)今國內(nèi)較為流行的一款建模軟件。其擴(kuò)展性好、操作簡單、易上手、兼容性好、支持多種導(dǎo)入導(dǎo)出方式，擁有豐富的插件和強(qiáng)大的建模功能，且制作效果逼真。在此系統(tǒng)中，通過3DsMax軟件對山體、房屋、樹木以及房屋內(nèi)部結(jié)構(gòu)等進(jìn)行建模。同時為了模擬出氣象災(zāi)害來臨時的各種場景，如山體滑坡、電閃雷鳴、狂風(fēng)暴雨等，還需要利用該軟件進(jìn)行三維動畫制作，以達(dá)到更為逼真的效果。

2.3 功能設(shè)計

該系統(tǒng)主要包括兩個模塊，分別是學(xué)習(xí)者模塊和體驗者模塊，通過用戶的不同選擇將會進(jìn)入到不同的場景中。

2.3.1 學(xué)習(xí)者模塊

該系統(tǒng)設(shè)定的場景是在溝谷深壑的險峻地區(qū)并伴有暴雨雷電等惡劣天氣。在這一模塊中，學(xué)習(xí)者將以旁觀者的角度去觀看此場景中虛擬逃生人群的逃生過程。進(jìn)入這一模塊首先將會看到在狂風(fēng)暴雨的天氣里，電閃雷鳴，房屋周邊的樹木都被閃電劈中并著了火，接著虛擬人群將會選擇正確的方法和路線進(jìn)行逃生。外面電閃雷鳴，風(fēng)雨交加，站在空地上比較危險，虛擬人群需要逃進(jìn)到小房屋中，在逃進(jìn)房屋之前將會看到有兩個房屋，一個破破爛爛且沒有避雷針，另一個堅固完整且在房頂上裝有避雷針，這時虛擬人群將會逃進(jìn)裝有避雷針且堅固的房屋中[7]。進(jìn)入房屋之后，會看到房屋內(nèi)依舊有許多危險隱患，例如窗戶沒有關(guān)閉、手機(jī)正在充電、電源插座沒有拔掉等。這時虛擬人群會挨個排除這些安全隱患以達(dá)到正確防御雷電災(zāi)害的效果。學(xué)習(xí)者模塊具體內(nèi)容如圖2所示，系統(tǒng)將提示用戶當(dāng)遇到各種情況時的正確處理方法。

2.3.2 體驗者模塊

體驗者戴上頭盔，握住操控手柄，通過觀看虛擬人物逃生方法后，根據(jù)所掌握的逃生知識以及系統(tǒng)提示指導(dǎo)，依靠自己的判斷，采取相應(yīng)措施。在逃生過程中，如果體驗者選擇了錯誤的逃生方式，系統(tǒng)會先提示用戶選擇錯誤，并演示這樣選擇會遭受的后果，然后提示用戶重新選擇逃生方法，直到用戶選擇了正確的逃生方式后才能進(jìn)入到下一個場景繼續(xù)體驗，如若并未排除所有危險隱患則系統(tǒng)將會給出相應(yīng)提示，提醒用戶繼續(xù)排查隱患。如圖3所示，體驗者手持手柄去拔掉電源以便排除安全隱患。

圖2 學(xué)習(xí)者模塊? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 圖3 體驗者模塊

3 系統(tǒng)開發(fā)

本文搭建了一個基于Unity3D的虛擬現(xiàn)實氣象災(zāi)害逃生演練系統(tǒng)，該系統(tǒng)開發(fā)主要分為兩個階段：第一階段是對該系統(tǒng)進(jìn)行前期分析策劃和資料的查閱、搜集、整理;第二階段是在Unity3D中進(jìn)行場景搭建、用戶界面UI設(shè)計和系統(tǒng)各模塊功能交互設(shè)計，具體流程如圖4所示。首先做好項目需求分析和系統(tǒng)內(nèi)容策劃，并確定系統(tǒng)各模塊的具體功能[8-12];然后進(jìn)行相關(guān)資料的查閱和搜集，并確定好各不同場景的布局圖和各場景局部細(xì)節(jié)圖。在策劃系統(tǒng)場景之前，需要查閱雷電來臨之前的各種前兆以及環(huán)境和天氣變化，然后通過3Ds Max建模軟件對山谷、房屋、樹木、房屋內(nèi)部結(jié)構(gòu)等相關(guān)建筑進(jìn)行三維建模，完成對暴雨、狂風(fēng)、雷電等的動畫制作、狂風(fēng)暴雨和雷聲轟鳴的音頻制作，并將制作好的文件導(dǎo)出成Unity所支持FBX格式的三維模型文件和WAV格式的視頻文件，再將該格式文件導(dǎo)入Unity工程中進(jìn)行開發(fā)。在開發(fā)過程中包括3方面內(nèi)容：第一是場景搭建，主要包括山谷和各種建筑的搭建及燈光、陰影、天空、環(huán)境、場景烘焙等;第二是用戶界面UI設(shè)計，其中包括主菜單和系統(tǒng)各功能模塊菜單;第三是系統(tǒng)內(nèi)部各功能模塊交互設(shè)計及相關(guān)功能實現(xiàn)[13-15]。最后將開發(fā)好的工程文件發(fā)布成.EXE文件。

圖4 系統(tǒng)開發(fā)流程

4 雷電災(zāi)害逃生VR演練系統(tǒng)應(yīng)用

4.1 開發(fā)平臺與工具

基于 Unity 的 VR 雷電災(zāi)害逃生演練系統(tǒng)使用 Unity3D 作為開發(fā)平臺，兼容 HTC VIVE的VR Plugins 插件，使用 C#腳本語言在開發(fā)工具 Microsoft Visual Studio 2013 中開發(fā)完成。相關(guān)平臺及要求為：①操作系統(tǒng)：Windows 7 SP1 或更高系統(tǒng);②硬件要求：在 GPU 方面，要求 NVIDIA GTX 970 同等或更高配置的顯卡，在 CPU 方面，要求 Intel Core i5-4590 同等或更高配置的處理器，同時具備 HDMI 1.4的視頻輸出;③開發(fā)語言：C#語言;④開發(fā)工具：Unity3D、Microsoft Visual Studio 2013;⑤虛擬現(xiàn)實設(shè)備：HTC VIVE[16]。

4.2 雷電三維場景建模

本文采用3DsMax軟件對山谷、樹木、房屋以及房屋內(nèi)部設(shè)計等場景進(jìn)行建模制作。在完成場景三維模型制作后，需要將3DsMax中的三維模型導(dǎo)入Unity3D中繼續(xù)完成紋理貼圖、交互實現(xiàn)、用戶界面制作等工作。其中，初始場景建模如圖5所示。

場景建模完成之后為了使用戶更有身臨其境之感，還需要對山體滑坡、狂風(fēng)暴雨、電閃雷鳴等場景進(jìn)行動畫制作，同時還需加入相應(yīng)的音頻以達(dá)到更為逼真的效果。制作完成的動畫效果如圖6所示。

圖5 場景建模? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 圖6 動畫效果

4.3 交互設(shè)計

4.3.1 碰撞交互

在本系統(tǒng)的虛擬場景中，體驗者在逃生過程中有一些不能碰的物品或者不能走的路線，因此，在場景中需要給這些節(jié)點(diǎn)添加上碰撞檢測器，當(dāng)體驗者與這些碰撞檢測器的距離小于一定值時，系統(tǒng)就會認(rèn)為他們選擇了錯誤線路或者觸碰了錯誤東西[17-20]。在這種情況下，碰撞檢測器將觸發(fā)警示和提示信息，提示體驗者實施了錯誤行為，并提示他們采取正確措施。碰撞交互如圖7所示，用戶手持手柄去觸碰窗戶并關(guān)上窗戶以防雷電危害。

4.3.2 運(yùn)動交互

在氣象災(zāi)害逃生演練系統(tǒng)中，體驗者在模擬逃生過程中可以使用控制手柄和頭盔實現(xiàn)連續(xù)的空間位移，其中頭盔的朝向控制位移方向，控制手柄控制位移速度完成虛擬逃生。具體操作如圖8所示。

圖7 碰撞交互? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?圖8 運(yùn)動交互

4.4 最終效果展示

在氣象災(zāi)害逃生演練系統(tǒng)中，當(dāng)進(jìn)入體驗者模式后，將會有UI界面提醒，提示體驗者當(dāng)前所面對的環(huán)境以及進(jìn)入房間后需要自行找出所有危險隱患并將其逐一排除。其最終效果展示如圖9和圖10所示。

圖9 UI界面提醒? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 圖10 排除安全隱患

5結(jié)語

本文基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)構(gòu)建了氣象災(zāi)害逃生演練系統(tǒng)，重點(diǎn)對系統(tǒng)設(shè)計、開發(fā)及應(yīng)用進(jìn)行了詳細(xì)闡述。與傳統(tǒng)逃生演練方式相比，將虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于氣象災(zāi)害逃生演練，既能加深體驗者的印象，又能有效提升體驗者對氣象災(zāi)害的認(rèn)知能力，促使體驗者學(xué)會必備的逃生技能。隨著技術(shù)的發(fā)展和人們認(rèn)知的提升，虛擬逃生系統(tǒng)應(yīng)用將愈加廣泛，虛擬現(xiàn)實技術(shù)在各領(lǐng)域的應(yīng)用也將不斷深入。

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（責(zé)任編輯：孫 娟）