基于VR的兒童安全自救逃生科普系統(tǒng)

孫同濱 王敏 李詩 王夢(mèng)霞

摘 要：隨著我國(guó)教育水平的不斷提高，越來越多的高科技產(chǎn)品進(jìn)入教育行業(yè)，然而對(duì)于兒童的安全教育來說，兒童缺乏基本的安全救護(hù)逃生意識(shí)，傳統(tǒng)的教育方式缺乏交互性和生動(dòng)性，因此在安全事故來臨時(shí)兒童就會(huì)顯得手足無措，為此我們開發(fā)出一套融人機(jī)交互、動(dòng)畫演示于一體的兒童安全自救逃生模擬仿真系統(tǒng)，讓兒童最為直觀的感受安全事故的發(fā)生場(chǎng)景，從中最為直接的學(xué)習(xí)到自救逃生的知識(shí)，最大程度的降低安全事故對(duì)兒童的傷害風(fēng)險(xiǎn)。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí);安全模擬逃生;仿真系統(tǒng);UE4;3Ds Max

一、引言

通過綜合使用3Ds Max建模、UE4場(chǎng)景布置設(shè)計(jì)模擬安全事故突發(fā)場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)真實(shí)的事故場(chǎng)景呈現(xiàn)，讓兒童真切地感受到掌握安全逃生知識(shí)的重要性。為提高兒童突發(fā)安全事故的應(yīng)急能力，提高兒童的自救意識(shí)，基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的兒童安全自救逃生科普性系統(tǒng)充分考慮兒童的心智發(fā)育情況，以真實(shí)動(dòng)感的方式讓兒童適應(yīng)突發(fā)的復(fù)雜情況，在虛擬場(chǎng)景中學(xué)會(huì)基本的安全知識(shí)和自防自救能力，從而達(dá)到良好的安全教育效果，為兒童安全逃生提供了一種新的手段。

二、系統(tǒng)概述

（一）運(yùn)行環(huán)境

1）3DS MAX：模型構(gòu)建工具

2）C++：軟件開發(fā)語言

3）UE4：擺放場(chǎng)景模型

4）PS：界面設(shè)計(jì)工具

（二）系統(tǒng)說明

基于VR的兒童安全自救逃生科普系統(tǒng)模塊劃分未行為模塊、演示模塊、環(huán)境模塊和粒子模塊。

（三）系統(tǒng)內(nèi)部詳細(xì)界面劃分

（1）交互操作系統(tǒng)：模型構(gòu)建完成導(dǎo)入U(xiǎn)E4平臺(tái)，根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行搭建，給相關(guān)物體賦予“交互能力”?？山换サ奈矬w有門、電話、滅火器、毛巾等。

①在門的門把手處，放一個(gè)盒子狀的觸發(fā)器，當(dāng)體驗(yàn)者的手觸碰到這個(gè)觸發(fā)器，則會(huì)觸發(fā)手柄的震動(dòng)，以此告訴體驗(yàn)者可以進(jìn)行交互了。體驗(yàn)者再推開這個(gè)門，于是體驗(yàn)者的活動(dòng)范圍可以從室內(nèi)向室外擴(kuò)展了。

②滅火器與火，同門的原理，在滅火器全身放置一個(gè)觸發(fā)器，體驗(yàn)者可以進(jìn)入這個(gè)觸發(fā)器中，再按下特定鍵進(jìn)行拾取，然后將角色一個(gè)bool值設(shè)置為真，以此可以進(jìn)行滅火。在滅火的過程中，會(huì)不斷向滅火器指向的方向生成盒子射線，這些盒子只識(shí)別火，碰到火后，生成一個(gè)傷害盒子，同樣，這些盒子只對(duì)火進(jìn)行傷害，然后通過不斷傷害火，火的體積不斷變小，直至熄滅。

③毛巾，拾取原理同滅火器，毛巾同樣有個(gè)bool值，當(dāng)你的毛巾捂住鼻口時(shí)，會(huì)減少黑霧的傷害。

④電話，在數(shù)字鍵上放置觸發(fā)器，可以觸碰數(shù)字鍵進(jìn)行電話報(bào)警。

（2）動(dòng)畫系統(tǒng)：在交互的過程中，手勢(shì)會(huì)不斷變化，通過手綁定一個(gè)混合空間，改變一個(gè)float值，將其實(shí)時(shí)傳送到動(dòng)畫系統(tǒng)中，然后動(dòng)畫效果傳回到手上。

（3）音效系統(tǒng)：系統(tǒng)中的各個(gè)聲音都是通過UE4進(jìn)行播放的，分為全局音效和普通音效，普通音效放置到火上，這樣，人物離火遠(yuǎn)，聲音也會(huì)小。全局音效則放置一個(gè)背景音樂，這樣在哪里都能聽到。

（4）粒子系統(tǒng)：粒子用來制作火焰，濃煙，煙霧等，粒子通過與貼圖、材料的配合使用，完好的還原了真實(shí)的效果。

（5）碰撞檢測(cè)系統(tǒng)：為使系統(tǒng)更具逼真感，為虛擬場(chǎng)景中的實(shí)體對(duì)象屬性設(shè)置了“Fixed Obstacle”，同時(shí)，為虛擬角色腳本添加Prevent Colision BB，避免虛擬角色穿越實(shí)體而過的情況。

（四）系統(tǒng)任務(wù)

實(shí)現(xiàn)真實(shí)的事故場(chǎng)景呈現(xiàn)，讓兒童真切地感受到掌握安全逃生知識(shí)的重要性，提高兒童突發(fā)安全事故的應(yīng)急能力和自救意識(shí)，為兒童安全逃生提供一種新的手段。

三、系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)方法

（一）結(jié)合相關(guān)知識(shí)的學(xué)習(xí)和市場(chǎng)調(diào)研的資料，團(tuán)隊(duì)首先進(jìn)行系統(tǒng)立項(xiàng)，主要確定了系統(tǒng)的風(fēng)格、主亮點(diǎn)、一些方方面面的規(guī)則，具體可能會(huì)涉及的資源（如多少主角，多少場(chǎng)景等等統(tǒng)計(jì)）。

（二）接下來構(gòu)建數(shù)據(jù)庫以及選擇三維場(chǎng)景編輯器（軟件開發(fā)平臺(tái)）根據(jù)系統(tǒng)規(guī)模和內(nèi)容，合理選擇了UE4作為開發(fā)平臺(tái)。

（三）小組各成員利用3Ds Max構(gòu)建三維場(chǎng)景模型和制作三維動(dòng)畫，在UE4中布置場(chǎng)景，對(duì)模擬仿真系統(tǒng)進(jìn)行總體設(shè)計(jì)：仿真系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)以UE4引擎為主，場(chǎng)景的構(gòu)建采用3ds MAX， UI設(shè)計(jì)使用PS工具完成，物體的材質(zhì)選擇和特效制作由UE4中材質(zhì)和特效系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，開發(fā)過程中使用 C++ 語言為底層的藍(lán)圖編程。確保大部分安全事故可能發(fā)生場(chǎng)景都有所涉及并力爭(zhēng)做到了絕大部分場(chǎng)景都還原真實(shí)場(chǎng)景。

（四）進(jìn)行功能設(shè)計(jì)：整個(gè)仿真系統(tǒng)包括了粒子，音效，動(dòng)畫，天空球，材質(zhì)，模型，藍(lán)圖等系統(tǒng)。粒子用于制作火焰，濃煙，煙霧等，音效則是場(chǎng)景中必備的因素，動(dòng)畫用于交互時(shí)手勢(shì)的變化，天空球則用來模擬全局光照，場(chǎng)景隨處可見的物品都是用賦予材質(zhì)的模型來構(gòu)成的，藍(lán)圖則用來實(shí)現(xiàn)各個(gè)機(jī)制。

（五）模型構(gòu)建完成后小組各成員分工進(jìn)行各系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

（六）進(jìn)行UI設(shè)計(jì)：貼合安全逃生主題，運(yùn)用PS進(jìn)行了用戶界面的設(shè)計(jì)。

四、常見問題及解決辦法

（一）建筑物建模及轉(zhuǎn)換問題

利用3DSMAX軟件里自帶的建?？丶苯舆M(jìn)行建模，因?yàn)榻ㄖЧ麍D一般不需要精確的數(shù)據(jù)，而且隨著3DSMAX軟件版本的提高，建模的功能已大大提高。

（二）建筑物虛擬逼真貼圖問題

在三維場(chǎng)景制作中大部分模型的表面貼圖都需要與現(xiàn)實(shí)中的實(shí)體相吻合，用數(shù)碼相機(jī)拍攝或其他途徑獲取的位圖貼圖素材作為實(shí)物立體圖對(duì)象的貼圖是一種最逼真實(shí)景的方法。

（三）植物、樹林等植被制作簡(jiǎn)化問題

采用建立立體樹的方法或調(diào)用軟件自帶的樹木，最后渲染場(chǎng)景中的樹林將占用大量的空間內(nèi)存，很浪費(fèi)空間和渲染時(shí)間。近景植被制作利用3DSMAX的AECExtended中的Fo-liage創(chuàng)建精細(xì)樹木、花草調(diào)用軟件自帶的樹木模型等，遠(yuǎn)景植被制作，遠(yuǎn)景植被可以用一棵樹制作后進(jìn)行大量復(fù)制產(chǎn)生各種需要的樹林。

（四）眩暈問題

眩暈有三大主因， 一是畫面質(zhì)量差;二是模擬眩暈癥，可以通過練習(xí)緩解; 三是延遲眩暈癥，可以通過技術(shù)改進(jìn)消除。視覺延遲造成的眩暈，將延遲壓縮到 20ms 之內(nèi)就可以解決。

五、結(jié)束語

VR技術(shù)的研究與開發(fā)為人員逃生的研究提供了更準(zhǔn)確、更全面的信息，主要是因?yàn)閂R技術(shù)中的數(shù)據(jù)信息具有可讀性，兒童可在VR場(chǎng)景中體驗(yàn)多維度的視角，身臨其境的認(rèn)知到災(zāi)難帶來的巨大傷害，并且可以在VR開發(fā)的模擬逃生方案中了解逃生方法、掌握逃生技巧、快速直接的找到最佳逃生路線到指定避難場(chǎng)所; 逼真的虛擬救援演練不但使兒童熟練地掌握自救器材的操作技術(shù)和救援技能，而且使其從心理上克服對(duì)災(zāi)難的恐懼心理，減少現(xiàn)實(shí)生活中的傷亡率。

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作者簡(jiǎn)介：

孫同濱（1998-），男，山東協(xié)和學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)2017級(jí)學(xué)生。

王敏（1999-），女，山東協(xié)和學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)2017級(jí)學(xué)生。

李詩（1998-），女，山東協(xié)和學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)2017級(jí)學(xué)生。

宋君寧（1998-），女，山東協(xié)和學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)2017級(jí)學(xué)生。

指導(dǎo)教師：王夢(mèng)霞（1978-），女，碩士，副教授，主要研究方向?yàn)檐浖こ?、?shù)據(jù)挖掘

基金項(xiàng)目：山東省高等學(xué)校國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：201913324001）