虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在消防戰(zhàn)訓(xùn)工作中的應(yīng)用探討

崔華峰

（黑龍江省消防救援總隊(duì)七臺(tái)河市消防救援支隊(duì)，黑龍江 七臺(tái)河154600）

城市邊緣的持續(xù)外擴(kuò)使各類高層建筑物和快速增加的建筑密度都產(chǎn)生了較大的消防安全隱患。特別是一些設(shè)計(jì)存在缺陷或施工建造過程不合理的建筑，一旦發(fā)生火災(zāi)，其產(chǎn)生的危害性極大。同時(shí)，激增的火災(zāi)發(fā)生率也對消防救援工作和日常的消防安全檢查工作帶來了極大的挑戰(zhàn)?；饒龀銮诤途仍奈ｋU(xiǎn)性與施救難度都嚴(yán)重的限制了消防工作的開展效果，也會(huì)對國家和人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全帶來威脅。為此，借助現(xiàn)代計(jì)算機(jī)穩(wěn)定且高效的快速運(yùn)算和三維建模能力，可靈活的將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)引入到消防領(lǐng)域。將常規(guī)的消防戰(zhàn)訓(xùn)工作與虛擬現(xiàn)實(shí)相結(jié)合，利用計(jì)算機(jī)構(gòu)建的虛擬三維環(huán)境讓消防救援人員可以獲得更具多樣性和真實(shí)性的模擬戰(zhàn)訓(xùn)環(huán)境，在有效規(guī)避消防戰(zhàn)訓(xùn)安全問題的同時(shí)切實(shí)提高了消防戰(zhàn)訓(xùn)的實(shí)戰(zhàn)技能和對于救援現(xiàn)場復(fù)雜情況的應(yīng)對能力。

1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)原理介紹

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是高速發(fā)展的計(jì)算機(jī)技術(shù)的典型產(chǎn)物，其可以和其他高端信息技術(shù)融合應(yīng)用。借助人工智能，多媒體，網(wǎng)絡(luò)通訊等技術(shù)讓使用者能夠在人為創(chuàng)造出的特定環(huán)境內(nèi)進(jìn)行包括聽覺、視覺和手勢動(dòng)作等在內(nèi)的虛擬感官活動(dòng)，這也是現(xiàn)階段人機(jī)交互技術(shù)的主要應(yīng)用和展現(xiàn)形式。

利用計(jì)算機(jī)搭建的虛擬三維空間模型，輔以多媒體元素，生成虛擬空間中的視、聽體驗(yàn)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)最典型的特征即為它完全依賴于計(jì)算機(jī)軟件創(chuàng)造的多維信息空間，并且得益于多媒體技術(shù)的支持，能夠讓人獲得直觀且真實(shí)的視覺感受。在以視覺為主的體驗(yàn)感上，適當(dāng)增加聽覺和觸覺的同步交互，進(jìn)一步增強(qiáng)虛擬現(xiàn)實(shí)帶來的沉浸感，如圖1 所示。

圖1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)中人眼的視野范圍

此外，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)還能夠提供給體驗(yàn)者直接觀察、接觸、操作甚至觸摸周邊環(huán)境中真實(shí)物體的通道，將虛擬與現(xiàn)實(shí)相結(jié)合，進(jìn)一步增強(qiáng)虛擬世界和現(xiàn)實(shí)世界的聯(lián)系，并在此基礎(chǔ)上打破虛擬和現(xiàn)實(shí)的邊界，從時(shí)間和空間的層面讓體驗(yàn)者獲得身臨其境的逼真感受。通過可穿戴設(shè)備中的陀螺儀，當(dāng)消防人員轉(zhuǎn)動(dòng)頭部時(shí)，陀螺儀能夠及時(shí)的通知圖像生成引擎，及時(shí)的更新畫面。從而讓體驗(yàn)者感受到自己身處一個(gè)環(huán)繞的虛擬空間之中，產(chǎn)生360 度的三維空間感，如圖2 所示。

圖2 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)配合陀螺儀創(chuàng)造的三維空間

2 將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)引入消防戰(zhàn)訓(xùn)工作的意義

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的核心在于其營造出的虛構(gòu)場景，完全不受時(shí)間和地點(diǎn)的限制。但所有構(gòu)建出的虛擬場景都來源于真實(shí)世界，只是在特定環(huán)境下的人為重現(xiàn)。因此只需要進(jìn)一步明確虛擬場景的種類與交互方式即可將其應(yīng)用于特定的行業(yè)和領(lǐng)域。在傳統(tǒng)消防工作中引入虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能夠從根本上解決當(dāng)前日常消防戰(zhàn)訓(xùn)工作開展的難點(diǎn)及棘手問題。

2.1 在消防戰(zhàn)訓(xùn)的內(nèi)容組成中，體能與技能訓(xùn)練可謂重中之重。而引入了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的消防戰(zhàn)訓(xùn)則融入了諸多富有時(shí)代特色的新元素。在傳統(tǒng)的體能、技能科目基礎(chǔ)上新增加了智能的訓(xùn)練方式，讓消防戰(zhàn)訓(xùn)工作擁有了更多靈活和可擴(kuò)展的實(shí)施空間。逼真的模擬作戰(zhàn)救援環(huán)境能夠讓消防救援人員快速進(jìn)入狀態(tài)，在保證安全的前提下開展仿真訓(xùn)練。此外，根據(jù)三維空間內(nèi)的多感官反饋機(jī)制，可為消防戰(zhàn)訓(xùn)提供包含定位、方向及觸覺在內(nèi)的復(fù)合型實(shí)時(shí)反饋，便于消防員及時(shí)根據(jù)模擬環(huán)境做出反應(yīng)。另外，和傳統(tǒng)消防戰(zhàn)訓(xùn)相比，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用豐富了消防員接收到的指令形式，例如將原本的作戰(zhàn)任務(wù)經(jīng)計(jì)算機(jī)程序計(jì)算得出最優(yōu)解決辦法，在達(dá)到滅火目標(biāo)的基礎(chǔ)上增加更高效的程序自動(dòng)指揮機(jī)制，把所有需要執(zhí)行的任務(wù)通過多感官信號(hào)傳遞給作戰(zhàn)人員，分工協(xié)作完成消防戰(zhàn)訓(xùn)任務(wù)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的科學(xué)精準(zhǔn)應(yīng)用能夠在提升消防作戰(zhàn)人員體能、技能、心理素質(zhì)的同時(shí)，對訓(xùn)練的智能化程度大幅提高。利用更低成本構(gòu)建的模擬救援場景，讓消防人員對于一些少見但又具有較高危險(xiǎn)性的爆炸、火災(zāi)及突發(fā)事件積累足夠的臨場經(jīng)驗(yàn)，全面提升消防救援的整體水平。

2.2 消防戰(zhàn)訓(xùn)工作需要針對不同類型和程度的火災(zāi)分別制定滅火作戰(zhàn)預(yù)案。傳統(tǒng)的消防預(yù)案中對于火場的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，建筑性質(zhì)及用途，安全出口位置數(shù)量及消防裝置的方位等信息的掌握都是靠文字描述或平面圖紙而實(shí)現(xiàn)的，這種方式不僅在效率及精度上容易受到限制，而且對于建筑物內(nèi)部結(jié)構(gòu)，通道情況的描述、分析和預(yù)測存在技術(shù)盲區(qū)。而基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，則可將消防預(yù)案的內(nèi)容轉(zhuǎn)變?yōu)楦泳呦蠡?、立體化和豐富化的實(shí)戰(zhàn)方案。三維空間的逼真環(huán)境可以讓消防員準(zhǔn)確掌握火場的實(shí)際情況以及建筑物內(nèi)部的布局、結(jié)構(gòu)等細(xì)節(jié)，通過大量準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)讓消防作戰(zhàn)人員得以在較短的時(shí)間內(nèi)制定出最佳作戰(zhàn)方案。保證了滅火救援效率和效果的同時(shí)，促進(jìn)消防戰(zhàn)訓(xùn)工作的水平持續(xù)提高。

2.3 常規(guī)的消防戰(zhàn)訓(xùn)工作開展目的在于讓消防員充分熟悉和掌握救援流程，作戰(zhàn)方案和各種消防裝備的使用方式。但在實(shí)際的救援任務(wù)中，現(xiàn)場的復(fù)雜情況往往會(huì)給救援工作的開展帶來諸多挑戰(zhàn)，例如建筑物內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，消防通道堵塞，消防設(shè)備失效等都會(huì)給救援的效果造成巨大影響。而為了解決這些問題，只能在消防戰(zhàn)訓(xùn)工作中有所傾向的增加相應(yīng)投入，但這并不是長久之計(jì)。不僅會(huì)增加日常訓(xùn)練、作戰(zhàn)、演習(xí)的成本，還會(huì)給消防工作的管理增加難度。加之消防演練本身的特殊性，必然需要人為制造火焰、煙霧等來模擬真實(shí)救援場景，這其中的安全隱患也難以準(zhǔn)確控制。相比之下，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用可以在保證安全的前提下徹底轉(zhuǎn)變消防戰(zhàn)訓(xùn)的開展形式，使其兼具場景的真實(shí)性和作戰(zhàn)的標(biāo)準(zhǔn)性。

3 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在消防戰(zhàn)訓(xùn)工作中的應(yīng)用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能

3.1 三維立體模型建立

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)需要在三維空間中創(chuàng)建特定的場景，相應(yīng)的三維模型一般來源于二維平面的圖像模式，結(jié)合照片、圖紙、遙感圖像等信息資源進(jìn)行三維空間內(nèi)的重構(gòu)，如圖3 所示。常用的建模軟件如3DMAX，會(huì)根據(jù)實(shí)際應(yīng)用方向和領(lǐng)域選擇匹配的建模技術(shù)諸如MAYA、JAVA3D、DIRECTX、AUTOCAD、OPENGL 等。

圖3 三維建模示例

虛擬現(xiàn)實(shí)圖像引擎的基礎(chǔ)圖形接口包括：在windowsPC 和移動(dòng)操作系統(tǒng)上的directx 基礎(chǔ)圖像api；在工業(yè)領(lǐng)域則是linux、蘋果PC 和IPhone 上，在安卓操作系統(tǒng)上是通過一系列OpenGL 基礎(chǔ)圖形接口（移動(dòng)端為opengl es，是簡化的opengl 版本）實(shí)現(xiàn)的。

3.2 模擬場景制作

一般來說，消防戰(zhàn)訓(xùn)工作涉及到的虛擬三維場景制作都需要選用預(yù)先制作好的模型。同時(shí)，根據(jù)消防戰(zhàn)訓(xùn)的具體需求做適當(dāng)?shù)恼{(diào)整和修改。利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)軟件將模型進(jìn)行重組或者規(guī)劃布局的調(diào)整能夠便于后續(xù)的消防戰(zhàn)訓(xùn)工作中移動(dòng)路徑及互動(dòng)操作的進(jìn)行。經(jīng)過調(diào)試及階段性試用后，即可保證模擬場景的整體質(zhì)量，經(jīng)確定無誤后即可發(fā)布使用。三維場景能夠再現(xiàn)真實(shí)環(huán)境的各種細(xì)節(jié)要素，同時(shí)以真實(shí)的觀感讓體驗(yàn)者自然的完成人機(jī)交互的過程。

3.3 模型二次開發(fā)與數(shù)據(jù)集成

考慮到消防戰(zhàn)訓(xùn)工作對于場景還原度的真實(shí)性要求較高。因此，對既有模型的二次開發(fā)以及數(shù)據(jù)的集成應(yīng)用出現(xiàn)頻率較高。對于3D 模型的深層次加工和再次利用不僅能夠利用現(xiàn)有資源實(shí)現(xiàn)建模效率的提升，也可將VR 技術(shù)和多媒體技術(shù)相結(jié)合，讓虛擬場景中的交互體驗(yàn)方式更加多元化。通過數(shù)據(jù)計(jì)算公式和計(jì)算機(jī)的三維模型呈現(xiàn)，能夠讓使用者將感官與三維空間建立連接，適應(yīng)其中動(dòng)態(tài)變化的場景并做出自然的反饋。將基礎(chǔ)模型和存儲(chǔ)有消防戰(zhàn)訓(xùn)工作數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫融合應(yīng)用，可以加強(qiáng)三維圖形與消防工作數(shù)據(jù)的統(tǒng)一性，以便于對虛擬場景的逼真程度和細(xì)節(jié)豐富性做出改善。

3.4 三維交互與實(shí)景融合

三維模型架構(gòu)軟件能夠搭建虛擬三維互動(dòng)的場景，并且可以將現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的實(shí)景元素移植到其中，滿足用戶個(gè)性化開發(fā)和定制的需要。結(jié)合三維數(shù)據(jù)庫中的海量數(shù)據(jù)接口將實(shí)景中的元素以圖形、圖像的形式封裝到三維模型中，并配合聲音和動(dòng)畫的片段進(jìn)行重新編排，可以針對使用者在虛擬場景中出現(xiàn)的碰撞等交互形式進(jìn)行動(dòng)態(tài)路徑規(guī)劃或?qū)δ繕?biāo)識(shí)別的結(jié)果做出預(yù)先設(shè)定。為消防戰(zhàn)訓(xùn)工作的開展提供了諸多可擴(kuò)展的功能和數(shù)據(jù)接口。

4 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在消防戰(zhàn)訓(xùn)中的使用場景

利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能夠創(chuàng)建模擬的火災(zāi)救援現(xiàn)場，讓消防工作人員通過3D 視覺的方式觀察到周圍的環(huán)境，提升其滅火技能。對于部分較為特殊的火災(zāi)現(xiàn)場，例如油罐類火災(zāi)和煤礦類火災(zāi)，還可以在普通火災(zāi)訓(xùn)練場景的基礎(chǔ)上額外增加降溫處理、滅火處理、塌方救援等選項(xiàng)式的操作流程。虛擬產(chǎn)品不僅可以提供逼真的地理環(huán)境，還原火災(zāi)現(xiàn)場的復(fù)雜情況，還能根據(jù)訓(xùn)練的需求自行設(shè)計(jì)火災(zāi)發(fā)生的時(shí)間，地點(diǎn)，自然環(huán)境，天氣狀況等客觀條件，滿足各類火災(zāi)事故救援演練的實(shí)際需要。

5 結(jié)論

利用已經(jīng)較為成熟的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能夠充分適應(yīng)現(xiàn)代化消防戰(zhàn)訓(xùn)工作的實(shí)際需求，解決消防演練和實(shí)戰(zhàn)模擬過程中的棘手問題。以逼真的場景和交互式的互動(dòng)體驗(yàn)讓消防人員能夠在模擬的訓(xùn)練場景中提升自身的救援能力和反應(yīng)能力。在保障安全的前提下實(shí)現(xiàn)了高素質(zhì)消防戰(zhàn)訓(xùn)工作的有序開展與實(shí)施。同時(shí)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)支撐下的消防模擬訓(xùn)練工作不會(huì)受到時(shí)間和空間的限制，并且場景的變化和訓(xùn)練內(nèi)容的安排更具靈活性，在實(shí)際戰(zhàn)訓(xùn)活動(dòng)中擁有較大的應(yīng)用發(fā)展空間。