鄭瑾

摘要：電力是我們生活中不可或缺的重要部分，而每年用電安全事故頻發(fā)，為大眾科普用電安全知識(shí)，提高人們的用電安全意識(shí)，盡可能地避免事故的發(fā)生十分重要。傳統(tǒng)用電安全教育普遍以說(shuō)教、視頻、圖片展示等為主，缺乏體驗(yàn)性、警示性和互動(dòng)性，教育效果不佳。礙于場(chǎng)地、設(shè)備、資源以及人身安全等因素又很難組織開(kāi)展大規(guī)模的安全演練。鑒于此，提出了基于VR技術(shù)的電力安全體驗(yàn)程序的設(shè)計(jì)方案，同時(shí)給出了該程序的流程，討論并研究了該平臺(tái)中的關(guān)鍵技術(shù)及實(shí)現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：用電安全;VR技術(shù);體驗(yàn)程序;程序設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TP391 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2020）34-0210-02

1背景

近幾年VR產(chǎn)業(yè)經(jīng)歷了大起大落，不斷蛻變，技術(shù)上也一直在改進(jìn)，現(xiàn)在已經(jīng)慢慢地走入我們的生活中了，它既可以豐富我們的生活，也可以為各個(gè)行業(yè)、各個(gè)領(lǐng)域帶來(lái)升級(jí)換代的發(fā)展機(jī)遇。VR現(xiàn)在有一個(gè)很好的發(fā)展趨勢(shì)，它在教育教學(xué)、醫(yī)學(xué)研究、軍事仿真、數(shù)字城市、游戲娛樂(lè)、旅游、工程訓(xùn)練等各個(gè)領(lǐng)域都已經(jīng)有了廣泛的應(yīng)用。

2 VR 技術(shù)

VR技術(shù)，是一種融合了計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)、數(shù)媒等多個(gè)學(xué)科技術(shù)的新的技術(shù)。它利用計(jì)算機(jī)模擬仿真產(chǎn)生一個(gè)近乎真實(shí)的，虛擬三維空間環(huán)境，給人們提供關(guān)于視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)等感受的虛擬仿真，給人仿照一種像在真實(shí)環(huán)境的感覺(jué)。VR技術(shù)有3個(gè)特性：1）交互性：是指用戶可以對(duì)虛擬仿真環(huán)境內(nèi)的物體或者對(duì)象進(jìn)行互動(dòng)操作，從中所獲取信息反饋。在VR虛擬仿真環(huán)境中，鍵盤、鼠標(biāo)、VR 眼鏡、頭盔、VR穿戴設(shè)備等傳感裝置都是用戶可以使用的交互工具，交互工具的多樣化和便利性，能極大提升用戶的學(xué)習(xí)興趣和參與度。2）沉浸性：是指在VR構(gòu)建的虛擬仿真環(huán)境中，環(huán)境越逼真那么人們的體驗(yàn)感就越好，這種身臨其境的感覺(jué)越強(qiáng)烈越濃，說(shuō)明沉浸性越好[1]。3）想象性：VR技術(shù)為人們提供了豐富的想象空間，利用這一技術(shù)特性人們能模擬構(gòu)建多樣化的可能存在的虛擬場(chǎng)景，或是現(xiàn)實(shí)中我們不容易接觸到的甚至是不存在的虛擬場(chǎng)景，極大地拓展了人們對(duì)虛擬世界的認(rèn)知范圍。

3 VR技術(shù)的應(yīng)用

隨著其他技術(shù)的快速發(fā)展，VR技術(shù)在城市仿真、軍事、教育、醫(yī)療、工業(yè)等各個(gè)領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用與發(fā)展。

1）軍事，VR技術(shù)最早是應(yīng)用于軍事。軍事訓(xùn)練中使用它來(lái)對(duì)軍事場(chǎng)景進(jìn)行演示，訓(xùn)練、作戰(zhàn)和仿真等[2]，像模擬仿真真實(shí)戰(zhàn)場(chǎng)，有助于戰(zhàn)士熟悉戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境，“身臨其境”地感受戰(zhàn)斗，又可以避免死亡的威脅以及嚴(yán)重的傷害。

2）工業(yè)，VR技術(shù)在工業(yè)上的應(yīng)用，主要是訓(xùn)練的體驗(yàn)、裝配虛擬仿真、虛擬工業(yè)園、機(jī)床的模擬操作、規(guī)劃設(shè)計(jì)、設(shè)備的管理等等。

3）游戲娛樂(lè)，隨著VR技術(shù)的不斷發(fā)展，它的沉浸感、交互性也不斷提高，它給人們帶來(lái)了一種全新的藝術(shù)欣賞方式和游戲體驗(yàn)方式。VR在游戲娛樂(lè)等行業(yè)中的應(yīng)用越來(lái)越多，全新的三維立體取代了傳統(tǒng)的平面二維，靜態(tài)枯燥的藝術(shù)也動(dòng)了起來(lái)，藝術(shù)表現(xiàn)力和觀賞力的提高，極大了吸引了人們的眼球，如3D藝術(shù)展覽、3D電影、3D游戲等[3]。

4）醫(yī)療，VR技術(shù)在國(guó)內(nèi)外醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用，比如利用VR給患者做手術(shù)等是目前應(yīng)用較多的領(lǐng)域。還有協(xié)助培訓(xùn)和輔助教育也是一大用途。如訓(xùn)練外科醫(yī)生，我們就可以通過(guò)VR技術(shù)構(gòu)建虛擬三維仿真環(huán)境，讓外科醫(yī)生進(jìn)行訓(xùn)練。在構(gòu)建的VR三維環(huán)境中，我們不僅可以讓受訓(xùn)醫(yī)生反復(fù)操作、反復(fù)體驗(yàn)，還能根據(jù)每個(gè)人的學(xué)習(xí)情況，隨時(shí)增加難度，從而進(jìn)行靈活高效的訓(xùn)練。VR技術(shù)還用在一些因?yàn)閭鹘y(tǒng)操控的限制使得知識(shí)難以展示的醫(yī)療技術(shù)上。

5）教育，VR技術(shù)的互動(dòng)性和生動(dòng)的表現(xiàn)力使其常常用來(lái)模擬制作數(shù)理化學(xué)等一些學(xué)科的課件。VR技術(shù)還可以協(xié)助比如特種器械操作培訓(xùn)、駕駛訓(xùn)練、極端環(huán)境仿真等[4]。本次使用VR技術(shù)制作體驗(yàn)程序用于普及電力安全的知識(shí)點(diǎn)也是教育應(yīng)用的一種。

4基于VR的電力安全體驗(yàn)程序設(shè)計(jì)

當(dāng)下電力已成為我們生活中不可缺的重要部分，生命不可再來(lái)，用電安全應(yīng)當(dāng)引起我們大家的高度重視。我國(guó)高度重視電力生產(chǎn)和用電安全，即使如此，全國(guó)每年仍有許多觸電受傷事件發(fā)生，依然有因用電不當(dāng)引發(fā)的火災(zāi)和人員傷亡事件發(fā)生，大家迫切需要有效的用電安全教育，來(lái)掌握更多的安全知識(shí)，提高安全意識(shí)，從而去避免事故的發(fā)生。

本項(xiàng)目選用了電力安全中一個(gè)常見(jiàn)的知識(shí)點(diǎn)“跨步電壓觸電”來(lái)設(shè)計(jì)一個(gè)程序，以此構(gòu)建一個(gè)既安全又可體驗(yàn)的簡(jiǎn)單互動(dòng)平臺(tái)，場(chǎng)景假設(shè)有帶電的電線掉落垂在路面，由此展開(kāi)知識(shí)的學(xué)習(xí)和體驗(yàn)?！翱绮诫妷河|電”這個(gè)很常見(jiàn)，比如一根有電的電線斷了掉在地上，那么這個(gè)落地點(diǎn)地面和電線的電壓相同，電流從這個(gè)點(diǎn)向四周圍的地面擴(kuò)散，這時(shí)候地上會(huì)有一個(gè)以電線落地點(diǎn)為中心的，電壓由高到低的分布區(qū)域，離電線著地點(diǎn)近的電勢(shì)高，離得遠(yuǎn)的就低。這個(gè)時(shí)候如果人站的近，比如站在離這個(gè)點(diǎn)8米或者到10米的地方，跨步電壓觸電事故就有可能發(fā)生了[4]。跨步電壓觸電的時(shí)候，一開(kāi)始電流是從人的腳到腿部再到胯部最后回到腳，跟地面直接形成一條電流的通路，它看似沒(méi)有很危險(xiǎn)，但是實(shí)際上比較高的跨步電壓加在人身上時(shí)，人的兩只腳就會(huì)抽筋、會(huì)麻，然后就會(huì)站不住就會(huì)摔倒。人摔倒后通過(guò)人體的電流就會(huì)增加，而且路徑還會(huì)改變，可能就會(huì)流經(jīng)心臟等的重要器官[5]。研究發(fā)現(xiàn)，人摔倒后，電流在身上持續(xù)流過(guò)2秒鐘，人就會(huì)觸電導(dǎo)致死亡。如果誤入了跨步電壓區(qū)，我們切記要小步走，而且兩只腳不能同時(shí)著地，最好是一只腳跳著逐步離開(kāi)有電的地方。

本程序使用3dmax軟件建模，然后導(dǎo)出為FBX文件，導(dǎo)入到U3D中，再用腳本完成體驗(yàn)的交互程序設(shè)計(jì)，為了使虛擬仿真環(huán)境用戶體驗(yàn)起來(lái)更為真實(shí)的，我們建的模型比例及材質(zhì)選擇充分模擬真實(shí)的環(huán)境中的物件[6]，本程序制作了HTC Vive和PC兩種體驗(yàn)版本，兩個(gè)版本功能相同。

本程序的具體運(yùn)行情節(jié)設(shè)計(jì)及交互流程是：進(jìn)入場(chǎng)景，首先有2個(gè)按鈕“HTC Vive體驗(yàn)版”和“PC體驗(yàn)版”，使用準(zhǔn)心交互進(jìn)行選擇，進(jìn)入后2個(gè)版本功能相同。首先場(chǎng)景里會(huì)有3個(gè)按鈕使用準(zhǔn)心交互進(jìn)行選擇，一個(gè)是“知識(shí)科普”，選擇進(jìn)入后進(jìn)行用電安全知識(shí)的學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)完成會(huì)有對(duì)話框，可以選擇返回初始頁(yè)面或者退出程序;一個(gè)是“知識(shí)測(cè)試”，選擇進(jìn)入后進(jìn)行用電安全知識(shí)的小測(cè)試，每個(gè)題目都會(huì)提示正確與否，并配有解析，測(cè)試完成會(huì)有對(duì)話框，可以選擇返回初始頁(yè)面或者退出程序。另一個(gè)是“場(chǎng)景體驗(yàn)”，選擇進(jìn)入后，有一段旁白“前面好像有電線掉在地上”，然后鏡頭向電線落地點(diǎn)移動(dòng)，地面出現(xiàn)藍(lán)色提示圈，進(jìn)入提示圈會(huì)彈出對(duì)話框“好像腳有點(diǎn)麻，我要”有四個(gè)按鈕“正常走過(guò)去”“迅速跑過(guò)去”“后退離開(kāi)這”和“跳過(guò)去”，選擇“正常走過(guò)去”“迅速跑過(guò)去”鏡頭向前移動(dòng)，然后出現(xiàn)眼前出現(xiàn)血霧，提示“觸電身亡，游戲失敗”，選擇“后退離開(kāi)這”鏡頭向后退，然后出現(xiàn)提示“觸電身亡，游戲失敗”;接著會(huì)出現(xiàn)講解“一根帶電導(dǎo)線斷落在地上時(shí)，……”講解結(jié)束后會(huì)有一段動(dòng)畫演示如何跳離跨步電壓區(qū)。選擇“跳過(guò)去”鏡頭跳躍向前，然后出現(xiàn)提示“您已安全通過(guò)，游戲成功”。這四種選擇最后都會(huì)彈出對(duì)話框“退出游戲”和“重新體驗(yàn)”，選擇“重新體驗(yàn)”就返回場(chǎng)景重新開(kāi)始，選擇“退出游戲”就結(jié)束體驗(yàn)程序。本體驗(yàn)程序設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)用到2個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。

1）碰撞檢測(cè)技術(shù)

在本體驗(yàn)程序的運(yùn)行中有多個(gè)地方要使用到碰撞檢測(cè)技術(shù)，比如在角色踏入危險(xiǎn)區(qū)域、安全區(qū)域等的時(shí)候，要發(fā)生交互的地方都需要用到這個(gè)技術(shù)，我們?cè)谶@些場(chǎng)景處給對(duì)應(yīng)物體相應(yīng)添加上碰撞檢測(cè)器，然后根據(jù)HTC Vive的實(shí)時(shí)位置值來(lái)判斷這時(shí)候是不是滿足觸發(fā)相應(yīng)邏輯的條件，如果這時(shí)候條件滿足，也就是角色與碰撞檢測(cè)器距離小于設(shè)定數(shù)值，那么程序就會(huì)觸發(fā)進(jìn)入下一個(gè)邏輯[3]。比如我們的體驗(yàn)者在穿過(guò)危險(xiǎn)區(qū)域時(shí)，屏幕會(huì)出現(xiàn)一些紅色血霧，來(lái)提醒角色已經(jīng)踏入危險(xiǎn)區(qū)域。這里用到Htc官方組件 SteamVR Plugin，完成SteamVR Plugin組件的安裝，在CameraRig對(duì)象中添加Rigbody、Sphere Collider并且鎖定Rigbody下Constraints屬性里面的Freeze Rotation里的X、Y、Z三軸。隨后創(chuàng)建控制腳本，并將腳本掛載在對(duì)象上。即可實(shí)現(xiàn)人物穿過(guò)危險(xiǎn)區(qū)域時(shí)出現(xiàn)紅色血霧提示。

2）準(zhǔn)心交互技術(shù)

運(yùn)行體驗(yàn)程序后，有多次用到準(zhǔn)心交互的技術(shù)，比如，當(dāng)體驗(yàn)者進(jìn)入場(chǎng)景環(huán)境時(shí)，面前會(huì)有一個(gè)問(wèn)題框，這時(shí)候看著問(wèn)題框，讓準(zhǔn)心停在問(wèn)題面板上的其中一個(gè)選項(xiàng)區(qū)域時(shí)，加載進(jìn)度條開(kāi)始加載，懸停1秒加載就完成，就會(huì)進(jìn)入下一個(gè)邏輯，如果在這1秒加載沒(méi)有完成時(shí)，準(zhǔn)心點(diǎn)不在選項(xiàng)的設(shè)定位置上了或中途離開(kāi)又回來(lái)了，那么下一邏輯都不會(huì)運(yùn)行，程序里幾次的準(zhǔn)心交互都是一樣的設(shè)計(jì)[3]。準(zhǔn)心懸停、進(jìn)度條加載的效果的實(shí)現(xiàn)是要給攝像機(jī)，還有設(shè)定的物體添加代碼進(jìn)行控制，比如這里我們可以先建一個(gè)腳本，給它命名為“CameraRay”，把它掛在Camera上，它實(shí)現(xiàn)的是以相機(jī)為起點(diǎn)，往屏幕正中心發(fā)射一條射線，當(dāng)射線（準(zhǔn)心點(diǎn)）匹配到特定位置（物體），并保持懸停1秒鐘，下一邏輯就被觸發(fā)執(zhí)行。然后，創(chuàng)建一個(gè)腳本，我們給它命名為“Focusing”，我們把它掛在一個(gè)設(shè)定的物體上，當(dāng)攝像機(jī)的Postion值在設(shè)定的范圍內(nèi)時(shí)，就會(huì)觸發(fā)執(zhí)行，修改自身的碰撞體開(kāi)啟。使得CameraRay發(fā)出的射線，能夠檢測(cè)到這個(gè)設(shè)定的物體，然后觸發(fā)準(zhǔn)心進(jìn)度條的加載，在1秒后觸發(fā)執(zhí)行下一個(gè)邏輯。

5總結(jié)

傳統(tǒng)用電安全教育普遍以說(shuō)教、視頻、圖片展示等為主，內(nèi)容枯燥、方式呆板，缺乏體驗(yàn)性、警示性和互動(dòng)性。開(kāi)展大規(guī)模的安全演練需要場(chǎng)地、設(shè)備、資源的大量投入，安全訓(xùn)練又限于人身安全因素又很難組織開(kāi)展。這些問(wèn)題的存在，在很大程度上會(huì)減弱安全教育的效果，會(huì)導(dǎo)致人們的用電安全意識(shí)不夠、安全技能缺乏、遇到問(wèn)題不能很好地應(yīng)急處置，而導(dǎo)致發(fā)生事故，造成財(cái)產(chǎn)損失甚至人員傷亡。VR技術(shù)能夠?qū)⒂秒姲踩逃齼?nèi)容可視化、教育過(guò)程場(chǎng)景化，可將事故過(guò)程、預(yù)防措施、觸電體驗(yàn)等用電安全教育場(chǎng)景展現(xiàn)，從而達(dá)到近乎真實(shí)的體驗(yàn)。在現(xiàn)實(shí)生活和實(shí)際工作中因?yàn)樵O(shè)備、場(chǎng)地或安全等因素?zé)o法開(kāi)展的教育場(chǎng)景也能輕松進(jìn)行，反復(fù)開(kāi)展，它不存在材料消耗、后期維護(hù)等問(wèn)題，VR體驗(yàn)程序的使用，一方面可減少設(shè)備持續(xù)投入，有效降低教育成本;另一方面有利于電力企業(yè)、大中專院校相關(guān)專業(yè)學(xué)生、中小學(xué)和社區(qū)居民安全地開(kāi)展實(shí)地演練，能夠大力提升用電安全教育效果。

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