李敏 張世遨 錢珣

（綿陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院 四川省綿陽市 621000）

1 引言

地震是地球運(yùn)動的常態(tài)。我國位于世界兩大地震帶之間，地震斷裂帶十分活躍。唐山大地震、汶川大地震造成人員死傷和財產(chǎn)損失都十分慘烈。由于地震的不可預(yù)知性和不確定性，居安思危，防災(zāi)減災(zāi)是地震災(zāi)難管理的首要工作。教育部要求學(xué)校組織學(xué)生進(jìn)行緊急疏散訓(xùn)練，只有當(dāng)疏散演練普遍化、規(guī)范化、長期化時，才能使師生形成條件反射，才能在災(zāi)難發(fā)生時形成自覺的行為反應(yīng)。

目前，地震演練主要的訓(xùn)練方式有三種：

（1）群體性的緊急疏散演練。然而，疏散演練無法模擬實(shí)際地震時的場景，大多數(shù)學(xué)生體會不到地震時的緊張感，緊急疏散很難達(dá)到應(yīng)有的效果。不僅如此，學(xué)校組織緊急疏散時要投入大量的人力保證學(xué)生的安全，一旦組織不到位，很容易發(fā)生踩踏事件，從而導(dǎo)致危險發(fā)生[1]。

（2）虛擬地震屋。由地震小屋實(shí)體、液壓運(yùn)動平臺、控制臺并輔以聲效光影，為演練者展示一個立體的地震環(huán)境，使演練者與環(huán)境融為一體，全方位展示地震的整個過程，讓演練者感受地震。操作人員通過控制臺操作液壓運(yùn)動平臺，從而模擬出地震效果，包括橫波、縱波及顛簸等[2]，在很大程度上提高了演練者的心理素質(zhì)。自“5.12”汶川大地震后，我國各地多個城市建設(shè)的防災(zāi)減災(zāi)教育館、博物館都有這樣的地震體驗館，如中國地震科普教育館、北京地震與建筑科學(xué)教育館、四川省防災(zāi)減災(zāi)教育館等等。

然而，建造這種地震屋需要大量的資金和空間，需要專門的操作人員，一般一次只能容納10-15 人。由于時間空間的限制，到現(xiàn)場進(jìn)行訓(xùn)練的人數(shù)和訓(xùn)練次數(shù)有限，不能達(dá)到強(qiáng)化訓(xùn)練的目的。

（3）虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，又稱VR (Virtual Reality，VR)技術(shù)。通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)生成一個接近真實(shí)的虛擬環(huán)境，提供視覺、聽覺、觸覺等感官的模擬及運(yùn)動感知模擬，讓演練者借助一些設(shè)備與虛擬環(huán)境中的對象進(jìn)行交互，實(shí)時、自由地觀察三維空間內(nèi)的事物，產(chǎn)生身臨其境的感覺。演練者在高真實(shí)感和可交互的虛擬地震場景中進(jìn)行地震逃生與疏散演練，不受時間空間的限制，多次重復(fù)強(qiáng)化演練，實(shí)現(xiàn)安全，便捷，廉價的演練效果。

2 地震演練系統(tǒng)功能

本系統(tǒng)利用 Unity3D 引擎和HTCVIVE 設(shè)備，結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和3D 建模技術(shù)，設(shè)計并開發(fā)完成了類似于游戲體驗的虛擬現(xiàn)實(shí)地震演練系統(tǒng)。系統(tǒng)構(gòu)建了虛擬校園場景和虛擬角色，采用第一人稱視覺進(jìn)行地震和余震模擬，虛擬人群行為模擬，演練者行動模擬，逃生及救助行為模擬，給用戶帶來沉浸式的體驗和豐富的交互方式。

圖1：系統(tǒng)流程圖

圖2：觀看地震避險動畫

圖3：漫游校園

圖4：VR 操作提示

科學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，地震發(fā)生時，至關(guān)重要的是要有清醒的頭腦和鎮(zhèn)靜自如的態(tài)度，要避免驚慌，科學(xué)避險[3]?？衫玫谋茈U時間是10 -30 秒的短暫時間。由于時間緊迫，每秒都是自救的關(guān)鍵，容不得半點(diǎn)遲疑。在地震及余震逃生過程中，開啟生命倒計時，用戶必須在10 秒之內(nèi)安全躲避或逃生，如果演練失敗，未能逃入臨時安全區(qū)(廁所，室內(nèi)三角形區(qū)域)之類的安全躲避點(diǎn)，不能進(jìn)入下一個場景。系統(tǒng)構(gòu)建了教室和寢室兩個地震虛擬場景，分別引導(dǎo)演練者進(jìn)行不同的地震逃生演練，系統(tǒng)流程如圖1所示。

（1）用戶戴好 VR 設(shè)備后，進(jìn)入虛擬世界。首先觀看一段地震避險動畫，如圖2所示，然后以無人機(jī)的第三人稱視覺方式漫游校園，按照光圈提示進(jìn)入一棟教學(xué)樓四樓的一間教室，如圖3所示。

圖5：地震避險答題測試

圖6：教室逃生

圖7：走廊逃生

（2）此時演練者進(jìn)入第一人稱視覺模式，在用戶界面提示下，如圖4所示，熟悉虛擬環(huán)境中手柄交互操作的方法，進(jìn)行地震避險答題測試，如圖5所示。

（3）當(dāng)測試成績大于60 分之后，虛擬地震開始，虛擬角色行為引導(dǎo)正確躲避及逃生，語音引導(dǎo)第一人稱演練者正確躲避及逃生，余震發(fā)生時，檢驗演練者沿著教室、走廊、樓梯的逃生路徑及方法，如圖6 和圖7所示。

（4）逃生至操場后，對受傷同學(xué)給予救助。如圖8 和圖9所示。

（5）系統(tǒng)提供了語音引導(dǎo)，當(dāng)演練者出現(xiàn)不正確的行為，如演練者在地震時靠近教室窗戶，語音提示“當(dāng)前教室是四樓，不能跳窗”；如演練者在寢室遭遇地震時，語音提示“去廁所、四周墻角或者床下躲避”；看見受傷的同學(xué)，語音提示“尋找繃帶，幫助受傷的同學(xué)”，如圖10所示等等。系統(tǒng)提供了行為引導(dǎo)，當(dāng)教室地震時，虛擬角色的正確躲避動作引導(dǎo)；當(dāng)演練者從建筑物逃生出來，虛擬環(huán)境中有紅色箭頭指引，指引演練者逃往空曠的廣場或者操場，如圖11所示。

圖8：取繃帶

圖9：包扎受傷同學(xué)

3 地震演練系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 場景及角色設(shè)置

虛擬現(xiàn)實(shí)演練的主要特點(diǎn)是沉浸性、交互性和自主性，沉浸感主要來自視覺和聽覺，視覺由場景中模型的精準(zhǔn)、光影材質(zhì)貼圖的真實(shí)感來體現(xiàn)，聽覺方面，主要根據(jù)演練進(jìn)度播放不同的背景音樂和語音提示來實(shí)現(xiàn)。

本系統(tǒng)使用 3dsMax 建模，包括校園建筑、操場、地形、虛擬人物等，建模分為以下幾個步驟：

3.1.1 圖片收集和處理

通過拍攝，獲取校園的建筑、地形等場景所需要的材質(zhì)和貼圖，使用 Photoshop 對圖片素材進(jìn)行處理。

3.1.2 場景建模

圖10：語音引導(dǎo)

圖11：行為引導(dǎo)

在 3dsMax 中對校園建筑圖及地形圖進(jìn)行建模，根據(jù)建筑圖片、建筑的AutoCAD 源文件及測量的地形圖來保證場景的真實(shí)比例。為了保證模型后期導(dǎo)入unity3D 中的顯示正確，模型不能有超過四邊面的非法面和非法點(diǎn)。為確保系統(tǒng)運(yùn)行時的流暢性，場景中的所有對象在保障真實(shí)度的情況下盡可能進(jìn)行點(diǎn)線面的優(yōu)化，如采用精簡的單面建模、刪除模型中遮擋隱藏的面、去除模型中相互交錯的模型元素；細(xì)節(jié)（如門窗）用簡單面片建模，后期用貼圖或者鏤空貼圖表現(xiàn)等方法。

3.1.3 虛擬角色建模

本系統(tǒng)演練者是第一人稱視覺，為了進(jìn)行地震人物逃散模擬及震后互救行為模擬，系統(tǒng)設(shè)置了低模的虛擬角色，進(jìn)行了角色的建模、骨架綁定、蒙皮和動作設(shè)置。角色的動作包括站立、行走、交流、蹲下、攀談、包扎等，部分動作如圖12所示。

3.1.4 調(diào)整UV 貼圖

由于unity3D 只默認(rèn) 3ds Max 的標(biāo)準(zhǔn)材質(zhì)，將各類模型結(jié)合UV 貼圖（UVWMap），綜合調(diào)整貼圖紋理的方向、大小及清晰度，對于紋理坐標(biāo)精度要求高的模型，需要分UV（Unwrap UVW）再調(diào)整貼圖。為了后期在unity3D 中方便導(dǎo)入及管理，模型和貼圖的名稱必須規(guī)范且對應(yīng)。

3.1.5 導(dǎo)出三維模型

模型完成后，將模型在3dsMax 中軸坐標(biāo)居中，同時將場景的世界坐標(biāo)歸零，導(dǎo)出成FBX 文件時，需要進(jìn)行正確的貼圖和動畫導(dǎo)出參數(shù)設(shè)置。

3.1.6 材質(zhì)光影設(shè)置

將模型導(dǎo)入unity3D 后，在引擎中對材質(zhì)的屬性進(jìn)行細(xì)化，包括材質(zhì)的反射、折射兩類屬性，通過金屬值、不透明度、高光、粗糙度及折射率等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置；為了使場景光照充分、陰影投射正確，采用全局光照，使用平行光、聚光燈、點(diǎn)光源模擬自然光照效果，使VR 場景光影有層次感和真實(shí)感。

3.2 交互控制技術(shù)

本演練系統(tǒng)使用 HTC VIVE 的VR 頭盔與手柄的操作實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。HTC VIVE 以激光定位技術(shù)追蹤頭盔和手柄的位置，進(jìn)行用戶在真實(shí)空間里走動的動作捕捉與空間定位，通過相關(guān)的追蹤設(shè)備獲取相關(guān)信息，然后由后續(xù)的程序處理這些信息，從而獲得所有物體的空間信息，最終通過對所有空間信息的整合來捕捉使用者的動作，而虛擬環(huán)境會根據(jù)不同的動作做出相應(yīng)的反饋，由此完成用戶與演練系統(tǒng)之間的交互[4]。

VR 頭戴式顯示器能查看具有沉浸感的周圍環(huán)境以及改變用戶行走的方向。按下手柄上的滑動面板及側(cè)鍵可以使演練者選擇答題、前后左右移動、開門、上下樓梯等，扣下手柄上的扳機(jī)可以發(fā)射射線、答題、拿取實(shí)物等。

3.2.1 VR 的人機(jī)交互實(shí)現(xiàn)

演練系統(tǒng)的交互在 Unity 3D 中利用插件SteamVR 和 VRTK 實(shí)現(xiàn)，SteamVR 插件實(shí)現(xiàn)攝像機(jī)的視角功能，其自帶的預(yù)制體和程序能夠檢測物體是否被用戶凝視、通過手柄發(fā)出一條激光束、瞬移物體、手柄集成腳本以及 SteamVR 核心腳本等。

VRTK 插件是 SteamVR 插件的擴(kuò)展，VRTK 的重要功能包括發(fā)出射線、手柄事件、抓取物體、被抓取物體、觸碰物體、輪廓高亮等屬性操作[5]。

3.2.2 采用柏林噪聲模擬地震效果

地震發(fā)生時，房屋搖晃、物體墜落、人群驚慌躲避，為了逼真表現(xiàn)地震效果，本系統(tǒng)采用柏林噪聲（perlinnoise）進(jìn)行地震模擬，柏林噪聲是一個非常強(qiáng)大的算法，經(jīng)常用于程序生成隨機(jī)內(nèi)容，在游戲、電影等多媒體領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，算法發(fā)明者Ken Perlin 也因此算法獲得奧斯卡科技成果獎[6]。在unity 中，perlinnoise 是Mathf 下的一個函數(shù)，本系統(tǒng)自定義NoiseGen 類，調(diào)用柏林噪聲模擬地震，并把它封裝起來，再在wiggle 里具體調(diào)用，運(yùn)行后的地震效果如圖13所示，主要代碼如下：

圖12：虛擬角色動作圖

圖13：地震搖晃效果圖

圖14：上下樓梯

3.2.3 使用json 解析地震逃生答題

JSON(JavaScript Object Notation,JS 對象簡譜) 是一種輕量級的數(shù)據(jù)交換格式。它基于ECMAScript (歐洲計算機(jī)協(xié)會制定的js規(guī)范)的一個子集，采用完全獨(dú)立于編程語言的文本格式來存儲和表示數(shù)據(jù)。簡潔和清晰的層次結(jié)構(gòu)使得 JSON 成為理想的數(shù)據(jù)交換語言，易于人閱讀和編寫，同時也易于機(jī)器解析和生成，并有效地提升網(wǎng)絡(luò)傳輸效率[7]。

本系統(tǒng)編寫了一個解析json 字符串的代碼，調(diào)用了unity 的讀取TXT 文件的類TextAsset，來實(shí)現(xiàn)地震逃生題目TXT 文件及答案的讀取，同時將答案比較及評分結(jié)果、演練者在地震、余震的逃生路徑及時間記錄保存至TXT 文件，作為后續(xù)演練者行為分析的原始數(shù)據(jù)。

3.2.4 使用move 函數(shù)實(shí)現(xiàn)移動功能

本演練系統(tǒng)中，移動是最常見的交互，本系統(tǒng)利用控制器面板返回的Vector3 編寫了一個move 函數(shù)，讓所有的移動都調(diào)用該函數(shù)。第一人稱視覺上下樓梯時，為了更逼真模擬上下樓梯有視野變化的效果，將每一級臺階做成單獨(dú)的模型，且設(shè)置為單獨(dú)的立方體碰撞體，整段樓梯就不會顯示為一個斜坡，從而達(dá)到視野變化的效果，如圖14所示，主要代碼如下：

4 結(jié)語

本系統(tǒng)主要用于訓(xùn)練用戶的地震逃生技能，通過實(shí)驗，結(jié)果表明,利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)建防震安全虛擬訓(xùn)練，能有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)的文字視頻等防震安全教育中的不足，提高受教育者的認(rèn)知和理解程度；能解決校園真實(shí)地震演練中設(shè)備需求多、人員需求廣、演練成本高、物資消耗多、開展頻率低、訓(xùn)練效果差、安全系數(shù)低的問題；能克服時空障礙，建立靈活的學(xué)習(xí)過程，構(gòu)建一種真正的以學(xué)生為中心的虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境；能提高學(xué)生的安全逃生系數(shù)，提高緊急疏散的效果；能促進(jìn)學(xué)生相互協(xié)作、相互幫助。

《國家教育事業(yè)發(fā)展“十三五”規(guī)劃》強(qiáng)調(diào)要全力推動信息技術(shù)與教育教學(xué)深度融合，綜合利用互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)探索未來教育新模式。隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)成為新一代信息技術(shù)的代表，本系統(tǒng)將對學(xué)生安全教育起到積極的作用。