基于虚拟现实技术的地震逃生游戏的设计

吕志明 王婷婷 张付有

摘要：近几年来，地震一直在肆虐着我国位于地震带的地区，破化建筑物，造成人员伤亡，带来巨大的损失。为防止突发地震来临时发生非地震因素对师生的安全造成威胁，教育部要求学校组织学生进行紧急疏散训练。由于紧急疏散训练并不能提升学生面对地震时的心理素质和虚拟地震平台的高花费及其不真实性，所以并没有良好的成效。利用虚拟现实技术的地震逃生游戏能够提升受训者的心理素质并且具有一定的真实性，基于此，文章首先介绍了地震安全训练的现状与虚拟现实；接下来简述了地震安全训练与虚拟现实技术结合的设想以及对虚拟地震逃生游戏的模拟进行解释；最后展望教育游戏的未来，以期能够对我国地震紧急疏散提供借鉴与指导。

关键词：地震安全训练；虚拟现实技术；虚拟现实的3I特征；地震逃生游戏模拟；

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2015）11-0208-02

我国位于世界两大地震带――环太平洋地震带与欧亚地震带之间，受太平洋板块、印度板块和菲律宾海板块的挤压，地震断裂带十分活跃。2008年到2015年之间，5.12汶川大地震、青海玉树大地震、四川雅安大地震、新疆于田大地震、云南昭通鲁甸地震在我国相继发生，仅人口死亡都达到了70000多人，经济损失严重。近年来，学校安全教育越来越受到国家的重视。为了确保学校师生的安全，教育部要求学校组织学生进行紧急疏散训练。以防止突发地震来临时发生非地震因素对师生的安全造成威胁。

1 地震安全训练的现状

1.1 地震安全训练的方式

就目前有关地震安全训练的方式来看，主要有两种：一是集体性地紧急疏散演练。在汶川大地震发生时，四川绵阳安县桑枣中学2200多名学生和上百名老师在1分36秒内撤离教室，无一人伤亡。【1】在地震突发来临的时候，之所以该校有如此快的反应速度是因为校长叶志平平时加强对师生进行紧急灾难疏散训练。另外一种的训练方式是虚拟地震平台。该虚拟地震平台是由地震小屋实体、液压运动平台、控制台并辅以视频及音响系统构成，为受训者展示了一个立体的地震环境，使受训者与环境融为一体，全方位展示地震的整个过程，让受训者感受地震。操作人员通过控制台能够操作液压运动平台从而模拟出地震效果，包括横波、纵波及颠簸等。

1.2地震安全训练的成效

针对集体性紧急疏散演练来说，在训练的时候需要花费大量的时间和人员进行前期准备工作的安排，由于紧急疏散场地和人员的关系，不可能经常性训练。其次，在训练的过程中，受训者无法感受地震时心理的变化，因此日常组织的紧急疏散环境不真实，大多数受训者体会不到地震来时的紧张感。为了不耽误学习和工作的时间，学校的领导往往会减少紧急疏散的次数，甚至不进行训练。

虚拟地震平台的应用可以使受训者真实的感受不同地震等级的房屋摇晃模拟，从而使受训者提高了面对地震的心理素质。但是虚拟的地震平台中的地震小屋仅仅提供房屋的摇晃，没有房屋坍塌错位碎片脱落的设计，并不能体验地震的真实性。并且购买该平台需要耗费大量的资金，同时也需要专门的操作人员。

2 虚拟现实

2.1 概念

虚拟现实就是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机系统。该计算机系统生成一个接近真实的模拟环境，用户借助一些设备与虚拟环境中的各个对象进行交互，使用户产生身临其境的感觉，从而感受到高度的真实感。虚拟现实技术是计算机图形学、人机接口技术、人工智能技术以及传感器技术等交叉与综合的结果。【2】

2.2 特点

1993年，Burdea G和Coiffet PZHI出了虚拟现实“三角形”，即虚拟现实的3I特征：Immersion（沉浸）、Interaction（交互）、Imagination（构想）。

1）沉浸感。即临场感，或者说是真实感。用户通过使用交互设备进入到虚拟环境中，在虚拟环境中一切都和现实世界中是一样的。

2）交互性。交互性是用户可以使用专用的输入、输出设备对虚拟环境内的各个对象进行交互操作，然后从虚拟环境中得到反馈。另外交互要尽可能的实时交互，因为这样才能够使用户真正地沉浸在虚拟的环境中。

3）构想性。也被称作为创造性，是虚拟现实发展的开端。人类在真实世界中不可见的环境或者说人类的构想都可以通过虚拟现实来实现，因此也可以说虚拟现实能够启迪人类的创造性思维。

3 地震安全训练与虚拟现实技术结合的设想

在地震的逃生中，逃生者的心理素质尤为重要。身陷地震的场景中，人的心理因素大致可以分为三类：大概10%-15%的人能保持清醒并且能够快速反应做出有效的动作；小于15%的人会哭泣、尖叫甚至放弃逃生；剩下的大多数人则是处于大脑空白，完全惊呆的状态。【3】逃生成功的关键在于人们平时训练的下意识动作。下意识动作的形成是需要长期训练的，唯有不断重复的训练，才能形成条件反射，从而使受训者终身受益。然而从现在地震安全训练的方式和成效来看，大部分地区的师生很难形成这种条件反射。

虚拟现实所生成的虚拟环境通常分为三类：一是模拟出人类在真实世界中不可见的环境；二是模拟出人类的主观构想；三是还原再现真实世界中的环境。【4】利用虚拟现实技术可以构建出虚拟的震灾场景，为科学地开展逃生与疏散演练提供方便使用的、真实的、低价的虚拟环境。这个虚拟的环境就是指虚拟的地震逃生游戏平台，该平台实现的功能有以下几条：

1）平台的控制台要能够对地震的震级进行设置；

2）较为真实地模拟地震时房屋摇晃、房屋部分倒塌的变化；

3）受训者进入平台后，首先应填写其身体真实的机能（应激反应速度、跑步的速度），根据这些实际情况在虚拟的紧急疏散训练中做出游戏中所操纵人物的抉择，这样较真实的进行模拟训练。

4）在紧急疏散的训练中的关键位置上要有专业的系统提醒，以防止发生非地震因素造成的伤害。

5）虚拟系统中的各种危险都要对游戏中逃生人物造成不同的生命值伤害，游戏中的人物能否活到游戏的最后，就是对现实中受训者的地震逃生能力强弱的判断。

通过虚拟现实逃生游戏的训练，一方面可以提升了受训者的心理素质，另一方面也能够随时加强集体性地紧急疏散训练。经常进行虚拟逃生训练，能够在受训者的大脑中形成条件反射，使受训者在面对地震时下意识做出正确的逃跑判断。

4虚拟地震逃生游戏的模拟

4.1 地震场景和人物的建模

1）场景建模：这里的场景建模包含房屋建筑建模和道路树木建模。房物建筑的建模要考虑到地震来临房屋的摇晃和倒塌的情况，所以在构建房屋建筑的时候要采用按高度进行分层建模的方法。而树木的建模采用经常使用的十字交叉的几何模型和透明树木纹理映射的方法。道路的建模采用平面组合的方式和纹理贴图。

2）人物的建模：人物建模的质量将会直接影响到参与者的沉浸感。在利用面片建模和多边形建模方法完成虚拟人建模的时候，首先要对人体的骨骼进行分析，其次要对人体在不同运动状态（走路和跑步）时的运动数据进行分析研究，用代码完善设计虚拟人的运动模式，从而使虚拟人物的动作更加真实。最后要实现虚拟人在三维场景中的人机交互控制功能，其方法是调用Direct 3D库函数。这里的人机交互控制功能是指通过游戏柄、键盘、鼠标等设备控制虚拟人行走和视觉方向。

4.2 地震的模拟

在地震的紧急疏散过程中，房屋摇晃模拟与房屋部分倒塌模拟是我们应当首先考虑的。当地震较为强烈的时候，房屋会出现摇晃甚至高层会出现局部的破坏。房屋在摇晃的过程中随时可能产生脱落的物体，这些脱落物体的运动模型为刚体自由运动四维模型。面对这些脱落物，受训者会感觉身临其境，从而提升了心理素质。

4.3 地震时的疏散模拟

1） 受训者行为模拟：受训者进入平台系统的时候，根据自身的身体机能选择相应的属性值，在面对突发的震感时及时通过计算机键盘操纵游戏中的人物进行加速奔跑、转向等运动。

2） 人群引导模拟：在地震中，很多学校并没有地震现场指挥部，所以并没有达到较好的指挥效果。通过对各类公共事故的案例进行分析，我们得出以下结论：要想在较短的时间内疏散较多的人群，必要的正确的现场疏散指挥是不可缺少的。因此，在地震逃生游戏中，要实现对人群的引导模拟。人群的引导通过系统提醒的方式来实现，系统控制台的指挥者通过摇杆的方向给受训者指示运动方向，同时给以语音提示。

5 教育游戏的展望

虚拟现实技术的地震逃生游戏能够提升受训者的心理素质并且具有一定的真实性，将紧急疏散的训练和游戏结合在一起，受训者一方面得到知识、技能和心理素质的提高，另一方面也会欢快的体验训练。随着教育游戏设计理论的深入研究、开发技术的完善，相信教育游戏的发展会更加的科学，更加完善，从而使学习的过程更加欢乐、学习的成效更加明显。

参考文献：

[1] 赵华. 汶川大地震五周年安全问题思考[J]. 城市与减灾，2013，03：16-18.

[2] 汤磊. 基于Virtools的三维场景实时漫游系统的研究与开发[D].大庆石油学院，2007.

[3] 刘锴，刘玉龙. VR技术在防震安全教育软件开发中的应用研究[J].徐州师范大学学报：自然科学版，2009（03）：45-48.

[4] 贺静静. 基于虚拟现实技术的地震紧急疏散演练模拟研究[D].云南师范大学，2014.