虚拟现实技术在建筑施工安全教育领域的应用方法探究——以武汉杨泗港长江大桥安全教育体验馆项目为例

沈　超

（合肥学院，安徽　合肥　230000）

改革开放以后，随着我国市场经济的不断发展，各种工程项目的建设规模不断扩大，导致了施工人员的短缺.同时，不少企业对施工人员的安全培训时间进一步缩水，使施工安全教育的质量不断下降.根据调查显示，来自偏远地区的农民工人数已经占到了建筑施工从业人员人数的80%.由于他们中绝大部分人的文化程度较低，而且之前并没有接触过建筑安全方面的相关知识，所以他们在给蓬勃发展的建筑市场提供了丰富的人力资源的同时，也存在着极高的建筑安全事故隐患.[1]因此，一种高效的施工安全教育方式便显得十分必要.

虚拟现实是一种利用计算机生成的虚拟环境供人们操作和体验的技术，它使人们足不出户便可沉浸在虚构的环境中.通过虚拟现实设备的帮助，人们可以上天入地，甚至穿越时空，自由体验现实生活中难以实现的情景.随着虚拟现实技术的逐渐成熟，它已经被运用到教育、建筑设计、虚拟旅游、样板间展示等领域.目前虚拟现实技术也被大量运用在建筑施工安全教育领域，它在有效地提高安全教育效率的同时，也存在着许多问题.由于设备本身的技术限制，导致其无法有效运行结构复杂的三维场景；同时，培训人员缺乏相关操作经验，使得他们不能按照预定的思路操作软件；诸如此类的困难都使得培训无法得到有效的推广.那么，如何更加有效地将虚拟现实技术运用在该领域呢？本文结合作者自身参与的相关项目经验就该问题进行了探究，并对目前国内虚拟现实技术面临的一些问题给出了自己的回答.

1　研究现状

在欧美日等发达国家，虚拟现实技术经过多年的沉淀已经被广泛地应用在各类教育培训领域.美国宇航局的Ames实验室将成本极高的航空航天培训项目以较低的成本实现在实验室的虚拟现实环境中.在英国，业界闻名的VEATIVE公司在虚拟现实教育领域做出了许多尝试，并将其产品大量运用在中小学的体验课堂之中.[1]在我国，对VR相关技术的研究虽然起步较晚，但已经引起了国内专家学者越来越多的重视，以及商业领域越来越广泛的运用.包括中建集团在内的各大建筑公司也对以虚拟现实技术为基础的施工安全教育进行了探索.

2　虚拟现实技术在安全教育领域的实践价值

2.1　避免了培训导致的伤亡事故

虚拟现实技术可以使训练人员远离存在安全隐患的地区进行操作，并可以得到相应操作活动的反馈.例如在虚拟的火灾场景中，培训工人如果采取站立的姿势，则会因触发虚拟场景中的生命倒计时系统而导致吸入过多有害气体而死亡的情景.如果采取下蹲姿势则解除生命倒计时系统，并得以通过模拟训练.这个训练活动的过程中，培训人员无需置身于真正的火灾场景.[2]

2.2　对现实场景进行高度还原

虚拟现实培训的另一大特点既是能逼真地再现场景，能使培训人员完成将虚拟的情景对应到真实情景的意识迁移.现阶段，市场上常见的虚拟现实硬件已经可以方便地完成视觉、听觉和触觉方面的情景模拟.在这些硬件的帮助下，施工培训人员可以身临其境地“听”到施工场地机械的轰鸣，“看”到工程结构的造型，“摆弄”场景中的物件.从而更加有效地完成经验的迁移[3].

3　虚拟现实技术在武汉杨泗港长江大桥安全教育体验馆项目中的实践与启示

武汉杨泗港长江大桥虚拟现实安全教育体验馆是使用虚拟现实技术结合HCT VIVE虚拟现实可穿戴设备搭建的安全教育培训点，该馆旨在利用虚拟现实技术为新进大桥施工人员提供安全教育.其特点在于将虚拟的视听场景作用于观众的视觉、听觉系统.使受教育人员仿佛身临其境地感受到事故现场的环境、危险隐患以及事故的后果.使其在实际的工作中增强安全警惕意识.目前，国内的商用虚拟现实领域还存在着软件建设成本过高，虚拟场景缺乏表现力，软件不易操作等问题.作者结合杨泗港长江大桥安全教育体验馆项的建设经验为这些问题提供了一些解决方案.

4　结果与讨论

4.1　简明的使用规则有助于提升教育效果

参加体验的施工人员往往没有接触过虚拟现实设备，在使用这一新鲜事物时不知所措.所以在设计软件时应当本着让使用者尽快学会操作的目的，采用简单直接明了的操作方法.方便使用者尽快上手.

4.1.1简单明了的操作逻辑

为了得到最佳的教育体验效果，在编辑程序的运行逻辑时，作者采用了条件触发的机制.既只有当使用者在满足既定的条件的前提下才能使相应的事件发生.例如在场景中，当观看者的位置进入电梯区域才能进行超载电梯坠毁的动画.这样做的目的在于使观看者能够在体验虚拟现实情境的震撼的同时了解造成事故的原因.

4.1.2所见即所得

研究表明，视觉占人脑所接受信息总量的83%.于是利用人的视线来进行信息传播就成了项目首选的方法.射线触发是项目场景中常用的事件触发方法，该技术通过头盔发出的与使用者视线方向一致的射束来激发事件，从而模拟出“看”的效果.比如在火灾场景中，当观察者“看”到了过载的插线板这个隐患的时候，场景便开始播放火灾蔓延的情景动画.

4.1.3人声提醒与提示符号的运用

场景中在视觉射束的感应区处设置了显眼的纯色标记，并配以人声提醒，告诉观察者注视到标记所在的区域.当观察者没有注视标记时，场景则不会产生任何动态.如此便可引导观察者按照预定的设计运行软件程序.

在采用以上手法对程序进行优化后，初次使用软件的培训人员也可以无障碍使用软件进行安全教育了.这样便降低了软件的使用门槛，扩大了软件的接受范围.

4.2　利用贴图替代模型和限制模型的面数是避免场景卡顿的有效措施

4.2.1控制模型的面数

在模型制作方面，在规定的时间内与成本内，场景既要真实还原项目现场，又需要使画面运行流畅.因此，作者采用了中低精度的多边形模型.其中场景（地形、建筑、建筑大结构）的多边形总面数控制在50000面左右，道具模型面数控制在150个三角面，187个顶点以内.人物模型面数控制在600-900个三角面之内.以求在最大限度地节约电脑资源前提下，达成逼真还原场景效果的目的.

4.2.2灵活利用贴图效果

在制作初期，常出现由于模型的细节过多而导致软件出现卡顿的情况.作者将场景的模型进行了进一步的精简化处理.例如在施工场所的安全网处，用带有alpha通道的镂空贴图代替了原先由几何体构成的网状结构，对于机械表面的凹凸结构（按钮、翻盖、凹痕等）采用了与凹凸结构对应的法线贴图来模拟.这些措施在不影响场景大效果的条件下大大提高了软件运行的流畅程度.[5]

4.2.3使用天空盒模拟周边场景

同时，作者用unity软件的天空盒功能替代了模型.Unity软件的天空盒是一个可以将照片贴图拼合成为一个球形外景的插件.它可以逼真地模拟出场景的外围景象.在制作时，作者使用平面软件将拍摄的照片处理成为背景一致，边缘可以无缝连接的6张天空盒贴图，并且将景物的地平线位置和模型中地平线的位置调整一致.便得出能够真实还原周边场景的天空盒系统.

4.2.4使用贴图序列帧代替粒子系统制作特效

Unity3D软件的自带粒子系统可以模拟包括水、火、烟雾在内的各种特效.但是粒子系统的过度使用往往会对软件的运行流畅程度造成影响.所以在该项目中，火焰特效没有全部采用粒子束来表现，而是采用了粒子结合火苗连续帧做成的动态贴图的形式实现.同样的，设计师也可以用烟雾贴图来表现烟雾特效，以使含有大量烟雾的场景得以流畅运行.

5　结语

武汉杨泗港长江大桥安全教育体验馆项目从开始到结束共历时3个月.该项目灵活运用了Unity3D软件的交互和特效功能，探索了多边形建模技术与Unity3D软件进行更好衔接的方法，并最大限度地发挥了HTC VIVE虚拟现实穿戴设备的潜力.该项研究的经验表明，在不影响场景大效果的前提下可以通过简化模型细节，以及大量使用贴图替代模型和粒子特效的方法增加软件运行的流畅度.同时，简单明了的软件操作思路，和使用模拟视觉的射线束来触发事件的软件操作方法，可以使软件使用者更高效地学习软件内容，并且对软件内容留下更深刻的印象.

参考文献：

〔1〕李慧.安全员[M].北京：中国建筑工业出版社，2014.12.

〔2〕杨浩然.VR虚拟现实：商业化应用及影响[M].2017.3.

〔3〕李溪喧,张霞,等,数字虚拟技术在楚文化博物馆设计中的应用[J].武汉大学学报（工学版），2002（10）.