一种基于虚拟现实的气象灾害逃生演练系统构建

王缘 余日季

摘 要：随着虚拟现实技术的发展，模拟真实的气象灾害成为可能。基于虚拟现实技术，构建气象灾害逃生演练系统，通过逼真的气象灾害场景训练，不仅可以提高体验者的兴趣，还能增强其临场感以及面对气象灾害的应急处理及逃生能力。利用计算机设备构建生动逼真的虚拟环境，让体验者拥有身临其境之感，使他们能更方便、更直接地融入虚拟空间，并通过语言、手势、感官等与计算机进行实时交互。与传统逃生演练方式相比，基于虚拟现实技术的气象灾害逃生演练系统优势明显，具有广阔应用空间。

关键词：虚拟现实;Unity3D;虚拟雷电逃生系统;沉浸式虚拟认知

DOI：10. 11907/rjdk. 191928 开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

中图分类号：TP319文献标识码：A 文章编号：1672-7800（2019）008-0088-04

Evacuation Exercise System for Meteorological Disasters Based on Virtual Reality

WANG Yuan1，YU Ri-ji2

（1. School of Computer & Information Engineering， Hubei University， Wuhan 430062， China;

2. College of Art， Hubei University， Wuhan 430062， China）

Abstract：With the development of virtual reality technology， it is possible to simulate real meteorological disasters. In this paper， virtual reality technology is applied to meteorological disaster escape drills. Through training in realistic meteorological disaster scenarios， the interest of the experiencer can be enhanced， and the sense of the experiencer's presence can be enhanced， as well as the ability of emergency respose and escape from meteorological disasters. Vivid and realistic virtual environment is constructed mainly by using computer equipment， which enables the experiencer to have a sense of immersion in the virtual space more conveniently and directly， and interact with the computer in real time through language， gestures， senses and so on. It can lay a good foundation for the development and application of virtual reality technology in modern society. From the two aspects of virtual reality industry itself and its combination with meteorological application， the problems faced by virtual reality technology in meteorological application are discussed， and the possible research directions and future prospects are prospected.

Key Words： virtual reality;Unity3D;virtual lightning escape system;immersive virtual cognition

基金项目：国家重点研发计划项目（2016YFB1101702）

作者简介：王缘（1995-），女，湖北大学计算机与信息工程学院硕士研究生，研究方向为计算机技术;余日季（1976-），男，博士，湖北大学艺术学院教授、博士生导师，研究方向为AR/VR/MR数字交互设计与开发、动画与数字媒体创意设计、数字媒体技术与产业化应用、文化遗产数字化保护。

0 引言

当前，VR技术多应用于游戏和教育中，它可以提升游戏角色逼真度与用户沉浸感，也能够为学习者提供一种新的学习环境，让学习者更加轻松地理解复杂概念，提高学习者的学习兴趣和效率。本文将VR应用于气象灾害预防演练领域，其通过对雷电发生之际的暴雨或暴雪等恶劣天气场景的逼真再现，解决传统预防演练难以解决的问题。体验者可在虚拟世界中体会到雷电发生时的真实感受，并在虚拟空间中随意走动，同时也可随意切换场景，与各场景中的虚拟物体进行触碰等交互操作，并能对逃生方式进行重复演练。这种游戏形式的逃生教学，不仅可以加深体验者的印象，更能有效提升体验者对气象灾害的认知能力并学会必备的逃生技能。

1 相关概念及内涵

1.1 虚拟现实技术

虚拟现实技术通过三维模型实现人机交互操作，具有多感知性、沉浸感、交互性、构想性等特点，是一个富有挑战性的交叉技术前沿学科和研究领域[1]。在虚拟现实中，人们可以通过佩戴头盔，手持手柄控制器，在规定范围内与虚拟世界的人或物進行体验和互动。

1.2 气象灾害逃生演练

气象灾害是危害人类生命安全的常见灾害，其中以雷电为主。大多数学生可能很少经历过雷电灾害，当雷电来临时通常会不知所措，也无法发现潜在的危险隐患，因此会对自身安全带来一定威胁[2]。目前，虽然很多学校经常在校开展火灾或者地震等应急疏散演习，让学生掌握相应的逃生方法，这样当灾害来临时能减少损失，同时保证学生人身安全。但以往各类演习中存在一些弊端，例如：①疏散演习不仅耗时长，并且需要较大的演习场地，但依旧无法模拟出真正的复杂环境，且效果不太理想;②对于雷电这种无法通过演练开展的演习就只能通过网上文字或动画方式呈现在学生面前，然而这种方式过于单一，参与度不够，缺乏交互性和生动性，当真正的灾难来临之际学生可能会乱了手脚，从而无法使用正确的逃生方式;③由于参加演习的学生人数较多，设备有限，因此各类安全演习不便重复进行，很难针对不同的问题反复演练。鉴于此，基于虚拟现实技术开展气象灾害逃生演练不失为一种有效途径，设计并开发相应的系统成为必要。

1.3 沉浸式VR虚拟认知环境

沉浸式虚拟现实的明显特点是利用头盔显示器将用户的视觉、听觉封闭起来，产生虚拟视觉;同时，它利用数据手套或手柄将用户的手感通道封闭起来，产生虚拟触动感，头、手、眼均有相应跟踪器追踪，使系统达到尽可能的实时性[3]。本文设定的认知环境为在地形陡峭的半山坡上，且伴随暴雨、雷电天气。通过沉浸式虚拟现实设备，体验者切身体验当雷电来临时的虚拟场景并学习正确逃生方法，以达到掌握气象灾害逃生知识和技能的目的。

2 系统设计

2.1 架构设计

气象灾害逃生演练系统采用三层体系结构模型的整体软件架构，按照三层体系结构特点分为3部分：应用层、业务层、数据层。应用层即表现层，提供用户界面，根据用户的不同操作选择相应功能;业务层主要处理用户请求，将用户请求传递给表现层，各服务器与数据层进行交互，完成对数据的操作;数据层是系统数据的管理核心。以Unity 3D为渲染引擎，用 HTC  Hive头盔作为体验虚拟现实设备，以控制手柄作为连续位移设备，设计气象灾害逃生演练系统[4]。在构建虚拟雷电场景的基础上，通过虚拟现实头盔再现雷电场景，利用操控手柄控制位置的移动和触碰交互实现预防雷电的演练操作。进入系统后将会有两种选择模式，通过手柄射线选择自己想体验的模式进行学习即可。虚拟逃生系统架构如图1所示。

图1 系统架构设计

2.2 关键技术

2.2.1 Unity 3D引擎

Unity3D是由Unity Technologies开发的具有跨平台性和全面整合的游戏开发引擎，其可实现声音及许多炫酷效果，具有强大的地形系统、丰富的粒子系统以及全面的图形图像功能等，支持大部分音频、视频、文本等软件格式。Unity3D不仅是开发游戏的好工具，也是开发虚拟现实、仿真技术的引擎开发工具。Unity3D具有强大的功能特点，并提供了丰富的资源商店，拥有可视化编辑窗口，以及强大的着色器渲染功能。同时，Unity还提供了高性能的光影渲染系统，使图像达到更加逼真的效果。其中最为重要的是Unity具有跨平台性的特点，开发者可将开发好的作品发布到不同的平台上运行。

2.2.2 显示技术

为了更好地实现虚拟场景的模拟并增强用户在虚拟环境中的沉浸式感知，需要整合不同的虚拟设备。常用的显示设备主要有头盔式显示器、立体眼镜、大屏幕投影等。本文使用头盔式显示器，即HTC VIVE设备[5]。

HTC VIVE是2015年3月在巴塞罗拉世界移动通信大会上，HTC发布的由HTC和Value联合开发的一款VR头戴式产品。其搭配了一个头戴式显示器、两个手柄控制器和一个能在空间内追踪显示器与控制器的定位系统。其中Steam VR是HTC VIVE开发的核心，开启Steam VR后就可以在头显中以360°视角观察虚拟环境，使用户可自由环顾并沉浸在逼真的虚拟环境里。

2.2.3 三维建模与气象灾害真实感模拟

当前有许多优秀的建模软件，例如Maya、Zbrush、3Ds Max等。Maya是世界顶级的三维动画制作软件，主要运用于对影视广告、电影特效等对象的制作，其功能完善、灵活性强，是电影业的高端制作软件。Zbrush以强大的功能和直观的工作流程著称，是一个数字雕刻和绘画软件。该系统主要采用3DsMax软件对场景和动画进行建模。

3DsMax是Discreet公司开发的基于PC系统的三维建模、渲染、动画制作軟件[6]。它拥有强大的三维建模和逼真的渲染功能，是当今国内较为流行的一款建模软件。其扩展性好、操作简单、易上手、兼容性好、支持多种导入导出方式，拥有丰富的插件和强大的建模功能，且制作效果逼真。在此系统中，通过3DsMax软件对山体、房屋、树木以及房屋内部结构等进行建模。同时为了模拟出气象灾害来临时的各种场景，如山体滑坡、电闪雷鸣、狂风暴雨等，还需要利用该软件进行三维动画制作，以达到更为逼真的效果。

2.3 功能设计

该系统主要包括两个模块，分别是学习者模块和体验者模块，通过用户的不同选择将会进入到不同的场景中。

2.3.1 学习者模块

该系统设定的场景是在沟谷深壑的险峻地区并伴有暴雨雷电等恶劣天气。在这一模块中，学习者将以旁观者的角度去观看此场景中虚拟逃生人群的逃生过程。进入这一模块首先将会看到在狂风暴雨的天气里，电闪雷鸣，房屋周边的树木都被闪电劈中并着了火，接着虚拟人群将会选择正确的方法和路线进行逃生。外面电闪雷鸣，风雨交加，站在空地上比较危险，虚拟人群需要逃进到小房屋中，在逃进房屋之前将会看到有两个房屋，一个破破烂烂且没有避雷针，另一个坚固完整且在房顶上装有避雷针，这时虚拟人群将会逃进装有避雷针且坚固的房屋中[7]。进入房屋之后，会看到房屋内依旧有许多危险隐患，例如窗户没有关闭、手机正在充电、电源插座没有拔掉等。这时虚拟人群会挨个排除这些安全隐患以达到正确防御雷电灾害的效果。学习者模块具体内容如图2所示，系统将提示用户当遇到各种情况时的正确处理方法。

2.3.2 体验者模块

体验者戴上头盔，握住操控手柄，通过观看虚拟人物逃生方法后，根据所掌握的逃生知识以及系统提示指导，依靠自己的判断，采取相应措施。在逃生过程中，如果体验者选择了错误的逃生方式，系统会先提示用户选择错误，并演示这样选择会遭受的后果，然后提示用户重新选择逃生方法，直到用户选择了正确的逃生方式后才能进入到下一个场景继续体验，如若并未排除所有危险隐患则系统将会给出相应提示，提醒用户继续排查隐患。如图3所示，体验者手持手柄去拔掉电源以便排除安全隐患。

图2 学习者模块                            图3 体验者模块

3 系统开发

本文搭建了一个基于Unity3D的虚拟现实气象灾害逃生演练系统，该系统开发主要分为两个阶段：第一阶段是对该系统进行前期分析策划和资料的查阅、搜集、整理;第二阶段是在Unity3D中进行场景搭建、用户界面UI设计和系统各模块功能交互设计，具体流程如图4所示。首先做好项目需求分析和系统内容策划，并确定系统各模块的具体功能[8-12];然后进行相关资料的查阅和搜集，并确定好各不同场景的布局图和各场景局部细节图。在策划系统场景之前，需要查阅雷电来临之前的各种前兆以及环境和天气变化，然后通过3Ds Max建模软件对山谷、房屋、树木、房屋内部结构等相关建筑进行三维建模，完成对暴雨、狂风、雷电等的动画制作、狂风暴雨和雷声轰鸣的音频制作，并将制作好的文件导出成Unity所支持FBX格式的三维模型文件和WAV格式的视频文件，再将该格式文件导入Unity工程中进行开发。在开发过程中包括3方面内容：第一是场景搭建，主要包括山谷和各种建筑的搭建及灯光、阴影、天空、环境、场景烘焙等;第二是用户界面UI设计，其中包括主菜单和系统各功能模块菜单;第三是系统内部各功能模块交互设计及相关功能实现[13-15]。最后将开发好的工程文件发布成.EXE文件。

图4 系统开发流程

4 雷电灾害逃生VR演练系统应用

4.1 开发平台与工具

基于 Unity 的 VR 雷电灾害逃生演练系统使用 Unity3D 作为开发平台，兼容 HTC VIVE的VR Plugins 插件，使用 C#脚本语言在开发工具 Microsoft Visual Studio 2013 中开发完成。相关平台及要求为：①操作系统：Windows 7 SP1 或更高系统;②硬件要求：在 GPU 方面，要求 NVIDIA GTX 970 同等或更高配置的显卡，在 CPU 方面，要求 Intel Core i5-4590 同等或更高配置的处理器，同时具备 HDMI 1.4的视频输出;③开发语言：C#语言;④开发工具：Unity3D、Microsoft Visual Studio 2013;⑤虚拟现实设备：HTC VIVE[16]。

4.2 雷电三维场景建模

本文采用3DsMax软件对山谷、树木、房屋以及房屋内部设计等场景进行建模制作。在完成场景三维模型制作后，需要将3DsMax中的三维模型导入Unity3D中继续完成纹理贴图、交互实现、用户界面制作等工作。其中，初始场景建模如图5所示。

场景建模完成之后为了使用户更有身临其境之感，还需要对山体滑坡、狂风暴雨、电闪雷鸣等场景进行动画制作，同时还需加入相应的音频以达到更为逼真的效果。制作完成的动画效果如图6所示。

图5 场景建模                                图6 动画效果

4.3 交互设计

4.3.1 碰撞交互

在本系统的虚拟场景中，体验者在逃生过程中有一些不能碰的物品或者不能走的路线，因此，在场景中需要给这些节点添加上碰撞检测器，当体验者与这些碰撞检测器的距离小于一定值时，系统就会认为他们选择了错误线路或者触碰了错误东西[17-20]。在这种情况下，碰撞检测器将触发警示和提示信息，提示体验者实施了错误行为，并提示他们采取正确措施。碰撞交互如图7所示，用户手持手柄去触碰窗户并关上窗户以防雷电危害。

4.3.2 运动交互

在氣象灾害逃生演练系统中，体验者在模拟逃生过程中可以使用控制手柄和头盔实现连续的空间位移，其中头盔的朝向控制位移方向，控制手柄控制位移速度完成虚拟逃生。具体操作如图8所示。

图7 碰撞交互                                 图8 运动交互

4.4 最终效果展示

在气象灾害逃生演练系统中，当进入体验者模式后，将会有UI界面提醒，提示体验者当前所面对的环境以及进入房间后需要自行找出所有危险隐患并将其逐一排除。其最终效果展示如图9和图10所示。

图9 UI界面提醒                          图10 排除安全隐患

5结语

本文基于虚拟现实技术构建了气象灾害逃生演练系统，重点对系统设计、开发及应用进行了详细阐述。与传统逃生演练方式相比，将虚拟现实技术应用于气象灾害逃生演练，既能加深体验者的印象，又能有效提升体验者对气象灾害的认知能力，促使体验者学会必备的逃生技能。随着技术的发展和人们认知的提升，虚拟逃生系统应用将愈加广泛，虚拟现实技术在各领域的应用也将不断深入。

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（責任编辑：孙 娟）