基于VR的儿童安全自救逃生科普系统

孙同滨 王敏 李诗 王梦霞

摘 要：随着我国教育水平的不断提高，越来越多的高科技产品进入教育行业，然而对于儿童的安全教育来说，儿童缺乏基本的安全救护逃生意识，传统的教育方式缺乏交互性和生动性，因此在安全事故来临时儿童就会显得手足无措，为此我们开发出一套融人机交互、动画演示于一体的儿童安全自救逃生模拟仿真系统，让儿童最为直观的感受安全事故的发生场景，从中最为直接的学习到自救逃生的知识，最大程度的降低安全事故对儿童的伤害风险。

关键词：虚拟现实;安全模拟逃生;仿真系统;UE4;3Ds Max

一、引言

通过综合使用3Ds Max建模、UE4场景布置设计模拟安全事故突发场景，实现真实的事故场景呈现，让儿童真切地感受到掌握安全逃生知识的重要性。为提高儿童突发安全事故的应急能力，提高儿童的自救意识，基于虚拟现实技术的儿童安全自救逃生科普性系统充分考虑儿童的心智发育情况，以真实动感的方式让儿童适应突发的复杂情况，在虚拟场景中学会基本的安全知识和自防自救能力，从而达到良好的安全教育效果，为儿童安全逃生提供了一种新的手段。

二、系统概述

（一）运行环境

1）3DS MAX：模型构建工具

2）C++：软件开发语言

3）UE4：摆放场景模型

4）PS：界面设计工具

（二）系统说明

基于VR的儿童安全自救逃生科普系统模块划分未行为模块、演示模块、环境模块和粒子模块。

（三）系统内部详细界面划分

（1）交互操作系统：模型构建完成导入UE4平台，根据实际情况进行搭建，给相关物体赋予“交互能力”。可交互的物体有门、电话、灭火器、毛巾等。

①在门的门把手处，放一个盒子状的触发器，当体验者的手触碰到这个触发器，则会触发手柄的震动，以此告诉体验者可以进行交互了。体验者再推开这个门，于是体验者的活动范围可以从室内向室外扩展了。

②灭火器与火，同门的原理，在灭火器全身放置一个触发器，体验者可以进入这个触发器中，再按下特定键进行拾取，然后将角色一个bool值设置为真，以此可以进行灭火。在灭火的过程中，会不断向灭火器指向的方向生成盒子射线，这些盒子只识别火，碰到火后，生成一个伤害盒子，同样，这些盒子只对火进行伤害，然后通过不断伤害火，火的体积不断变小，直至熄灭。

③毛巾，拾取原理同灭火器，毛巾同样有个bool值，当你的毛巾捂住鼻口时，会减少黑雾的伤害。

④电话，在数字键上放置触发器，可以触碰数字键进行电话报警。

（2）动画系统：在交互的过程中，手势会不断变化，通过手绑定一个混合空间，改变一个float值，将其实时传送到动画系统中，然后动画效果传回到手上。

（3）音效系统：系统中的各个声音都是通过UE4进行播放的，分为全局音效和普通音效，普通音效放置到火上，这样，人物离火远，声音也会小。全局音效则放置一个背景音乐，这样在哪里都能听到。

（4）粒子系统：粒子用来制作火焰，浓烟，烟雾等，粒子通过与贴图、材料的配合使用，完好的还原了真实的效果。

（5）碰撞检测系统：为使系统更具逼真感，为虚拟场景中的实体对象属性设置了“Fixed Obstacle”，同时，为虚拟角色脚本添加Prevent Colision BB，避免虚拟角色穿越实体而过的情况。

（四）系统任务

实现真实的事故场景呈现，让儿童真切地感受到掌握安全逃生知识的重要性，提高儿童突发安全事故的应急能力和自救意识，为儿童安全逃生提供一种新的手段。

三、系统详细设计方法

（一）结合相关知识的学习和市场调研的资料，团队首先进行系统立项，主要确定了系统的风格、主亮点、一些方方面面的规则，具体可能会涉及的资源（如多少主角，多少场景等等统计）。

（二）接下来构建数据库以及选择三维场景编辑器（软件开发平台）根据系统规模和内容，合理选择了UE4作为开发平台。

（三）小组各成员利用3Ds Max构建三维场景模型和制作三维动画，在UE4中布置场景，对模拟仿真系统进行总体设计：仿真系统功能实现以UE4引擎为主，场景的构建采用3ds MAX， UI设计使用PS工具完成，物体的材质选择和特效制作由UE4中材质和特效系统实现，开发过程中使用 C++ 语言为底层的蓝图编程。确保大部分安全事故可能发生场景都有所涉及并力争做到了绝大部分场景都还原真实场景。

（四）进行功能设计：整个仿真系统包括了粒子，音效，动画，天空球，材质，模型，蓝图等系统。粒子用于制作火焰，浓烟，烟雾等，音效则是場景中必备的因素，动画用于交互时手势的变化，天空球则用来模拟全局光照，场景随处可见的物品都是用赋予材质的模型来构成的，蓝图则用来实现各个机制。

（五）模型构建完成后小组各成员分工进行各系统的设计。

（六）进行UI设计：贴合安全逃生主题，运用PS进行了用户界面的设计。

四、常见问题及解决办法

（一）建筑物建模及转换问题

利用3DSMAX软件里自带的建模控件直接进行建模，因为建筑效果图一般不需要精确的数据，而且随着3DSMAX软件版本的提高，建模的功能已大大提高。

（二）建筑物虚拟逼真贴图问题

在三维场景制作中大部分模型的表面贴图都需要与现实中的实体相吻合，用数码相机拍摄或其他途径获取的位图贴图素材作为实物立体图对象的贴图是一种最逼真实景的方法。

（三）植物、树林等植被制作简化问题

采用建立立体树的方法或调用软件自带的树木，最后渲染场景中的树林将占用大量的空间内存，很浪费空间和渲染时间。近景植被制作利用3DSMAX的AECExtended中的Fo-liage创建精细树木、花草调用软件自带的树木模型等，远景植被制作，远景植被可以用一棵树制作后进行大量复制产生各种需要的树林。

（四）眩晕问题

眩晕有三大主因， 一是画面质量差;二是模拟眩晕症，可以通过练习缓解; 三是延迟眩晕症，可以通过技术改进消除。视觉延迟造成的眩晕，将延迟压缩到 20ms 之内就可以解决。

五、结束语

VR技术的研究与开发为人员逃生的研究提供了更准确、更全面的信息，主要是因为VR技术中的数据信息具有可读性，儿童可在VR场景中体验多维度的视角，身临其境的认知到灾难带来的巨大伤害，并且可以在VR开发的模拟逃生方案中了解逃生方法、掌握逃生技巧、快速直接的找到最佳逃生路线到指定避难场所; 逼真的虚拟救援演练不但使儿童熟练地掌握自救器材的操作技术和救援技能，而且使其从心理上克服对灾难的恐惧心理，减少现实生活中的伤亡率。

参考文献：

[1]张磊，朱国庆，郭大刚. 基于 VR 的公共建筑火灾逃生 训练系统研究[J] . 消防科学与技术，2015 （4） ： 526-529.

[2]谢海明，刘箴.基于虚拟现实技术的居家火灾逃生系统的研究 [J].系统仿真学报，2012.24（1）：108-112.

[3]韩莹. 基于 3Ds Max 与 Unity3D 三维高层火灾逃生场景建模 [J].信息与电脑，2017，6：94-96.

作者简介：

孙同滨（1998-），男，山东协和学院计算机科学与技术2017级学生。

王敏（1999-），女，山东协和学院计算机科学与技术2017级学生。

李诗（1998-），女，山东协和学院计算机科学与技术2017级学生。

宋君宁（1998-），女，山东协和学院计算机科学与技术2017级学生。

指导教师：王梦霞（1978-），女，硕士，副教授，主要研究方向为软件工程、数据挖掘

基金项目：山东省高等学校国家级大学生创新创业训练计划项目（项目编号：201913324001）