基于VR的兒童安全自救逃生科普系統

孫同濱 王夢霞

摘 要：隨著我國教育水平的不斷提高，越來越多的高科技產品進入教育行業，然而對于兒童的安全教育來說，兒童缺乏基本的安全救護逃生意識，傳統的教育方式缺乏交互性和生動性，因此在安全事故來臨時兒童就會顯得手足無措，為此我們開發出一套融人機交互、動畫演示于一體的兒童安全自救逃生模擬仿真系統，讓兒童最為直觀的感受安全事故的發生場景，從中最為直接的學習到自救逃生的知識，最大程度的降低安全事故對兒童的傷害風險。

關鍵詞：虛擬現實;安全模擬逃生;仿真系統;UE4;3Ds Max

一、引言

通過綜合使用3Ds Max建模、UE4場景布置設計模擬安全事故突發場景，實現真實的事故場景呈現，讓兒童真切地感受到掌握安全逃生知識的重要性。為提高兒童突發安全事故的應急能力，提高兒童的自救意識，基于虛擬現實技術的兒童安全自救逃生科普性系統充分考慮兒童的心智發育情況，以真實動感的方式讓兒童適應突發的復雜情況，在虛擬場景中學會基本的安全知識和自防自救能力，從而達到良好的安全教育效果，為兒童安全逃生提供了一種新的手段。

二、系統概述

（一）運行環境

1）3DS MAX：模型構建工具

2）C++：軟件開發語言

3）UE4：擺放場景模型

4）PS：界面設計工具

（二）系統說明

基于VR的兒童安全自救逃生科普系統模塊劃分未行為模塊、演示模塊、環境模塊和粒子模塊。

（三）系統內部詳細界面劃分

（1）交互操作系統：模型構建完成導入UE4平臺，根據實際情況進行搭建，給相關物體賦予“交互能力”?？山换サ奈矬w有門、電話、滅火器、毛巾等。

①在門的門把手處，放一個盒子狀的觸發器，當體驗者的手觸碰到這個觸發器，則會觸發手柄的震動，以此告訴體驗者可以進行交互了。體驗者再推開這個門，于是體驗者的活動范圍可以從室內向室外擴展了。

②滅火器與火，同門的原理，在滅火器全身放置一個觸發器，體驗者可以進入這個觸發器中，再按下特定鍵進行拾取，然后將角色一個bool值設置為真，以此可以進行滅火。在滅火的過程中，會不斷向滅火器指向的方向生成盒子射線，這些盒子只識別火，碰到火后，生成一個傷害盒子，同樣，這些盒子只對火進行傷害，然后通過不斷傷害火，火的體積不斷變小，直至熄滅。

③毛巾，拾取原理同滅火器，毛巾同樣有個bool值，當你的毛巾捂住鼻口時，會減少黑霧的傷害。

④電話，在數字鍵上放置觸發器，可以觸碰數字鍵進行電話報警。

（2）動畫系統：在交互的過程中，手勢會不斷變化，通過手綁定一個混合空間，改變一個float值，將其實時傳送到動畫系統中，然后動畫效果傳回到手上。

（3）音效系統：系統中的各個聲音都是通過UE4進行播放的，分為全局音效和普通音效，普通音效放置到火上，這樣，人物離火遠，聲音也會小。全局音效則放置一個背景音樂，這樣在哪里都能聽到。

（4）粒子系統：粒子用來制作火焰，濃煙，煙霧等，粒子通過與貼圖、材料的配合使用，完好的還原了真實的效果。

（5）碰撞檢測系統：為使系統更具逼真感，為虛擬場景中的實體對象屬性設置了“Fixed Obstacle”，同時，為虛擬角色腳本添加Prevent Colision BB，避免虛擬角色穿越實體而過的情況。

（四）系統任務

實現真實的事故場景呈現，讓兒童真切地感受到掌握安全逃生知識的重要性，提高兒童突發安全事故的應急能力和自救意識，為兒童安全逃生提供一種新的手段。

三、系統詳細設計方法

（一）結合相關知識的學習和市場調研的資料，團隊首先進行系統立項，主要確定了系統的風格、主亮點、一些方方面面的規則，具體可能會涉及的資源（如多少主角，多少場景等等統計）。

（二）接下來構建數據庫以及選擇三維場景編輯器（軟件開發平臺）根據系統規模和內容，合理選擇了UE4作為開發平臺。

（三）小組各成員利用3Ds Max構建三維場景模型和制作三維動畫，在UE4中布置場景，對模擬仿真系統進行總體設計：仿真系統功能實現以UE4引擎為主，場景的構建采用3ds MAX， UI設計使用PS工具完成，物體的材質選擇和特效制作由UE4中材質和特效系統實現，開發過程中使用 C++ 語言為底層的藍圖編程。確保大部分安全事故可能發生場景都有所涉及并力爭做到了絕大部分場景都還原真實場景。

（四）進行功能設計：整個仿真系統包括了粒子，音效，動畫，天空球，材質，模型，藍圖等系統。粒子用于制作火焰，濃煙，煙霧等，音效則是場景中必備的因素，動畫用于交互時手勢的變化，天空球則用來模擬全局光照，場景隨處可見的物品都是用賦予材質的模型來構成的，藍圖則用來實現各個機制。

（五）模型構建完成后小組各成員分工進行各系統的設計。

（六）進行UI設計：貼合安全逃生主題，運用PS進行了用戶界面的設計。

四、常見問題及解決辦法

（一）建筑物建模及轉換問題

利用3DSMAX軟件里自帶的建模控件直接進行建模，因為建筑效果圖一般不需要精確的數據，而且隨著3DSMAX軟件版本的提高，建模的功能已大大提高。

（二）建筑物虛擬逼真貼圖問題

在三維場景制作中大部分模型的表面貼圖都需要與現實中的實體相吻合，用數碼相機拍攝或其他途徑獲取的位圖貼圖素材作為實物立體圖對象的貼圖是一種最逼真實景的方法。

（三）植物、樹林等植被制作簡化問題

采用建立立體樹的方法或調用軟件自帶的樹木，最后渲染場景中的樹林將占用大量的空間內存，很浪費空間和渲染時間。近景植被制作利用3DSMAX的AECExtended中的Fo-liage創建精細樹木、花草調用軟件自帶的樹木模型等，遠景植被制作，遠景植被可以用一棵樹制作后進行大量復制產生各種需要的樹林。

（四）眩暈問題

眩暈有三大主因， 一是畫面質量差;二是模擬眩暈癥，可以通過練習緩解; 三是延遲眩暈癥，可以通過技術改進消除。視覺延遲造成的眩暈，將延遲壓縮到 20ms 之內就可以解決。

五、結束語

VR技術的研究與開發為人員逃生的研究提供了更準確、更全面的信息，主要是因為VR技術中的數據信息具有可讀性，兒童可在VR場景中體驗多維度的視角，身臨其境的認知到災難帶來的巨大傷害，并且可以在VR開發的模擬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線到指定避難場所; 逼真的虛擬救援演練不但使兒童熟練地掌握自救器材的操作技術和救援技能，而且使其從心理上克服對災難的恐懼心理，減少現實生活中的傷亡率。

參考文獻：

[1]張磊，朱國慶，郭大剛. 基于 VR 的公共建筑火災逃生 訓練系統研究[J] .消防科學與技術，2015 （4） ： 526-529.

[2]謝海明，劉箴.基于虛擬現實技術的居家火災逃生系統的研究 [J].系統仿真學報，2012.24（1）：108-112.

[3]韓瑩. 基于 3Ds Max 與 Unity3D 三維高層火災逃生場景建模 [J].信息與電腦，2017，6：94-96.

作者簡介：孫同濱（1998-），男，山東協和學院計算機科學與技術2017級學生。

通訊作者：王夢霞（1978-），女，指導教師，碩士，副教授。

基金項目：山東省高等學校國家級大學生創新創業訓練計劃項目（項目編號：201913324001）