基于虛擬現實技術的消防安全系統開發分析

朱萍

摘? 要：隨著我國計算機技術不斷發展，當今虛擬現實技術已經成為了社會群眾關注的焦點。虛擬現實技術在上世紀80年代末起源于美國，經過了30年的發展，虛擬現實技術已經得到了廣泛應用。消防安全系統開發中采用虛擬現實技術，可以讓火災研究數據更加直觀、場景更加逼真，無需依靠真實世界即可直觀感受。基于此，文章首先提出虛擬現實技術含義，進而提出該項技術在消防安全系統開發中的應用。

關鍵詞：虛擬現實技術;消防安全系統;開發設計;應用

中圖分類號：TU998.1 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）21-0093-02

Abstract： With the continuous development of computer technology in China， virtual reality（VR） technology has become the focus of social attention. Virtual reality technology originated in the United States in the late 1980s. After 30 years of development， virtual reality technology has been widely used. The use of virtual reality technology in the development of fire safety system can make the fire research data more intuitive， the scene more realistic， and can be felt intuitively without relying on the real world. Based on this， this paper first puts forward the meaning of virtual reality technology， and then puts forward the application of this technology in the development of fire safety system.

Keywords： virtual reality （VR） technology; fire safety system; development and design; application

引言

虛擬現實技術是指通過計算機軟件算法給人們營造出一種更加逼真的虛擬環境，因此該項技術也被稱之為人造空間、虛擬環境等，是一種十分先進的仿真技術、傳感技術。利用計算機軟硬件、通信系統、傳感器等，在計算機中構建一個虛擬場景，并且可以實現與人的交互，得到現實世界中相同的反映，包括聽覺、視覺甚至是觸覺、嗅覺等。虛擬現實場景是虛構場景，可以逼真呈現出真實直接，解決傳統方法帶來的難題。在消防領域，由于搶險救援任務增加，大型消防設備造價提升、數量少，并且實物訓練會造成大量損耗，費用過高。而通過虛擬現實技術，即可重現火場、搶險救災現場，展開虛擬訓練，具有非常高的使用價值。

1 虛擬現實技術相關闡述

1.1 技術本質

虛擬現實技術主要是通過VR眼鏡、傳感手套等設備，通過計算機軟件構建一個虛擬平臺，在這個平臺當中可以和虛擬物交互，從而實現相關目標。平臺操作可以實時獲取、移動虛擬對象。通過這些設施并以自然形式向計算機當中傳遞有關信息，通過視覺、聽覺、觸覺，給人一種真實感覺，實現三維的消防系統。

1.2 基本特性

虛擬現實技術具有現場感、沉浸感、互動感的特性。也就是在計算機軟件平臺上構建一個虛擬場景，該虛擬場景可以讓用戶短暫脫離現實世界，從而營造一種現實感。用戶在虛擬場景當中還需要與虛擬物體進行互動，產生一種參與、互動感。

1.3 應用意義

虛擬現實技術在各個領域當中都已經得到了應用，不僅可以隨時隨地開展火災消防演練，提升火災消防演練的真實性，從而完成現實演練的各種目標，并且可以極大的減少人力、財力消耗。

2 基于虛擬現實技術的消防安全系統結構

整個消防安全系統主要以虛擬三維模型庫作為每個子系統的基本虛擬場景數據來源，模型庫模型通過三維虛擬現實工具創建。各個子系統通過虛擬三維模型庫中的模型實現交互以及相關功能。“火情監控”子系統通過大數據、互聯網和消防安全重點單位遠程監控系統連接，對重點部位火情實時監控，并可以控制執行單位做出相應處理。火災撲救當中利用GPS定位技術獲取消防員位置，掌控整個火災實際情況，從而實現科學調度。如圖1。

3 給予虛擬現實技術的消防安全系統開發

在虛擬現實技術當中，需要通過三維模型數據庫仿真系統為基礎。仿真系統可以對三維模型數據庫進行實時渲染、動態跳動。針對消防安全系統來說，由于是對火災進行模擬，所以仿真系統需要從滅火戰術、滅火過程具體行為兩個層面開展。并結合現場實際情況提供有關數據與材料，利用建模工具構建一個三維地形、消防滅火設施，如消防車輛、油庫地形、各種消防栓等等。

3.1 構建三維地形

在計算機軟件中表示數字地形有三種方法，包括等高線表示法、網格表示法、不規則三角網表示法。其中，不規則三角網表示法是非常復雜的一種，等高線是最常見的二維表達三維的形式。三維地形生成也有兩種方法，一是通過等高線產生一系列多邊形，通過簡單放樣運算得出地形紋理、模型;二是采用Delauny三角形根據等高線展開三維地形造型。地形等高線所生成的地形模型具有不光滑、不連續、缺乏逼真度等劣勢，所以在生成三維模型前要將登高數據轉變為格網數據，主要采用格網表示法。該建模方法會讓三維模型數據庫較為龐大，地形模型紋理容量大，仿真系統運行中會有較大的負荷，對硬件系統要求較高。因此采用多細節層次技術進行簡化設計。

（1）細節等級技術（LOD）。實現實時繪制是虛擬現實系統構建的基本要求，可以采用LOD技術對場景中不同物體采用不同描述方法。在實際繪制當中，如果一個物體離視點較遠或物體較小，采用粗的LOD進行繪制;反之，如果物體離視點近或物體較大，則要用精細LOD繪制。同時，如果場景當中含有運動物體，也可以采用該方案，快速移動物體采用粗LOD;靜止物體采用細LOD，這樣即可讓場景更加細膩。LOD分為高級、中級、低級，分別對應近距離模型、中距離模型、遠距離模型。（2）模型構建。結合消防安全系統中的各個火災場景（平面圖紙），通過實際地形數據作為基礎，配合二維平面圖形數據，重點考慮各個物體比例大小、分布情況，如建筑消防設施、小區水塘、樹林、圍墻等等。為了能夠讓系統模型更加簡化，可以將不影響火災救援的物體做在一起。結合當地消防安全預案藍圖、實物照片，在充分掌握模型構建要求后，查閱相關材料對模型數據進行補充。紋理素材可以采用數碼相機實物拍攝，也可以在網絡上查詢材料并使用Photoshop軟件處理，保證紋理清晰。結合上述層次結構分析，需要貫徹由里到外、由上到下的原則，采用MultiGenCreator為模型提供點線面，可以通過修改工具進行整改（如圖2）。在消防車模型建設中，對動作點設置DOF點，便于OpenGVS調控與控制。

3.2 消防車輛建模

在虛擬現實技術當中，消防車輛模型是整個場景十分重要的一部分，也是重要場景內容。下文主要以水罐消防車為例介紹如何建模，雖然整體過程和地形建模有很多相似之處，但要考慮單個小件運行情況。這就要采用多自由度技術（DOF）。

應用DOF可以為子節點所表示的圖形增加動態特性。一個DOF創設一個坐標體系，可以控制圖形繞著坐標軸旋轉、移動。在水罐消防車建模中，要重點考慮噴水、噴頭旋轉、消防車云梯展開等問題（如圖3）。

3.3 模型構建關鍵技術

紋理映射技術（TM技術）是一種將二維圖像映射到三維物體上的一項技術，可以讓虛擬仿真場景更加真實。使用TM技術可以避免每個虛擬模型細節都采用多邊形表示，可以有效降低模型多邊形數量，加速圖形顯示速度。結合透視變換，紋理需要提供三維線索，增加模型細節、場景真實感。

3.4 路徑規劃

路徑規劃是在虛擬場景中布置起點、終點，自主找出一個無人碰撞的路徑。路徑規劃在虛擬現實系統中有著重要作用，結合不同場合、導航物體特征，將路徑規劃為爬行路徑、飛行路徑。爬行路徑在三維場景中受到虛擬任務受重力影響，無法在虛擬空間中隨意移動，只能貼著地面進行。飛行路徑規劃是指虛擬攝像機等形式，在無碰撞情況下，在場景空間中任意進行。演練人員可以虛擬GPS定位，通過通訊系統對話，從而提升協調性，掌握部署情況。

3.5 疏散時間的確定

在疏散時間的確定中，應該按照疏散狀況進行疏散時間的計算，具體的計算過程如下。

通過這些計算方案的構建，可以實現對疏散時間的確定，以保證疏散時間的確定的科學性。

4 結束語

綜上所述，虛擬現實技術作為一個使用廣泛、充滿活力的高新技術，在消防安全系統開發當中有著不可替代的作用。通過利用計算機軟件技術、仿真技術、建模技術等，從而實現消防指揮人員網絡培訓，通過構建虛擬空間，縮短消防作戰指揮人才培養周期，滿足消防作戰指揮需求，保障消防安全系統的有效性。

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