基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的消防安全系統(tǒng)開(kāi)發(fā)分析

朱萍

摘? 要：隨著我國(guó)計(jì)算機(jī)技術(shù)不斷發(fā)展，當(dāng)今虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已經(jīng)成為了社會(huì)群眾關(guān)注的焦點(diǎn)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在上世紀(jì)80年代末起源于美國(guó)，經(jīng)過(guò)了30年的發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。消防安全系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，可以讓火災(zāi)研究數(shù)據(jù)更加直觀、場(chǎng)景更加逼真，無(wú)需依靠真實(shí)世界即可直觀感受。基于此，文章首先提出虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)含義，進(jìn)而提出該項(xiàng)技術(shù)在消防安全系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù);消防安全系統(tǒng);開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì);應(yīng)用

中圖分類(lèi)號(hào)：TU998.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：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(xiàn)實(shí)技術(shù)是指通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件算法給人們營(yíng)造出一種更加逼真的虛擬環(huán)境，因此該項(xiàng)技術(shù)也被稱(chēng)之為人造空間、虛擬環(huán)境等，是一種十分先進(jìn)的仿真技術(shù)、傳感技術(shù)。利用計(jì)算機(jī)軟硬件、通信系統(tǒng)、傳感器等，在計(jì)算機(jī)中構(gòu)建一個(gè)虛擬場(chǎng)景，并且可以實(shí)現(xiàn)與人的交互，得到現(xiàn)實(shí)世界中相同的反映，包括聽(tīng)覺(jué)、視覺(jué)甚至是觸覺(jué)、嗅覺(jué)等。虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景是虛構(gòu)場(chǎng)景，可以逼真呈現(xiàn)出真實(shí)直接，解決傳統(tǒng)方法帶來(lái)的難題。在消防領(lǐng)域，由于搶險(xiǎn)救援任務(wù)增加，大型消防設(shè)備造價(jià)提升、數(shù)量少，并且實(shí)物訓(xùn)練會(huì)造成大量損耗，費(fèi)用過(guò)高。而通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，即可重現(xiàn)火場(chǎng)、搶險(xiǎn)救災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)，展開(kāi)虛擬訓(xùn)練，具有非常高的使用價(jià)值。

1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)相關(guān)闡述

1.1 技術(shù)本質(zhì)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)主要是通過(guò)VR眼鏡、傳感手套等設(shè)備，通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件構(gòu)建一個(gè)虛擬平臺(tái)，在這個(gè)平臺(tái)當(dāng)中可以和虛擬物交互，從而實(shí)現(xiàn)相關(guān)目標(biāo)。平臺(tái)操作可以實(shí)時(shí)獲取、移動(dòng)虛擬對(duì)象。通過(guò)這些設(shè)施并以自然形式向計(jì)算機(jī)當(dāng)中傳遞有關(guān)信息，通過(guò)視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)，給人一種真實(shí)感覺(jué)，實(shí)現(xiàn)三維的消防系統(tǒng)。

1.2 基本特性

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)具有現(xiàn)場(chǎng)感、沉浸感、互動(dòng)感的特性。也就是在計(jì)算機(jī)軟件平臺(tái)上構(gòu)建一個(gè)虛擬場(chǎng)景，該虛擬場(chǎng)景可以讓用戶(hù)短暫脫離現(xiàn)實(shí)世界，從而營(yíng)造一種現(xiàn)實(shí)感。用戶(hù)在虛擬場(chǎng)景當(dāng)中還需要與虛擬物體進(jìn)行互動(dòng)，產(chǎn)生一種參與、互動(dòng)感。

1.3 應(yīng)用意義

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域當(dāng)中都已經(jīng)得到了應(yīng)用，不僅可以隨時(shí)隨地開(kāi)展火災(zāi)消防演練，提升火災(zāi)消防演練的真實(shí)性，從而完成現(xiàn)實(shí)演練的各種目標(biāo)，并且可以極大的減少人力、財(cái)力消耗。

2 基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的消防安全系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

整個(gè)消防安全系統(tǒng)主要以虛擬三維模型庫(kù)作為每個(gè)子系統(tǒng)的基本虛擬場(chǎng)景數(shù)據(jù)來(lái)源，模型庫(kù)模型通過(guò)三維虛擬現(xiàn)實(shí)工具創(chuàng)建。各個(gè)子系統(tǒng)通過(guò)虛擬三維模型庫(kù)中的模型實(shí)現(xiàn)交互以及相關(guān)功能。“火情監(jiān)控”子系統(tǒng)通過(guò)大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)和消防安全重點(diǎn)單位遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)連接，對(duì)重點(diǎn)部位火情實(shí)時(shí)監(jiān)控，并可以控制執(zhí)行單位做出相應(yīng)處理。火災(zāi)撲救當(dāng)中利用GPS定位技術(shù)獲取消防員位置，掌控整個(gè)火災(zāi)實(shí)際情況，從而實(shí)現(xiàn)科學(xué)調(diào)度。如圖1。

3 給予虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的消防安全系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)當(dāng)中，需要通過(guò)三維模型數(shù)據(jù)庫(kù)仿真系統(tǒng)為基礎(chǔ)。仿真系統(tǒng)可以對(duì)三維模型數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行實(shí)時(shí)渲染、動(dòng)態(tài)跳動(dòng)。針對(duì)消防安全系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，由于是對(duì)火災(zāi)進(jìn)行模擬，所以仿真系統(tǒng)需要從滅火戰(zhàn)術(shù)、滅火過(guò)程具體行為兩個(gè)層面開(kāi)展。并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況提供有關(guān)數(shù)據(jù)與材料，利用建模工具構(gòu)建一個(gè)三維地形、消防滅火設(shè)施，如消防車(chē)輛、油庫(kù)地形、各種消防栓等等。

3.1 構(gòu)建三維地形

在計(jì)算機(jī)軟件中表示數(shù)字地形有三種方法，包括等高線表示法、網(wǎng)格表示法、不規(guī)則三角網(wǎng)表示法。其中，不規(guī)則三角網(wǎng)表示法是非常復(fù)雜的一種，等高線是最常見(jiàn)的二維表達(dá)三維的形式。三維地形生成也有兩種方法，一是通過(guò)等高線產(chǎn)生一系列多邊形，通過(guò)簡(jiǎn)單放樣運(yùn)算得出地形紋理、模型;二是采用Delauny三角形根據(jù)等高線展開(kāi)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(xù)、缺乏逼真度等劣勢(shì)，所以在生成三維模型前要將登高數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)楦窬W(wǎng)數(shù)據(jù)，主要采用格網(wǎng)表示法。該建模方法會(huì)讓三維模型數(shù)據(jù)庫(kù)較為龐大，地形模型紋理容量大，仿真系統(tǒng)運(yùn)行中會(huì)有較大的負(fù)荷，對(duì)硬件系統(tǒng)要求較高。因此采用多細(xì)節(jié)層次技術(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)。

（1）細(xì)節(jié)等級(jí)技術(shù)（LOD）。實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)繪制是虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)構(gòu)建的基本要求，可以采用LOD技術(shù)對(duì)場(chǎng)景中不同物體采用不同描述方法。在實(shí)際繪制當(dāng)中，如果一個(gè)物體離視點(diǎn)較遠(yuǎn)或物體較小，采用粗的LOD進(jìn)行繪制;反之，如果物體離視點(diǎn)近或物體較大，則要用精細(xì)LOD繪制。同時(shí)，如果場(chǎng)景當(dāng)中含有運(yùn)動(dòng)物體，也可以采用該方案，快速移動(dòng)物體采用粗LOD;靜止物體采用細(xì)LOD，這樣即可讓場(chǎng)景更加細(xì)膩。LOD分為高級(jí)、中級(jí)、低級(jí)，分別對(duì)應(yīng)近距離模型、中距離模型、遠(yuǎn)距離模型。（2）模型構(gòu)建。結(jié)合消防安全系統(tǒng)中的各個(gè)火災(zāi)場(chǎng)景（平面圖紙），通過(guò)實(shí)際地形數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)，配合二維平面圖形數(shù)據(jù)，重點(diǎn)考慮各個(gè)物體比例大小、分布情況，如建筑消防設(shè)施、小區(qū)水塘、樹(shù)林、圍墻等等。為了能夠讓系統(tǒng)模型更加簡(jiǎn)化，可以將不影響火災(zāi)救援的物體做在一起。結(jié)合當(dāng)?shù)叵腊踩A(yù)案藍(lán)圖、實(shí)物照片，在充分掌握模型構(gòu)建要求后，查閱相關(guān)材料對(duì)模型數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)充。紋理素材可以采用數(shù)碼相機(jī)實(shí)物拍攝，也可以在網(wǎng)絡(luò)上查詢(xún)材料并使用Photoshop軟件處理，保證紋理清晰。結(jié)合上述層次結(jié)構(gòu)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(diǎn)線面，可以通過(guò)修改工具進(jìn)行整改（如圖2）。在消防車(chē)模型建設(shè)中，對(duì)動(dòng)作點(diǎn)設(shè)置DOF點(diǎn)，便于OpenGVS調(diào)控與控制。

3.2 消防車(chē)輛建模

在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)當(dāng)中，消防車(chē)輛模型是整個(gè)場(chǎng)景十分重要的一部分，也是重要場(chǎng)景內(nèi)容。下文主要以水罐消防車(chē)為例介紹如何建模，雖然整體過(guò)程和地形建模有很多相似之處，但要考慮單個(gè)小件運(yùn)行情況。這就要采用多自由度技術(shù)（DOF）。

應(yīng)用DOF可以為子節(jié)點(diǎn)所表示的圖形增加動(dòng)態(tài)特性。一個(gè)DOF創(chuàng)設(shè)一個(gè)坐標(biāo)體系，可以控制圖形繞著坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)、移動(dòng)。在水罐消防車(chē)建模中，要重點(diǎn)考慮噴水、噴頭旋轉(zhuǎn)、消防車(chē)云梯展開(kāi)等問(wèn)題（如圖3）。

3.3 模型構(gòu)建關(guān)鍵技術(shù)

紋理映射技術(shù)（TM技術(shù)）是一種將二維圖像映射到三維物體上的一項(xiàng)技術(shù)，可以讓虛擬仿真場(chǎng)景更加真實(shí)。使用TM技術(shù)可以避免每個(gè)虛擬模型細(xì)節(jié)都采用多邊形表示，可以有效降低模型多邊形數(shù)量，加速圖形顯示速度。結(jié)合透視變換，紋理需要提供三維線索，增加模型細(xì)節(jié)、場(chǎng)景真實(shí)感。

3.4 路徑規(guī)劃

路徑規(guī)劃是在虛擬場(chǎng)景中布置起點(diǎn)、終點(diǎn)，自主找出一個(gè)無(wú)人碰撞的路徑。路徑規(guī)劃在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中有著重要作用，結(jié)合不同場(chǎng)合、導(dǎo)航物體特征，將路徑規(guī)劃為爬行路徑、飛行路徑。爬行路徑在三維場(chǎng)景中受到虛擬任務(wù)受重力影響，無(wú)法在虛擬空間中隨意移動(dòng)，只能貼著地面進(jìn)行。飛行路徑規(guī)劃是指虛擬攝像機(jī)等形式，在無(wú)碰撞情況下，在場(chǎng)景空間中任意進(jìn)行。演練人員可以虛擬GPS定位，通過(guò)通訊系統(tǒng)對(duì)話，從而提升協(xié)調(diào)性，掌握部署情況。

3.5 疏散時(shí)間的確定

在疏散時(shí)間的確定中，應(yīng)該按照疏散狀況進(jìn)行疏散時(shí)間的計(jì)算，具體的計(jì)算過(guò)程如下。

通過(guò)這些計(jì)算方案的構(gòu)建，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)疏散時(shí)間的確定，以保證疏散時(shí)間的確定的科學(xué)性。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)作為一個(gè)使用廣泛、充滿活力的高新技術(shù)，在消防安全系統(tǒng)開(kāi)發(fā)當(dāng)中有著不可替代的作用。通過(guò)利用計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)、仿真技術(shù)、建模技術(shù)等，從而實(shí)現(xiàn)消防指揮人員網(wǎng)絡(luò)培訓(xùn)，通過(guò)構(gòu)建虛擬空間，縮短消防作戰(zhàn)指揮人才培養(yǎng)周期，滿足消防作戰(zhàn)指揮需求，保障消防安全系統(tǒng)的有效性。

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