基于VR及熱成像技術的火災逃生系統研究

佘光航　方蒲靜　潘城

摘? 要：在現代的生活中，火災發生的頻率越來越高，一般火災的經濟損失達到10到30萬不等，與生命財產息息相關。隨著虛擬技術的發展，運用虛擬技術對火災現場的模擬，來增強居住賓館的旅客對火災現場逃離有更深刻的理解，和真切的感受?；馂奶由c自救教育學習有重要的科普意義，在現實生活中，面向公眾的火災逃生演練一般要耗費很大的人力物力。

本論文主要是對利用 3D 建模與 VR 眼鏡結合創建三維火災逃生場景的虛擬現實技術，在 VR 眼鏡中構建三維場景模型和角色模型，在UE4中布置場景，模擬生動逼真的火災發生場景，結合熱成像技術使人有身臨其境的虛擬體驗。應用于實現虛擬狀態下快速逃生、自救等防控仿真訓練。

關鍵詞：火災逃生;虛擬現實;熱成像技術;Unity 3D;3Ds Max;

1.緒論

1.1研究背景及意義

1.1.1 課題來源及背景

據了解，我國現有高層建筑162 000多棟，其中超過100m的超高層建筑就有1 500余棟。現代城市已經步入高樓時代，人口居住越來越密集，但高層建筑的火災撲救卻成為全世界消防界面臨的共同難題，高層建筑火災的性質不同于一般建筑火災，具有火勢蔓延快、疏散人員困難等特點。當高層建筑發生火災時，主要靠自己的消防措施來保證安全，很難靠外部力量救援，最有效的辦法是每個人懂得逃生方法，知道如何自救。

1.1.2 課題研究的意義

由于我國高層建筑比較多，人流量較大，發生火災時，對被困人員的生命產生了巨大的威脅。研究團隊認為，發生火災原因的主要由于居民在火災時，沒有火災的逃生經驗，并不能馬上找到逃生路線和正確使用滅火設施[2]。然而虛擬現實技術可以為我們提供一個很好的平臺，通過虛擬技術模擬真實的建筑火災及火的蔓延方向和煙氣在建筑內的流動情況。參與者通過模擬來感受真實火災，給人們帶來新的體驗，對于火災發生有更好的措施來保護自己。救護人員可以通過進入這個虛擬環境，嘗試采取各種救災措施，從而獲得訓練。對于今后的火災的逃離自救以及知識普及有著十分重要的作用。

1.1.3 國內發展現狀

VR技術研究在我國起步較晚，與其他西方發達國家相比仍有一定差距。目前國家相關部門和科學家對VR技術已經高度關注，根據中國的國情，制定了開展VR技術的研究計劃。VR已被列入“九五”研究計劃、國家自然科學基金、國家高新技術研發計劃。我國一些重點高校已積極開展這方面的研究工作。我國雖然VR發展較晚，但是我國在VR虛擬現實方面正在迅猛發展。2012年至2016年上半年，硬件設備部分的融資額度占行業的62.6%，達到65570萬元;內容制作融資額度達到104490萬元;分發平臺部分融資額度達到54100萬元，占整體的12. 8%，目前國內主要是在游戲、影視、線下體驗館、房產開發、旅游、醫學以及教育培訓這些方面著手。

國內對于本文所提到的研究領域還沒有完善。虛擬現實在火災模擬演練的開發并不是開發的太好，沒有充分的應用。在國內現有的開發來看，大多都沒有太大的實踐效果，我們就是基于這樣的背景，而構思的一個產品。

目前關于火災的模擬的研究主要是通過VR為載體，本課題以VR技術為基礎，它與仿真系統等子系統整合成一個完整的系統，系統通過計算機編程語言來實現。在發生火災時，系統通過計算語言來實現并規劃被困人員的逃生路徑。

1.1.4 相關理論

Unity 3D是一個由Unity Technologies開發的多平臺集成游戲開發工具，它允許玩家輕松地創建交互式內容，如3D視頻游戲、建筑可視化和實時3D動畫。Unity 3D可以在Windows和MacOS X上運行，可以發布到Windows、Mac和WebGL等系統上;其中Unity Web Player插件可以用來發布Web游戲，支持Mac和Windows平臺的Web瀏覽[4]。它是一個完全集成的專業游戲引擎，具有跨平臺、綜合編輯、資源導入、地形編輯器、物理特效等特色。

1.1.5本文主要的研究內容

本文主要以此為背景，運用虛擬現實結合熱成像技術模擬演練火災發生現場如何自救和親生體驗火災災的感受，為人們提供一個學習的平臺。主要設計思路為，通過3D Max技術將賓館的建筑模型構建出來，然后通過渲染為模型創造一個真實的場景，將該模型導入到VR眼鏡中去，然后結合熱成像將在火災發生后使被困人員清楚的知道逃生路徑。此產品VR眼鏡，可供使用者觀看和學習。

2.VR與熱成像儀技術理論綜述

2.1 VR和熱成像技術

2.1.1? VR技術原理

虛擬現實（Virtual Reality）技術，簡稱VR技術，也稱“虛擬實境”。它是通過計算機開發模擬出一個虛擬的空間環境，然后通過頭戴顯示器、觸感反饋裝置、體感操控設備、立體聲揚聲器等設備，為使用者提供虛擬空間視覺、聽覺、觸覺等感官的模擬感受，為使用者帶來全方位置身于被設計的虛擬環境之中，即沉浸式體驗。使用者可以實時地通過體感操作、語音操作等方式查看虛擬空間的各種事物，并與虛擬環境進行互動。而且計算機還可以通過動作捕技術來實時跟蹤使用者映射在虛擬空間中的行為，并將圖像、聲音、觸發事件等同步反饋給使用者，營造出完全沉浸式的信息媒體使用體驗。圍繞提供這種體驗的--系列技術，包括3D時渲染、動作捕捉、體感操作、語音操作、立體顯示技術等技術的集合，這就是虛擬現實技術。

VR系統以其高效、可控性、安全性、不破壞性、使用靈活性、修改便捷性、不受氣象影響、空間和場地限制、可重復使用和低運營成本等特點，引起了世界各國軍方的高度重視。到目前為止，VR技術在軍事領域發揮著重要的作用。廣泛應用于軍事教育、軍事訓練、武器裝備研制和生產等領域。

2.1.2 熱成像技術檢測原理

熱成像是一種將不可見的紅外輻射轉化為可見圖像的技術。使用這種技術開發的設備稱為熱成像設備或熱成像儀。廣義上說，熱成像技術還包括紅外線掃描成像儀，主要用于空中偵察。該儀器本身只有一維掃描，必須依靠載體的另一維度運動才能獲得圖像。熱成像儀是一種可以獨立獲取圖像的儀器。隨著紅外探測器技術的發展，熱像儀已由單部或多部離散探測器加一維或二維光學掃描儀發展為無光學掃描的凝視成像裝置[5]。在國外，這種成像設備有時被稱為紅外前視（FLIR），這個名稱來源于這樣一個事實，即這種成像設備最初用于空中偵察，并被命名為將其與向下看的紅外掃描設備區分開來。自從發現紅外輻射以來，人們就認識到自然界的任何物體都在不斷地發射紅外能量。它的輻射強度取決于物體的溫度和它自身的輻射能力（輻射率）。

2.2 VR技術的應用與積極作用與消極作用

2.2.1 VR技術的積極作用

虛擬現實（VR）技術主要通過頭戴顯示設備為使用者提供視頻畫面。佩戴這類全封閉的顯示器可以讓用戶的視野充滿視頻畫面，因此視線不會被周圍的環境光干擾，從而營造更深入的沉浸式體驗。虛擬現實技術多采用封閉式顯示方式，可以通過給兩只眼睛對應的屏幕輸出帶有視差角度的不同畫面，來實現三維立體畫面效果。這種方式在保證輸出高質量視頻畫面的同時，大大降低了成本和操作難度。虛擬現實技術可以為我們的建筑模擬帶來非常出眾的表現力，完全沉浸式的火災體驗可以把各種火災現場以逼真的方式展現給使用者。人們可以以更近的距離觀看火災現場和了解自救方法。

2.2.2 VR技術的消極作用

雖然VR技術給我們帶來許多的好處，但這新技術往往也存在潛在的問題，它會導致3D眩暈、近視、視覺疲勞等操作不適感較重，3D眩暈的主要原因是運動產生的視覺信息與耳朵等其他器官的位置信息不一致。視頻畫面的視覺信息是用戶已經移動了位置，但是用戶耳朵的前庭器官感覺不到平衡偏移等與位置移動相關的信息。當這種身體感知的偏差被放大到一定程度時，身體會出現頭暈、頭痛甚至嘔吐等嚴重癥狀。

2.3 VR與熱成像技術的創新結合

利用3Ds Max構建三維模型，同時在unity 3D中布置場景，實現對火災現場的建模。在火災現場時，現場混亂且瞬息萬變，人們在濃煙中需要快速的尋找安全通道，系統通過定位人員位置后迅速規劃安全路線并引導人員，熱成像儀需要檢測外部環境的狀況和溫度，從而得到紅外熱像圖，一旦這種熱像圖與搭建的場景產生沖突，例如通道中柱子倒了或者有可燃物在燃燒阻擋了通道，系統會快速的做出判斷發出警告并規避此通道，直到尋找到安全的通道。

3.火災仿真系統總體設計

3.1 選擇日常場景用3Ds Max建模軟件制作模型

建立賓館火災應急逃生系統的第一步是通過3Ds Max建立一個與賓館、火災和人物模型類似的信息化三維模型。建模時應充分參考酒店實際情況、酒店數字模型、酒店設備參數、巷道采場結構參數?；馂哪Ｐ桶ɑ鹧妗熿F和爆炸等因素的影響是通過3Ds Max軟件里的一個插件來調整材質和顏色，添加煙霧材質渲染，完成火災爆炸效果。另外，可以通過改變主色將火焰變為煙霧。人物造型包括前后移動、跳躍、逃跑、佩戴裝備、拿出滅火器等，以及人物工作服、頭燈（手電筒）、自救裝置等靜態佩戴裝備造型。角色建模在3Ds Max多邊形建模為核心，首先創建一個標準的3D對象，然后轉換為可編輯多邊形對象，使用多邊形強大的可編輯的屬性，根據人體肌肉模型切割、連接、合并、焊接、沖壓倒角操作，逐步細化模型，最后以滿足生產需求。

3.2 仿真系統的功能設計

整個火災模擬系統包括粒子、聲效、動畫、天球、材質、模型、圖紙等系統。粒子需要被用來制造火焰、煙霧、煙霧等特效;聲音是場景必要的一部分;動畫被用來在交互過程中改變手勢引導被困人員;天空球被用來模擬整體系統的天氣和光照，可以是晴天或者是雨天;場景中的每一個物體都是模型，它們提供材料，藍圖則用來實現各個機制[6]。各個子系統整體組合以此構建了一個仿真系統。

4.系統總體設計

4.1 信息采集

數據采集，需要從酒店賓館收集平均客流量以及建筑物的數據。素材采集，建筑物的外觀和整體結構，必須物品的擺放位置，安全通道的路線，建筑物的各部分所用的材料。把采集到的信息在建模軟件中最大程度的還原原有建筑。需要創建多種引發火災的模式。收集酒店火災的常見原因：違規裝修施工、因使用火、電燃氣設備的使用量大，而且有些建筑材料不符合消防安全的規定，一旦工人操作失誤或操作不當，容易導致火災安全事故的發生;電氣設備老化有些酒店電器線路老化或配置不合理，容易引起火災;客房內的電熨斗、電暖器等加熱器具可能因使用不當、電線不合法或忘記切斷電源而引起火災;廚房的違規操作，如在爐子上煨、燉、煮各種食物，浮在鍋蓋上的油溢出來，在火中焚燒;在火爐附近烘烤衣服或點燃可燃液體來點火導致爆炸，這種火災火勢蔓延很快，而且很難撲滅，尤其是石油火災，用水是無法撲滅的;酒店客人的安全意識不強，在旅館的床上吸煙是引起火災的一個重要因素如果沒有同行大人的監督，容易玩火而失火，而且容易驚慌失措，錯過有效控制火情的時間;救援設備不完整或丟失，部分酒店安全出口門鎖閉或數量不足，疏散通道堵塞、滅火器過期、噴淋設施損壞或未按要求安裝、疏散標志不足、應急照明損壞等現象[7]。一旦發生火災，得不到及時撲滅，最終導致火災蔓延。

4.2 unity 3D的功能實現

三維模型構建完成后，需將模型導入到Unity 3D游戲引擎中構建培訓系統來增加系統的真實感和交互性，這也是構建仿真系統最重要的步驟之一。系統構建時，模型導入到 Unity 3D 游戲引擎中進行紋理貼圖和烘焙，然后利用shader 編程使畫面更逼真、更漂亮，目的就是在場景中還原火災環境中濃煙暗淡的效果和火災的實時情況。VR培訓系統中的深度感知問題可通過使用豐富的紋理背景、陰影、多感官環境和生動高質量的顏色來解決。為了實現更真實的體驗效果，需要對場景視覺、聽覺及物理效果進行加成，在物理效果的加成中最重要的是在物理引擎控制中加入碰撞檢測：可以給物體加碰撞檢測的腳本，在腳本中添加“碰撞 Enter”、“碰撞 Exit”、“碰撞Stay”這3個函數，當有碰撞體進入、離開和停留在另一個碰撞體時，將會依次調用這些函數[8]。在這些函數中添加相應的碰撞檢測代碼，就可以實現物體抓取、碰撞應力反饋等物理效果。

4.3 逃生路徑規劃

將 A*算法和 Unity 3D 技術相結合，對接收到的數據進行利用，首先使用Unity 3D技術構建出樓宇內部場景，各個房間中的陳設和布局，其次把人物模型導入場景中，然后利用 C++語言設置串口號、波特率、線程的處理和人物狀態，使得數據庫內的信息實時對應逃生演示系統中人物模型的運動軌跡。并用 Visual C++設計了被困人員的信息采集程序。實現了對數據幀中的數據接收和分解。利用 T-SQL 語言設計了人員數信息據庫，把定位、心跳等信息存入數據庫內。系統會根據這些信息自動生成逃生路線。

4.4 路徑規劃檢測

Unity 3D 創建了2D網狀格子地形和模擬被困人員和逃生出口的立方體、障礙物等。并應用 C++語言編寫腳本實現了路徑的實時更新。生成的逃生重現系統程序，在上位機中可以隨時查看內部場景Unity 3D中的逃生場景，尋找到的最短路徑可以通過廣播、被困人員所攜帶的終端設備來傳達給被困人員，從而實現被困人員的逃生。

5.結論

隨著虛擬現實技術的高速發展以及城市發展水平的提高，人們對火災的防范意識需要提高，也有對火災存在僥幸心理和不重視心理依然存在。人們在面臨真實火災的時候，大部分人往往會失去理智，陷于慌亂，為在城市發生火災時減少人員傷亡和經濟損失，我們把虛擬現實技術引入其中幫助被困人員快速的撤離現場。由于這項技術是所呈現的環境以及火災狀況都是虛擬的，而現實的情況是千變萬化的，也就不能做到虛擬與現實的一體化。但是虛擬現實可以讓人們更清楚的了解火災的狀況，也可以清楚的知道如何預防火災以及發生火災該怎樣自救的知識。虛擬現實技術的應用還不夠深入和廣泛，需要進一步與實踐相結合，才能真正為公眾服務，造福全人類。

參考文獻

[1]? 高樓時代火災逃生手冊[OL] 人人健康 2020-4-26

[2]? 吳勇軍. 如何破解高層建筑防火難題[J]. 中州建設，2017，000（015）：6-15.

[3]? 蔡璐璐.淺談VR虛擬現實在我國的現狀及發展趨勢[J]西安科技大學 2017，6：94-96

[4]? 黎文鋒. 中文版Flash CC實例教程[M]. 海洋出版社，2014.

[5]? 彭煥良. 熱成像技術發展綜述[J]. 激光與紅外，1997，000（003）：131.

[6]? 王昆博，陶志清，朱佳華，等. VR火災模擬逃生仿真系統[J]. 科學技術創新，2018（22）：69-70.