三維兒童火災逃生教育系統的開發

周正

摘 要：火災逃生教育對普及消防知識、增強火災時兒童的自救能力有極大的現實意義。傳統的安全教育方式內容死板僵化，難以激發兒童的參與興趣。為了引導兒童學習火災逃生知識，本文通過3D建模和人機交互等技術開發出一套三維兒童火災逃生教育系統，讓兒童在三維火災場景中自由操控角色模型，進行火災逃生自救演練。本系統開發設計了場景瀏覽、物品選擇高亮顯示、逃生導航、題目測試等功能，以玩游戲的方式很好地吸引兒童注意力，讓兒童在場景互動中學習火災逃生的基本知識。

關鍵詞：3DS Max;三維建模;火災逃生;Unity3D

中圖分類號：TP18;TP391.9 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2020）29-0033-03

Abstract： Fire escape education is of great practical significance for popularizing fire fighting knowledge and enhancing children's self-help ability. The content of traditional safety education is rigid， which is difficult to arouse children's interest in participation. In order to guide children to learn fire escape knowledge， this paper developed a three-dimensional scene through 3D modeling， human-computer interaction and other technologies， so that children could freely control the role model in the three-dimensional fire scene and carry out fire escape self-help drills. The system has been developed and designed with functions such as scene browsing， item selection highlight display， escape navigation， question test， etc.， which can attract children's attention by playing games， and let children learn the basic knowledge of fire escape in the scene interaction.

Keywords： 3DS Max;3D modeling;fire escape;Unity3D

近年來，火災成為威脅人們生命及財產安全的重要隱患[1]。由于缺乏逃生經驗，在火災發生時，很多人失去了逃生機會，帶來慘痛教訓。兒童作為弱勢群體，如何提高自救能力成為當前熱門話題和努力方向。傳統的火災安全教育方式如知識宣講、觀看紀錄片等具有樸實性、專業性，可以在一定程度上普及自救知識[2]，但難以引起兒童的觀看興趣。現場演練等消防教育方式實踐性強，但部署安排成本較高，不便開展，存在一定局限性。當前，虛擬現實技術（VR）的普及也給體驗感和參與度的增強提供了可能，因此通過創新以實現趣味性教學來吸引兒童的消防知識學習興趣非常重要[3]。

針對兒童火災知識宣傳，國外的消防培訓做了很多努力。比如，美國學校設置煙霧、自動噴淋和報警等全新的消防項目，法國在火災調查培訓實驗室進行燃燒試驗，可模擬不同的場景讓學生身處其中進行培訓。除打造實體火災來增強實踐性外，國外也青睞于使用虛擬仿真技術。例如，法國民事安全實務學校20多年前就與荷蘭的XVR公司合作，將常見的森林火災、洪澇災害作為基礎場景，并設置出進階場景，加入一些障礙，如風向突變、人員被困等突發情況，以增強學員的應急應變能力[4]。國內在虛擬現實技術的運用上發展起步較晚，上海市民防科學研究所研制的防災AR相機將虛擬現實技術應用于防空防災科普宣傳，屬于國內首創。

基于當前的背景，本文利用虛擬仿真技術模擬火災逃生教學場景，優化用戶的體驗感和參與感，讓系統變得更具有便捷性、實用性。利用3D建模制作小區電梯房場景，在此基礎上使用Unity3D來做好火焰、燈光等輔助效果。環節設置上，讓用戶根據引導和指示以及自己的判斷來完成相應逃生任務。通過三維模型直觀地讓兒童進行逃生演練，以達到消防教育的目的，為將來兒童應對突發事件做好充分準備。

1 系統分析和方案設計

1.1 需求分析

本設計研究開發一款用于當室內突發火災后，如何快速進行正確逃生的教學系統，所以三維模型和室內場景的搭建是重中之重。角色的搭建和動畫不僅要滿足場景功能需要，還要實現相應的交互功能，如移動漫游、鼠標點擊，讓用戶獲取信息并實時交互等。由于用戶目標是兒童，在顯示和提示的體驗感上要具有一定的吸睛效果，最后為了鞏固和檢測兒童使用本系統的學習效果，通過設置選擇題的方式進行考評。

1.2 系統功能需求分析

為了能夠完美模擬火災現場，起到對兒童的教育意義，本系統需要具備以下基本功能：設置背景音樂、警報和倒計時來模擬火災突發時的情形;設置火焰粒子和煙霧粒子模擬逼真失火場景;角色相應動畫切換，如走路、彎腰;設置必要的路線方向指引以及高亮顯示重要物品來提示兒童逃生;附上部分火災逃生教育教學視頻和測試題，鞏固學習效果。

系統的模塊主要包括場景設置、功能實現等。

2 系統設計開發

2.1 模型建立和場景搭建

本系統中的模型通過觀察現實生活中的室內布局或在網上查看精裝修圖片后使用3D Max建模。場景的搭建是在Unity3D中實現的，場景當中的物體都要添加Box collider碰撞器，避免出現直接穿過的情況。

為了增強逼真度，在設置好場景后，要進行光源的布置和設置火災發生后的火焰粒子效果。

2.2 系統功能開發

2.2.1 頁面設計。本系統的界面設計主要運用Unity3D自帶的UGUI插件來完成。導入成功后，在場景中通過鼠標右鍵選擇UGUI菜單上的各類控件進行添加[5]。

頁面設計的大致流程為：在本系統中建立一個新場景用于頁面設計，點擊右鍵選擇新建UI，在Canvas下面選擇創建一個新的Image并為Image添加一張合適的圖片作為背景圖片。部分頁面顯示效果如圖1、圖2所示。此外，為了讓系統運行流暢，設計出簡單的進度條來做好場景之間的銜接和切分。

2.2.2 倒計時功能實現。本系統采取的教學模式為用戶先在室內隨意瀏覽，過一段時間后再突發火情，用戶能大致感受在虛擬場景中的火災環境，以減少陌生度，在逃生和滅火模擬中會有更加真實的體驗。倒計時功能的設計就是為了完成從自我瀏覽到突發火情的過渡，使系統運行的環節銜接得更為流暢，同時倒計時的音效提示也對營造火災突發時的緊張氣氛能起到一定作用。

實現方法：通過編寫C#腳本代碼進行控制。功能實現時主要用到了協程的方法，即在主線程外開啟的線程，從而可以在不影響主程序運行的情況下運行協程內的代碼，保證用戶在倒計時期間內也可以正常操作。

2.2.3 導航功能實現。初次接觸該系統的用戶在初期漫游時會缺乏目標性，為了方便用戶快速高效地根據提示完成指定流程，設置一個引導線對用戶進行簡單的指引顯得非常重要。

實現方法：編寫控制導航條的腳本，當角色觸碰到相關碰撞器時，觸發腳本。主要通過不斷對帶箭頭的圖片進行后臺切換，表現出箭頭的閃爍提示和往前鋪過去的效果，導航功能實現效果如圖3所示。

2.2.4 高亮功能實現。在一個虛擬的室內場景中，為了追求效果的逼真度，往往通過擺放大量實體模型來增強生活氣息。面對眾多的物品，靠兒童自己去盲目尋找指定模型不僅困難而且意義不大，所以火災逃生相關物品將進行高亮顯示。

實現方法：對于物體邊緣進行高亮和閃爍的顯示，通過Highlighting Plugins插件實現，通過插件當中的C#腳本進行控制，將腳本添加給特定情境下需要實現高亮和閃爍的物體。若系統檢測到用戶移動觸碰到某一物體，就會觸發腳本并實現該功能，讓用戶一眼能看到從而快速選中。

2.2.5 音頻功能實現。為了還原火災中緊張的氛圍，使用警報等聲音是至關重要的。這里用Unity插件來完成音視頻的導入。

實現方法：視頻加載在Unity3D中主要通過AVPro Video插件完成。首先導入插件，然后選擇合適的UI位置，添加一個播放按鈕（包括播放、暫停、播放下一個、進度條、音量按鈕等）。

2.2.6 測試題庫功能實現。為了鞏固用戶的學習效果和加強對火災逃生相關知識的記憶，本系統通過加設題目來檢測學習成果。考慮到部分兒童不具備使用鍵盤進行打字的能力，因此題目以選擇題為主，通過鼠標點擊正確答案，即可快速考驗他們的學習成果。

實現方法：新建一個文本，在文本中按順序列出10個題目和對應選項，在后面標注出正確的選項號。作為功能開發的基礎，將其導入項目文件夾中，通過C#腳本的編寫來控制題庫中數組的遍歷，檢測并捕捉到用戶輸入的答案并和題庫中給出的標準答案進行對比，判斷正誤后更新正確率，并給出相應的語音提醒。測試題顯示效果如圖4所示。

3 結論

為了引導兒童學習火災逃生知識，本文利用3DS Max制作火災場景模型，利用Unity3D制作人機交互、火焰粒子效果、動畫顯示等功能，最終設計開發完成了一套三維兒童火災逃生教育系統。該系統實現了場景瀏覽、人機交互、導航顯示、倒計時提醒和問題測試等基本功能。該系統能直觀地讓兒童進行火災自救演練，可以更好地激發兒童學習興趣，以達到消防教育的目的，為將來兒童應對火災突發事件做好準備。

參考文獻：

[1]楊鎮豪，田壘，朱留川.基于Unity 3D的火災逃生模擬系統的實現[J].電子技術與軟件工程，2018（1）：52-53.

[2]王瑜.基于虛擬現實的兒童火災逃生游戲的設計與開發[J].伊犁師范學院學報（自然科學版），2018（3）：59-63.

[3]何崗，李俊，張鋒.基于Unity3D的消防3D情景實訓系統的設計與實現[J].軟件產業與工程，2014（6）：43-48.

[4]陶亮.3D火災逃生模擬系統設計與實踐[J].沈陽農業大學學報（社會科學版），2007（5）：779-782.