基于VR 的地震避險訓練系統設計與實現

李 琨，郝 亮，阿那爾

（內蒙古自治區地震局，內蒙古 呼和浩特 010010）

0 引言

一方面，我國受到亞歐和環太平洋兩大地震帶的交叉影響，有著十分活躍的地震活動，僅在2008—2017年間，就有汶川、玉樹、雅安、于田、九寨溝等地震發生，死亡、失蹤人數達10 萬之眾。另一方面，隨著我國城鎮化水平不斷提高，人口密集場所越來越多，一旦發生破壞性地震，如何緊急避險，如何將人員快速轉移至安全地帶，將是保證生命安全的重要問題。而日常科學、合理的地震避險訓練是解決這一問題的必要手段。例如，四川綿陽安縣桑棗中學，校長在平時就非常重視應急疏散訓練，在汶川地震發生時， 2200 多名學生和上百名老師在 1 分 36 秒內撤離教室，無一人傷亡[1]。

1 地震避險訓練現狀

現階段地震應急避險培訓主要有兩個方面：

（1） 書面、人員或設備講解，主要途徑有發放宣傳冊、展館講解、地震安全員入校或進單位講解。

局限性：被動、枯燥，缺乏互動性和融入感，難以觸動身體和心理的應激反應。同時，因為場館和專業講解人員少，社會覆蓋面小。

（2） 組織災難避險訓練，聯合相關主管部門組織各單位進行災難疏散、避險訓練。

局限性：地震準確預報是公認的世界難題，唯一一次因準確預報而避免傷亡的是1975年2月4 日發生在我國的海城地震，其余破壞性地震在世界范圍內均未準確預報，因此，就現階段來說，熟練掌握地震應急避險技能更有利于規避地震風險。在對目前公眾地震應急需求的調查中，只有3．46%的受訪者認為地震預報在規避地震風險中具有更重要的地位，而79．24%的受訪者認為掌握應急避險技能比依賴地震預報更有利于規避地震風險[2]。而另一方面，傳統地震應急避險訓練，由于前期組織工作量大，需要停工、停課，組織成本、時空成本過高，現實中往往會盡量壓低訓練次數，甚至不訓練。

2 虛擬現實技術在地震避險訓練中的顯著優勢

2.1 虛擬現實的定義

虛擬現實（Virtual Reality，簡稱VR），由美國人Jaron Lanier 在1980年代提出。由計算機及外圍接口設備組成，在計算機上生成圖形系統，通過接口設備實現控制、交互，而組成的三維沉浸系統。

2.2 虛擬現實的特性

早在 1993年，Burdea G 和 Coiffet PZHI就提出了虛擬現實3I 特征的“三角形”模型。

圖1 虛擬現實特性Fig.1 Characteristics of virtual reality

沉浸性：即用戶在系統中所感知到的真實感。越是理想的系統越使用戶真假難分。

交互性：即系統對用戶做出的反饋。越是理想的系統其反饋越及時、自然而全面。

想象性：即用戶在系統中的能動性。越是理想的系統越能夠使用戶主動的探索，尋找答案，從而形成新的認知。

2.3 顯著優勢

相較于傳統地震避險宣傳教育，由于VR的特點，使得場景中的信息表達具有高逼真度、高認知率、信息展示效果突出，任何互動行為都有即時的反饋，有一定的效果優勢。

基于VR 的地震避險訓練，沒有地點和時間的限制，只要具備軟硬件條件即可實施，便于在科普館、社區文化站、學校等地點布設，甚至可以自行下載，隨時訓練，在時空靈活性上有優勢。

顯著降低組織者的組織成本、參與者的參與成本及實際耗材的使用成本，被培訓者可以根據需要，隨時鞏固培訓效果，相較于傳統應急避險訓練，具有顯著的成本優勢。

對于倒塌、火災、泄露等現實中不變模擬、實訓的場景，可以在虛擬現實中模擬實現，進行培訓。

通過虛擬現實中被訓者的表現和反饋，可以及時對培訓效果進行評價，并可對系統及時修正、改進。

2.4 VR 技術在國內外地震災害領域的應用

有希臘研究員在2006年，就使用基于計算機的VR 技術開發了一套模擬地震環境的兒童安全教育系統，實踐結果表明，該系統對兒童（甚至智障兒童），能有效的降低災難突發時，他們的恐慌程度；在2015年6 月，美國RYOT公司制作了首部基于VR 自然災害紀錄片，該片重現了尼泊爾7.8 級地震中巴克塔普爾和新圖巴爾恰克兩個重災區地震來臨時的場景，使觀者仿佛置身于崩塌的碎石和廢墟中；在2018年紀念汶川地震十周年時，中國國家地震局使用VR 技術制作了汶川地震的紀錄片，重現了地震現場的悲愴與震撼，再現了抗震救援的眾志成城和從重建到重生的不屈精神。近年來隨著VR 技術的不斷成熟，在自然災害、消防安全、礦山救援、實驗室安全等諸多方面都得到了廣泛的應用，展現了其有效性和廣闊的前景。

3 基礎環境及硬件平臺

本系統的開發環境為 Unity3D 引擎 ，硬件選用HTC VIVE 作為虛擬實現設備，運行環境為Steam VR Plugin。

Unity3D 是 Unity Technologies 公司開發的跨平臺的VR 開發引擎，具有一鍵發布跨平臺的特性，具備強大的資源整合和綜合編輯能力，擁有豐富的光影和物理特效。

HTC VIVE 是 HTC 公司和 Valve 公司共同研發的VR 實現設備，依托于Valve 公司的Steam VR 技術實現沉浸式的交互體驗。其由頭盔、兩個手柄和兩個定位器組成（圖2）。頭盔視角110°，刷新率90 赫茲，單屏分辨率1080×1200，雙屏分辨率2160×1200。兩個手柄均配有紅外傳感器和五個按鈕，傳感器用于追蹤手柄位置及位移，按鍵詳見圖5。兩個定位器均采用Light House 技術，用于掃描用戶位置及姿態。

Steam VR Plugin 是由 Valve 公司基于Unity3D 針對頭戴VR 設備開發的插件，其通過對頭戴設備系統的管理和控制實現與Unity3D場景的交互。

圖2 虛擬實現設備Fig.2 Virtual implementation device

4 基于 Unity3D 的地震避險訓練系統的開發

系統的開發可分為三個階段，依次為虛擬建模階段，場景搭建階段，功能實現階段，在虛擬建模階段主要包括三維建模，標簽貼圖，動畫制作模塊；在場景搭建階段主要包括場景渲染，音效加載，場景控制；功能實現階段主要包括碰撞觸發，角色動作，劇情任務等。流程如圖3 所示。

圖3 虛擬地震避險系統開發流程圖Fig.3 Development flow chart of Virtual Earthquake avoidance system

4.1 虛擬建模

虛擬建模主要負責場景要素設計與制作，包括三維建模、標簽貼圖、動畫制作。

三維建模是在Maya 軟件中對訓練系統中所需要的場景、物體等進行幾何建模，包括場景的設計、布局以及場景內物體的設計。

標簽貼圖是在PhotoShop 里對二維圖形圖像進行處理，繪制室內外裝飾、標識、建筑物玻璃、浮雕等標簽貼圖，如黑板、相框、國旗、玻璃等。

在3DSMax 里創建虛擬訓練的相關動畫，如通過關鍵幀控制物體移動或沿某個軸旋轉，以添加物體滑動和傾倒的效果；對選中對象添加噪波位置并設定相關參數，以添加振動的效果等。

模型建成后壓縮并生成FBX 文件導入Unity3D 中，在模型導入Unity3D 時，三維建模軟件中重復出現的模型，導入Unity3D 中以后會被識別成不同的網格信息（Mesh），且Mesh Filter 組件只能夠載入單個Mesh，所以，本例是用一個文件導出所有要用到的Mesh，之后在Unity3D 中分別調用。

4.2 場景搭建

場景搭建主要負責對三維模型和動畫進行視覺和音效的渲染，并對場景加載和狀態進行管理。

視覺渲染即場景渲染是指三維模型的光照、陰影，隨著角色的移動實時呈現各個角度的場景效果，通過 Occlusion Culling 對陰影、光照、材質等場景進行優化。通過粒子系統來模擬粉塵、火花、地面龜裂等特效，如圖4 所示。

圖4 場景渲染圖例Fig.4 Scene rendering legend

聲音加載是通過為主攝像機添加audio listener 組件，同時對場景和物體對象添加audio source 組件實現，如地震的轟鳴、桌椅滑動和傾倒聲音、玻璃破碎的聲音和其他警示音等。

場景控制：每一個場景都是都是一個獨立的.unity 文件，對其進行編號并加載到ScenesIn Build 列表中，通過使用 Application 類的靜態成員函數 Load Level（） 可以實現場景加載。對Unity3D 中Time 類的 timeScale 屬性進行控制，以實現對游戲狀態的管理。

4.3 功能實現

在場景搭建完成后，需要控制角色的動作以觸發劇情的發展，從而實現系統的功能，在這個過程中貫穿著角色動作、劇情任務和碰撞觸發三個模塊。

在角色動作中我們選擇了HTC VIVE 的頭盔和手柄替代了傳統的鍵盤和鼠標，以增強沉浸效果。通過頭盔的扭轉可以觀察周圍環境和確定行動的方向，通過碰撞檢測以確定第一人稱角色和周圍物體對象的關系，通過手柄按鈕調用觸發功能以實現抓取和事件觸發（圖5）。具體實現過程如下：

角色動作在Steam VR Pugin 和VRTK 環境中實現，首先將Steam VR Pugin 和VRTK 插件導入Unity3D 中；將用戶至于場景靠近中心位置區域，根據場景模型的大小調整Steam VR Pugin 預制件 [Camera Rig]， [Camera Rig] 的子類 Camera（head）、Contorller（left）、Controller（right），分別對應用戶頭部顯示器和左右手柄。設置好 [Camera Rig] 后，即可對場景進行360度觀察；在手柄對象上掛載VRTK 的 VRTK_ControllerEvents 腳本，對手柄按鈕事件進行監聽，手柄鍵位如圖5-②所示，在 [Camera Rig]掛載 VRTK 的 VRTK_HeightAdjustTeleport 腳本負責瞬間移動的執行，Simple Pointer 腳本從控制器尾部發出一個有色光束來模擬激光束（默認Grip 鍵激活），確定移動的目標點后直接改變[CameraRig] 的坐標實現瞬間移動；VRTK_InteractTouch 腳本負責觸碰功能，VRTK_Interact-Grab 負責抓取功能（Tigger 設為抓取激活鍵）；以調用 GameObject.SetActive 的方法對二維菜單進行激活（Application Menu 鍵）。

圖5 手柄鍵位圖Fig.5 Handle button diagram

劇情任務包括兩個方面，一方面負責不同劇情場景按順序執行，一個劇情結束后，按編號順序進入到下一個劇情，直到所有劇情執行完，任務結束。另一方面，管理每一個劇情中道具的使用，消息提示，事件等。流程如圖6所示。

圖6 劇情任務流程圖Fig.6 The flow chart of plot task

碰撞觸發主要負責碰撞的檢測和觸發，碰撞檢測即感知場景中物體對象的存在，通過盒式碰撞和基于網格的MeshCollider，來實現角色與周圍物體對象的碰撞檢測。將VRTK 的VRTK_InteractableObject 腳本掛載在物體對象上，并調整相應參數，以實現相應物體的抓取和功能觸發。

5 評估與討論

在測試環節中，根據培訓方式及測試內容，把36 個學員均分成A、B 兩組進行相同時間的學習，A 組發放宣傳冊書面學習，B 組進入虛擬系統學習，兩小時后，系統更換同類別不同的場景，并刪除標簽和語音提示進行測試，A組有6 人（占30%） 通過全部測試平均用時5分12 秒，其余學員沒通過測試的環節主要發生在未進行頭部保護、靠近易破碎區域、靠近塌陷區域、靠近導電的水流。B 組有13 人（占72.2%） 通過全部測試，平均用時3 分32 秒，5 名沒有通過測試的學員中3 例為未彎腰前行。通過A、B 組實驗來看，虛擬系統相對于傳統書面學習，無論在通過成功率還是逃生用時方面均有大幅提高，但也反映出彎腰前行提示度不夠，需進一步加強。

根據年齡及受教育層次，把另外36 個學員均分為C、D 兩組，一組為8-14 周歲的小學和初中學生；另一組學員年齡為16-52 周歲，學歷為高中至碩士。C、D 兩組進行相同時間的學習，兩小時后，系統更換同類別不同的場景，并刪除標簽和語音提示進行測試，C 組通過人數為 13 人（72.2%），平均通過時間 3 分 21秒；D 組通過人數為14 人（77.8%），平均通過時間3 分30 秒。兩組結果比較接近，說明通過系統進行訓練后，不同年齡段，不同受教育水平的學員都能取得較好的成績。

測試結果表明，虛擬技術在地震應急避險訓練中能夠彌補傳統地震安全教育的不足，能夠提高學員的認知和理解水平，且不同年齡段、不同教育程度的學員都能取得較好的成績，具有普遍的適用性。

以上測試均以房間模式進行，房間模式需裝定位器，訓練需通過角色小范圍動作配合完成，互動性更好，空間需要1.5m×2.0m≤3m×4m，可廣泛地布設于單位、學校和社區文化站等。在推廣測試過程中，年齡過高或體質較弱的測試者小概率會出現暈動癥，針對暈動癥和不能滿足1.5m×2.0m 最小空間要求的情況，可采取坐立模式，坐立模式不需要裝定位器，也不需要身體動作配合，僅需手柄光束定位，在坐姿或站姿狀態下即可完成全過程。

測試中，在有標簽和語音提示的情況下，最長通過時間≤4 分鐘，以學校為例，每個學生完成學校和家庭（大概率場景） 兩個場景最長用時≤8 分鐘，7 套設備可以在40 分鐘內完成對一個標準班（35 人） 的培訓，即用7 套設備就可以在一節科學課或活動課完成對一個班的培訓。

隨著更多不同場景的加入，不斷提高真實感和沉浸感，虛擬技術在地震應急避險訓練中將會發揮更廣泛的作用。