基于增強現實技術的災害救援煙霧環境模擬軟件開發

徐佳琦

（江蘇新禾建設工程有限公司 江蘇省南京市 211135）

地震后的救援現場經常充滿煙塵，火災后的救援現場常充滿燃燒后有毒的濃重黑色煙霧。因此，災后救援人員需要在低可見度的環境中進行訓練，以應對上述救援情形。對于救援人員而言，暴露在煙霧中對其呼吸系統造成的損傷甚至超過救援時的直接傷害[1]。煙霧造成的損傷包括直接傷害和間接傷害。直接傷害為吸入有害煙霧粒子從而對呼吸系統造成的損傷。間接傷害為煙霧造成環境的可見度降低，從而影響救援人員的準確判斷[2]。統計表明，在未接受過專業的低可見度環境訓練的人員中，90%以上人員在濃煙中有效行進距離不超過16 米[3]。而通過在低可見度環境的有效訓練，救援人員在該環境中的判斷能力能夠得到有效的提高[4]。

目前，救援人員通常使用煙霧模擬器對真實場地中的低可見度煙霧環境進行模擬[5]。煙霧模擬器通常將乙二醇或甘油同蒸餾水混合，在空氣中蒸發和冷凝，從而產生煙狀效果。其模擬產生的煙霧中含有大量化學成分，吸入后可對救援人員的呼吸系統造成損傷[6,7]。而救援人員在平時訓練中與煙霧接觸時間較長，煙霧對其健康造成的影響不可忽視。2012年，美國健康危害評價部門在得克薩斯州消防局對使用煙霧模擬器后的房屋進行取樣分析，并調取了消防員的健康檔案，得到的結論為，即使在未加熱且無明火的情況下，僅使用煙霧模擬器的房屋空氣中礦物油霧、二甘醇和甲醛的含量仍然遠超安全標準。而在訓練中引入明火和高溫后，即使在密閉房門外的走廊中，空氣中的有毒物質含量仍然超標[8]。短時間暴露在礦物油霧、二甘醇和甲醛中將導致眼部及肺部的不適，而長時間的暴露將造成肺部的嚴重損傷。因此，救援人員在訓練中需要采用新型的安全健康的煙霧模擬方式。

本文作者應用增強現實技術為救援人員提供了一種新型的煙霧模擬方式。目前在災后救援領域，增強現實技術主要應用于為救援人員提供虛擬地圖及導航[9–11]。本文應用增強現實技術，直接將虛擬煙霧粒子在真實環境中顯示，從而模擬煙霧環境。此應用僅需模擬煙霧環境，使用者可以通過增強現實設備直接觀察周圍的真實環境，從而免去了對周邊環境建模的工作。同時，本應用基于的增強現實設備為可穿戴設備，保證了救援人員可以方便的將其應用于所有可能場景，而無需對場景的變換進行建模。利用增強現實技術進行模擬的煙霧環境可以應用于救援人員的訓練中。此煙霧效果的組成成分為虛擬激光粒子，效果與真實煙霧相近，而對身體無害。根據訓練目標不同，救援人員可以在訓練中自行調節煙霧的顏色及濃度，用于逼真的模擬各種煙霧場地的環境。煙霧的顏色為RGB色盤調節，可滿足真彩色要求。煙霧的濃度設置可滿足可見度為0 ～100%的區間設置。應用增強現實技術替代傳統的煙霧模擬器對煙霧場地進行模擬，可使得救援人員的訓練更加安全、健康，且花費更低。

本文在接下來的章節中首先介紹了本軟件的設計思路及流程，然后介紹了軟件界面設計，最后通過試驗驗證了本軟件的有效性。

1 軟件設計

圖1：HoloLens2 增強現實眼鏡

圖2：SmokeGen 軟件設計流程圖

本軟件SmokeGen 基于微軟公司的HoloLens2 平臺進行設計，使用Unity 3D 軟件（2019.4.10 版本）進行編程。設備如圖1 所示。

SmokeGen 的設計包括兩個模塊：煙霧粒子和顏色選擇器。其中，顏色選擇器包括三部分：RGB 顏色菜單、色調選擇菜單以及透明度菜單。圖1 為該軟件的設計流程圖。

1.1 煙霧粒子設計

本軟件中的煙霧粒子由Unity 3D 中用于模擬微小圖元的粒子系統進行模擬。粒子系統中的每一個圖元成為一個“粒子”，每一個粒子在應用中表現為煙霧中的一顆微塵。系統將所有粒子協同進行模擬，從而展現逼真的煙霧效果。通過改變粒子的參數，包括顏色、尺寸、移動速度等，可以模擬不同的煙霧效果。

圖3：煙霧顏色設計

圖5：軟件控制手勢air-tap[12]

如圖2 所示，在設計煙霧粒子時，第一步為設計粒子基本參數。在SmokeGen 中，作者通過改變粒子的參數達到控制煙霧的目的。本軟件中粒子的設計目標為使煙霧效果連續且隨機。粒子的參數可分為三類：基本參數、揮發模型參數以及時變模型參數。三類參數的取值分別參見表1 ～3。

1.2 煙霧顏色設計

煙霧的顏色為煙霧的重要特征之一。SmokeGen 的設計思路為提供盡量多的顏色供使用者選擇，同時兼顧顏色選擇的便捷性。本軟件設計界面采用兩步顏色選擇法：

（1）通過滑動滑塊選擇色調（圖3 有色顏色選擇欄）；

（2）通過單擊左側RGB 顏色區在已選定的色調內選擇特定顏色。

在界面頂部的兩個色塊中，左側色塊為當前選定的煙霧顏色，右側色塊為上一次選擇的煙霧顏色。若對本次選擇顏色不滿，可直接點擊右側色塊恢復上一次的煙霧顏色選擇。

表1：煙霧粒子基本參數

表2：煙霧粒子揮發模型參數

表3：煙霧粒子時變模型參數

1.3 煙霧濃度設計

煙霧濃度決定了真實環境的可見度，為煙霧模擬的另一重要參數。本軟件中將濃度調節滑塊與顏色調節界面融合，見圖3 底部標注為“透明度”部分。滑塊最左側為可見度100%，即煙霧濃度為0。滑塊最右側為可見度0%，即煙霧濃度為100%。

2 軟件界面設計

SmokeGen 為輔助救援人員訓練設計，因此其設計邏輯為最大程度上降低救援人員的學習認知成本、降低軟件學習培訓時間、以及不妨礙正常救援任務訓練的開展。以此為設計準則的人機交互界面應盡可能簡潔，且操作符合第一直覺。

2.1 軟件界面

SmokeGen 的交互界面如圖4 所示。該軟件的操作界面僅包括兩個按鍵及一個顏色控制菜單。兩個按鍵分別控制煙霧效果的開啟及關閉，單擊操作。顏色菜單的操作已在1.2 節中介紹，再次不再贅述。

值得注意的是，圖4 中顯示的操作界面應用增強現實技術直接顯示在實際環境中。此圖背景為公寓房間。救援人員在操作軟件的同時，可觀測到實際周邊環境。

圖6：救援人員應用SmokeGen 軟件

圖7：室內環境中的煙霧效果

2.2 手勢控制

圖8：室外陽光下的煙霧效果

增強現實設備HoloLens2 由手勢進行控制。本軟件應用了“指向”和“air-tap”兩個交互手勢。圖3 中白色激光線為手指方向的延長線。其指向方向有食指控制。用戶通過移動食指控制激光指向自己希望點擊的位置。

當激光移動到正確位置后，救援人員通過air-tap 的動作進行確認，具體手勢如圖5 所示。此動作可類比于鼠標的單擊操作。

圖6 為救援人員應用此軟件進行訓練的照片。救援人員頭上佩戴的即為HoloLens2 增強現實設備，手持的為溫度感應儀。此救援人員眼前出現的為圖4 中的操作界面，但除佩戴特定增強現實設備的人員外，其他人無法觀測到煙霧效果。

3 試驗驗證

本文通過兩組試驗對SmokeGen 軟件的實用性進行驗證。兩組試驗分別在室內及室外進行，以驗證該軟件在不同場地中適用性。

3.1 試驗準備

試驗前期準備設備為已預裝SmokeGen 軟件的HoloLens2 增強現實軟件，如圖1 所示。試驗者已經過培訓，可熟練使用此設備，并充分了解軟件所需的操作手勢，如圖5 所示。

第一組試驗為室內煙霧試驗。試驗場地為公寓房間，房間面積約為20 平方米。為保證試驗安全，室內空間除家具外已清理完畢。

第二組試驗為室外煙霧試驗。試驗場地為位于美國新墨西哥州阿爾伯克基市某公園中的步行橋。橋梁總長約20 米，寬度約2.5 米。試驗時間為下午15 時，光線充足。

3.2 試驗過程

兩組試驗的試驗流程相同，均分為三步：

（1）試驗煙霧開啟效果（默認煙霧顏色為白色）；

（2）試驗煙霧更改顏色（本試驗中為明確區分，將顏色更改為紅色）；

（3）試驗煙霧更改透明度，分別試驗可見度為0、30%、80%的煙霧效果。

3.3 試驗結果

3.3.1 第一組試驗結果（室內）

第一組試驗結果如圖7 所示。

圖7(a)為可見度為0 的條件下的白色煙霧。在其條件下室內家具及軟件操作界面幾乎不可見，煙霧效果均勻彌漫整間房間。

圖7(b)為可見度為30%的條件下的紅色煙霧。煙霧顏色及濃度成功設置。在此條件下可見部分家具，操作界面清晰可見。

圖7(c)為可見度為80%的條件下的紅色煙霧。煙霧顏色及濃度成功設置。在此條件下家具及操作界面均清晰可見，可見少量煙霧效果。

此試驗驗證了在室內正常光線條件下，SmokeGen 軟件模擬的煙霧效果逼真，顏色及濃度調節可方便實現。煙霧顏色、濃度區分有效，可用于救援人員的訓練中。

3.2.2 第二組試驗結果（室外）

第二組試驗結果如圖8 所示。由于SmokeGen 產生的煙霧中的粒子為激光圖像，因此需保證其在室外較為強烈的陽光下仍然可以正常顯示。

圖8(a)為可見度為0 的條件下的白色煙霧。相比于室內的光線條件，在室外光線充足的環境中，煙霧的亮度略有降低，但在可見度設定為0 時仍然可遮蔽橋梁構件。煙霧效果逼真有效。

圖8(b)為可見度為30%的條件下的紅色煙霧。煙霧顏色及濃度成功設置。類似的，同等可見度參數條件下，在室外環境中煙霧亮度略有降低，但煙霧的顏色及濃度效果依然清晰有效。

圖8(c)為可見度為80%的條件下的紅色煙霧。煙霧顏色及濃度成功設置。在此可見度參數條件下，煙霧效果不明顯。

此試驗驗證了在室外較強烈的光線條件下，SmokeGen 軟件模擬的煙霧仍然效果逼真，且可成功調節顏色及濃度。煙霧顏色、濃度區分有效，可用于救援人員的訓練中。但在可見度的參數設置時需考慮環境光線的因素。光線較強時可適當降低煙霧效果可見度，以保證煙霧模擬效果。

4 結語

本文應用增強現實技術，為救援人員在煙霧環境中的災后救援訓練設計了新的軟件，SmokeGen。此軟件采用增強現實技術模擬煙霧環境，可有效降低在訓練中對煙霧發生器的使用頻次，從而減少救援人員在訓練中暴露在有毒化學物質中的時間。本軟件可方便、定量的調節煙霧效果的顏色及環境可見度。本文在室內、室外分別對軟件進行了測試。試驗表明，該軟件可有效的應用于室內及室外環境。