采用虛擬聚焦交互技術的消防教育系統研究

蔡青青，陳思源，楊芳圓

（1.紹興職業技術學院 信息工程學院，浙江 紹興 312000；2.中國聯通紹興分公司，浙江 紹興 312000）

0 引 言

火災是最常見的威脅人身安全的災害之一。通過對大量火災案例分析發現，多數人員無法正確利用標志引導脫險，特別是老幼等弱勢群體[1]，需要引起重點關注。目前，我國消防科普主要采取宣傳海報、微信公眾號以及視頻廣告等形式，在一定程度上起到了普及作用。但受時空的限制，消防科普缺少交互性，受眾人員缺乏學習興趣[2-3]。部分學校和單位等開展火災演練，教育效果相對較好。但由于火災發生的特殊性，公眾很難親身體驗真實情景，無法通過有效的方式自救。另外，該類科普忽視了對消防標志的宣傳教育。

有效學習應該包括學習動機、清晰的學習目標以及足夠的練習3個部分[4]。為推進“智安城市”項目建設，加強對消防標志的宣傳教育，增加學習趣味性，設計一款采用虛擬現實技術的消防教育系統。目前，虛擬現實技術的解決方案主要有HTC VIVE、Oculus、Cardboard以及Gear VR等。其中，HTC VIVE需要連接電腦使用；Oculus主要針對國外市場，國內市場很難獲取；Cardboard是谷歌的產品，其應用主要發布在Google Play應用市場；Gear VR由三星公司開發，采用手機式設計，不需要連接電腦使用，并且完全兼容Oculus SDK，具有價格便宜的優勢。鑒于此，本系統選擇基于Gear VR開發。針對傳統Gear VR凝視技術在虛擬交互中容易誤觸發的問題，對Oculus SDK的凝視功能進行研究，提出一種基于Gear VR的虛擬聚焦交互技術。

1 虛擬消防教育系統總體設計

虛擬消防教育系統主要涉及三維場景建模、場景渲染以及虛擬交互等技術。三維場景建模采用3ds MAX軟件，場景渲染采用Unity引擎，虛擬交互制作采用Gear VR相關技術。

1.1 系統總體框架

虛擬消防教育系統框架如圖1所示。系統實現方面，采用3ds MAX進行三維建模，搭建消防體驗館虛擬場景，采用Unity引擎進行場景渲染，采用Gear VR相關技術對交互對象檢測和使用的交互動作進行識別，采用本文提出的虛擬聚焦交互技術完成交互設計與制作，從而實現在場景顯示相應的提示文本，播放解說的語音、視頻及三維動畫等功能。系統采用人機虛擬交互的方式進行仿真交互，通過對交互對象和事件的綜合處理，實現消防安全教育功能仿真。

圖1 虛擬消防教育系統框架圖

1.2 系統場景構建

學習者在一個優美的、逼真的虛擬教學環境進行學習，對學習內容的印象會更加深刻。根據本系統的場景模型需求，選擇3ds MAX 2016工具對虛擬消防體驗館及其場景物品進行三維建模，采用烘焙貼圖技術進行貼圖處理，將每一個模型單獨導出為獨立的fbx文件。

由于3ds MAX建模工具采用多邊形網格的方法制作模型，為真實還原物體原型，該方法往往需要使用幾百萬個甚至更多的多邊形網格，在實時運行應用時，設備終端需使用大量內存來渲染該模型。為有效解決內存消耗過大的問題，同時保持模型細節，將模型導入Unity進行調整，采用細節層次（Level of details，LOD）技術對場景進行優化[5]，提高運行效率和精細度。運行實例效果如圖2所示。

圖2 消防體驗館虛擬場景

1.3 人機交互設計

游戲問答式的人機交互是虛擬消防教育系統最大的特點。與傳統的非交互式消防教學系統相比，本系統增加了學習者自主學習過程，通過高強度的參與性，使消防教育更具有趣味性，從而提高學習者的學習興趣與專注度。該部分功能的實現需要使用3D引擎開發工具。在眾多的開發工具中，Unity引擎有著性價比高、適合在移動端開發3D應用以及對硬件設備要求不高等優點，因此本文采用Unity引擎實現交互設計。

1.3.1 Unity事件函數驅動機制

Unity引擎采用事件函數驅動機制實現場景渲染和人機交互等功能[6-7]，其主要功能函數的工作流程如圖3所示。事件函數組成Unity腳本，Awake、OnEnable及Start函數在游戲開始之前、初始化變量或游戲狀態時執行；FixedUpdate函數是固定幀更新，適用于Unity中物理引擎的計算，通常用在剛體（Rigidbody）的受力處理；物理引擎的碰撞檢測是Unity實現虛擬人機交互的關鍵技術，該技術的實現與處理由OnCollisionEnter、OnCollision Stay、OnCollisionExit或OnTriggerEnter、OnTriggerStay以及OnTriggerExit函數輔助完成；Update函數用于邏輯更新，通常用于控制的實現；OnDisable函數、OnDestroy函數在游戲場景中物體被銷毀時被調用；OnApplicationQuit函數是在應用程序退出時被調用。

圖3 Unity引擎事件函數驅動流程圖

1.3.2 碰撞檢測技術

碰撞檢測技術是虛擬現實交互實現的重要技術。在Unity引擎中，檢測碰撞發生的方式有兩種：一種是利用碰撞器，另一種是利用觸發器。兩種技術都基于盒碰撞器、球碰撞器、膠囊碰撞器、網格碰撞器以及角色控制碰撞器開發[8-9]。場景中的規則物體如立方體、球體及膠囊體，可對應使用盒碰撞器、球碰撞器及膠囊碰撞器來實現碰撞，不規則的三維模型網格外形采用網格碰撞器模擬碰撞效果，角色控制碰撞器用于判斷場景中主要角色是否與其他物體發生碰撞。虛擬消防教育系統主要使用盒碰撞器和膠囊碰撞器。

2 基于Gear VR的虛擬聚焦交互技術

在基于Gear VR的虛擬消防教育系統中，碰撞發生在凝視射線和場景的任意對象之間。因此，針對凝視射線誤觸發率較高的問題，提出一種基于Gear VR的虛擬聚焦交互技術。

2.1 實現原理

基于Gear VR的虛擬現實項目通過凝視功能激活場景的交互對象實現交互。場景主相機掛載的VREyeRaycaster組件模擬用戶視線投射出一條射線，當該射線投射到場景對象所在的碰撞器，若該對象掛載了VRInteractiveItem組件，則觸發OnOver事件；當射線移出交互對象時，觸發OnOut事件。然而，虛擬消防教育系統有大量的交互對象相鄰，常會發生誤觸發的情況，影響用戶體驗。因此，本文提出一種基于Gear VR虛擬聚焦交互技術。

本文方法在圖3所示Unity事件函數驅動的基礎上，對Oculus SDK的凝視技術進行改進。在觸發OnOver事件后，添加延時等待的處理動作，配合使用Image控件的fillAmount屬性呈現加載過程，增強用戶體驗感。當用戶凝視交互對象達到指定時間后，觸發自定義事件OnTrigger，供系統處理交互事件。其工作流程如圖4所示。

圖4 本文方法事件函數驅動流程圖

2.2 本文方法實現流程及步驟

本文方法的實現流程如圖5所示，主要步驟如下：

圖5 基于Gear VR虛擬聚焦交互技術流程圖

（1）聲明變量isOn，用于標記視線是否聚焦于交互對象，初始值設置為false；聲明變量isTrigger，用于標記當前對象是否確認為需要交互的對象，初始值設置為false；

（2）當視線聚焦交互對象時，其VRIntera- ctiveItem組件中IsOver屬性設置為true；

（3）當isOn=false且IsOver=true時，圖像控件屬性fillAmount+=Time.deltaTime/triggerTime；

（4）當圖像控件的fillAmount屬性增加到1時， 將isTrigger設置為true，同時生成自定義事件On Trigger，且將isOn標記為true；

（5）當視線移出交互對象時，將isOn標記為false，isTrigger標記為false。

基于Gear VR的虛擬聚焦交互技術實現效果如圖6所示。當凝視射線接觸到可交互對象時，畫面開始轉圈，等待確認時長結束，觸發交互。

圖6 本文方法實現效果圖

3 虛擬消防教育系統實現

3.1 系統總體開發流程

虛擬消防教育系統總體開發流程如圖7所示。首先，需要制作消防標識和消防館場景等圖像集，用3ds MAX制作模型和紋理貼圖等，重建消防館的虛擬三維場景，同時創建演示文字和解說音頻等資源庫，將以上所有資源導入到Unity引擎中；其次，在Oculus官網下載SDK文件，引入本系統，進行Gear VR的開發環境配置，開發本文提出的基于Gear VR的虛擬交互技術；再次，利用該技術制作凝視功能，實現各場景的交互功能；最后，生成虛擬消防教育系統應用，進行測試與改進。

圖7 系統總體開發流程

3.2 系統的實現

為了驗證本文方法的有效性，采用3ds MAX 2016制作三維場景與模型，采用Unity 2017進行場景渲染，基于Oculus SDK編寫代碼進行交互制作，導出虛擬消防教育系統應用，將生成的APK文件導入三星S8手機，在三星Gear VR虛擬現實設備中進行測試。在學習模塊，當視線凝視“推開”消防標識圖標時，系統彈出對話框，并進行文字解說，如圖8所示。

圖8 “推開”消防標觸發效果圖

在練習模塊，系統開發了大量的測試練習題，可供使用者進行大量的交互，如圖9所示。用戶通過本文提出的基于Gear VR的虛擬交互技術進行選擇答題，如果回答正確，系統彈出如圖10所示的界面，同時配有回答正確的音效；如果答錯，系統彈出如圖11所示的界面，同時配以回答錯誤的音效，并且對題目進行簡單分析，增加系統趣味性，加深使用者的理解和記憶，同時提升虛擬消防教育的體驗感。

圖9 答題功能界面

圖10 答對效果圖

圖11 答錯效果圖

4 結 語

為解決傳統消防教育的弊端，研究基于虛擬現實技術的消防教育技術，提出了基于Gear VR的虛擬消防教育系統的設計與開發方法，給出總體設計和技術方案，開發了一套虛擬消防教育系統。為解決Gear VR在虛擬場景中容易誤觸發交互的問題，研究了Oculus SDK的凝視功能，開發出基于Gear VR的虛擬聚焦交互技術。實驗表明，本文所提的方法可以有效解決Gear VR凝視射線交互容易誤觸發交互和體驗感差的問題，可精確實現聚焦交互，增強了虛擬現實應用的體驗感，同時解決了傳統安全教育枯燥乏味、缺乏交互以及不易記憶的問題。