基于VR技術(shù)的劇情化消防安全體驗(yàn)館設(shè)計(jì)研究

摘要：

為了增強(qiáng)消防安全教育的吸引力，提升教育質(zhì)量，本文設(shè)計(jì)了基于虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）技術(shù)的劇情化消防安全體驗(yàn)館。首先，詳細(xì)規(guī)劃了體驗(yàn)館的核心場景、劇情流程及關(guān)鍵功能模塊，利用實(shí)時互動和決策點(diǎn)精心編織劇情，引導(dǎo)用戶通過模擬體驗(yàn)深入了解消防安全知識。其次，使用3D MAX軟件構(gòu)建了精細(xì)的虛擬火災(zāi)場景，通過Unity引擎進(jìn)行高級開發(fā)，打造出一個既真實(shí)又充滿緊張感的劇情化虛擬環(huán)境。該體驗(yàn)館能顯著提高用戶的沉浸感，并有效增強(qiáng)參與者在緊急情況下的應(yīng)急反應(yīng)能力，使用戶能更好地掌握消防安全操作，為消防安全培訓(xùn)提供了新的視角和方法。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí)；VR；劇情化體驗(yàn)館；消防安全；火災(zāi)逃生

引言

隨著電器的廣泛使用以及城市化進(jìn)程的加快，住宅和商業(yè)建筑的火災(zāi)事件頻發(fā)。在這種背景下，消防安全教育在保護(hù)公眾生命財(cái)產(chǎn)安全方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。有效的消防安全教育不僅能提高公眾對火災(zāi)危險的認(rèn)識，還能增強(qiáng)人們在緊急情況下的應(yīng)變能力。虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，簡稱VR）技術(shù)的出現(xiàn)為消防安全教育開辟了新的路徑[1-3]。通過模擬真實(shí)的火災(zāi)場景，VR提供了一個沉浸式和互動性強(qiáng)的學(xué)習(xí)環(huán)境，使用戶能夠在完全安全的條件下體驗(yàn)和學(xué)習(xí)應(yīng)對火災(zāi)的技巧。然而，盡管現(xiàn)有的VR消防安全體驗(yàn)館在技術(shù)上取得了一定的進(jìn)步，但是在內(nèi)容設(shè)計(jì)上仍停留在較為基礎(chǔ)的層面，缺乏深度和創(chuàng)造性，未能充分利用VR技術(shù)提供的沉浸體驗(yàn)和互動潛力，缺少能夠真正吸引用戶并激發(fā)其深入思考和深度參與的故事情節(jié)和情境設(shè)置。因此，探索如何在VR體驗(yàn)中融合更具吸引力和參與性的教學(xué)元素，成為提升消防安全教育質(zhì)量和效果的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。為實(shí)現(xiàn)以上目標(biāo)，我們使用VR技術(shù)開發(fā)出一套集復(fù)雜的情景模擬和引人入勝的交互性故事于一體的更緊張、更真實(shí)的劇情化消防安全體驗(yàn)館，進(jìn)而提升整體的教學(xué)效果，同時還能提高緊急情況下的應(yīng)急反應(yīng)能力，為學(xué)習(xí)者帶來更全面的消防安全教育體驗(yàn)。

一、體驗(yàn)館總體設(shè)計(jì)

（一）設(shè)計(jì)思路

1.虛擬環(huán)境構(gòu)建

火災(zāi)場景設(shè)定為高層居民樓，火災(zāi)發(fā)生原因包含電器起火、油鍋起火、燃?xì)馄鸹鹋c吸煙起火四種類型。本系統(tǒng)使用三維建模軟件3D MAX，按照真實(shí)尺寸建立樓房、電梯、樓梯、家具等制作三維模型，將建立完成的三維實(shí)體模型導(dǎo)入Unity 3D開發(fā)引擎中進(jìn)行場景環(huán)境的集成和渲染。虛擬環(huán)境整合渲染完成后，再增加火焰、煙霧等特效。根據(jù)實(shí)際火災(zāi)視頻資料，精確模擬火勢的初期、中期到高峰期的變化，包括煙霧密度、擴(kuò)散速度和火焰行為。同時，將火焰燃燒、尖叫等音效數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)到場景環(huán)境中，以提高虛擬場景在發(fā)生災(zāi)害時的真實(shí)度。

2.敘事邏輯開發(fā)

在開發(fā)敘事邏輯時，融入劇情化元素，使用戶能夠通過交互選擇影響故事的發(fā)展。腳本詳細(xì)說明每一步的動作指令和交互選擇，如決定是否破窗逃生或沖出被火堵住的大門。設(shè)置不同的行動要求和行為評估標(biāo)準(zhǔn)，如反應(yīng)速度和決策的正確性，這些都將直接影響劇情的發(fā)展和用戶體驗(yàn)。在視覺設(shè)計(jì)方面，確保每個元素都增強(qiáng)故事敘述。確定色彩方案以橙色調(diào)為主，強(qiáng)調(diào)緊急情況下的視覺引導(dǎo)和警示效果。同時，分鏡腳本中詳細(xì)描述了每個場景的視角、關(guān)鍵動作和特效使用，確保視覺敘述的連貫性和動態(tài)表現(xiàn)力，從而增強(qiáng)整體的沉浸感和用戶參與度。

3.互動功能集成

本系統(tǒng)共有三個主要互動功能模塊，包括模擬滅火模塊、模擬逃生模塊、體驗(yàn)者場景漫游模塊。模擬滅火模塊包含模擬選擇滅火器和體驗(yàn)滅火兩部分。體驗(yàn)者需要正確選擇并使用滅火器材進(jìn)行模擬滅火。滅火部分包含根據(jù)火勢大小是否站在安全距離和位置以及是否正確檢查和使用滅火器。模擬逃生模塊包含在逃生過程中所需要做出的決策，可選擇直接逃生，也可選擇滅火失敗后逃生。逃生過程有多條支線劇情，根據(jù)不同的選擇觸發(fā)劇情。不同的選擇不僅決定最后的逃生是否成功，還決定本棟樓其他居民的安全狀況。體驗(yàn)者場景漫游模塊是系統(tǒng)最基本的功能模塊，系統(tǒng)的所有功能操作都基于場景漫游。該模塊以傳感器跟蹤檢測技術(shù)為核心，利用定位器定位頭盔和手柄的位置，為了使顯示器輸出與虛擬設(shè)備視野保持一致，需要使體驗(yàn)者在場景中的位置信息與定位器定位的位置信息保持一致。

（二）設(shè)計(jì)架構(gòu)

設(shè)計(jì)架構(gòu)劃分為三個主要層次，包括表現(xiàn)層、邏輯層和數(shù)據(jù)層（圖1）。每層均承擔(dān)著獨(dú)特的功能和責(zé)任，確保整個系統(tǒng)的順暢運(yùn)行和高效性能。

1.表現(xiàn)層

表現(xiàn)層主要是顯示和用戶直接交互的界面，負(fù)責(zé)圖形界面元素的設(shè)計(jì)和布局，如菜單、按鈕和信息面板，確保界面的用戶友好性；管理背景音樂和環(huán)境聲音以及為用戶操作提供及時的聲音反饋；接收用戶指令，如接收VR手柄輸入的數(shù)據(jù)，并將這些操作請求有效地傳遞到邏輯層進(jìn)行處理。

2.邏輯層

邏輯層是處理應(yīng)用程序核心功能的地方，它連接數(shù)據(jù)層和表現(xiàn)層，確保應(yīng)用的業(yè)務(wù)邏輯得到正確執(zhí)行，將執(zhí)行結(jié)果反饋給表現(xiàn)層。使用Unity 3D等游戲引擎，處理物理模擬、場景管理和其他游戲邏輯，主要包括處理用戶的輸入、計(jì)算物理效果以及管理游戲狀態(tài)的變化。利用PlayMaker插件編寫可視化的腳本，進(jìn)行事件管理，通過Adventure Creator和Cinemachine插件控制劇情發(fā)展。

3.數(shù)據(jù)層

數(shù)據(jù)層是軟件架構(gòu)的基礎(chǔ)，負(fù)責(zé)管理所有的數(shù)據(jù)存儲、檢索和整合。對于資產(chǎn)管理和數(shù)據(jù)存儲，使用Unity的Asset Bundle技術(shù)對3D模型、紋理、音頻文件等資源進(jìn)行打包和管理。數(shù)據(jù)訪問接口提供了一組用于高效訪問、查詢和更新數(shù)據(jù)層中數(shù)據(jù)的接口，確保數(shù)據(jù)操作和數(shù)據(jù)訪問的安全性[1]。

二、高層民用建筑電器起火場景開發(fā)實(shí)例

（一）劇情交互設(shè)計(jì)

用戶選擇電器起火模塊后，系統(tǒng)將展示一個選項(xiàng)框（圖2），描述起火原因。用戶點(diǎn)擊開始體驗(yàn)后，可從臥室到客廳查看險情，此時會發(fā)現(xiàn)火勢較小，此刻用戶開始選擇，每個選項(xiàng)代表一種應(yīng)對措施，不同選擇將引導(dǎo)用戶進(jìn)入不同的故事分支（圖3）。隨著劇情的發(fā)展，如果未能及時有效地處理，火勢將逐漸加劇。用戶的決策不僅影響自己的安全，還可能對整棟建筑的其他居民產(chǎn)生影響，導(dǎo)致不同的故事結(jié)局。

（二）場景設(shè)計(jì)

本案例環(huán)境模塊包括一棟大樓、客廳、浴室、廚房、臥室和樓梯間，場景內(nèi)部裝配了各種家具及滅火器等應(yīng)急設(shè)備。為了提高系統(tǒng)運(yùn)行的流暢性，在建模時主要執(zhí)行幾方面的工作。首先，在滿足視覺效果的基礎(chǔ)上，對復(fù)雜的家具和裝飾物件，盡可能地簡化模型的多邊形數(shù)量來提升渲染效果。例如，通過減少不直接影響視覺感知的細(xì)節(jié)部分的多邊形，包括家具背面和底部，不僅有效減少了模型的總多邊形數(shù)量，還能夠同時保持前視圖的高質(zhì)量外觀。其次，在設(shè)置好材質(zhì)、貼圖和燈光后，將光照信息烘焙成貼圖，減少實(shí)時光照計(jì)算對系統(tǒng)資源的需求。使用預(yù)過濾的陰影貼圖和光照探針，優(yōu)化動態(tài)物體和靜態(tài)場景之間的光照交互，保證光照的一致性和動態(tài)物體陰影的準(zhǔn)確性。最后，將每個獨(dú)立的空間分別輸出為單獨(dú)的場景，使各場景能夠獨(dú)立設(shè)置預(yù)加載機(jī)制，當(dāng)用戶接近某個場景的觸發(fā)點(diǎn)時，相關(guān)場景開始在后臺加載，減少了等待時間，使切換過程更加平滑[2]。

（三）界面設(shè)計(jì)

界面設(shè)計(jì)涉及按鈕控件與各種提示，以幫助用戶理解和響應(yīng)火災(zāi)逃生情景。為增加沉浸感，本系統(tǒng)采用第一視角操作界面，界面清晰簡潔，確保用戶能夠快速理解并作出反應(yīng)。

界面布局與界面功能如圖4所示，界面左上角為房間平面圖，顯示房間的布局，橙色火焰圖標(biāo)代指火源位置，火源圖標(biāo)會根據(jù)火勢大小變化其動態(tài)效果，如輕微的閃爍表示火勢較小，而快速的閃爍提示火勢正在迅速蔓延。黃色圓形圖標(biāo)代指用戶當(dāng)前位置，幫助用戶在空間中導(dǎo)航。界面右上角為安全狀態(tài)指示器，根據(jù)環(huán)境變化和用戶所處的位置，實(shí)時顯示用戶當(dāng)前的安全級別，提示器顏色和提示語隨狀態(tài)改變。綠色代表安全，橙色代表警告，深紅色代表危險。

視覺設(shè)計(jì)與交互反饋如圖5所示，界面以橙色為主色調(diào)，不僅體現(xiàn)出火焰感，還增強(qiáng)了視覺的一致性和緊急感。選項(xiàng)控件在非激活狀態(tài)下邊緣為高亮橙色，當(dāng)選項(xiàng)被選中時，控件變?yōu)楦吡脸燃t色，直觀地確認(rèn)用戶操作已被執(zhí)行。

（四）煙霧設(shè)計(jì)

使用UNITY 3D中Fire Propagation System這款插件設(shè)計(jì)煙霧效果，可以增加火災(zāi)模擬的真實(shí)性和沉浸感。首先，開發(fā)者需要設(shè)定煙霧的基本屬性，如產(chǎn)生速度、顏色、密度及透明度，這些因素共同定義了煙霧的視覺表現(xiàn)。利用插件的流體動力學(xué)模擬，煙霧的動態(tài)擴(kuò)散和上升行為可以根據(jù)實(shí)際物理規(guī)律進(jìn)行，包括煙霧因熱空氣上升及在遇到天花板后的水平擴(kuò)展[3]。此外，煙霧粒子系統(tǒng)的優(yōu)化是關(guān)鍵，不僅要實(shí)現(xiàn)視覺上的逼真性，還需要通過粒子的大小調(diào)整和顏色變化來模擬不同密度和濃度的煙霧。整合煙霧效果時，要確保與火災(zāi)模擬的其他元素如火焰、燈光和環(huán)境互動，協(xié)調(diào)一致。進(jìn)行全面的性能優(yōu)化，確保即使在煙霧較為密集的情況下，也能保持VR體驗(yàn)的流暢性和響應(yīng)速度，從而提供一個既真實(shí)又沉浸的消防安全訓(xùn)練環(huán)境[4]。

（五）交互設(shè)計(jì)

在開發(fā)虛擬火災(zāi)逃生體驗(yàn)時，關(guān)鍵在于構(gòu)建一個能夠模擬真實(shí)世界物理特性的交互系統(tǒng)，以增強(qiáng)實(shí)用性和沉浸感，這要求虛擬場景中的物體都可為用戶所操作和觸碰。這一效果的實(shí)現(xiàn)依賴對場景中物體進(jìn)行精確的碰撞檢測。此外，為了更真實(shí)地模擬物理環(huán)境，這些物體還需要具備與現(xiàn)實(shí)世界中相似的物理特性，如重量、彈性、摩擦力等，從而確保物理行為的真實(shí)性和一致性[5]。基于物理的真實(shí)性，體驗(yàn)館進(jìn)一步構(gòu)建了一個深度互動系統(tǒng)，支持復(fù)雜的邏輯分支和條件響應(yīng)，使玩家的選擇能夠?qū)崟r影響進(jìn)程。這不僅增加了敘事的動態(tài)性，還大大提升了玩家在每個決策點(diǎn)的沉浸感。這種對話系統(tǒng)支持復(fù)雜的邏輯分支和條件反應(yīng)，確保對話的選擇能夠直接推動故事向預(yù)定或意外的方向發(fā)展。當(dāng)觸發(fā)一定的條件時，系統(tǒng)會以生活化的語言文字、聲音與畫面輔助的方式來與用戶進(jìn)行交互。

結(jié)語

本文著重設(shè)計(jì)基于VR技術(shù)的劇情化消防安全體驗(yàn)館，通過引入更復(fù)雜的情景模擬和更真實(shí)沉浸的交互性故事情節(jié)，讓用戶在各種模擬場景中做出決策，創(chuàng)造更緊張、更真實(shí)的情境，提升消防安全教育的創(chuàng)意性和互動感，豐富了消防安全教育的形式和內(nèi)涵，從而激發(fā)學(xué)習(xí)者的興趣并增強(qiáng)其決策能力。在情感和記憶層面，加強(qiáng)了用戶與教育內(nèi)容的聯(lián)系，進(jìn)而提升整體的教學(xué)效果。這種全方位的學(xué)習(xí)方法不僅能夠提供理論知識，還能強(qiáng)化實(shí)際操作技能，為學(xué)習(xí)者帶來更全面的消防安全教育體驗(yàn)。

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作者簡介：

周詩航（1996— ），女，漢族，湖南長沙人，研究生，研究方向：虛擬現(xiàn)實(shí)、藝術(shù)設(shè)計(jì)。

基金項(xiàng)目：

2024年湖南安全技術(shù)職業(yè)學(xué)院校級科研課題《基于VR技術(shù)的劇情化消防安全體驗(yàn)館設(shè)計(jì)研究》（項(xiàng)目編號：AY24E001）；2023年湖南省教育廳科學(xué)研究項(xiàng)目（優(yōu)秀青年項(xiàng)目）《智能安防巡檢機(jī)器人監(jiān)控系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究》（項(xiàng)目編號：23B0939）；2024年度湖南安全技術(shù)職業(yè)學(xué)院院級重大委托課題《應(yīng)急救援機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)研究》（項(xiàng)目編號：AY24A001）。