基于三維立體技術(shù)的虛擬滅火系統(tǒng)

羅月童， 朱學(xué)武， 黃 文， 李彥霄， 沙 宇

（合肥工業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院，安徽 合肥 230009）

在現(xiàn)實(shí)生活中，火災(zāi)時(shí)有發(fā)生，為了增強(qiáng)人們的防火意識(shí)，需要加強(qiáng)消防意識(shí)的普及工作。在現(xiàn)實(shí)中進(jìn)行防火演習(xí)時(shí)通常是在一片空曠的環(huán)境下生一堆火，然后用各種不同的滅火器針對(duì)不同的火源進(jìn)行滅火示范和練習(xí)。這種傳統(tǒng)的防火演習(xí)不但會(huì)造成環(huán)境污染、資源浪費(fèi)，而且如果使用不當(dāng)還會(huì)造成不必要的傷害。

為了解決這種真實(shí)消防演練的弊端，同時(shí)又要達(dá)到消防訓(xùn)練的目的，虛擬滅火已成為熱點(diǎn)話題?，F(xiàn)在已有很多人員及機(jī)構(gòu)從事相關(guān)研究，比如中國電子科技集團(tuán)第三十八研究所的模擬消防演練系統(tǒng)、北京超互動(dòng)科技有限公司的模擬報(bào)警演練系統(tǒng)等，這些系統(tǒng)解決了現(xiàn)實(shí)中消防培訓(xùn)所帶來的弊端，一定程度上達(dá)到了消防訓(xùn)練的目的，但是此類系統(tǒng)都是基于二維場景設(shè)計(jì)，使用者在使用過程中沒有很好的沉浸感。為了讓使用者有更強(qiáng)烈的沉浸感。最大限度地模擬消防訓(xùn)練氛圍，本文介紹了一種基于三維立體技術(shù)的虛擬滅火系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

虛擬滅火系統(tǒng)采用了以計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心的現(xiàn)代高科技，能夠生成逼真的視覺、聽覺一體化的特定虛擬場景，再使用被動(dòng)立體投影的方式將虛擬場景構(gòu)建成三維效果，接著通過交互的方式與構(gòu)建出的虛擬場景進(jìn)行交互，讓使用者產(chǎn)生身臨其境的感覺。

依據(jù)虛擬滅火系統(tǒng)的功能需求做出功能設(shè)計(jì)規(guī)劃，如圖1所示。系統(tǒng)以多個(gè)三維場景模型為基礎(chǔ)，逐步添加火焰生成、滅火交互、3D渲染以及立體等模塊，共同構(gòu)成虛擬滅火系統(tǒng)。

圖1 功能設(shè)計(jì)規(guī)劃

2 功能模塊設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

2.1 三維場景搭建

虛擬現(xiàn)實(shí)［1］是一種基于模型的活動(dòng)，在虛擬訓(xùn)練、漫游等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用［2］，它包括建立模型、對(duì)模型進(jìn)行試驗(yàn)、對(duì)試驗(yàn)所產(chǎn)生的模型行為進(jìn)行分析處理。所以三維場景幾何模型是三維虛擬滅火系統(tǒng)的構(gòu)建基礎(chǔ)，三維場景搭建是系統(tǒng)的基本要求，也是其他核心功能模塊的基礎(chǔ)。

2.1.1 三維場景建模

為了給用戶提供良好的體驗(yàn)使其感覺身臨其境，在進(jìn)行三維場景建模［3］時(shí)就要求能夠?qū)鼍氨普娴仫@示出來，這就在技術(shù)上提出了很高的要求。為了能夠達(dá)到這一效果，必須在場景模型搭建過程中考慮場景中每個(gè)物體的幾何特性、物體之間的空間位置關(guān)系，以及每個(gè)物體特有的材質(zhì)、紋理、顏色和光照效果。對(duì)于物體的幾何特性，可以通過給每個(gè)物體抽象出一個(gè)包圍盒，在通過給包圍盒設(shè)置長、寬、高來間接地設(shè)置物體的幾何特性。在現(xiàn)實(shí)生活中，每個(gè)物體都處于不同的空間位置，物體與物體之間都有著空間位置關(guān)系，所以在進(jìn)行虛擬場景搭建時(shí)，保持相對(duì)位置是營造高真實(shí)感場景的重要環(huán)節(jié)。在3DMAX中，可以通過軟件中的三視圖窗口進(jìn)行觀察和改動(dòng)，確保場景中的每一個(gè)物體都在它應(yīng)該存在的地方，達(dá)到場景布局合理真實(shí)的目的，給使用者以真實(shí)的感覺。生活中每一個(gè)物體都有其特有的屬性，比如一個(gè)物體是什么材質(zhì)的、表面是什么樣子的、是不是透明的以及反不反光等，根據(jù)這些屬性能夠很容易地辨別出不同的物體。在場景搭建過程中，必須給每個(gè)物體設(shè)置材質(zhì)、紋理等屬性，以便獲得真實(shí)感。以上這些都能夠在3DMAX中實(shí)現(xiàn)，在完成場景建模之后，保存并導(dǎo)出模型的mesh文件。

2.1.2 三維場景渲染

傳統(tǒng)3D應(yīng)用的開發(fā)是通過調(diào)用API傳送幾何體信息，再通過API調(diào)用來通知GPU進(jìn)行渲染工作［3］，之后的每一幀畫面都要進(jìn)行類似的工作?？梢钥闯?，這種渲染方式十分繁瑣復(fù)雜，將大量時(shí)間用在了幾何體的操作之中，不利于整體效率的提升。因此，可以采用OGRE渲染引擎進(jìn)行場景的渲染工作。

面向?qū)ο蟮膱D形渲染引擎［4］（Object－oriented Graphics Rendering Engine，OGRE）三維渲染引擎模型中，使用了場景樹管理整個(gè)場景的內(nèi)容。OGRE對(duì)底層基本圖形的API操作進(jìn)行了封裝，所以不需要對(duì)繁瑣的圖形進(jìn)行操作，只需要通過場景圖接口維護(hù)場景結(jié)構(gòu)，節(jié)省了很多時(shí)間。在OGRE中采用了“場景隊(duì)列”的方式對(duì)場景中的不同部分進(jìn)行渲染排序。

所謂場景隊(duì)列就是設(shè)置多個(gè)有序隊(duì)列，每個(gè)隊(duì)列都有一個(gè)優(yōu)先級(jí)，OGRE在渲染時(shí)按照優(yōu)先級(jí)大小進(jìn)行渲染。三維模型導(dǎo)入［5］OGRE程序后，OGRE就會(huì)按照自身的渲染流程對(duì)三維模型進(jìn)行渲染。為了保證渲染效果和渲染速度，在3DSMAX中采用了烘焙技術(shù)，就是把需要顯示出來的光照等視覺信息事先烘焙成貼圖，然后在進(jìn)行場景渲染時(shí)直接把烘焙后的貼圖再貼回到場景實(shí)體模型上，這樣在渲染時(shí)就不要計(jì)算顏色信息，加快了渲染的速度。

除了眼睛，眉毛的變化也是重要的面部表情之一。眉毛的變化能傳達(dá)出更多的情感，如生氣、驚恐、焦急、狂喜等。例如，聲音變得低沉的同時(shí)，皺一下眉頭，這樣就表達(dá)出痛苦的意思；聲音高昂的同時(shí)眉毛上挑，就表達(dá)出興奮。演員可以在臺(tái)下對(duì)著鏡子來提升自己面部表情的表現(xiàn)能力。

經(jīng)過對(duì)場景模型的處理和烘焙，得到三維場景的mesh模型文件，本系統(tǒng)使用OgreMAXS－cene插件讀取mesh模型。

OgreMAXScene插件能夠讀取scene文件，而scene文件包含了諸多mesh文件名和mesh文件的位置信息、旋轉(zhuǎn)量信息、縮放信息等，讀取scene文件之后，場景中的所有對(duì)象都具有初始位置等信息。

讀取scene文件的核心代碼如下：

m－ MAXScene－＞Load（filename，window，Ogre－MAX：：OgreMAXScene：：NO－OPTIONS，m－SceneManager）；

其中，m－MAXScene為讀取scene文件的對(duì)象；filename為scene文件名；window為渲染窗口對(duì)象。

這種方法實(shí)現(xiàn)代碼簡單，可以大量導(dǎo)入場景，適合于場景中包含大量對(duì)象或者場景需要批量導(dǎo)入的情況，所以三維虛擬滅火系統(tǒng)選擇使用OgreMAXScene插件批量讀取mesh模型。為了更好地達(dá)到模擬生活生產(chǎn)的場景，本系統(tǒng)搭建了家庭電器起火、社區(qū)垃圾箱起火、工廠設(shè)備起火、廚房爐灶起火、生產(chǎn)區(qū)起火等多種不同的三維場景用于模擬訓(xùn)練。

2.2 三維火焰效果模擬

為了讓使用者在模擬滅火過程中能有更真實(shí)的體驗(yàn)，系統(tǒng)對(duì)滅火器噴霧效果進(jìn)行模擬，通過噴霧和火焰之間的交互反應(yīng)，更真實(shí)地模擬出滅火過程。

2.2.1 火焰模擬方法對(duì)比

對(duì)于火焰等不規(guī)則模糊的自然景物模擬，目前主要分為3種，即基于紋理技術(shù)的方法、數(shù)學(xué)物理方法和粒子系統(tǒng)的方法。使用基于N－S方程和紋理映射的火焰模擬方法來實(shí)現(xiàn)火焰模擬，簡化了外力項(xiàng)的計(jì)算并使用紋理映射技術(shù)渲染火焰，提高了計(jì)算速度，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的火焰動(dòng)畫效果。但是目前只是在二維層面上模擬火焰［5］。

相對(duì)于數(shù)學(xué)物理方法和紋理映射的方法，粒子系統(tǒng)總體具有相同的表現(xiàn)規(guī)律，個(gè)體卻隨即表現(xiàn)出不同特征的大量顯示元素構(gòu)成的集合［6］，在模擬火焰噴霧等場景時(shí)，根據(jù)模擬場景的特點(diǎn)，設(shè)置好粒子的屬性，并對(duì)眾多的粒子進(jìn)行維護(hù)和顯示，這在三維場景中都能夠得到實(shí)現(xiàn)，所以本系統(tǒng)中的三維火焰與滅火器噴霧均采用粒子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，不同的是火焰的粒子系統(tǒng)主要突出顯示其不同區(qū)域、不同顏色邊緣效果的展示。

為此本文設(shè)計(jì)了2個(gè)分別具有顏色衰減器和線性力作用的粒子系統(tǒng)，其工作原理是先初始化粒子，賦予粒子不可變和可變的多種屬性，如形狀、位置、生命值、衰減速率、速度和加速度、顏色和大小等。在火焰或一定噴霧所經(jīng)過的區(qū)域，按照速率隨機(jī)地產(chǎn)生粒子，生成的粒子按照自己的運(yùn)動(dòng)速度等參數(shù)不停地運(yùn)動(dòng)，一定時(shí)間后，粒子的生命值降為0，說明該粒子生命期已結(jié)束，就將該粒子刪除，隨后生成新粒子。周而復(fù)始這個(gè)過程，通過眾多粒子的合作，就可以模擬相應(yīng)的效果了。粒子系統(tǒng)的工作流程如圖2所示。

圖2 粒子系統(tǒng)工作流程

2.2.2 對(duì)于粒子系統(tǒng)的改進(jìn)

在傳統(tǒng)三維粒子系統(tǒng)中為了讓每一個(gè)粒子看上去更象一個(gè)個(gè)的小火星，可以采用紋理映射技術(shù)［7］，加上顏色的混色處理，就可以生成較為真實(shí)的火焰模型。不同的紋理圖案可以產(chǎn)生不同效果的火焰。這種方法雖然可以簡單地模擬出火焰的效果，但是由于每個(gè)粒子都采用同樣的貼圖，在多個(gè)粒子重疊之后所呈現(xiàn)出來的效果只是相同貼圖重疊部分經(jīng)顏色混合處理后得到的效果，無法表現(xiàn)火焰的具體細(xì)節(jié)層次，而且火焰的邊界是由若干粒子貼圖的邊界重疊得到的，并不能很好地表現(xiàn)實(shí)際火焰的邊界。這些都使得由紋理映射技術(shù)模擬出的火焰效果不能達(dá)到真實(shí)火焰的效果。因此采用紋理動(dòng)畫的方式來替代傳統(tǒng)粒子系統(tǒng)中的紋理映射。由粒子發(fā)生器產(chǎn)生若干個(gè)粒子，為每一個(gè)粒子貼上一幅不同的紋理貼圖，這些紋理貼圖都是在火焰場景中一幀一幀截取得到的區(qū)域面片，由于每一幀畫面都來自于真實(shí)的火焰場景，所以火焰的細(xì)節(jié)層次和邊界都是真實(shí)的，這樣就保證了火焰模擬的真實(shí)性。然后將每個(gè)粒子的生存周期設(shè)置得很短，保證在下一個(gè)紋理貼圖顯示出來之前，上一個(gè)貼圖已經(jīng)消失，保證火焰畫面的連續(xù)性［8］。這樣按一幀一幀的順序連續(xù)顯示就使得火焰的波動(dòng)看起來很真實(shí)。改進(jìn)前、后火焰模擬效果如圖3所示。

圖3 改進(jìn)前后火焰模擬效果展示

2.3 三維立體顯示

設(shè)計(jì)三維虛擬滅火系統(tǒng)的目的是能通過投影模擬出真實(shí)火災(zāi)滅火場景，所以需要通過立體顯示技術(shù)將構(gòu)建的模型場景立體化顯示出來，創(chuàng)造出逼真和更有沉浸感的3D場景，讓使用者具有身臨其境的感覺，仿佛置身于真實(shí)的火災(zāi)場景中，以達(dá)到更好的滅火培訓(xùn)效果。

立體的視覺原理是由于人類的眼睛相距有一定的距離，所以在觀察一個(gè)三維物體時(shí)，兩眼觀察到的物體圖像之間存在著像差，由于這個(gè)像差的存在，人類大腦可以感到一個(gè)三維世界的深度立體變化。

根據(jù)立體成像原理，目前最為普遍的成像方式有主動(dòng)式立體顯示和被動(dòng)式立體顯示2種。被動(dòng)立體技術(shù)是將影像信號(hào)輸出到信號(hào)分轉(zhuǎn)設(shè)備上，然后接到2臺(tái)垂直疊加的投影機(jī)，用2臺(tái)投影機(jī)同時(shí)投射一幅影像，1臺(tái)投影機(jī)投右眼影像，1臺(tái)投影機(jī)投左眼影像。2臺(tái)投影機(jī)均要配置偏振鏡片，通過采用不同的極化方向，偏光鏡將發(fā)散光線分成水平和垂直位面來完成左右眼信息的區(qū)分。主動(dòng)立體顯示就是用一個(gè)投影機(jī)投射圖像，某瞬間投射左眼看到的信號(hào)，下個(gè)瞬間投射右眼看到的信號(hào)。當(dāng)投射左眼信號(hào)的瞬間，從工作站發(fā)出一個(gè)控制信號(hào)去控制主動(dòng)立體眼鏡的左鏡片，使它打開，這個(gè)時(shí)候右眼的鏡片關(guān)閉；反之，當(dāng)投射右眼圖像時(shí)，左眼的鏡片是關(guān)閉的。總之，主動(dòng)立體的眼鏡是被控制的。因?yàn)楸粍?dòng)立體的眼鏡成本低，易于維護(hù)，對(duì)圖形發(fā)生主機(jī)要求低，故本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)三維虛擬滅火時(shí)采用被動(dòng)立體投影。

在系統(tǒng)中設(shè)置2個(gè)攝像機(jī)，用于模擬左右兩只眼睛，兩只眼睛錯(cuò)開一段距離，并且同時(shí)盯在同一焦點(diǎn)，從而繪制出具有視覺差的2個(gè)場景效果，然后通過裝有偏振片的2個(gè)投影儀投射到同一投影幕上，再通過偏振眼睛觀看即可產(chǎn)生立體效果。主要代碼如下：

2.4 有效的模擬交互

在模擬訓(xùn)練過程中，訓(xùn)練者在虛擬場景中的漫游、對(duì)虛擬噴頭的操縱都必須通過交互來實(shí)現(xiàn)，交互的質(zhì)量直接影響了模擬訓(xùn)練的效果。為使操作者高度沉浸在建立的虛擬場景中，用自然、方便的方式進(jìn)行交互，本系統(tǒng)在3D立體顯示技術(shù)的基礎(chǔ)上引入無線交互設(shè)備，并設(shè)計(jì)了場景漫游與逃生、噴頭控制交互2種主要交互過程。場景漫游與逃生通過對(duì)上下左右等按鍵進(jìn)行消息響應(yīng)，改變攝像機(jī)的位置，實(shí)現(xiàn)攝像機(jī)的前后左右和上下移動(dòng)，達(dá)到場景漫游的效果，并且以第一視角實(shí)現(xiàn)逃生過程中的場景模擬。為真實(shí)模擬噴頭的使用，系統(tǒng)通過將飛鼠的二維運(yùn)動(dòng)模擬成三維空間運(yùn)動(dòng)，有效地模擬噴頭旋轉(zhuǎn)、移動(dòng)等操作，并根據(jù)噴頭噴射的方向?qū)鹧孢M(jìn)行交互，若噴射到火焰邊緣，則火焰往另一邊偏，若持續(xù)噴射火焰根部一段時(shí)間，則火焰逐漸熄滅。

3 實(shí)現(xiàn)效果

經(jīng)過三維場景搭建所得的場景如圖4所示，圖4分別由左、右2個(gè)投影儀投影在屏幕上，使用者佩戴3D眼睛可以感覺到具有三維效果的場景。

圖4 三維效果場景圖

滅火效果如圖5所示。

圖5 滅火效果

使用粒子系統(tǒng)等關(guān)鍵技術(shù)模擬出火焰，通過按下虛擬滅火器的開關(guān)控制虛擬噴頭噴出噴霧，判斷噴霧與火焰根部的位置，如果噴霧對(duì)準(zhǔn)火焰根部噴射，火勢漸漸變小，一段時(shí)間后火焰熄滅。

4 結(jié)束語

目前，三維立體技術(shù)正處于高速發(fā)展階段，它因具有能夠真實(shí)地再現(xiàn)現(xiàn)實(shí)生活場景的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于軍事、醫(yī)療、教學(xué)、娛樂等諸多領(lǐng)域，能夠給人們以不同的視覺體驗(yàn)，為人們提供服務(wù)。

本系統(tǒng)結(jié)合了傳統(tǒng)方式的真實(shí)性以及二維虛擬消防系統(tǒng)的安全、簡單以及方便操作等特點(diǎn)，相比于二維系統(tǒng)脫離了平面顯示的不真實(shí)性，讓使用者在高真實(shí)感三維虛擬的場景中進(jìn)行消防訓(xùn)練。

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