基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的地震逃生游戲的設(shè)計(jì)

呂志明 王婷婷 張付有

摘要：近幾年來(lái)，地震一直在肆虐著我國(guó)位于地震帶的地區(qū)，破化建筑物，造成人員傷亡，帶來(lái)巨大的損失。為防止突發(fā)地震來(lái)臨時(shí)發(fā)生非地震因素對(duì)師生的安全造成威脅，教育部要求學(xué)校組織學(xué)生進(jìn)行緊急疏散訓(xùn)練。由于緊急疏散訓(xùn)練并不能提升學(xué)生面對(duì)地震時(shí)的心理素質(zhì)和虛擬地震平臺(tái)的高花費(fèi)及其不真實(shí)性，所以并沒(méi)有良好的成效。利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的地震逃生游戲能夠提升受訓(xùn)者的心理素質(zhì)并且具有一定的真實(shí)性，基于此，文章首先介紹了地震安全訓(xùn)練的現(xiàn)狀與虛擬現(xiàn)實(shí)；接下來(lái)簡(jiǎn)述了地震安全訓(xùn)練與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)結(jié)合的設(shè)想以及對(duì)虛擬地震逃生游戲的模擬進(jìn)行解釋；最后展望教育游戲的未來(lái)，以期能夠?qū)ξ覈?guó)地震緊急疏散提供借鑒與指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：地震安全訓(xùn)練；虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)；虛擬現(xiàn)實(shí)的3I特征；地震逃生游戲模擬；

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2015）11-0208-02

我國(guó)位于世界兩大地震帶――環(huán)太平洋地震帶與歐亞地震帶之間，受太平洋板塊、印度板塊和菲律賓海板塊的擠壓，地震斷裂帶十分活躍。2008年到2015年之間，5.12汶川大地震、青海玉樹(shù)大地震、四川雅安大地震、新疆于田大地震、云南昭通魯?shù)榈卣鹪谖覈?guó)相繼發(fā)生，僅人口死亡都達(dá)到了70000多人，經(jīng)濟(jì)損失嚴(yán)重。近年來(lái)，學(xué)校安全教育越來(lái)越受到國(guó)家的重視。為了確保學(xué)校師生的安全，教育部要求學(xué)校組織學(xué)生進(jìn)行緊急疏散訓(xùn)練。以防止突發(fā)地震來(lái)臨時(shí)發(fā)生非地震因素對(duì)師生的安全造成威脅。

1 地震安全訓(xùn)練的現(xiàn)狀

1.1 地震安全訓(xùn)練的方式

就目前有關(guān)地震安全訓(xùn)練的方式來(lái)看，主要有兩種：一是集體性地緊急疏散演練。在汶川大地震發(fā)生時(shí)，四川綿陽(yáng)安縣桑棗中學(xué)2200多名學(xué)生和上百名老師在1分36秒內(nèi)撤離教室，無(wú)一人傷亡?！?】在地震突發(fā)來(lái)臨的時(shí)候，之所以該校有如此快的反應(yīng)速度是因?yàn)樾ｉL(zhǎng)葉志平平時(shí)加強(qiáng)對(duì)師生進(jìn)行緊急災(zāi)難疏散訓(xùn)練。另外一種的訓(xùn)練方式是虛擬地震平臺(tái)。該虛擬地震平臺(tái)是由地震小屋實(shí)體、液壓運(yùn)動(dòng)平臺(tái)、控制臺(tái)并輔以視頻及音響系統(tǒng)構(gòu)成，為受訓(xùn)者展示了一個(gè)立體的地震環(huán)境，使受訓(xùn)者與環(huán)境融為一體，全方位展示地震的整個(gè)過(guò)程，讓受訓(xùn)者感受地震。操作人員通過(guò)控制臺(tái)能夠操作液壓運(yùn)動(dòng)平臺(tái)從而模擬出地震效果，包括橫波、縱波及顛簸等。

1.2地震安全訓(xùn)練的成效

針對(duì)集體性緊急疏散演練來(lái)說(shuō)，在訓(xùn)練的時(shí)候需要花費(fèi)大量的時(shí)間和人員進(jìn)行前期準(zhǔn)備工作的安排，由于緊急疏散場(chǎng)地和人員的關(guān)系，不可能經(jīng)常性訓(xùn)練。其次，在訓(xùn)練的過(guò)程中，受訓(xùn)者無(wú)法感受地震時(shí)心理的變化，因此日常組織的緊急疏散環(huán)境不真實(shí)，大多數(shù)受訓(xùn)者體會(huì)不到地震來(lái)時(shí)的緊張感。為了不耽誤學(xué)習(xí)和工作的時(shí)間，學(xué)校的領(lǐng)導(dǎo)往往會(huì)減少緊急疏散的次數(shù)，甚至不進(jìn)行訓(xùn)練。

虛擬地震平臺(tái)的應(yīng)用可以使受訓(xùn)者真實(shí)的感受不同地震等級(jí)的房屋搖晃模擬，從而使受訓(xùn)者提高了面對(duì)地震的心理素質(zhì)。但是虛擬的地震平臺(tái)中的地震小屋僅僅提供房屋的搖晃，沒(méi)有房屋坍塌錯(cuò)位碎片脫落的設(shè)計(jì)，并不能體驗(yàn)地震的真實(shí)性。并且購(gòu)買該平臺(tái)需要耗費(fèi)大量的資金，同時(shí)也需要專門(mén)的操作人員。

2 虛擬現(xiàn)實(shí)

2.1 概念

虛擬現(xiàn)實(shí)就是一種可以創(chuàng)建和體驗(yàn)虛擬世界的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。該計(jì)算機(jī)系統(tǒng)生成一個(gè)接近真實(shí)的模擬環(huán)境，用戶借助一些設(shè)備與虛擬環(huán)境中的各個(gè)對(duì)象進(jìn)行交互，使用戶產(chǎn)生身臨其境的感覺(jué)，從而感受到高度的真實(shí)感。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、人機(jī)接口技術(shù)、人工智能技術(shù)以及傳感器技術(shù)等交叉與綜合的結(jié)果?！?】

2.2 特點(diǎn)

1993年，Burdea G和Coiffet PZHI出了虛擬現(xiàn)實(shí)“三角形”，即虛擬現(xiàn)實(shí)的3I特征：Immersion（沉浸）、Interaction（交互）、Imagination（構(gòu)想）。

1）沉浸感。即臨場(chǎng)感，或者說(shuō)是真實(shí)感。用戶通過(guò)使用交互設(shè)備進(jìn)入到虛擬環(huán)境中，在虛擬環(huán)境中一切都和現(xiàn)實(shí)世界中是一樣的。

2）交互性。交互性是用戶可以使用專用的輸入、輸出設(shè)備對(duì)虛擬環(huán)境內(nèi)的各個(gè)對(duì)象進(jìn)行交互操作，然后從虛擬環(huán)境中得到反饋。另外交互要盡可能的實(shí)時(shí)交互，因?yàn)檫@樣才能夠使用戶真正地沉浸在虛擬的環(huán)境中。

3）構(gòu)想性。也被稱作為創(chuàng)造性，是虛擬現(xiàn)實(shí)發(fā)展的開(kāi)端。人類在真實(shí)世界中不可見(jiàn)的環(huán)境或者說(shuō)人類的構(gòu)想都可以通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)來(lái)實(shí)現(xiàn)，因此也可以說(shuō)虛擬現(xiàn)實(shí)能夠啟迪人類的創(chuàng)造性思維。

3 地震安全訓(xùn)練與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)結(jié)合的設(shè)想

在地震的逃生中，逃生者的心理素質(zhì)尤為重要。身陷地震的場(chǎng)景中，人的心理因素大致可以分為三類：大概10%-15%的人能保持清醒并且能夠快速反應(yīng)做出有效的動(dòng)作；小于15%的人會(huì)哭泣、尖叫甚至放棄逃生；剩下的大多數(shù)人則是處于大腦空白，完全驚呆的狀態(tài)?！?】逃生成功的關(guān)鍵在于人們平時(shí)訓(xùn)練的下意識(shí)動(dòng)作。下意識(shí)動(dòng)作的形成是需要長(zhǎng)期訓(xùn)練的，唯有不斷重復(fù)的訓(xùn)練，才能形成條件反射，從而使受訓(xùn)者終身受益。然而從現(xiàn)在地震安全訓(xùn)練的方式和成效來(lái)看，大部分地區(qū)的師生很難形成這種條件反射。

虛擬現(xiàn)實(shí)所生成的虛擬環(huán)境通常分為三類：一是模擬出人類在真實(shí)世界中不可見(jiàn)的環(huán)境；二是模擬出人類的主觀構(gòu)想；三是還原再現(xiàn)真實(shí)世界中的環(huán)境?！?】利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以構(gòu)建出虛擬的震災(zāi)場(chǎng)景，為科學(xué)地開(kāi)展逃生與疏散演練提供方便使用的、真實(shí)的、低價(jià)的虛擬環(huán)境。這個(gè)虛擬的環(huán)境就是指虛擬的地震逃生游戲平臺(tái)，該平臺(tái)實(shí)現(xiàn)的功能有以下幾條：

1）平臺(tái)的控制臺(tái)要能夠?qū)Φ卣鸬恼鸺?jí)進(jìn)行設(shè)置；

2）較為真實(shí)地模擬地震時(shí)房屋搖晃、房屋部分倒塌的變化；

3）受訓(xùn)者進(jìn)入平臺(tái)后，首先應(yīng)填寫(xiě)其身體真實(shí)的機(jī)能（應(yīng)激反應(yīng)速度、跑步的速度），根據(jù)這些實(shí)際情況在虛擬的緊急疏散訓(xùn)練中做出游戲中所操縱人物的抉擇，這樣較真實(shí)的進(jìn)行模擬訓(xùn)練。

4）在緊急疏散的訓(xùn)練中的關(guān)鍵位置上要有專業(yè)的系統(tǒng)提醒，以防止發(fā)生非地震因素造成的傷害。

5）虛擬系統(tǒng)中的各種危險(xiǎn)都要對(duì)游戲中逃生人物造成不同的生命值傷害，游戲中的人物能否活到游戲的最后，就是對(duì)現(xiàn)實(shí)中受訓(xùn)者的地震逃生能力強(qiáng)弱的判斷。

通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)逃生游戲的訓(xùn)練，一方面可以提升了受訓(xùn)者的心理素質(zhì)，另一方面也能夠隨時(shí)加強(qiáng)集體性地緊急疏散訓(xùn)練。經(jīng)常進(jìn)行虛擬逃生訓(xùn)練，能夠在受訓(xùn)者的大腦中形成條件反射，使受訓(xùn)者在面對(duì)地震時(shí)下意識(shí)做出正確的逃跑判斷。

4虛擬地震逃生游戲的模擬

4.1 地震場(chǎng)景和人物的建模

1）場(chǎng)景建模：這里的場(chǎng)景建模包含房屋建筑建模和道路樹(shù)木建模。房物建筑的建模要考慮到地震來(lái)臨房屋的搖晃和倒塌的情況，所以在構(gòu)建房屋建筑的時(shí)候要采用按高度進(jìn)行分層建模的方法。而樹(shù)木的建模采用經(jīng)常使用的十字交叉的幾何模型和透明樹(shù)木紋理映射的方法。道路的建模采用平面組合的方式和紋理貼圖。

2）人物的建模：人物建模的質(zhì)量將會(huì)直接影響到參與者的沉浸感。在利用面片建模和多邊形建模方法完成虛擬人建模的時(shí)候，首先要對(duì)人體的骨骼進(jìn)行分析，其次要對(duì)人體在不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)（走路和跑步）時(shí)的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研究，用代碼完善設(shè)計(jì)虛擬人的運(yùn)動(dòng)模式，從而使虛擬人物的動(dòng)作更加真實(shí)。最后要實(shí)現(xiàn)虛擬人在三維場(chǎng)景中的人機(jī)交互控制功能，其方法是調(diào)用Direct 3D庫(kù)函數(shù)。這里的人機(jī)交互控制功能是指通過(guò)游戲柄、鍵盤(pán)、鼠標(biāo)等設(shè)備控制虛擬人行走和視覺(jué)方向。

4.2 地震的模擬

在地震的緊急疏散過(guò)程中，房屋搖晃模擬與房屋部分倒塌模擬是我們應(yīng)當(dāng)首先考慮的。當(dāng)?shù)卣疠^為強(qiáng)烈的時(shí)候，房屋會(huì)出現(xiàn)搖晃甚至高層會(huì)出現(xiàn)局部的破壞。房屋在搖晃的過(guò)程中隨時(shí)可能產(chǎn)生脫落的物體，這些脫落物體的運(yùn)動(dòng)模型為剛體自由運(yùn)動(dòng)四維模型。面對(duì)這些脫落物，受訓(xùn)者會(huì)感覺(jué)身臨其境，從而提升了心理素質(zhì)。

4.3 地震時(shí)的疏散模擬

1） 受訓(xùn)者行為模擬：受訓(xùn)者進(jìn)入平臺(tái)系統(tǒng)的時(shí)候，根據(jù)自身的身體機(jī)能選擇相應(yīng)的屬性值，在面對(duì)突發(fā)的震感時(shí)及時(shí)通過(guò)計(jì)算機(jī)鍵盤(pán)操縱游戲中的人物進(jìn)行加速奔跑、轉(zhuǎn)向等運(yùn)動(dòng)。

2） 人群引導(dǎo)模擬：在地震中，很多學(xué)校并沒(méi)有地震現(xiàn)場(chǎng)指揮部，所以并沒(méi)有達(dá)到較好的指揮效果。通過(guò)對(duì)各類公共事故的案例進(jìn)行分析，我們得出以下結(jié)論：要想在較短的時(shí)間內(nèi)疏散較多的人群，必要的正確的現(xiàn)場(chǎng)疏散指揮是不可缺少的。因此，在地震逃生游戲中，要實(shí)現(xiàn)對(duì)人群的引導(dǎo)模擬。人群的引導(dǎo)通過(guò)系統(tǒng)提醒的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)控制臺(tái)的指揮者通過(guò)搖桿的方向給受訓(xùn)者指示運(yùn)動(dòng)方向，同時(shí)給以語(yǔ)音提示。

5 教育游戲的展望

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的地震逃生游戲能夠提升受訓(xùn)者的心理素質(zhì)并且具有一定的真實(shí)性，將緊急疏散的訓(xùn)練和游戲結(jié)合在一起，受訓(xùn)者一方面得到知識(shí)、技能和心理素質(zhì)的提高，另一方面也會(huì)歡快的體驗(yàn)訓(xùn)練。隨著教育游戲設(shè)計(jì)理論的深入研究、開(kāi)發(fā)技術(shù)的完善，相信教育游戲的發(fā)展會(huì)更加的科學(xué)，更加完善，從而使學(xué)習(xí)的過(guò)程更加歡樂(lè)、學(xué)習(xí)的成效更加明顯。

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