基于虛擬現(xiàn)實消防應(yīng)急系統(tǒng)的研究

宋開功，馬利英，張榮芳，盧壽麗（山東協(xié)和學(xué)院 機電工程學(xué)院，山東 濟南　250107）

基于虛擬現(xiàn)實消防應(yīng)急系統(tǒng)的研究

宋開功，馬利英，張榮芳，盧壽麗
（山東協(xié)和學(xué)院 機電工程學(xué)院，山東 濟南250107）

借助動漫和虛擬現(xiàn)實技術(shù)，針對與消防應(yīng)急預(yù)案相關(guān)的全過程展開研究，為應(yīng)急預(yù)案的制定、管理、災(zāi)情重現(xiàn)、逃生演習(xí)、救災(zāi)訓(xùn)練、救護設(shè)備的性能等各個方面，提供基于實際三維場景的、3D建模等完整的計算機輔助支持手段。

虛擬現(xiàn)實；消防應(yīng)急；3D建模

0　引言

火災(zāi)是現(xiàn)代社會中發(fā)生頻率較高、災(zāi)害損失較大的一種災(zāi)害，救災(zāi)過程牽扯面廣、救災(zāi)設(shè)備種類多、操作復(fù)雜，是突發(fā)災(zāi)害的典型代表，也是城市安全和企業(yè)安全生產(chǎn)中的防范重點。本系統(tǒng)將以火災(zāi)的應(yīng)急預(yù)案為重點，選擇有代表性的消防重點單位，采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，將消防重點單位的建筑及內(nèi)部結(jié)構(gòu)、周邊環(huán)境、設(shè)施、道路等完整、真實的構(gòu)建出來，并實現(xiàn)三維場景與使用者之間的互動；結(jié)合動漫技術(shù)，建立各種人物角色、消防設(shè)備、消防圖標(biāo)、典型建筑及消防設(shè)施、火苗火勢等三維模型庫；結(jié)合數(shù)據(jù)庫技術(shù)，建立消防重點單位的信息庫、消防隊信息庫（包括人員組成、分工，消防設(shè)備的種類、數(shù)量、性能及使用和維護信息，不同危險源的特點、危害及特定滅火規(guī)范等）；系統(tǒng)還提供基于網(wǎng)絡(luò)的信息檢索、分類和收集功能。

1　系統(tǒng)整體方案

以Windows XP操作系統(tǒng)為運行平臺，基于 Visual C++平臺和專業(yè)實時視景仿真開發(fā)工具Virtools開發(fā)實現(xiàn)。采用客戶機/服務(wù)器（Client/Server）總體框架。其中，服務(wù)器負責(zé)管理和維護場景的一致性、用戶的注冊，同時監(jiān)聽客戶端的連接請求和響應(yīng)連接。客戶端負責(zé)場景的顯示和更新，客戶端和服務(wù)器端的連接由通信部件來實現(xiàn)。服務(wù)器通過基于TCP/IP協(xié)議的 WinSocket機制與每個客戶機相連結(jié)。

本系統(tǒng)由10個模塊組成，如圖1所示，其中包括8個主要功能模塊和2個輔助功能模塊。8個主要功能模塊為：三維模型庫、環(huán)境仿真模塊、預(yù)案模擬與決策指揮模塊、信息庫、監(jiān)控系統(tǒng)集成模塊、消防器材教學(xué)模擬模塊、消防知識普及及教育模塊及綜合查詢模塊；2個輔助功能模塊為系統(tǒng)維護模塊、幫助模塊。

圖1　系統(tǒng)框架圖Fig.1 System frame diagram

2　系統(tǒng)實現(xiàn)

（1）整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)、信息流通過程，如圖2所示。

（2）通信實現(xiàn)過程。系統(tǒng)采用了客戶機/服務(wù)器（Client/Server）的總體框架。服務(wù)器通過基于TCP/IP協(xié)議的 WinSocket機制與每個客戶機相連接。同時采用激光傳感器模擬煙霧傳感器，傳感器通過串口通信將著火信息傳遞給服務(wù)器，服務(wù)器接收到信息后，又將著火信息分別傳遞給客戶端。客戶端接收到命令后，由總指揮下達預(yù)案模擬方案，各個角色開始按照預(yù)案模擬方案進行滅火、搜救等。同時，多人在線聊天功能是通過客戶端將聊天內(nèi)容傳遞給服務(wù)器，由服務(wù)器傳遞給其他的各個客戶端的方式完成的。

圖2　數(shù)據(jù)、信息流通過程Fig.2 The process of data and information circulation

總指揮角色的客戶端還配備視頻監(jiān)控設(shè)備。根據(jù)傳感器監(jiān)測到的著火位置，將其對應(yīng)的視頻監(jiān)控畫面顯示在總指揮客戶機屏幕的右上角，監(jiān)控畫面可以通過鼠標(biāo)左鍵點擊監(jiān)控圖標(biāo)進行顯示或隱藏。服務(wù)器可以查詢數(shù)據(jù)庫，負責(zé)管理和維護場景的一致性，用戶的注冊等；每個客戶端可以查詢數(shù)據(jù)庫和模型庫，進行信息查詢與模型調(diào)用。

（3）接口。LoadVTWindow（）和VT_ObjectLoader（CKSTRING fname，CKSTRING mastername，CK_CLASSID cid =CKCID_CHARACTER）是模型的加載調(diào)用過程中用到的最主要的兩個函數(shù)；傳感器監(jiān)控設(shè)備主要通過RS232串口，實現(xiàn)與軟件系統(tǒng)的通信。

通過調(diào)用Virtools的VideoPlayer BB行為交互模塊，實現(xiàn)對視頻監(jiān)控設(shè)備的開啟、關(guān)閉以及對著火現(xiàn)場的實時監(jiān)控。

（4）交互技術(shù)。系統(tǒng)主要應(yīng)用Virtools軟件完成模型的交互。Virtools是一套具備豐富的互動行為模塊的實時3D環(huán)境虛擬實境編輯軟件，可以制作出許多不同用途的3D產(chǎn)品，如網(wǎng)際網(wǎng)絡(luò)、計算機游戲、多媒體、教育訓(xùn)練、仿真與產(chǎn)品展示等 。Virtools可以利用拖放的方式，將行為交互模塊（Building Blocks簡稱BB）賦予在適當(dāng)?shù)腛bject（對象）或是Character（虛擬角色）上，以流程圖的方式，決定BB行為交互模塊的前后處理順序，從而實現(xiàn)可視化的交互腳本設(shè)計，逐漸編輯成一個完整的交互式虛擬世界。Virtools擁有超過450個以上的BB行為交互模塊可供應(yīng)用，經(jīng)編輯后的互動模塊組合使用，可以組成一個具有解決某項功能或者應(yīng)用nms格式的單一交互模塊，以方便重復(fù)使用、編輯。Virtools除了可以編譯成單機運行的可執(zhí)行文件外，最大的特色在于Virtools同樣可以將作品輸出成網(wǎng)絡(luò)瀏覽格式。Virtools制作具有沉浸感的虛擬環(huán)境，它對參與者生成諸如視覺、聽覺、觸覺、味覺等各種感官信息，給參與者一種身臨其境的感覺。因此是一種新發(fā)展的、具有新含義的一種人機交互系統(tǒng)［1］。

以醫(yī)護人員角色為例，講述本系統(tǒng)中人機交互的實現(xiàn)方式。利用Keyboard模塊和Unlimited模塊實現(xiàn)鍵盤對醫(yī)護人員角色的動作控制。如人員的前進、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、蹲下救護以及救護結(jié)束站起等。腳本控制圖如圖3，圖4所示。

圖3　腳本控制圖Fig.3 Control chart scripts

圖4　腳本控制圖Fig.4 Control chart scripts

（5）三維建模技術(shù)。本系統(tǒng)三維模型的建立主要是應(yīng)用了3DsMax建模軟件。它是集造型、渲染和制作動畫于一身的三維制作軟件。從它出現(xiàn)的那一天起，即受到了全世界無數(shù)三維動畫制作愛好者的熱情贊譽，3DsMax也不負眾望，屢屢在國際上獲得大獎。3DsMax已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于廣告、影視、工業(yè)設(shè)計、建筑設(shè)計、多媒體制作、游戲、輔助教學(xué)以及工程可視化等領(lǐng)域。當(dāng)前，它已逐步成為在個人PC機上最優(yōu)秀的三維動畫制作軟件［2］。

（6）動畫制作技術(shù)。本系統(tǒng)多次用到了動畫制作技術(shù)，如消防器材教學(xué)模擬模塊中滅火器的使用過程、消防知識普及及教育等。動畫制作的具體流程如圖5所示。

圖5　動畫制作流程Fig.5 The animation process

3　結(jié)論

本系統(tǒng)基于所建立的虛擬三維場景和三維模型庫，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和動漫技術(shù)，實現(xiàn)救援預(yù)案的三維重現(xiàn)、基于網(wǎng)絡(luò)的分布式應(yīng)急預(yù)案協(xié)同演練、現(xiàn)場滅火方案的制定（包括逃生路線確定、滅火兵力、救護力量、保衛(wèi)力量的布置）、救災(zāi)過程重現(xiàn)。不僅可以用于應(yīng)急預(yù)案的模擬、演練，還可用于消防訓(xùn)練、教學(xué)培訓(xùn)及消防知識普及教育，在功能的完整和全面上具有創(chuàng)新性。

［1］王龍江，荊旭，焦學(xué)健，等.基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的校園漫游系統(tǒng) ［J］.山東理工大學(xué)學(xué)報 （自然科學(xué)版），2007，7.

［2］孫倩.基于3DS MAX的三維建模及其在Virtools環(huán)境中的應(yīng)用［J］.中國科技信息，2008，12.

Research on the System of Fire Emergency Based on Virtools

SONG Kai-Gong，MA Li-Ying，ZHANG Rong-Fang，LU Shou-Li
（School of Mechanical and Electronic Engineering，Shandong Xiehe University，Jinan Shandong 250107，China）

Based on anime and virtual reality technology，research the full process of fire emergency plans related，is used to the development，management，disaster reproduce，escape exercises，relief training，and ambulance equipment of performance of emergency plans，it provides full of computer secondary support means based on actual three dimensional scene of，and 3D built die．

virtual reality；fire emergency；3D modeling

TP391.9

Adoi：10.3969/j.issn.1002-6673.2015.05.033

1002-6673（2015）05-088-03

2015-07-13

宋開功（1982-），男，山東章丘人，研究生，講師。研究方向：機械設(shè)計及理論