基于VIZARD和KBENGINE的多線程虛擬消防演習(xí)系統(tǒng)

林 晨，林曉斌

（閩江學(xué)院 物理學(xué)與電子信息工程系，福建 福州 350108）

基于VIZARD和KBENGINE的多線程虛擬消防演習(xí)系統(tǒng)

林 晨，林曉斌

（閩江學(xué)院 物理學(xué)與電子信息工程系，福建 福州 350108）

城市火災(zāi)頻繁發(fā)生，傳統(tǒng)的消防演習(xí)和宣傳工作存在著難題，隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展，研發(fā)了基于Vizard和KBEngine的多線程虛擬消防演習(xí)系統(tǒng)。添加自定義配置模式完善基于Vizard的虛擬消防演習(xí)系統(tǒng)，作為多線程虛擬演習(xí)系統(tǒng)的客戶端，配置客戶端，結(jié)合KBEngine服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)多線程客戶端登錄，不同的角色可以使用不同的客戶端登錄，實(shí)現(xiàn)不受地域限制的聯(lián)合虛擬演習(xí)。受訓(xùn)者可不受時(shí)間和空間的限制在高安全、高仿真、低成本、可重復(fù)、生動(dòng)活潑的多線程虛擬消防演習(xí)系統(tǒng)中同步學(xué)習(xí)消防知識(shí)，加強(qiáng)消防實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)聯(lián)合演習(xí)效果.

Vizard；KBEngine；多線程虛擬消防演習(xí)

虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，簡(jiǎn)稱VR技術(shù)）是高度集成計(jì)算機(jī)圖形、多媒體、傳感器及仿真等技術(shù)，模擬生成虛擬世界，提供視聽感知盛宴，使用戶身臨其境，通過多種傳感設(shè)備，用戶可根據(jù)自身感覺同三度空間內(nèi)的事物進(jìn)行交互式信息交流[1].應(yīng)用的領(lǐng)域涉及軍事、科研、教育與訓(xùn)練、商業(yè)、醫(yī)學(xué)、工業(yè)、影視等，進(jìn)而推動(dòng)虛擬現(xiàn)實(shí)的研究和應(yīng)用向縱向發(fā)展.

城市火災(zāi)頻生，已成為城市安全嚴(yán)重隱患之一，時(shí)刻威脅著人們的生命和財(cái)產(chǎn)安全.如何有效地避免火災(zāi)發(fā)生和安全逃離火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)等已成為關(guān)注的焦點(diǎn).消防宣傳和演習(xí)是常用的學(xué)習(xí)消防知識(shí)的方式，前者基于理論層次的宣傳難以讓受訓(xùn)者掌握消防器材的使用、救援的注意事項(xiàng)及正確的逃生方法，后者基于實(shí)踐層次的方式宣傳效果強(qiáng)于前者，但會(huì)產(chǎn)生高額的經(jīng)費(fèi)，消耗大量的人力物力財(cái)力，甚至可能導(dǎo)致意外發(fā)生，如人員傷亡等，造成不必要損失[2].

針對(duì)上述情況，將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和消防科學(xué)相結(jié)合，研發(fā)了基于Vizard和KBEngine的多線程虛擬消防演習(xí)系統(tǒng).添加自定義配置模式，使人員、著火點(diǎn)等重要的演練元素可隨意配置，完善基于Vizard的虛擬消防演習(xí)系統(tǒng)，作為多線程虛擬演習(xí)系統(tǒng)的客戶端，對(duì)其進(jìn)行配置，運(yùn)用KBEngine服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)多線程客戶端登錄，不同的演習(xí)人員均擁有特定的賬號(hào)，登錄KBEngine服務(wù)器，讓處于不同地區(qū)的人員實(shí)現(xiàn)同步的消防演習(xí).受訓(xùn)者可不受時(shí)間和空間的限制在高安全、高仿真、低成本、可重復(fù)、生動(dòng)活潑的多線程虛擬消防演習(xí)系統(tǒng)中同步學(xué)習(xí)消防知識(shí)，加強(qiáng)消防實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)聯(lián)合演習(xí)效果.

1 開發(fā)工具概述

1.1 Vizard概述[3]

Vizard是一款功能強(qiáng)大的虛擬現(xiàn)實(shí)開發(fā)平臺(tái)軟件，由美國(guó)WorldViz公司基于C/C++，運(yùn)用OpenGL擴(kuò)展模塊開發(fā)出的高性能圖形引擎，構(gòu)建及渲染虛擬場(chǎng)景的效率提高，憑其卓越的高效編程核心模塊，將整個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用引領(lǐng)至一個(gè)高速高效且成本低廉的全新境界.Vizard將集成開發(fā)環(huán)境（IDE）與高級(jí)圖形庫(kù)融合于Python程序語(yǔ)言，集成開發(fā)環(huán)境極大簡(jiǎn)化了維護(hù)數(shù)據(jù)素材的工作量，并提供了用于執(zhí)行實(shí)時(shí)預(yù)覽,場(chǎng)景調(diào)試及腳本調(diào)試工具包.Vizard支持幾乎當(dāng)前所有的虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備，如動(dòng)作追蹤器，3D立體顯示器等其他眾多外部輸入設(shè)備，還支持業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的各種3D模型格式，內(nèi)建虛擬人物庫(kù)、優(yōu)秀的物理引擎以及良好的擴(kuò)展性.WorldViz旗下VideoVison增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)裝置的完美結(jié)合，可輕松實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)圖像與現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景的融合.采用了Python這款極具發(fā)展?jié)摿τ謽O易上手的語(yǔ)言作為其編程核心，其發(fā)展前景毋庸置疑.

1.2 KBEngine概述[4]

KBENGINE是一款開源的服務(wù)器引擎開發(fā)框架，支持多客戶端同步載入，通過協(xié)議輕松與客戶端進(jìn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)交互，實(shí)現(xiàn)各個(gè)客戶端的數(shù)據(jù)同步，支持使用插件可輕松與其他技術(shù)結(jié)合成完整的系統(tǒng).數(shù)據(jù)定時(shí)備份至數(shù)據(jù)庫(kù)，服務(wù)器上實(shí)體數(shù)據(jù)會(huì)自動(dòng)在多個(gè)Baseapp之間相互備份，最大化減少災(zāi)難發(fā)生后的損失.它的底層框架由高效的C/C++語(yǔ)言編寫，保證了其在圖形處理方面的優(yōu)勢(shì)，Python負(fù)責(zé)框架邏輯層的處理，這一特性決定了其具備跨平臺(tái)使用特性，為開發(fā)者解決了程序移植的煩惱.提供完善的客戶端SDK和接口，客戶端程序只需要簡(jiǎn)單的從服務(wù)端接收數(shù)據(jù)和響應(yīng)事件并進(jìn)行處理.

2 基于Vizard和KBEngine的多線程虛擬消防演習(xí)系統(tǒng)

2.1 多線程虛擬消防演習(xí)系統(tǒng)客戶端實(shí)現(xiàn)

2.1.1 基于Vizard的虛擬消防演習(xí)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

基于Vizard的虛擬消防演習(xí)系統(tǒng)由虛擬消防演習(xí)場(chǎng)景模塊、警報(bào)模塊、小地圖功能模塊、火焰與煙霧模擬模塊和角色控制與救援模塊構(gòu)成.虛擬消防演習(xí)場(chǎng)景模塊是利用3DSMAX構(gòu)建虛擬消防演習(xí)場(chǎng)景所需預(yù)制體模型，將其以O(shè)SGB格式導(dǎo)入到Vizard中搭建虛擬消防演習(xí)場(chǎng)景，并對(duì)場(chǎng)景中的一些不夠完美的細(xì)節(jié)之處進(jìn)行優(yōu)化使最終的成品顯得更加真實(shí)，更貼近實(shí)際生活，實(shí)現(xiàn)虛擬消防演習(xí)場(chǎng)景漫游.警報(bào)模塊實(shí)現(xiàn)的功能是在模擬演習(xí)開始3秒后會(huì)發(fā)出火災(zāi)警報(bào)，在火源全部被撲滅后警報(bào)聲解除，通過調(diào)用命令vizact.ontimer和viz.addAudio實(shí)現(xiàn).小地圖功能模塊實(shí)時(shí)顯示火災(zāi)及傷員動(dòng)態(tài)方向，通過在Vizard中添加攝像機(jī)、渲染UI元素和陰影遮罩等操作實(shí)現(xiàn).火焰與煙霧模擬模塊可逼真地模擬火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的火焰和煙霧，且特定著火點(diǎn)會(huì)在周邊蔓延新火點(diǎn)，通過粒子系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn).角色控制與救援模塊實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)和玩家對(duì)角色的控制以及根據(jù)不同角色實(shí)現(xiàn)不同的救援技能，通過Vizard中avatar模塊、碰撞機(jī)制和交互模塊設(shè)置實(shí)現(xiàn).設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的上述模塊已形成了虛擬消防演習(xí)系統(tǒng)的雛形，在Vizard中編程將其整合，設(shè)置3個(gè)不同難度的選擇模式，它們的人員、著火點(diǎn)等重要的演習(xí)元素配置都是固定的，整合后的系統(tǒng)測(cè)試運(yùn)行效果良好.

為了動(dòng)態(tài)配置虛擬消防演習(xí)系統(tǒng)中的重要演習(xí)元素添加自定義配置模式，使用戶可以根據(jù)實(shí)際的起火情況對(duì)演習(xí)元素進(jìn)行動(dòng)態(tài)的配置，更好的模擬實(shí)際情況.首先對(duì)自定義配置模式的配置界面進(jìn)行制作，然后系統(tǒng)在創(chuàng)建實(shí)體的時(shí)候依據(jù)界面輸入框中的數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)創(chuàng)建，在界面切換時(shí)，生成相應(yīng)實(shí)體，主要是通過調(diào)用命令viz.addText、viz.addTextbox、viz.addButton、＜GUI element＞.get實(shí)現(xiàn).添加的自定義配置模式完善了基于Vizard的虛擬消防演習(xí)系統(tǒng)，作為多線程虛擬演習(xí)系統(tǒng)的客戶端.

2.1.2 多線程虛擬消防演習(xí)系統(tǒng)客戶端配置

由于此虛擬消防演習(xí)系統(tǒng)是多線程，需要通過Kbengine服務(wù)器，使多個(gè)客戶端同時(shí)登錄進(jìn)入同一個(gè)場(chǎng)景，達(dá)到數(shù)據(jù)交互的目的，所以還需為客戶端配置登錄界面.制作登錄界面首先是利用命令viz.addChild加載場(chǎng)景作為登錄界面背景，然后利用vizard自帶的GUIs添加控件，主要使用到命令 viz.addText、viz.addTextbox、viz.addButton 等，為了使每個(gè)控件執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作，編程python腳本掛載于相應(yīng)的控件上實(shí)現(xiàn)其功能，服務(wù)端會(huì)提供相應(yīng)的接口函數(shù)，數(shù)據(jù)庫(kù)如何進(jìn)行處理是我們不需要關(guān)心的，客戶端需配置的登錄界面制作完成，綜合上述兩個(gè)部分多線程虛擬消防演習(xí)系統(tǒng)客戶端功能已全部實(shí)現(xiàn).

2.2 多線程虛擬消防演習(xí)系統(tǒng)服務(wù)端實(shí)現(xiàn)

2.2.1 服務(wù)端環(huán)境的搭建

KBEnggine服務(wù)器邏輯層是Python實(shí)現(xiàn)的，相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)要支持大小寫敏感服務(wù)器才能夠正常運(yùn)行，所以對(duì)Mysql數(shù)據(jù)庫(kù)的安裝與配置有一些地方就要注意.安裝數(shù)據(jù)庫(kù)前要先安裝Python解析器，再安裝Mysql數(shù)據(jù)庫(kù)，并在其安裝目錄中my.ini文件中加入代碼“[mysqld]”和“l(fā)ower_case_table_ names=0”設(shè)置數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)大小寫敏感，然后重啟Mysql服務(wù)，最后創(chuàng)建KBE賬號(hào)，執(zhí)行配置代碼并禁止空密碼登錄，相應(yīng)配置完成之后，雙擊“!(win)startdemo_server.bat”啟動(dòng)服務(wù)器，雙擊“!(win)startdemo_client_orge.bat”啟動(dòng)客戶端，這樣服務(wù)器環(huán)境就搭建完成，即可進(jìn)行工作.

2.2.2 AI腳本控制人物操作

AI腳本是一種人工智能腳本，可以控制人物操作，對(duì)外部條件的改變進(jìn)行反應(yīng)處理.由服務(wù)器AI腳本控制的人物數(shù)據(jù)會(huì)實(shí)時(shí)同步至每個(gè)客戶端，客戶端接收服務(wù)端數(shù)據(jù)進(jìn)行同步顯示，更有效模擬人物的真實(shí)情況.在此系統(tǒng)中火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的圍觀群眾使用AI腳本控制其向著火點(diǎn)進(jìn)行移動(dòng)，當(dāng)靠近著火點(diǎn)一定距離時(shí)，AI腳本會(huì)進(jìn)行碰撞檢測(cè)，處于危險(xiǎn)距離內(nèi)的圍觀群眾會(huì)被火擊退一定的距離，主要調(diào)用腳本call StartThread、call PlayGame、call SetDefendPlayer等實(shí)現(xiàn).

2.2.3 服務(wù)端數(shù)據(jù)交換實(shí)現(xiàn)

服務(wù)端上數(shù)據(jù)的交換都是通過實(shí)體實(shí)現(xiàn)的，實(shí)體是通過服務(wù)器上的entities.xml文件進(jìn)行創(chuàng)建的，在entities.xml文件列表里必須有Entity_name.def以及Entity_name.py文件，并對(duì)實(shí)體的三個(gè)部分Client、Cell、Base進(jìn)行配置，同時(shí)要保證客戶端與服務(wù)端的定義文件必須匹配，需要配置實(shí)體的Properties，ClientMethods，BaseMethods，CellMethods等屬性.

2.2.4 登錄界面的交互功能實(shí)現(xiàn)

登錄界面的交互功能是客戶端攜帶特定的IP地址與端口信息先向服務(wù)器發(fā)送登錄請(qǐng)求，服務(wù)器查詢數(shù)據(jù)庫(kù)中服務(wù)器的DBMgr驗(yàn)證用戶名以及密碼，同時(shí)將請(qǐng)求轉(zhuǎn)發(fā)至BaseappMgr，BaseappMgr發(fā)送創(chuàng)建Player Entity的消息到負(fù)載最小的Baseapp，Baseapp會(huì)創(chuàng)建一個(gè)新的Proxy，Proxy的TCP端口途徑 BaseappMgr、DBMgr、Loginapp被返回給客戶端，至此完成登錄流程.從編程角度來(lái)說，客戶端登錄會(huì)調(diào)用login_loginapp()函數(shù)，同時(shí)觸發(fā)一個(gè)login事件，等待服務(wù)端登錄的結(jié)果，注冊(cè)與登錄的不同點(diǎn)在于期間會(huì)向數(shù)據(jù)庫(kù)寫入賬號(hào)密碼，從編程角度考慮也是調(diào)用createAccount_loginapp()觸發(fā)一個(gè)createAccount信號(hào)，等待服務(wù)端返回結(jié)果.

2.3 多線程虛擬消防演習(xí)系統(tǒng)客戶端與服務(wù)端整合

為了使多線程虛擬消防演習(xí)系統(tǒng)更規(guī)范化，將其客戶端與服務(wù)端進(jìn)行整合.受訓(xùn)者進(jìn)行虛擬演習(xí)時(shí)，先跳出登錄界面，根據(jù)選擇的版本，即單機(jī)版演習(xí)還是多人版演習(xí)進(jìn)行場(chǎng)景跳轉(zhuǎn)，依次進(jìn)入操作提示場(chǎng)景、選擇模式場(chǎng)景、角色選擇場(chǎng)景、配置場(chǎng)景、然后進(jìn)入主場(chǎng)景進(jìn)行虛擬演習(xí).其中受訓(xùn)者選擇單機(jī)版不會(huì)連接服務(wù)器，選擇多人版客戶端會(huì)通過服務(wù)器進(jìn)行同步，選擇模擬的難易等級(jí)，也可自定義演習(xí)難度等.多線程虛擬消防演習(xí)系統(tǒng)如下圖1所示.

圖1 多線程虛擬消防演習(xí)系統(tǒng)圖

3 總結(jié)與展望

基于Vizard和KBEngine的多線程虛擬消防演習(xí)系統(tǒng)集消防科學(xué)知識(shí)、消防演習(xí)實(shí)戰(zhàn)和虛擬現(xiàn)實(shí)于一體，使受訓(xùn)者可以在高安全、高仿真、低成本、可重復(fù)、生動(dòng)活潑的虛擬消防演習(xí)系統(tǒng)中自由地選擇角色和場(chǎng)景，根據(jù)自己所扮演的角色在虛擬消防演習(xí)系統(tǒng)中學(xué)習(xí)消防知識(shí)，加強(qiáng)消防實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn).受訓(xùn)者還可動(dòng)態(tài)配置演習(xí)元素實(shí)現(xiàn)自定義演習(xí)模式，也可多人同步進(jìn)入場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)多線程虛擬消防演習(xí)效果.

〔1〕張菁．虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)及應(yīng)用[M]．北京:清華大學(xué)出版社，2011.24-29.

〔2〕馮成舜,石連栓.虛擬消防演練教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)[J].中國(guó)教育技術(shù)裝備,2014,8(16):43-45.

〔3〕Worldviz.Vizard virtual reality software [EB/OL].http://www.worldviz.com/vizard-virtual-reality-software.

TP391；X92

A

1673-260X（2017）10-0067-02

2017-07-18

福建省教育廳課題(JAT160389)