基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的核輻射偵檢訓(xùn)練系統(tǒng)研制

溫涵泳

從2011 年日本福島核電站事故至今，核輻射安全問(wèn)題一直是國(guó)內(nèi)外關(guān)注的熱點(diǎn)，復(fù)雜的國(guó)內(nèi)外形勢(shì)也導(dǎo)致核恐怖襲擊的威脅日益加劇。在培養(yǎng)核輻射醫(yī)療救援專業(yè)隊(duì)伍的時(shí)候，核輻射偵察與檢測(cè)訓(xùn)練是非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)[1]。常規(guī)核輻射偵檢訓(xùn)練存在很多實(shí)際問(wèn)題，例如出于訓(xùn)練者人身安全的考慮，我們無(wú)法使用輻射劑量率很高的放射源作為訓(xùn)練源使用，這些問(wèn)題都會(huì)極大的影響訓(xùn)練效果[2]。VR 環(huán)境下的核輻射偵檢訓(xùn)練系統(tǒng)具有極高的訓(xùn)練安全性，可以讓使用者針對(duì)不同的場(chǎng)景和情況進(jìn)行訓(xùn)練，間接增強(qiáng)了訓(xùn)練的趣味性，訓(xùn)練場(chǎng)景和科目也可以不斷變化和更新，降低了訓(xùn)練的成本，具有良好的應(yīng)用前景[3]。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

核輻射早期偵檢的主要工作包括：尋找并確定放射源的位置和中心最大劑量率值，確定放射源核素種類及活度，劃分標(biāo)定輻射污染區(qū)范圍等。與此同時(shí)，進(jìn)入輻射危險(xiǎn)區(qū)的偵檢人員應(yīng)佩戴直讀式個(gè)人劑量報(bào)警器，當(dāng)個(gè)人吸收劑量達(dá)到0.5 Gy限制值時(shí)就應(yīng)該立即撤離任務(wù)區(qū)域，防止自身收到過(guò)多劑量照射而引起放射性疾病。根據(jù)以上任務(wù)的需求，核輻射偵檢的人員應(yīng)通過(guò)訓(xùn)練能夠用最短的時(shí)間完成指定的任務(wù)，才能最大限度地保護(hù)自己。VR 條件下的核輻射偵檢訓(xùn)練系統(tǒng)也應(yīng)具有相對(duì)應(yīng)的訓(xùn)練內(nèi)容，并且應(yīng)具有一定的情況隨機(jī)性，使訓(xùn)練具有可重復(fù)性，儀器設(shè)備的反應(yīng)和靈敏度應(yīng)更加貼近實(shí)際情況，提高訓(xùn)練的真實(shí)性和難度。

1.1 硬件組成 從2016 年VR 硬件設(shè)備正式商業(yè)化以來(lái)，VR技術(shù)快速發(fā)展起來(lái)，市面上常見(jiàn)的有：HTCVIVE、OCULUS、VR 眼鏡、VR 一體機(jī)等，價(jià)格也從幾百到上萬(wàn)。

HTCVIVE 是目前市場(chǎng)上性能最好的VR 硬件產(chǎn)品。筆者選擇HTC 公司的VR 硬件設(shè)備套裝HTCVIVE 包含五大部件（圖1），包括：一部頭戴式顯示器、兩臺(tái)手柄控制器、兩臺(tái)能追蹤其他部件的定位基站。能夠?qū)崿F(xiàn)在4.5 m×4.5 m 范圍內(nèi)的空間實(shí)時(shí)定位，定位精度高，延遲低[4]。

1.2 軟件設(shè)計(jì)

1.2.1 VR 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 筆者選擇Unity 3D 5.4.4 版本引擎作為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，利用官方推出的適用于Unity 引擎的SteamVR 插件調(diào)用HTCVIVE 等VR 設(shè)備的SDK，利用VRTK（SteamVR Unity Toolkit）插件集合包協(xié)助實(shí)現(xiàn)某些交互動(dòng)作及功能。

圖1 HTCVIVE

由于VR 系統(tǒng)的輸入和輸出設(shè)備發(fā)生了變化，空間定位手柄控制器代替了鼠標(biāo)和鍵盤，頭盔顯示器代替了傳統(tǒng)電腦顯示器，虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)在交互設(shè)計(jì)上也與常規(guī)軟件有所區(qū)別。由于VR 軟件系統(tǒng)是在一個(gè)三維立體的空間中，UI 交互不能再依靠鼠標(biāo)和鍵盤在平面上點(diǎn)擊按鈕來(lái)實(shí)現(xiàn)操作。目前，很多VR 軟件都在嘗試不同的交互方式，本系統(tǒng)使用的交互方式大致分為以下三種。（1）最為常見(jiàn)的激光指針式交互方式，在HTCVIVE 的手柄控制器頭部添加一個(gè)激光指針組件，當(dāng)指針指向某一組件的時(shí)候按下某一按鈕，交互組件會(huì)被激活。這種交互方式常用于實(shí)現(xiàn)虛擬角色在虛擬空間中的位移活動(dòng)。由于HTCVIVE 支持的實(shí)際物理活動(dòng)區(qū)域有限，當(dāng)虛擬場(chǎng)景大于這個(gè)區(qū)域時(shí)，就需要虛擬角色在空間中以類似“空間傳送”的方式到達(dá)實(shí)際空間達(dá)不到的新位置區(qū)域，這個(gè)“空間傳送”功能就是用激光指針與地面目標(biāo)區(qū)域交互實(shí)現(xiàn)的。在某些負(fù)責(zé)的選擇菜單如系統(tǒng)設(shè)置菜單中，激光指針還能發(fā)揮類似鼠標(biāo)指針的作用，對(duì)多個(gè)選項(xiàng)按鈕進(jìn)行操作控制[5]。在VR 核輻射偵檢訓(xùn)練系統(tǒng)中就是利用這一方式進(jìn)行空間傳送。（2）以定位手柄觸碰或抓取某特定物體的方式進(jìn)行交互。將傳統(tǒng)的交互組件設(shè)計(jì)成更為直觀的物體，再利用操作手柄的模型與物體模型碰撞去觸發(fā)交互事件，這一方法是十分具有VR 項(xiàng)目特色的。在本系統(tǒng)中，筆者就以此方式實(shí)現(xiàn)了用手柄去抓取檢測(cè)儀器和切換儀器的交互動(dòng)作。（3）在虛擬空間中設(shè)計(jì)一些特點(diǎn)區(qū)域，當(dāng)使用者在VR 環(huán)境中的虛擬角色位置移動(dòng)到某設(shè)定區(qū)域的時(shí)候就會(huì)觸發(fā)交互事件。結(jié)合VR 軟件的需求及自身的特點(diǎn)選用合適的交互方式可以提高系統(tǒng)的易用性及沉浸感[6]。

1.2.2 核輻射偵檢功能設(shè)計(jì) 在核輻射偵檢訓(xùn)練系統(tǒng)中，我們需要設(shè)計(jì)一部手持式輻射巡測(cè)儀和核素識(shí)別儀，當(dāng)使用者在VR 環(huán)境中拿起輻射巡測(cè)儀時(shí)，儀器的面板會(huì)顯示當(dāng)前檢測(cè)到的輻射劑量率并以此作為依據(jù)來(lái)尋找放射源的位置。作者參照6150AD-T 型輻射巡測(cè)儀的外觀制作了簡(jiǎn)易三維模型（圖2），其中輻射巡測(cè)儀的探頭位于長(zhǎng)桿部分的最前端，顯示面板在儀器靠近手持端附近[7]。

我們知道核輻射環(huán)境中某一點(diǎn)的劑量率與該點(diǎn)與輻射源的距離的平方成反比關(guān)系，又考慮到儀器自身受性能影響具有一定的上下波動(dòng)性，輻射巡測(cè)儀的劑量率相關(guān)代碼如下：tex = ac / Mathf.Pow(dis, 2) * ran

圖2 放射性核素識(shí)別儀(上白色)與輻射巡測(cè)儀（下黑色）3D 模型示意

其中tex 為輻射劑量率值；ac 是放射源活度系數(shù)；dis 是輻射巡測(cè)儀探頭到放射源的距離的摩爾值；ran 是儀器本身的浮動(dòng)干擾系數(shù)。

為了模擬探測(cè)器的聲音報(bào)警裝置，我們給探測(cè)器添加一個(gè)報(bào)警的聲音組建，并添加以下代碼：GetComponent＜AudioSource＞().pitch = 1/ Mathf.Pow(dis, 2)*ran

以上代碼表示報(bào)警器的音頻高低將和劑量率成正比并有一定的擾動(dòng)。

當(dāng)我們通過(guò)輻射巡測(cè)儀確定了放射源的位置時(shí)，我們需要使用核素識(shí)別儀器來(lái)識(shí)別放射性核素的種類，給后續(xù)的救援提供重要的信息。核素識(shí)別儀接近放射源后會(huì)開(kāi)始自動(dòng)分析約2 min 后可以根據(jù)能量峰值的情況得到核素的種類信息。

1.2.3 個(gè)人吸收劑量限制設(shè)計(jì) 在實(shí)際任務(wù)中，每個(gè)進(jìn)入輻射污染區(qū)的隊(duì)員身上必須要攜帶直讀式個(gè)人劑量報(bào)警儀，以便隨時(shí)檢測(cè)個(gè)人的累積吸收劑量，當(dāng)個(gè)人吸收劑量達(dá)到0.5 Gy 時(shí)就應(yīng)立即撤出污染區(qū)，終止任務(wù)。

在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中，為了觀察方便，我們將個(gè)人吸收劑量的報(bào)警顯示放到了頭盔前方并跟隨頭盔移動(dòng)，這樣使用者無(wú)論如何移動(dòng)視角都可以觀察到吸收劑量。實(shí)現(xiàn)方法是將canvas組建添加到頭盔顯示器的子物體即可。個(gè)人累積吸收劑量的部分實(shí)現(xiàn)代碼如下：

void dosesum()

{dose = tex2 + dose;}

public void Awake()

{InvokeRepeating("dosesum", 1, 1F);}

void Start ()

{dose = 0f;}

//個(gè)人累積劑量dose 循環(huán)疊加

dis2=Vector3.Distance(o, n);

//dis 表示從放射源到使用者頭盔的距離

tex2=(1/Mathf.Pow(dis2,2) ) * Time.deltaTime ;

//個(gè)人累積劑量是頭盔處放射劑量率乘以單位時(shí)間所得

p.text ="吸收劑量="+(dose).ToString("F1")+" mGy";

if(dose ＞=500)

{p.text = "已超過(guò)個(gè)人劑量限值！危險(xiǎn)！立即撤退！;}

//在頭盔上顯示個(gè)人吸收劑量和報(bào)警信息

個(gè)人吸收劑量限值的設(shè)定可以根據(jù)任務(wù)規(guī)模和性質(zhì)在0.5 Gy 至1 Gy 之間調(diào)整。當(dāng)使用者一開(kāi)始進(jìn)入輻射污染區(qū)，個(gè)人累積吸收劑量就開(kāi)始增加，這會(huì)對(duì)隊(duì)員造成一定的心理壓力和緊張感，這也是我們訓(xùn)練內(nèi)容的一個(gè)方面。核輻射偵檢的隊(duì)員應(yīng)在完成任務(wù)的前提下盡可能縮短進(jìn)入輻射污染區(qū)的時(shí)間，并且盡量遠(yuǎn)離放射源（比如在核素識(shí)別儀工作的時(shí)間應(yīng)盡量遠(yuǎn)離放射源）保護(hù)自己。

1.2.4 輻射源隨機(jī)位置設(shè)計(jì) 從設(shè)計(jì)角度出發(fā)，我們希望訓(xùn)練者每次使用軟件都能夠依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況進(jìn)行立即判斷和分析后做出正確的操作。如果一個(gè)場(chǎng)景中放射源或臟彈的位置是固定不變的，那么訓(xùn)練者進(jìn)行重復(fù)訓(xùn)練時(shí)就知道目標(biāo)位置，訓(xùn)練效果大打折扣。因此，賦予放射源位置以隨機(jī)性會(huì)使整個(gè)系統(tǒng)更加具有實(shí)用性的關(guān)鍵。如果核輻射環(huán)境現(xiàn)場(chǎng)是在戶外露天的開(kāi)放場(chǎng)所，那么放射源大概率會(huì)在地面上，那么其位置則可以完全隨機(jī)產(chǎn)生。如果現(xiàn)場(chǎng)是室內(nèi)且場(chǎng)景復(fù)雜，則需要人工預(yù)設(shè)若干個(gè)放射源可能出現(xiàn)的位置，然后每次訓(xùn)練的時(shí)候從預(yù)設(shè)的情況中隨機(jī)抽取一種。

2 使用方法

使用者首先應(yīng)清理好周圍場(chǎng)地，確保在帶上VR 設(shè)備后周圍活動(dòng)范圍內(nèi)無(wú)障礙物，然后由專業(yè)人員指導(dǎo)使用者穿戴好HTCVIVE 虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備。運(yùn)行系統(tǒng)后，使用者可以先在登錄界面大廳熟悉基本操作或直接開(kāi)始訓(xùn)練模式，具體操作說(shuō)明可見(jiàn)系統(tǒng)提示[8]。

3 應(yīng)用測(cè)試

本系統(tǒng)在經(jīng)過(guò)初步實(shí)現(xiàn)之后，對(duì)早期開(kāi)發(fā)版本進(jìn)行了用戶測(cè)試。作者選取了十位具有防化專業(yè)的測(cè)試者及十位非防化專業(yè)的測(cè)試者幫助我們進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試。測(cè)試者完成訓(xùn)練任務(wù)后記錄所用時(shí)間和個(gè)人吸收劑量值并填寫(xiě)調(diào)查問(wèn)卷。調(diào)查問(wèn)卷的問(wèn)題設(shè)計(jì)從系統(tǒng)的科學(xué)性、易用性和體驗(yàn)效果方面入手，對(duì)系統(tǒng)的使用情況作了較為詳細(xì)的摸底。從調(diào)查問(wèn)卷結(jié)果上來(lái)看，測(cè)試者對(duì)VR 核輻射訓(xùn)偵檢訓(xùn)練系統(tǒng)的科學(xué)性、體驗(yàn)效果良好，并表示對(duì)實(shí)際任務(wù)有一定指導(dǎo)意義。但有部分測(cè)試者表示系統(tǒng)操作性一般或使用起來(lái)不順利，這點(diǎn)需要在今后進(jìn)一步進(jìn)行加強(qiáng)改進(jìn)。

4 結(jié) 論

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在軍事訓(xùn)練上的應(yīng)用具有重大意義[9]，是從理論邁向?qū)嶋H的第一步[10]。本文從核輻射偵檢訓(xùn)練的重要性出發(fā)，提出了用HTCVIVE 虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備進(jìn)行核輻射偵檢模擬訓(xùn)練的解決方案，在對(duì)核輻射偵檢救援的任務(wù)需求進(jìn)行分析后，詳細(xì)設(shè)計(jì)并部分實(shí)現(xiàn)了VR 核輻射偵檢模擬訓(xùn)練系統(tǒng)。該軟件系統(tǒng)易用性良好，在實(shí)際應(yīng)用中能夠?qū)溯椛鋫蓹z救援專業(yè)應(yīng)急能力的提升提供一定幫助。

在下一步工作中，可以通過(guò)HTCVIVE 的定位器安裝在帶有按鍵功能的專業(yè)設(shè)備的模型上面，這樣可以替代原本的HTCVIVE 手柄，從而更加提高訓(xùn)練的真實(shí)性，另外目前最新的HTCVIVE 2 代產(chǎn)品能支持10 m×10 m 大小的物理空間，設(shè)立專門的VR 訓(xùn)練場(chǎng)或訓(xùn)練教室，多人協(xié)作的訓(xùn)練系統(tǒng)也可以進(jìn)一步開(kāi)發(fā)。VR 核輻射偵檢模擬訓(xùn)練系統(tǒng)易用性良好，針對(duì)性強(qiáng)，能夠?qū)溯椛溽t(yī)學(xué)救援專業(yè)力量的提升提供一定幫助。