基于虛擬仿真技術(shù)（VR）的校園地震演練實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)

曾文輝

摘要：因?yàn)槿肆?、?chǎng)地和時(shí)間等因素的限制，舉辦一場(chǎng)全校師生的地震實(shí)訓(xùn)演練的成本是十分高的。而傳統(tǒng)的視頻教學(xué)、書籍授課和板報(bào)宣傳又達(dá)不到理想的教學(xué)效果，所以虛擬仿真技術(shù)的引入正好解決了以上問(wèn)題。校園地震演練結(jié)合虛擬仿真技術(shù)將校園模型和地震演練交互進(jìn)行數(shù)據(jù)模擬化，可以輸出基于不同VR平臺(tái)的虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)。該虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)將會(huì)與傳統(tǒng)地震演練相輔相成，達(dá)到深化師生避震、逃生等知識(shí)的作用。

關(guān)鍵詞：地震;虛擬仿真;相輔相成

中圖分類號(hào)：TP311? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2020）23-0061-02

地震是一種破壞力極大的自然災(zāi)害，我國(guó)的地震活動(dòng)表現(xiàn)為震源淺、分布廣、頻度高、強(qiáng)度大，我國(guó)是一個(gè)震災(zāi)嚴(yán)重的國(guó)家，人民的性命和財(cái)產(chǎn)因此受到極大的威脅。諸如1976年的唐山大地震、2008年的汶川大地震，其造成的死亡人數(shù)和財(cái)產(chǎn)損失是極其巨大的，這給遭受地震災(zāi)害的人民帶來(lái)了極為沉重的損失。 而高校是人流非常密集的地方，當(dāng)發(fā)生地震時(shí)會(huì)有大量的學(xué)生進(jìn)行避震和逃生，所以必須定時(shí)舉行全體師生地震演練，現(xiàn)場(chǎng)地震演練所需成本高，不宜長(zhǎng)時(shí)間和頻繁舉行，所以虛擬仿真技術(shù)的引入，恰好能彌補(bǔ)這方面的缺點(diǎn)。利用虛擬仿真技術(shù)進(jìn)行災(zāi)難場(chǎng)景建模，使用Unity 3D引擎里進(jìn)行烘焙渲染，利用動(dòng)畫系統(tǒng)將角色避震和逃生的過(guò)程模擬出來(lái)，最后使用程序?qū)⒄麄€(gè)仿真系統(tǒng)進(jìn)行交互開(kāi)發(fā)。

1 系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)

本仿真系統(tǒng)是基于Unity 3D引擎進(jìn)行開(kāi)發(fā)，以頭戴式仿真頭盔（HTC View或者Oculus rift）作為輸出平臺(tái)。頭戴式仿真設(shè)備作為輸出平臺(tái)的仿真系統(tǒng)在操控上是區(qū)別于傳統(tǒng)鼠標(biāo)和鍵盤的，是使用手柄設(shè)備進(jìn)行交互。所以在交互設(shè)上必須匹配手柄上的交互控件，模擬正常人類雙手進(jìn)行設(shè)計(jì)（參考圖1）。在設(shè)計(jì)上分為場(chǎng)景設(shè)計(jì)、UI設(shè)計(jì)兩個(gè)部分。

1.1 場(chǎng)景設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的場(chǎng)景設(shè)計(jì)使以我校為背景進(jìn)行設(shè)計(jì)和建模。根據(jù)地震的等級(jí)強(qiáng)度，地震場(chǎng)景分為兩種，第一種是1～4級(jí)地震所造成的出現(xiàn)裂紋的場(chǎng)景建筑，第二種是4級(jí)以上地震所造成的崩塌的場(chǎng)景建筑。

利用3ds Max等三維建模軟件進(jìn)行建模，第一種模型主要是因?yàn)榈卣鸬燃?jí)不高，破壞程度小，所以建筑僅出現(xiàn)了裂痕。在地震時(shí)，建筑的裂痕是漸變出現(xiàn)的效果，所以建模時(shí)需要裂痕從不同的方向進(jìn)行漸變出現(xiàn)。在正常的開(kāi)發(fā)流程中，應(yīng)該使用3ds Max等建模軟件將場(chǎng)景模型創(chuàng)建出來(lái)，然后調(diào)整模型的線條和點(diǎn)，呈現(xiàn)出建筑模型的裂痕效果，這樣做的優(yōu)點(diǎn)是真實(shí)程度高，視覺(jué)效果好，但是缺點(diǎn)同樣非常突出，模型三角面數(shù)量增加，交互成本高，效率低。由于建筑對(duì)于仿真系統(tǒng)本身視覺(jué)來(lái)說(shuō)是遠(yuǎn)景，所以采取了模型疊加裂痕效果圖片的方式進(jìn)行效果呈現(xiàn)（效果參考圖2）。由于Unity的UGUI系統(tǒng)Image組件具備3D模式和漸變參數(shù)，所以裂痕效果將采用Image組件進(jìn)行呈現(xiàn)。那么只需在Photoshop中行進(jìn)裂痕效果的透明背景圖片制作，然后導(dǎo)入U(xiǎn)nity中進(jìn)行開(kāi)發(fā)。將Canvas組件的渲染模式Render Mode修改為World Space模式（3D模式），Image組件Image Type參數(shù)修改為Filled，最后使用程序?qū)⒖刂艶ill Amount參數(shù)進(jìn)行裂痕效果的漸變出現(xiàn)（參數(shù)修改參考圖3）。

第二種場(chǎng)景模型主要是地震等級(jí)高，破壞程度高，對(duì)建筑造成崩塌、脫落等損壞效果。在開(kāi)發(fā)的過(guò)程中就需要在3ds Max等模型軟件中對(duì)完整的建筑模型進(jìn)行切割，將建筑在地震中呈現(xiàn)出破碎或者崩塌效果。在建筑崩塌的效果中不但要呈現(xiàn)出破碎效果，還需要處理好破碎后，建筑碎片的貼圖問(wèn)題，破碎的切面必須粗糙，貼圖符合水泥等材質(zhì)，以求達(dá)到真實(shí)的效果。在Unity中破碎效果是可以使用破碎插件進(jìn)行開(kāi)發(fā)的，因?yàn)閁nity商店具有非常豐富的插件資源。本系統(tǒng)之所以不使用插件，是因?yàn)槭謩?dòng)破碎能讓建筑的切面變得更加真實(shí)，能更好地處理切面的材質(zhì)問(wèn)題，而且能讓系統(tǒng)的運(yùn)行效率更高，所以在開(kāi)發(fā)中首選了手動(dòng)破碎（破碎前后的效果參考圖4和圖5）。

1.2 UI設(shè)計(jì)

本仿真系統(tǒng)是以頭戴式仿真頭盔（HTC View或者Oculus rift）作為輸出平臺(tái)，在顯示模式上是區(qū)別于傳統(tǒng)顯示器的。頭戴式仿真頭盔視覺(jué)角度有110°，模擬人類真實(shí)的第一人稱視角，所以顯示的空間是三維的。Unity官方給這個(gè)新的UI系統(tǒng)賦予的標(biāo)簽是：靈活、快速和可視化。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，對(duì)于開(kāi)發(fā)者而言，就是有三個(gè)優(yōu)點(diǎn)：效率高效果好，易于使用、擴(kuò)展，以及與Unity的兼容性高。本系統(tǒng)將會(huì)采用官方的UGUI系統(tǒng)的World Space渲染模式進(jìn)行開(kāi)發(fā)，該模式是3D UI的渲染模式。整個(gè)仿真系統(tǒng)主要的UI界面有主標(biāo)題UI界面和手柄提示UI界面。

主標(biāo)題UI界面是整個(gè)仿真系統(tǒng)的開(kāi)始場(chǎng)景，和游戲里的進(jìn)入游戲的主UI界面一樣，主要的區(qū)別是在于普通的UI界面是二維的，而本仿真系統(tǒng)的UI界面是三維的。創(chuàng)建一個(gè)Canvas畫布，設(shè)置Render Mode渲染模式為World Space，將畫布的Scale的X、Y、Z值設(shè)置為0.001，這樣能將3D UI的尺寸縮放到正常大小。在Canvas畫布中創(chuàng)建一個(gè)Image組件作為背景面板，然后分別創(chuàng)建Text文本組件和按鈕組件，分別設(shè)置圖片和文字參數(shù)，最后進(jìn)行界面排版（效果參考圖6）。

手柄提示UI界面是交互操作的步驟提示。該UI界面需要將Canvas畫布創(chuàng)建到控制角色的手柄對(duì)象下作為子物體，讓UI提示面板就可以跟隨手柄移動(dòng)。和主標(biāo)題UI界面一樣，創(chuàng)建相應(yīng)的UI組件，設(shè)置參數(shù)，最后進(jìn)行界面排版。當(dāng)按下手柄的菜單按鍵時(shí)彈出提示UI界面（效果參考圖7）。

2 交互實(shí)現(xiàn)

Unity是使用C#腳本進(jìn)行交互開(kāi)發(fā)的，本仿真系統(tǒng)是基于頭戴式虛擬設(shè)備進(jìn)行開(kāi)發(fā)的，所以在開(kāi)發(fā)的過(guò)程中所使用的大部分功能API都是基于SteamVR Plugin插件進(jìn)行調(diào)用的。交互的實(shí)現(xiàn)主要有攝像頭震動(dòng)，模擬地震時(shí)的震動(dòng)效果，通過(guò)調(diào)節(jié)不同的參數(shù)，進(jìn)行地震等級(jí)的模擬。還有就是手柄與UI，手柄與物品模型的交互開(kāi)發(fā)。

2.1 攝像機(jī)震動(dòng)

頭戴式頭盔設(shè)備的顯示主要是通過(guò)攝像機(jī)Canera進(jìn)行渲染，所以在模擬地震震動(dòng)的過(guò)程中需要分別控制攝像機(jī)Camera的Position和Rotation兩個(gè)參數(shù)。攝像機(jī)Camera的Postion和Rotation參數(shù)的控制并不是簡(jiǎn)單的變化，而是需要根據(jù)參數(shù)和隨機(jī)時(shí)間有一個(gè)變化的過(guò)程，模擬真實(shí)地震的震動(dòng)過(guò)程和人眼在地震是視覺(jué)效果。想要達(dá)到這種效果，代碼上使用了Update方法，該方法是每一幀都執(zhí)行，那么參數(shù)的變化也會(huì)每一幀都變化，達(dá)到一段時(shí)間內(nèi)變化的過(guò)程，代碼片段如下：

void Update（）

{

Vector3 posAddShake = Vector3.zero;

Vector3 rotAddShake = Vector3.zero;

posAddShake+=CameraUtilities.MultiplyVectors（c.UpdateSha

ke（）， c.PositionInfluence）;

rotAddShake+=CameraUtilities.MultiplyVectors（c.UpdateSha

ke（）， c.RotationInfluence）;

transform.localPosition = posAddShake;

transform.localEulerAngles = rotAddShake;

}

2.2 手柄交互

傳統(tǒng)的仿真系統(tǒng)主要是鼠標(biāo)和鍵盤作為交互工具，而以頭戴式仿真頭盔（HTC View或者Oculus rift）作為輸出平臺(tái)的仿真系統(tǒng)是基于SteamVR Plugin插件進(jìn)行開(kāi)發(fā)，使用手柄進(jìn)行交互的機(jī)制，模擬真實(shí)人類的手。

頭戴式仿真頭盔手柄和Unity UGUI的交互是區(qū)別于傳統(tǒng)的鼠標(biāo)的，需要用到SteamVR Plugin插件所提供的API進(jìn)行手柄交互操作。選擇所需交互的UI控件，例如Button，然后掛載SteamVR Plugin插件提供的Interactable.cs腳本，該腳本是手柄與所有對(duì)象交互的基礎(chǔ)腳本，所以手柄與對(duì)象交互，就必須掛載該腳本。手柄交互的API主要有OnHandHoverBegin（Hand hand）：當(dāng)手柄觸碰到相應(yīng)對(duì)象時(shí)觸發(fā)該方法，OnHandHoverEnd（Hand hand）：當(dāng)手柄停止觸碰相應(yīng)對(duì)象時(shí)觸發(fā)該方法，HandHoverUpdate（Hand hand）：當(dāng)手柄觸碰到相應(yīng)對(duì)象時(shí)每幀調(diào)用，以上三個(gè)方法都是操控HTC View手柄時(shí)相對(duì)應(yīng)的方法。具體的UI交互代碼片段如下：

private void HandHoverUpdate（Hand hand）

{

if（hand.GetStandardInteractionButtonDown（）||（（hand.controller！=null）&&hand.controller.GetPressDown（Valve.VR.EVRButtonId.k_EButton_SteamVR_Trigger）））

{

}

}

3 展望

自然災(zāi)害的實(shí)訓(xùn)在現(xiàn)實(shí)演練中是成本非常高的，而虛擬仿真技術(shù)的誕生恰好能解決此類問(wèn)題。但虛擬仿真設(shè)備的高昂價(jià)格、技術(shù)開(kāi)發(fā)的成本高、開(kāi)發(fā)時(shí)間長(zhǎng)等問(wèn)題讓普通用戶望而卻步。所以隨著技術(shù)的發(fā)展，必須降低虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備的成本，大力發(fā)展可視化開(kāi)發(fā)，降低軟件的開(kāi)發(fā)難度。

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【通聯(lián)編輯：梁書】