基于VR 的地震避險訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

李 琨，郝 亮，阿那爾

（內(nèi)蒙古自治區(qū)地震局，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010）

0 引言

一方面，我國受到亞歐和環(huán)太平洋兩大地震帶的交叉影響，有著十分活躍的地震活動，僅在2008—2017年間，就有汶川、玉樹、雅安、于田、九寨溝等地震發(fā)生，死亡、失蹤人數(shù)達(dá)10 萬之眾。另一方面，隨著我國城鎮(zhèn)化水平不斷提高，人口密集場所越來越多，一旦發(fā)生破壞性地震，如何緊急避險，如何將人員快速轉(zhuǎn)移至安全地帶，將是保證生命安全的重要問題。而日常科學(xué)、合理的地震避險訓(xùn)練是解決這一問題的必要手段。例如，四川綿陽安縣桑棗中學(xué)，校長在平時就非常重視應(yīng)急疏散訓(xùn)練，在汶川地震發(fā)生時， 2200 多名學(xué)生和上百名老師在 1 分 36 秒內(nèi)撤離教室，無一人傷亡[1]。

1 地震避險訓(xùn)練現(xiàn)狀

現(xiàn)階段地震應(yīng)急避險培訓(xùn)主要有兩個方面：

（1） 書面、人員或設(shè)備講解，主要途徑有發(fā)放宣傳冊、展館講解、地震安全員入?；蜻M單位講解。

局限性：被動、枯燥，缺乏互動性和融入感，難以觸動身體和心理的應(yīng)激反應(yīng)。同時，因為場館和專業(yè)講解人員少，社會覆蓋面小。

（2） 組織災(zāi)難避險訓(xùn)練，聯(lián)合相關(guān)主管部門組織各單位進行災(zāi)難疏散、避險訓(xùn)練。

局限性：地震準(zhǔn)確預(yù)報是公認(rèn)的世界難題，唯一一次因準(zhǔn)確預(yù)報而避免傷亡的是1975年2月4 日發(fā)生在我國的海城地震，其余破壞性地震在世界范圍內(nèi)均未準(zhǔn)確預(yù)報，因此，就現(xiàn)階段來說，熟練掌握地震應(yīng)急避險技能更有利于規(guī)避地震風(fēng)險。在對目前公眾地震應(yīng)急需求的調(diào)查中，只有3．46%的受訪者認(rèn)為地震預(yù)報在規(guī)避地震風(fēng)險中具有更重要的地位，而79．24%的受訪者認(rèn)為掌握應(yīng)急避險技能比依賴地震預(yù)報更有利于規(guī)避地震風(fēng)險[2]。而另一方面，傳統(tǒng)地震應(yīng)急避險訓(xùn)練，由于前期組織工作量大，需要停工、停課，組織成本、時空成本過高，現(xiàn)實中往往會盡量壓低訓(xùn)練次數(shù)，甚至不訓(xùn)練。

2 虛擬現(xiàn)實技術(shù)在地震避險訓(xùn)練中的顯著優(yōu)勢

2.1 虛擬現(xiàn)實的定義

虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality，簡稱VR），由美國人Jaron Lanier 在1980年代提出。由計算機及外圍接口設(shè)備組成，在計算機上生成圖形系統(tǒng)，通過接口設(shè)備實現(xiàn)控制、交互，而組成的三維沉浸系統(tǒng)。

2.2 虛擬現(xiàn)實的特性

早在 1993年，Burdea G 和 Coiffet PZHI就提出了虛擬現(xiàn)實3I 特征的“三角形”模型。

圖1 虛擬現(xiàn)實特性Fig.1 Characteristics of virtual reality

沉浸性：即用戶在系統(tǒng)中所感知到的真實感。越是理想的系統(tǒng)越使用戶真假難分。

交互性：即系統(tǒng)對用戶做出的反饋。越是理想的系統(tǒng)其反饋越及時、自然而全面。

想象性：即用戶在系統(tǒng)中的能動性。越是理想的系統(tǒng)越能夠使用戶主動的探索，尋找答案，從而形成新的認(rèn)知。

2.3 顯著優(yōu)勢

相較于傳統(tǒng)地震避險宣傳教育，由于VR的特點，使得場景中的信息表達(dá)具有高逼真度、高認(rèn)知率、信息展示效果突出，任何互動行為都有即時的反饋，有一定的效果優(yōu)勢。

基于VR 的地震避險訓(xùn)練，沒有地點和時間的限制，只要具備軟硬件條件即可實施，便于在科普館、社區(qū)文化站、學(xué)校等地點布設(shè)，甚至可以自行下載，隨時訓(xùn)練，在時空靈活性上有優(yōu)勢。

顯著降低組織者的組織成本、參與者的參與成本及實際耗材的使用成本，被培訓(xùn)者可以根據(jù)需要，隨時鞏固培訓(xùn)效果，相較于傳統(tǒng)應(yīng)急避險訓(xùn)練，具有顯著的成本優(yōu)勢。

對于倒塌、火災(zāi)、泄露等現(xiàn)實中不變模擬、實訓(xùn)的場景，可以在虛擬現(xiàn)實中模擬實現(xiàn)，進行培訓(xùn)。

通過虛擬現(xiàn)實中被訓(xùn)者的表現(xiàn)和反饋，可以及時對培訓(xùn)效果進行評價，并可對系統(tǒng)及時修正、改進。

2.4 VR 技術(shù)在國內(nèi)外地震災(zāi)害領(lǐng)域的應(yīng)用

有希臘研究員在2006年，就使用基于計算機的VR 技術(shù)開發(fā)了一套模擬地震環(huán)境的兒童安全教育系統(tǒng)，實踐結(jié)果表明，該系統(tǒng)對兒童（甚至智障兒童），能有效的降低災(zāi)難突發(fā)時，他們的恐慌程度；在2015年6 月，美國RYOT公司制作了首部基于VR 自然災(zāi)害紀(jì)錄片，該片重現(xiàn)了尼泊爾7.8 級地震中巴克塔普爾和新圖巴爾恰克兩個重災(zāi)區(qū)地震來臨時的場景，使觀者仿佛置身于崩塌的碎石和廢墟中；在2018年紀(jì)念汶川地震十周年時，中國國家地震局使用VR 技術(shù)制作了汶川地震的紀(jì)錄片，重現(xiàn)了地震現(xiàn)場的悲愴與震撼，再現(xiàn)了抗震救援的眾志成城和從重建到重生的不屈精神。近年來隨著VR 技術(shù)的不斷成熟，在自然災(zāi)害、消防安全、礦山救援、實驗室安全等諸多方面都得到了廣泛的應(yīng)用，展現(xiàn)了其有效性和廣闊的前景。

3 基礎(chǔ)環(huán)境及硬件平臺

本系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境為 Unity3D 引擎 ，硬件選用HTC VIVE 作為虛擬實現(xiàn)設(shè)備，運行環(huán)境為Steam VR Plugin。

Unity3D 是 Unity Technologies 公司開發(fā)的跨平臺的VR 開發(fā)引擎，具有一鍵發(fā)布跨平臺的特性，具備強大的資源整合和綜合編輯能力，擁有豐富的光影和物理特效。

HTC VIVE 是 HTC 公司和 Valve 公司共同研發(fā)的VR 實現(xiàn)設(shè)備，依托于Valve 公司的Steam VR 技術(shù)實現(xiàn)沉浸式的交互體驗。其由頭盔、兩個手柄和兩個定位器組成（圖2）。頭盔視角110°，刷新率90 赫茲，單屏分辨率1080×1200，雙屏分辨率2160×1200。兩個手柄均配有紅外傳感器和五個按鈕，傳感器用于追蹤手柄位置及位移，按鍵詳見圖5。兩個定位器均采用Light House 技術(shù)，用于掃描用戶位置及姿態(tài)。

Steam VR Plugin 是由 Valve 公司基于Unity3D 針對頭戴VR 設(shè)備開發(fā)的插件，其通過對頭戴設(shè)備系統(tǒng)的管理和控制實現(xiàn)與Unity3D場景的交互。

圖2 虛擬實現(xiàn)設(shè)備Fig.2 Virtual implementation device

4 基于 Unity3D 的地震避險訓(xùn)練系統(tǒng)的開發(fā)

系統(tǒng)的開發(fā)可分為三個階段，依次為虛擬建模階段，場景搭建階段，功能實現(xiàn)階段，在虛擬建模階段主要包括三維建模，標(biāo)簽貼圖，動畫制作模塊；在場景搭建階段主要包括場景渲染，音效加載，場景控制；功能實現(xiàn)階段主要包括碰撞觸發(fā)，角色動作，劇情任務(wù)等。流程如圖3 所示。

圖3 虛擬地震避險系統(tǒng)開發(fā)流程圖Fig.3 Development flow chart of Virtual Earthquake avoidance system

4.1 虛擬建模

虛擬建模主要負(fù)責(zé)場景要素設(shè)計與制作，包括三維建模、標(biāo)簽貼圖、動畫制作。

三維建模是在Maya 軟件中對訓(xùn)練系統(tǒng)中所需要的場景、物體等進行幾何建模，包括場景的設(shè)計、布局以及場景內(nèi)物體的設(shè)計。

標(biāo)簽貼圖是在PhotoShop 里對二維圖形圖像進行處理，繪制室內(nèi)外裝飾、標(biāo)識、建筑物玻璃、浮雕等標(biāo)簽貼圖，如黑板、相框、國旗、玻璃等。

在3DSMax 里創(chuàng)建虛擬訓(xùn)練的相關(guān)動畫，如通過關(guān)鍵幀控制物體移動或沿某個軸旋轉(zhuǎn)，以添加物體滑動和傾倒的效果；對選中對象添加噪波位置并設(shè)定相關(guān)參數(shù)，以添加振動的效果等。

模型建成后壓縮并生成FBX 文件導(dǎo)入Unity3D 中，在模型導(dǎo)入Unity3D 時，三維建模軟件中重復(fù)出現(xiàn)的模型，導(dǎo)入Unity3D 中以后會被識別成不同的網(wǎng)格信息（Mesh），且Mesh Filter 組件只能夠載入單個Mesh，所以，本例是用一個文件導(dǎo)出所有要用到的Mesh，之后在Unity3D 中分別調(diào)用。

4.2 場景搭建

場景搭建主要負(fù)責(zé)對三維模型和動畫進行視覺和音效的渲染，并對場景加載和狀態(tài)進行管理。

視覺渲染即場景渲染是指三維模型的光照、陰影，隨著角色的移動實時呈現(xiàn)各個角度的場景效果，通過 Occlusion Culling 對陰影、光照、材質(zhì)等場景進行優(yōu)化。通過粒子系統(tǒng)來模擬粉塵、火花、地面龜裂等特效，如圖4 所示。

圖4 場景渲染圖例Fig.4 Scene rendering legend

聲音加載是通過為主攝像機添加audio listener 組件，同時對場景和物體對象添加audio source 組件實現(xiàn)，如地震的轟鳴、桌椅滑動和傾倒聲音、玻璃破碎的聲音和其他警示音等。

場景控制：每一個場景都是都是一個獨立的.unity 文件，對其進行編號并加載到ScenesIn Build 列表中，通過使用 Application 類的靜態(tài)成員函數(shù) Load Level（） 可以實現(xiàn)場景加載。對Unity3D 中Time 類的 timeScale 屬性進行控制，以實現(xiàn)對游戲狀態(tài)的管理。

4.3 功能實現(xiàn)

在場景搭建完成后，需要控制角色的動作以觸發(fā)劇情的發(fā)展，從而實現(xiàn)系統(tǒng)的功能，在這個過程中貫穿著角色動作、劇情任務(wù)和碰撞觸發(fā)三個模塊。

在角色動作中我們選擇了HTC VIVE 的頭盔和手柄替代了傳統(tǒng)的鍵盤和鼠標(biāo)，以增強沉浸效果。通過頭盔的扭轉(zhuǎn)可以觀察周圍環(huán)境和確定行動的方向，通過碰撞檢測以確定第一人稱角色和周圍物體對象的關(guān)系，通過手柄按鈕調(diào)用觸發(fā)功能以實現(xiàn)抓取和事件觸發(fā)（圖5）。具體實現(xiàn)過程如下：

角色動作在Steam VR Pugin 和VRTK 環(huán)境中實現(xiàn)，首先將Steam VR Pugin 和VRTK 插件導(dǎo)入Unity3D 中；將用戶至于場景靠近中心位置區(qū)域，根據(jù)場景模型的大小調(diào)整Steam VR Pugin 預(yù)制件 [Camera Rig]， [Camera Rig] 的子類 Camera（head）、Contorller（left）、Controller（right），分別對應(yīng)用戶頭部顯示器和左右手柄。設(shè)置好 [Camera Rig] 后，即可對場景進行360度觀察；在手柄對象上掛載VRTK 的 VRTK_ControllerEvents 腳本，對手柄按鈕事件進行監(jiān)聽，手柄鍵位如圖5-②所示，在 [Camera Rig]掛載 VRTK 的 VRTK_HeightAdjustTeleport 腳本負(fù)責(zé)瞬間移動的執(zhí)行，Simple Pointer 腳本從控制器尾部發(fā)出一個有色光束來模擬激光束（默認(rèn)Grip 鍵激活），確定移動的目標(biāo)點后直接改變[CameraRig] 的坐標(biāo)實現(xiàn)瞬間移動；VRTK_InteractTouch 腳本負(fù)責(zé)觸碰功能，VRTK_Interact-Grab 負(fù)責(zé)抓取功能（Tigger 設(shè)為抓取激活鍵）；以調(diào)用 GameObject.SetActive 的方法對二維菜單進行激活（Application Menu 鍵）。

圖5 手柄鍵位圖Fig.5 Handle button diagram

劇情任務(wù)包括兩個方面，一方面負(fù)責(zé)不同劇情場景按順序執(zhí)行，一個劇情結(jié)束后，按編號順序進入到下一個劇情，直到所有劇情執(zhí)行完，任務(wù)結(jié)束。另一方面，管理每一個劇情中道具的使用，消息提示，事件等。流程如圖6所示。

圖6 劇情任務(wù)流程圖Fig.6 The flow chart of plot task

碰撞觸發(fā)主要負(fù)責(zé)碰撞的檢測和觸發(fā)，碰撞檢測即感知場景中物體對象的存在，通過盒式碰撞和基于網(wǎng)格的MeshCollider，來實現(xiàn)角色與周圍物體對象的碰撞檢測。將VRTK 的VRTK_InteractableObject 腳本掛載在物體對象上，并調(diào)整相應(yīng)參數(shù)，以實現(xiàn)相應(yīng)物體的抓取和功能觸發(fā)。

5 評估與討論

在測試環(huán)節(jié)中，根據(jù)培訓(xùn)方式及測試內(nèi)容，把36 個學(xué)員均分成A、B 兩組進行相同時間的學(xué)習(xí)，A 組發(fā)放宣傳冊書面學(xué)習(xí)，B 組進入虛擬系統(tǒng)學(xué)習(xí)，兩小時后，系統(tǒng)更換同類別不同的場景，并刪除標(biāo)簽和語音提示進行測試，A組有6 人（占30%） 通過全部測試平均用時5分12 秒，其余學(xué)員沒通過測試的環(huán)節(jié)主要發(fā)生在未進行頭部保護、靠近易破碎區(qū)域、靠近塌陷區(qū)域、靠近導(dǎo)電的水流。B 組有13 人（占72.2%） 通過全部測試，平均用時3 分32 秒，5 名沒有通過測試的學(xué)員中3 例為未彎腰前行。通過A、B 組實驗來看，虛擬系統(tǒng)相對于傳統(tǒng)書面學(xué)習(xí)，無論在通過成功率還是逃生用時方面均有大幅提高，但也反映出彎腰前行提示度不夠，需進一步加強。

根據(jù)年齡及受教育層次，把另外36 個學(xué)員均分為C、D 兩組，一組為8-14 周歲的小學(xué)和初中學(xué)生；另一組學(xué)員年齡為16-52 周歲，學(xué)歷為高中至碩士。C、D 兩組進行相同時間的學(xué)習(xí)，兩小時后，系統(tǒng)更換同類別不同的場景，并刪除標(biāo)簽和語音提示進行測試，C 組通過人數(shù)為 13 人（72.2%），平均通過時間 3 分 21秒；D 組通過人數(shù)為14 人（77.8%），平均通過時間3 分30 秒。兩組結(jié)果比較接近，說明通過系統(tǒng)進行訓(xùn)練后，不同年齡段，不同受教育水平的學(xué)員都能取得較好的成績。

測試結(jié)果表明，虛擬技術(shù)在地震應(yīng)急避險訓(xùn)練中能夠彌補傳統(tǒng)地震安全教育的不足，能夠提高學(xué)員的認(rèn)知和理解水平，且不同年齡段、不同教育程度的學(xué)員都能取得較好的成績，具有普遍的適用性。

以上測試均以房間模式進行，房間模式需裝定位器，訓(xùn)練需通過角色小范圍動作配合完成，互動性更好，空間需要1.5m×2.0m≤3m×4m，可廣泛地布設(shè)于單位、學(xué)校和社區(qū)文化站等。在推廣測試過程中，年齡過高或體質(zhì)較弱的測試者小概率會出現(xiàn)暈動癥，針對暈動癥和不能滿足1.5m×2.0m 最小空間要求的情況，可采取坐立模式，坐立模式不需要裝定位器，也不需要身體動作配合，僅需手柄光束定位，在坐姿或站姿狀態(tài)下即可完成全過程。

測試中，在有標(biāo)簽和語音提示的情況下，最長通過時間≤4 分鐘，以學(xué)校為例，每個學(xué)生完成學(xué)校和家庭（大概率場景） 兩個場景最長用時≤8 分鐘，7 套設(shè)備可以在40 分鐘內(nèi)完成對一個標(biāo)準(zhǔn)班（35 人） 的培訓(xùn)，即用7 套設(shè)備就可以在一節(jié)科學(xué)課或活動課完成對一個班的培訓(xùn)。

隨著更多不同場景的加入，不斷提高真實感和沉浸感，虛擬技術(shù)在地震應(yīng)急避險訓(xùn)練中將會發(fā)揮更廣泛的作用。