采用虛擬聚焦交互技術(shù)的消防教育系統(tǒng)研究

蔡青青，陳思源，楊芳圓

（1.紹興職業(yè)技術(shù)學院 信息工程學院，浙江 紹興 312000；2.中國聯(lián)通紹興分公司，浙江 紹興 312000）

0 引 言

火災是最常見的威脅人身安全的災害之一。通過對大量火災案例分析發(fā)現(xiàn)，多數(shù)人員無法正確利用標志引導脫險，特別是老幼等弱勢群體[1]，需要引起重點關(guān)注。目前，我國消防科普主要采取宣傳海報、微信公眾號以及視頻廣告等形式，在一定程度上起到了普及作用。但受時空的限制，消防科普缺少交互性，受眾人員缺乏學習興趣[2-3]。部分學校和單位等開展火災演練，教育效果相對較好。但由于火災發(fā)生的特殊性，公眾很難親身體驗真實情景，無法通過有效的方式自救。另外，該類科普忽視了對消防標志的宣傳教育。

有效學習應該包括學習動機、清晰的學習目標以及足夠的練習3個部分[4]。為推進“智安城市”項目建設(shè)，加強對消防標志的宣傳教育，增加學習趣味性，設(shè)計一款采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)的消防教育系統(tǒng)。目前，虛擬現(xiàn)實技術(shù)的解決方案主要有HTC VIVE、Oculus、Cardboard以及Gear VR等。其中，HTC VIVE需要連接電腦使用；Oculus主要針對國外市場，國內(nèi)市場很難獲??；Cardboard是谷歌的產(chǎn)品，其應用主要發(fā)布在Google Play應用市場；Gear VR由三星公司開發(fā)，采用手機式設(shè)計，不需要連接電腦使用，并且完全兼容Oculus SDK，具有價格便宜的優(yōu)勢。鑒于此，本系統(tǒng)選擇基于Gear VR開發(fā)。針對傳統(tǒng)Gear VR凝視技術(shù)在虛擬交互中容易誤觸發(fā)的問題，對Oculus SDK的凝視功能進行研究，提出一種基于Gear VR的虛擬聚焦交互技術(shù)。

1 虛擬消防教育系統(tǒng)總體設(shè)計

虛擬消防教育系統(tǒng)主要涉及三維場景建模、場景渲染以及虛擬交互等技術(shù)。三維場景建模采用3ds MAX軟件，場景渲染采用Unity引擎，虛擬交互制作采用Gear VR相關(guān)技術(shù)。

1.1 系統(tǒng)總體框架

虛擬消防教育系統(tǒng)框架如圖1所示。系統(tǒng)實現(xiàn)方面，采用3ds MAX進行三維建模，搭建消防體驗館虛擬場景，采用Unity引擎進行場景渲染，采用Gear VR相關(guān)技術(shù)對交互對象檢測和使用的交互動作進行識別，采用本文提出的虛擬聚焦交互技術(shù)完成交互設(shè)計與制作，從而實現(xiàn)在場景顯示相應的提示文本，播放解說的語音、視頻及三維動畫等功能。系統(tǒng)采用人機虛擬交互的方式進行仿真交互，通過對交互對象和事件的綜合處理，實現(xiàn)消防安全教育功能仿真。

圖1 虛擬消防教育系統(tǒng)框架圖

1.2 系統(tǒng)場景構(gòu)建

學習者在一個優(yōu)美的、逼真的虛擬教學環(huán)境進行學習，對學習內(nèi)容的印象會更加深刻。根據(jù)本系統(tǒng)的場景模型需求，選擇3ds MAX 2016工具對虛擬消防體驗館及其場景物品進行三維建模，采用烘焙貼圖技術(shù)進行貼圖處理，將每一個模型單獨導出為獨立的fbx文件。

由于3ds MAX建模工具采用多邊形網(wǎng)格的方法制作模型，為真實還原物體原型，該方法往往需要使用幾百萬個甚至更多的多邊形網(wǎng)格，在實時運行應用時，設(shè)備終端需使用大量內(nèi)存來渲染該模型。為有效解決內(nèi)存消耗過大的問題，同時保持模型細節(jié)，將模型導入Unity進行調(diào)整，采用細節(jié)層次（Level of details，LOD）技術(shù)對場景進行優(yōu)化[5]，提高運行效率和精細度。運行實例效果如圖2所示。

圖2 消防體驗館虛擬場景

1.3 人機交互設(shè)計

游戲問答式的人機交互是虛擬消防教育系統(tǒng)最大的特點。與傳統(tǒng)的非交互式消防教學系統(tǒng)相比，本系統(tǒng)增加了學習者自主學習過程，通過高強度的參與性，使消防教育更具有趣味性，從而提高學習者的學習興趣與專注度。該部分功能的實現(xiàn)需要使用3D引擎開發(fā)工具。在眾多的開發(fā)工具中，Unity引擎有著性價比高、適合在移動端開發(fā)3D應用以及對硬件設(shè)備要求不高等優(yōu)點，因此本文采用Unity引擎實現(xiàn)交互設(shè)計。

1.3.1 Unity事件函數(shù)驅(qū)動機制

Unity引擎采用事件函數(shù)驅(qū)動機制實現(xiàn)場景渲染和人機交互等功能[6-7]，其主要功能函數(shù)的工作流程如圖3所示。事件函數(shù)組成Unity腳本，Awake、OnEnable及Start函數(shù)在游戲開始之前、初始化變量或游戲狀態(tài)時執(zhí)行；FixedUpdate函數(shù)是固定幀更新，適用于Unity中物理引擎的計算，通常用在剛體（Rigidbody）的受力處理；物理引擎的碰撞檢測是Unity實現(xiàn)虛擬人機交互的關(guān)鍵技術(shù)，該技術(shù)的實現(xiàn)與處理由OnCollisionEnter、OnCollision Stay、OnCollisionExit或OnTriggerEnter、OnTriggerStay以及OnTriggerExit函數(shù)輔助完成；Update函數(shù)用于邏輯更新，通常用于控制的實現(xiàn)；OnDisable函數(shù)、OnDestroy函數(shù)在游戲場景中物體被銷毀時被調(diào)用；OnApplicationQuit函數(shù)是在應用程序退出時被調(diào)用。

圖3 Unity引擎事件函數(shù)驅(qū)動流程圖

1.3.2 碰撞檢測技術(shù)

碰撞檢測技術(shù)是虛擬現(xiàn)實交互實現(xiàn)的重要技術(shù)。在Unity引擎中，檢測碰撞發(fā)生的方式有兩種：一種是利用碰撞器，另一種是利用觸發(fā)器。兩種技術(shù)都基于盒碰撞器、球碰撞器、膠囊碰撞器、網(wǎng)格碰撞器以及角色控制碰撞器開發(fā)[8-9]。場景中的規(guī)則物體如立方體、球體及膠囊體，可對應使用盒碰撞器、球碰撞器及膠囊碰撞器來實現(xiàn)碰撞，不規(guī)則的三維模型網(wǎng)格外形采用網(wǎng)格碰撞器模擬碰撞效果，角色控制碰撞器用于判斷場景中主要角色是否與其他物體發(fā)生碰撞。虛擬消防教育系統(tǒng)主要使用盒碰撞器和膠囊碰撞器。

2 基于Gear VR的虛擬聚焦交互技術(shù)

在基于Gear VR的虛擬消防教育系統(tǒng)中，碰撞發(fā)生在凝視射線和場景的任意對象之間。因此，針對凝視射線誤觸發(fā)率較高的問題，提出一種基于Gear VR的虛擬聚焦交互技術(shù)。

2.1 實現(xiàn)原理

基于Gear VR的虛擬現(xiàn)實項目通過凝視功能激活場景的交互對象實現(xiàn)交互。場景主相機掛載的VREyeRaycaster組件模擬用戶視線投射出一條射線，當該射線投射到場景對象所在的碰撞器，若該對象掛載了VRInteractiveItem組件，則觸發(fā)OnOver事件；當射線移出交互對象時，觸發(fā)OnOut事件。然而，虛擬消防教育系統(tǒng)有大量的交互對象相鄰，常會發(fā)生誤觸發(fā)的情況，影響用戶體驗。因此，本文提出一種基于Gear VR虛擬聚焦交互技術(shù)。

本文方法在圖3所示Unity事件函數(shù)驅(qū)動的基礎(chǔ)上，對Oculus SDK的凝視技術(shù)進行改進。在觸發(fā)OnOver事件后，添加延時等待的處理動作，配合使用Image控件的fillAmount屬性呈現(xiàn)加載過程，增強用戶體驗感。當用戶凝視交互對象達到指定時間后，觸發(fā)自定義事件OnTrigger，供系統(tǒng)處理交互事件。其工作流程如圖4所示。

圖4 本文方法事件函數(shù)驅(qū)動流程圖

2.2 本文方法實現(xiàn)流程及步驟

本文方法的實現(xiàn)流程如圖5所示，主要步驟如下：

圖5 基于Gear VR虛擬聚焦交互技術(shù)流程圖

（1）聲明變量isOn，用于標記視線是否聚焦于交互對象，初始值設(shè)置為false；聲明變量isTrigger，用于標記當前對象是否確認為需要交互的對象，初始值設(shè)置為false；

（2）當視線聚焦交互對象時，其VRIntera- ctiveItem組件中IsOver屬性設(shè)置為true；

（3）當isOn=false且IsOver=true時，圖像控件屬性fillAmount+=Time.deltaTime/triggerTime；

（4）當圖像控件的fillAmount屬性增加到1時， 將isTrigger設(shè)置為true，同時生成自定義事件On Trigger，且將isOn標記為true；

（5）當視線移出交互對象時，將isOn標記為false，isTrigger標記為false。

基于Gear VR的虛擬聚焦交互技術(shù)實現(xiàn)效果如圖6所示。當凝視射線接觸到可交互對象時，畫面開始轉(zhuǎn)圈，等待確認時長結(jié)束，觸發(fā)交互。

圖6 本文方法實現(xiàn)效果圖

3 虛擬消防教育系統(tǒng)實現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)總體開發(fā)流程

虛擬消防教育系統(tǒng)總體開發(fā)流程如圖7所示。首先，需要制作消防標識和消防館場景等圖像集，用3ds MAX制作模型和紋理貼圖等，重建消防館的虛擬三維場景，同時創(chuàng)建演示文字和解說音頻等資源庫，將以上所有資源導入到Unity引擎中；其次，在Oculus官網(wǎng)下載SDK文件，引入本系統(tǒng)，進行Gear VR的開發(fā)環(huán)境配置，開發(fā)本文提出的基于Gear VR的虛擬交互技術(shù)；再次，利用該技術(shù)制作凝視功能，實現(xiàn)各場景的交互功能；最后，生成虛擬消防教育系統(tǒng)應用，進行測試與改進。

圖7 系統(tǒng)總體開發(fā)流程

3.2 系統(tǒng)的實現(xiàn)

為了驗證本文方法的有效性，采用3ds MAX 2016制作三維場景與模型，采用Unity 2017進行場景渲染，基于Oculus SDK編寫代碼進行交互制作，導出虛擬消防教育系統(tǒng)應用，將生成的APK文件導入三星S8手機，在三星Gear VR虛擬現(xiàn)實設(shè)備中進行測試。在學習模塊，當視線凝視“推開”消防標識圖標時，系統(tǒng)彈出對話框，并進行文字解說，如圖8所示。

圖8 “推開”消防標觸發(fā)效果圖

在練習模塊，系統(tǒng)開發(fā)了大量的測試練習題，可供使用者進行大量的交互，如圖9所示。用戶通過本文提出的基于Gear VR的虛擬交互技術(shù)進行選擇答題，如果回答正確，系統(tǒng)彈出如圖10所示的界面，同時配有回答正確的音效；如果答錯，系統(tǒng)彈出如圖11所示的界面，同時配以回答錯誤的音效，并且對題目進行簡單分析，增加系統(tǒng)趣味性，加深使用者的理解和記憶，同時提升虛擬消防教育的體驗感。

圖9 答題功能界面

圖10 答對效果圖

圖11 答錯效果圖

4 結(jié) 語

為解決傳統(tǒng)消防教育的弊端，研究基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的消防教育技術(shù)，提出了基于Gear VR的虛擬消防教育系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)方法，給出總體設(shè)計和技術(shù)方案，開發(fā)了一套虛擬消防教育系統(tǒng)。為解決Gear VR在虛擬場景中容易誤觸發(fā)交互的問題，研究了Oculus SDK的凝視功能，開發(fā)出基于Gear VR的虛擬聚焦交互技術(shù)。實驗表明，本文所提的方法可以有效解決Gear VR凝視射線交互容易誤觸發(fā)交互和體驗感差的問題，可精確實現(xiàn)聚焦交互，增強了虛擬現(xiàn)實應用的體驗感，同時解決了傳統(tǒng)安全教育枯燥乏味、缺乏交互以及不易記憶的問題。