基于VR的建筑火灾体验式逃生模拟系统研究
李 彧
（中国人民武装警察部队学院研究生四队，河北 廊坊）
摘要：本文通过了解消防安全宣传工作现状，分析存在问题；查阅虚拟现实技术相关资料，获悉发展趋势，发现将虚拟现实技术应用于消防安全宣传教育工作，有着传统方法无法比拟的优势。本文提出基于虚拟现实技术的建筑火灾体验式逃生模拟系统，采用仿真式建模，沉浸式体验，游戏式教学的设计理念，最终达到提高民众参与积极性，增长消防安全知识技能，提升火场逃生心理素质的目的。
关键词：消防；安全教育；VR
1 引言
1.1 系统研究背景
消防安全宣传工作是消防大队的一项重要的日常性工作，而且是一项关系到民众安全的一项教育工作，旨在潜移默化的提高民众的消防安全意识以及自救能力，消防宣传教育工作具有新颖性、趣味性、长期性和针对性的特征，只有不断地更新宣传教育方式，运用新的宣传教育手段，才能取得积极的社会效果。
通过调研分析，目前民众对于消防安全宣传教育工作满意度不高，原因在于以下几点：
（1）形式主义，往往是为了完成消防宣传教育任务而进行消防宣传，很大程度上存在着表面化，形式化的问题。设立消防展览，发放宣传资料，挂上宣传标语，领导到场发言，新闻单位拍拍照，敷衍了事，再无下文，看似热火朝天，实则成效甚微。
（2）内容单一，目前宣传教育工作惯用老套行为多，各地消防部门大多按照统一模式组织实施，都以发放宣传手册，开办消防宣传展览，灭火表演，开展消防演习等传统形式为主，每个地方都一样，每一年都一样，千篇一律，因循守旧，不能做到因地制宜，与时俱进。
（3）方法陈旧，难以充分利用现代化科技，传统的方法枯燥乏味，缺乏趣味性，越来越难以吸引群众，尤其是现在的青少年们的注意力，无法有效提高民众的消防安全意识和自救能力。而利用现代化科技，例如网络，电脑，手机等则能够给受教育者带来强烈的感官冲击，趣味性强，令人印象深刻。
1.2 虚拟现实技术
虚拟现实（Virtual Reality，VR）是以计算机技术为核心，结合计算机技术，计算机图形学、多媒体技术、视听技术等各种科学技术，构建逼真的三维虚拟场景，用户借助必要的装备与数字化环境中的对象进行交互，从而产生听觉视觉等亲临对应真实环境的感受和体验。
虚拟现实具有“3I”特性，即沉浸性，交互性，构想性。沉浸性（Immersion）是指用户感到置身于虚拟环境中的真实程度，理想的环境应该使用户难辨真假。交互性（Interactivity）是对模拟环境中物体的可操控程度和收到反馈是否自然，实时。构想性（Imagination）是指模拟场景不仅可以用于再现真实场景，更应该构想客观不存在的环境，使人们能够从中得到启发，学习新知识，提升认识。
最近虚拟现实技术爆红，呈现井喷式发展，随着计算机模拟仿真性能的不断提升，模拟场景几近以假乱真，而oculus，HTC vive等产品的出现使虚拟现实技术日渐成熟，虚拟现实技术的应用范围也愈加广泛，从武器研制，航天模拟，军事教育，到现在逐步进入游戏，电影，娱乐等领域，这项技术正逐步走向我们身边。各大IT巨头都竞相进入此行业，例如淘宝，暴风，百度等，2016年更是被业界人士称为虚拟现实技术引爆元年。
1.3 系统开发目的及意义
公共建筑的形式众多，场景复杂，火灾荷载大，人员密集，疏散困难，尤其是高层建筑，造成大量人员伤亡的例子众多，而其中大多数往往是由于人们的自身因素，如消防常识和逃生技能的匮乏，遭遇火灾彷徨无措，盲目逃生导致的，因此针对普通民众建立一个仿真式的公共建筑逃生体验馆，通过设置一定的任务，关卡来潜移默化的进行火场自救技能与知识教育，使体验者仿佛亲身经历一场火灾，通过自身亲身实践获取知识更有利于消防知识以及逃生技能的掌握，同时更重要的就是能够提升在危险场景下的心理素质，在面临真实火场时能够临危不乱，泰然处之，各种消防逃生自救常识能够运用自如，游刃有余，这是传统的消防安全宣传形式无法比拟的优势。
该系统与传统的消防展览与发放资料等消防教育形式相比，趣味性更强，非常吸引人眼球，无论是模拟场景，游戏式教学，还是虚拟现实设备都可以抓住民众对高新技术的好奇心，当前消防安全教育的对象主力军为青少年，他们对于枯燥的消防宣传已经司空见惯，丝毫提不起兴趣，而对于游戏总是很感兴趣，因此利用虚拟现实技术的体验式逃生模拟系统可以充分调动青少年们的积极性，寓教于乐，在游戏中不知不觉掌握消防自救知识，达成良好的消防安全宣传教育目的。
该系统与传统的安全疏散演习的消防教育形式相比，首先大大增加了安全性，在虚拟现实设备中进行演习体验，有着很高的可控性，安全性，同时，它还大大减少了消防安全演习过程中所需的场地，燃料等各种费用，节省人力物力，通过火灾场景的重复建模又可以实现多种不同场景中的火场逃生体验，绿色环保。
2 系统设计
2.1 系统交互流程设计
根据公共建筑火灾逃生常识，进行分类汇总，编制流程，制作出系统整体交互流程，如图1。在逃生过程中，体验者采取错误的逃生措施会导致逃生失败，通过这种游戏式教学，反向刺激，令体验者对火场逃生技能和知识熟练掌握。
图1 系统交互流程图
2.2 系统模块设计
基于VR的建筑火灾体验式逃生模拟系统分为角色模块，场景模块，交互模块，粒子模块四个部分，每个部分包括了各自的内容，如图2所示。角色模块包括虚拟人物的骨骼，动作，状态的制作。场景制作包括基本场景以及会导致逃生失败的障碍物，通过交互模块进行编程，达到角色逃生过程中采取不当操作时会死亡的效果。火场中存在的火焰，烟雾，碎石等效果由粒子模块完成并添加。
图2 系统功能模块图
3 系统实现
3.1 所用软件技术
本系统制作过程主要运用3DS MAX以及虚幻引擎两种软件：
3DS MAX软件是目前应用最广泛的建模工具。是一款为设计师，建筑师量身打造的三维建模应用软件，广泛应用于工业设计、建筑设计、三维动画、游戏建模以及工程可视化等领域。本系统场景建模部分主要由该软件完成，包括模型的制作，UV分展，制作贴图等步骤。
虚幻引擎（unreal engine）是目前世界最知名授权最广的顶尖游戏引擎，占有全球商用游戏引擎80%的市场份额。它的实施光照，物体着色，视觉效果要大大强于其他游戏引擎（X3D，Unity等）；它特有的蓝图系统（Blueprint Script）以独特的方式简化编程，为虚拟场景制作以及交互模块设计提供了很大便利；它的Cascade VFX视觉特效系统专用于制作各种粒子效果，可以创造出精细复杂的火焰，烟雾等效果，非常适合构建火灾场景；其后期特效的处理也十分强大，可以调整环境遮挡，光照溢出，景深LOD等多种功能，能够在降低运行需求的同时，提高场景显示效果，有利于对计算机性能要求高的虚拟现实场景的建模。
3.2 人物及动作制作
首先利用3DS MAX软件进行人物骨骼，动画的制作，见图3，将人物骨骼以及各动作动画的FBX文件导入虚幻引擎（unreal engine）中进行混合空间动画制作，对不同动作之间部分进行补间动画添加，使各动作无缝连接。再进行状态机编程，见图4，编写不同动作之间的切换条件与人物操作相连接，实现人物不同动作的相互切换。
图3 角色制作
图4 状态机
3.3 第一人称视角技术
由于虚拟现实技术在第一人称条件下可以实现最好的沉浸效果，因此利用虚幻引擎进行系统制作时，通过在角色头部插槽（Socket）处添加相机，如图5，并设置采用相机的视角投射到现实设备上，再与视角变换的操作相连接，实现视角变换控制，达到第一人称游戏的效果。
图5 第一人称视角
3.4 场景及关卡设计
首先利用3DS MAX进行模型，贴图的制作，再将其导入虚幻引擎，在场景编辑模式下调整模型大小，方向，位置，最终构成游戏场景。如图6。
图6 场景建模
关卡交互制作由蓝图系统（blueprint）进行制作，通过识别人物与所设计的障碍物的碰撞，进行蓝图间通信，将人物死亡状态传递到角色状态机，播放死亡动画，实现逃生失败的效果。
3.5 火焰粒子制作
粒子特效通过虚幻引擎特有的粒子特效编辑器Cascade进行制作添加，通过对火焰的焰心，烟雾，火星，体积扭曲等粒子效果逐一制作，并相互叠加，实现很好的火焰效果，如图7所示。将制作好的火焰效果，烟雾效果等添加到场景中，调整粒子效果作用半径，形状，方向等，制作出着火情况下场景，如图8。
图7 粒子编辑
图8 火焰场景
3.6 虚拟现实设备连接
整体系统设计完成后，将逃生体验系统连接虚拟现实设备，并实现左右分屏，渲染3D效果，画面扭曲以适应佩戴VR眼镜时达到沉浸的效果，进行逃生模拟体验过程的示意图如图9所示。
图9 系统体验示意图
4 结论
本系统充分利用高新技术，调动民众参与积极性。对火灾场景进行仿真，并利用虚拟现实设备进行体验操作，达到良好的沉浸效果。将消防安全自救常识融于关卡之中，利用游戏式形式，寓教于乐，能够达到良好的消防安全宣传教育效果。但是现有技术还不能完美支持虚拟现实仿真，例如目前效果最好的Oculus VR眼镜都不能做到零延迟，刷新率亦不足，进行仿真模拟过程中很可能出现残影，眩晕症，影响仿真系统使用效果。但是随着科技不断发展，相信很快就能够实现以假乱真的虚拟现实仿真。
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