虛擬現實技術在滅火救援模擬實驗中的應用

付麗秋

(中國人民武裝警察部隊學院科研部,河北廊坊 065000)

虛擬現實技術在滅火救援模擬實驗中的應用

付麗秋

(中國人民武裝警察部隊學院科研部,河北廊坊 065000)

為滿足油罐火災模擬實驗教學和消防救援訓練的需要,用虛擬現實技術建立了大型油罐區虛擬場景和實驗實訓系統。介紹了三維建模工具和建模過程,以及用程序腳本實現參數傳遞和煙火特效制作問題。虛擬現實技術改變了單一的消防救援訓練方法,可以逼真地模擬多種類型的災害場景供消防官兵訓練使用,既能避免真實火場的危險,又可以極大地降低演練費用。

虛擬現實;消防建模;消防訓練;災害場景;滅火救援

虛擬現實技術(VRT)是指利用人工智能、計算機圖形學、人機接口、多媒體、計算機網絡以及電子、機械、視聽等高新技術,模擬人在特定環境中的視、聽、動作等行為的高級人機交互技術[1]。近年來,虛擬現實技術在消防領域得到很多應用,例如動態模擬消防器材、裝備的操作;模擬火災現場及現場氣象;模擬控制火情態勢、煙氣擴散、災害現場人員疏散的情況等。

隨著國民經濟的飛速發展,石油及石油產品在生產、生活中的應用越來越廣泛,油罐已成為重要的生產設施。油罐內儲存的油品一般都具有易揮發、易流失、易燃燒的性質,一旦發生火災,必將造成重大損失。為此,我校建立了大型油罐區虛擬場景,可以滿足油罐火災模擬實驗和消防救援模擬訓練的需要。

1 數據采集

1.1 原始數據采集

利用虛擬現實技術進行油罐火災模擬和消防訓練,首先需要采集紋理數據。地形模型、建筑模型、交通設施模型、植被模型等數據,可以通過實地拍照采集,也可通過攝影測量、激光掃描等技術采集。管線模型的紋理可以用圖像處理的方式采集。

利用攝影測量、激光掃描等技術提取的紋理應滿足分辨率要求,且影像應無變形、無失真。采取實地拍照采集紋理應盡量選擇光線較為柔和、均勻的天氣,按正視角度進行拍攝,應避免逆光拍攝。對結構復雜或無法正視拍攝的表面,應進行多角度拍攝,并利用圖像處理軟件進行糾正和拼接處理。應拍攝建模物體所有部位的表面影像。對于有重復單元的表面,宜拍攝局部;無重復單元的表面,應拍攝完整表面。應根據不同細節層次的模型確定拍照需要表現的細節,拍攝有代表性的表面影像、制作可重復利用的紋理[2]。我校對虛擬油罐區的場景采取實地拍照的方式采集數據。

1.2 建模數據處理

紋理數據應保持色調協調、自然美觀,真實反映實際材質的顏色、質感、圖案和年代特征。紋理數據應減少視角或鏡頭畸變引起的變形,且不宜含有建模影像以外的其他影像;相同細節層次的模型紋理應具有相近的紋理分辨率;紋理數據拼接應無縫,且過渡自然;宜轉換為統一的文件格式[3-4]。

2 三維建模

2.1 建模工具和命名規則

建模采用3ds MAX和MultiGen Creator相結合的建模方法。通過3ds MAX創建場景模型,利用MultiGen Creator軟件的Open Flight數據結構,設置DOF節點。

采用統一的命名規則,例如:區域名-物體名-編號。模型要用英文命名,并保證命名的唯一性。名稱不能超過32個字符[5]。

模型不應缺面,所有面必須貼圖,可以統一檢查是否存在未貼圖的面;不要制作近于白色的紋理進行貼圖,否則看上去似乎該面未貼圖。

2.2 建模過程

(1)單位統一。按照實際尺寸大小建模,比例要精確。如需預估尺寸,要盡量借助參照物。室內場景單位用mm,室外場景用m,機械產品模型用mm。

(2)模型定位。模型做好后,應與原圖位置相同。建模時應依照帶有CAD地圖的文件確定模型位置,導入的CAD地圖最好在(0,0,0)的位置,并且不得對這個標準文件進行任何修改[6-7]。

(3)創建模型。模型創建過程中,不能有共面、漏面和反面的現象,單個物體的面數不要太多。模型的面以四邊形為主,在需要的地方輔以三角形,不能有多邊形。模型面的法線方向要保持一致,盡量避免對模型進行布爾計算,可以復制的物體盡量復制。應嚴格遵守對齊原則,對齊時要使用捕捉工具[8]。

(4)模型細節。模型必須有基本細節,如油罐頂部的泡沫發生器及其管線等,要按照實際使用情況設計布線,不封閉的模型必須有厚度。

(5)模型簡化。除重點模型外,盡量簡化模型,能用貼圖表現的結構盡量用貼圖表現;盡可能減少材質數量,以提高渲染工作效率。

(6)模型修正。對鏡像的物體要進行修正,刪除冗余的點、線、面以及重合線、重疊面,并焊接相近或重合的點,保證模型無裂縫。看不見的物體不建,看不見的面要刪除。模型的UV要展平,不能出現拉伸,杜絕錯建、漏建。模型不存在共面和相距太近的面。當兩個目標共面時,將小面模型的共面面片刪除。兩個平行面之間的垂直距離應大于1m,如果小于1m則刪除模型內部冗余的面。不應存在閃爍重疊的面,不允許存在變形的凹面[9-10]。

(7)模型命名。對完成后的模型進行合理的塌陷,并按標準命名。

3 實時控制與交互

虛擬場景中的實體需要進行實時控制和交互。在油罐區的模擬中,主要實現對視角、消防車的運動及消防裝備的控制。數據的獲取是通過程序函數實現;設備控制是通過程序對DOF節點的控制實現的。為更好地實現與用戶交互,可以通過Macromedia公司推出的交互式矢量圖和Web動畫標準的Flash軟件建立一個與用戶交互的窗口,實現用戶與虛擬仿真系統之間參數互傳[11-12]。以下是用C語言程序實現參數傳遞的代碼片段。

4 煙火特效制作

在完成場景建模的基礎之上,需要對場景添加諸如煙、火、天氣、風、雨、雪等特殊效果。特效的制作不拘泥于一種方法。

一種是通過Delta3D提供的雨雪等粒子特效以及碰撞檢測功能,并封裝Open Scene Graph(OSG)等開源引擎中提供的粒子系統工具,如ExplosionEffect、FireEffect、Explosion DebrisEffect等,用于火災和爆炸后顆粒的模擬[13]。

一種是使用FUMEFX_FOR_3DSMAX插件制作煙火效果。根據用戶需要,對對象源以及Gen、Sim、Rend、Illum等相關參數進行設置。參數設置不同,其效果亦不同。圖1為參數面板設置及其對應的結果, 圖2為輸出效果。

圖1 參數面板設置

圖2 輸出效果圖

也可以使用Particle Illusion軟件。此軟件是一個獨立運作的動畫軟件,具有超炫的二維粒子系統,不同的粒子所對應的參數也不同。通過對其參數進行設置,創作諸如火、爆炸、煙霧、煙花等動態效果。圖3為動態火焰64幀合成圖[14-15]。

5 結束語

三維建模是建立消防救援模擬訓練系統的基礎工作之一,也是一項費時、耗力、耗資源的工作。模型的制作精度直接影響可視化表現效果,模型制作得越精細,場景表現就越逼真。但高精度的三維模型會嚴重影響系統的運行速度。對于如何規范三維建模,目前還沒有統一規范,導致不同應用平臺的模型不能共享,因而造成很大的資源浪費。

圖3 動態火焰64幀合成圖

虛擬現實技術在消防實訓中的應用,既可以模擬不同類型、不同危害的災害事故場景,又可以根據不同的災害事故變化,采用多種滅火救援戰術嘗試;既可以避免火場危險,又可以降低實戰演習費用;既可以實現災害場景重現,又可以增強事故處理經驗。

References)

[1]張勇,程乃偉.虛擬消防系統仿真技術研究[J].科技傳播,2012 (10):220-221.

[2]朱洪亮,萬劍華,郭際明,等.城市三維建模的數據獲取[J].工程勘察,2002(3):43-46,50.

[3]CJJ/T157-2010城市三維建模技術規范[S].北京:中國建筑工業出版社,2011.

[4]祁向前.數字城市三維建模數據處理研究[D].太原:太原理工大學,2003.

[5]全國信息分類編碼標準化技術委員會.GB/T2260-1999中華人民共和國行政區劃代碼[S].北京:中國標準出版社:2008.

[6]周楊.數字城市三維可視化技術及應用[D].鄭州:解放軍信息工程大學,2002.

[7]謝峰.數字城市中建筑物的三維實現[D].西安:長安大學,2003.

[8]王乘,周均清,李利軍.Creator可視化仿真建模技術[M].武漢:華中科技大學出版社,2005.

[9]楊麗,李光耀.城市仿真建模工具:Creator軟件教程[M].上海:同濟大學出版社,2007.

[10]曹傳芬.虛擬城市三維建模的理論與方法研究[D].長沙:中南大學,2004.

[11]高山.三維城市建模若干關鍵技術的研究[D].武漢:武漢大學,2004.

[12]王建強,鐘春惺,江麗鈞,等.基于多視航空影像的城市三維建模方法[M].測繪科學,2014(3):70-74.

[13]靳學勝,袁狄平.大型石化儲罐庫區消防虛擬訓練仿真系統研究[J].消防科學與技術,2009(12):934-937.

[14]陳馳,任愛珠,張新.基于虛擬現實的建筑火災模擬系統[J].自然災害學報,2007,16(1):55-60.

[15]劉昆,王廣生.基于三維實時渲染技術的虛擬火災訓練系統設計[J].計算機應用,2005,25(8):1962-1964.

Application of virtual reality technology in simulation experiments of fire-fighting and rescue

Fu Liqiu
(Department of Scientific Research,Chinese People’s Armed Police Force Academy,Langfang 065000,China)

With the rapid development of computer technology,the virtual reality technology has been applied more and more widely in the field of fire protection.Simulation training fields of fire-fighting and rescue changes the single training method in the past.This article introduces simulating the disaster scene of various types of fire officers and soldiers used for training,to avoid the real scene of fire risk and greatly reduce drilling costs.This article focuses on the technology such as modeling and firework.

virtual reality;fire protection modeling;fire protection drill;disaster scene;fire-fighting and rescue

TP391.9

A

1002-4956(2015)4-0130-03

2014-09-18

公安部科技強警基礎工作專項項目“滅火救援模擬訓練三維仿真引擎研究”(2013GABJC026)

付麗秋(1975—),女(滿族),黑龍江哈爾濱,碩士,副教授,研究方向為滅火救援技術.

E-mail:fuliqiu＠sina.com