基于Unity3D的危情生存模擬訓(xùn)練系統(tǒng)

楊志和

（上海電機(jī)學(xué)院 電子信息學(xué)院，上海201306）

危情生存就是生活中可能會遇到的危險情況及在此情況下的生存技能與對策。危情分為來自自然界和社會兩方面的安全威脅；具體地說，來自自然界的安全威脅主要是地震、洪、泥石流、山火和雷擊等；來自社會的安全威脅主要包括火災(zāi)、車禍、毆打、搶劫、綁架、槍擊、詐騙、跌落等。為了提高人們特別是青少年的安全意識和自我保護(hù)能力，危情生存培訓(xùn)變得必不可少。由于很多生存技能實(shí)訓(xùn)項目存在著危險性大、成本高、管理難度大等問題，使得真實(shí)場景的實(shí)訓(xùn)不切實(shí)際；而三維模擬實(shí)訓(xùn)的安全性、可靠性、實(shí)用性及取得的效果較好[1]。

Unity3D是一個全面整合的三維引擎，是一個讓開發(fā)者輕松創(chuàng)建諸如三維視頻游戲、建筑可視化、實(shí)時三維動畫等互動內(nèi)容的綜合型開發(fā)工具[2]。Unity的編輯器可運(yùn)行在多種操作系統(tǒng)下，開發(fā)出的系統(tǒng)可發(fā)布至各種PC和手機(jī)平臺上，利用Unity web player插件可支持網(wǎng)頁瀏覽與操作。近年來，利用虛擬現(xiàn)實(shí)或仿真游戲開展虛擬教育培訓(xùn)的研究案例越來越多，包括基于Unity3D的煤礦井下逃生訓(xùn)練系、基于Unity3D的消防3D情景實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)[3]、基于Unity3D的加油車虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)[4]、基于Unity3D的汽車發(fā)動機(jī)虛擬裝配訓(xùn)練考評系統(tǒng)[5]、基于Unity3D的挖掘機(jī)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)[6]等，這些系統(tǒng)都是虛擬培訓(xùn)領(lǐng)域的典型應(yīng)用案例。

通過對危情生存模擬訓(xùn)練項目的研究，本文借助Unity3D平臺，基于虛擬現(xiàn)實(shí)與動漫多媒體技術(shù)，研究了危情生存模擬訓(xùn)練系統(tǒng)，給出了系統(tǒng)總體架構(gòu)和技術(shù)路線，分析了系統(tǒng)開發(fā)中關(guān)鍵技術(shù)，并給出了相應(yīng)的解決方案。

1 系統(tǒng)的需求分析

通過對危情生存模擬訓(xùn)練項目的研究，本文歸納、整理了危情生存的知識點(diǎn)和相關(guān)課程體系，建立了危情模型和危商能力素質(zhì)模型，通過行為建模與數(shù)據(jù)抽象，建立了危商能力訓(xùn)練平臺模型，通過改變模型及其參量可以模擬各種不同危情場景。

本文建立的危情生存模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的基本架構(gòu)如圖1所示。圖中，在預(yù)先設(shè)定的危情模型下，以學(xué)習(xí)者面對模擬的危情環(huán)境的應(yīng)急反應(yīng)行為數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，將其應(yīng)對行為作用于虛擬的外部客體（危險場景或災(zāi)害情境）中，對產(chǎn)生的事件進(jìn)行量化（基于人、事、物的三維數(shù)據(jù)）后可得到仿真反饋量化模型；仿真環(huán)境則將危情三維場景模型數(shù)據(jù)庫的資源導(dǎo)入Unity3D平臺，制作成基于視覺、聽覺、嗅覺甚至觸覺上的危情重現(xiàn)；通過虛擬現(xiàn)實(shí)與人機(jī)交互技術(shù)，構(gòu)成完整的危情生存交互式模擬訓(xùn)練系統(tǒng)。

圖1 系統(tǒng)基本框架圖Fig.1 Diagram of basic system frame

根據(jù)危情生存模擬訓(xùn)練的要求，系統(tǒng)需要具有以下功能：

（1）理論學(xué)習(xí)功能。進(jìn)行“三生”，即生命、生存、生活教育，詳細(xì)介紹危情的分類、防范與預(yù)防、應(yīng)急處置等知識。

（2）基礎(chǔ)培訓(xùn)功能。讓學(xué)習(xí)者完成基本安全教育知識點(diǎn)的學(xué)習(xí)，包括體力訓(xùn)練、情緒掌控、求救與搶救知識等。

（3）三維模擬環(huán)境實(shí)訓(xùn)功能。通過三維互動游戲的方式，實(shí)現(xiàn)若干類危情事故的生存實(shí)訓(xùn)，進(jìn)一步鞏固所學(xué)基礎(chǔ)理論知識，掌握與危情自救相關(guān)的實(shí)際應(yīng)用本領(lǐng)與技能，培養(yǎng)危商素質(zhì)。

（4）在線考試功能。通過在線題庫實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)者在線理論考試或模擬實(shí)戰(zhàn)考試，并實(shí)現(xiàn)自動評分、考后查分等功能。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計

從系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)看，危情生存模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的總體架構(gòu)主要包括表現(xiàn)層、應(yīng)用層、驅(qū)動層、集成層、資源層等5個層次，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)總體架構(gòu)圖Fig.2 System architecture

（1）表現(xiàn)層。該層是用戶與系統(tǒng)互動的人機(jī)交互界面，也是系統(tǒng)的入口，通過底層業(yè)務(wù)構(gòu)件的支持，基于構(gòu)件的混聚（mash-up）來開發(fā)新的業(yè)務(wù)流程，實(shí)現(xiàn)模型的可視化建構(gòu)。

（2）應(yīng)用層。該層集中了系統(tǒng)的核心應(yīng)用功能，包括理論學(xué)習(xí)區(qū)、基礎(chǔ)培訓(xùn)區(qū)、3D模擬實(shí)訓(xùn)區(qū)、在線考試區(qū)等系列應(yīng)用。

（3）驅(qū)動層。該層是系統(tǒng)的核心技術(shù)層，也稱為服務(wù)層，它集成了Unity3D服務(wù)引擎和一系列常用組件，如ActiveX組件、通信報文組件、任務(wù)流組件和控制流組件等；主要是將常用的業(yè)務(wù)模塊封裝成專門處理特定信息的服務(wù)組件或構(gòu)件。

（4）集成層。該層是底層數(shù)據(jù)與服務(wù)的整合層，它把下位的資源層的程序與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為上位的驅(qū)動層可以操作的服務(wù)組件。

（5）資源層。該層提供上層調(diào)用所需的基本數(shù)據(jù)與服務(wù)組件，即數(shù)據(jù)資源和控制資源。數(shù)據(jù)資源包括二維數(shù)據(jù)資源（＊.png、＊.jpg、＊.bmp文件）、三維數(shù)據(jù)資源（＊.dts文件）、日志文件（＊.log文件）、配置文件（＊.ini、＊.xml文件）等。控制資源包括學(xué)習(xí)、實(shí)訓(xùn)、管理、評價等組件及其屬性信息等。

2.2 系統(tǒng)技術(shù)路線

本文給出了危情生存模擬訓(xùn)練系統(tǒng)構(gòu)建的技術(shù)路線，如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)技術(shù)路線圖Fig.3 System technical roadmap

（1）基于3DStudio Max設(shè)計系統(tǒng)原型，即系統(tǒng)的環(huán)境與場景模型，這是模擬現(xiàn)實(shí)互動過程的模型。根據(jù)類似現(xiàn)實(shí)事件的地形及影像數(shù)據(jù)，通過人工加工與處理，以危商知識模型數(shù)據(jù)為控制流來制作人物和工具模型，并使用渲染技術(shù)加以預(yù)處理。

（2）將特定場景的三維模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Unity3D引擎中，然后導(dǎo)入二維場景模型數(shù)據(jù)庫，添加碰撞檢測設(shè)置、訓(xùn)練模型等操作，并將場景所配套的音頻、視頻文件進(jìn)行集成，生成面向特定危情場景的互動框架。

（3）制作系統(tǒng)所需的音視頻文件。其中，音頻文件采用真人語音錄制；音頻、視頻文件使用Adobe Premiere Pro編輯與合成；動畫文件使用Adobe Flash Professional制作。

（4）通過編寫腳本實(shí)現(xiàn)危商能力素質(zhì)模型所要求的面向特定場景的行為模型，類似于游戲通關(guān)模型，這也是本文系統(tǒng)的核心。

2.3 系統(tǒng)中關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用

2.3.1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù) 本文研究的危情生存交互式模擬訓(xùn)練系統(tǒng)是一個虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。系統(tǒng)由輸入部分、輸出部分、虛擬環(huán)境數(shù)據(jù)庫、虛擬現(xiàn)實(shí)等組成，如圖4所示。

圖4 虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的組成Fig.4 Composition of virtual reality system

虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的核心模塊是傳感器、交互式控制系統(tǒng)和虛擬環(huán)境。傳感器是使人產(chǎn)生沉浸感的相關(guān)設(shè)備，涵蓋人類對外部世界的各種感官，如視覺上的頭盔式立體顯示器、面向手感的數(shù)據(jù)手套、面向體感的數(shù)據(jù)衣和數(shù)據(jù)鞋、面向嗅覺的氣味發(fā)生器、面向聽覺的三維音響等[7]。學(xué)習(xí)者通過數(shù)字化的頭盔、手套和話筒等輸入設(shè)備為計算機(jī)提供輸入信號；虛擬現(xiàn)實(shí)軟件收到輸入信號后加以解釋，然后對虛擬環(huán)境數(shù)據(jù)庫進(jìn)行必要更新，調(diào)整當(dāng)前虛擬環(huán)境視圖，并將這一新視圖及其他信息，如聲音等傳送給輸出設(shè)備，以便用戶及時看到效果[8]。

系統(tǒng)中主要應(yīng)用了基于多媒體技術(shù)的音響仿真模塊、基于慣性感應(yīng)器的運(yùn)動仿真模塊、基于計算機(jī)圖形圖像技術(shù)和三維技術(shù)的視景仿真模塊、基于數(shù)字手套的操作仿真模塊。其中，通過環(huán)繞立體聲的制作技術(shù)實(shí)現(xiàn)了場景的音響效果；通過固定在人體特定部位、集成了加速度計、磁力計和陀螺儀等功能的慣性傳感器來采集人體的動作信息；通過無線傳輸模塊與系統(tǒng)進(jìn)行互動。各傳感器相互通信構(gòu)成了無線傳感網(wǎng)絡(luò)，捕獲人體運(yùn)動信息。這些數(shù)據(jù)與通過數(shù)字手套捕獲到的手部動作數(shù)據(jù)一起，經(jīng)過輸入模塊與控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)互動。在輸入和反饋模塊中，都要對場景進(jìn)行三維渲染和繪制，形成實(shí)時逼真的互動場景。

2.3.2 碰撞檢測技術(shù) 在碰撞檢測的實(shí)際應(yīng)用中，首先判斷兩個凸面體是否相交。基于凸面體相交檢測的碰撞檢測算法具有極高的檢測精確度，在多個測試樣本中，不會發(fā)生漏判或誤判。但算法在提高碰撞點(diǎn)檢測精確度的同時，也提高了模型的復(fù)雜度，從而導(dǎo)致計算復(fù)雜度的增加；若計算復(fù)雜度大到一定程度，碰撞檢測的實(shí)時性就不能保障。

為了進(jìn)一步提高碰撞檢測的實(shí)時性，本文的危情生存模擬訓(xùn)練系統(tǒng)引入了最小包裝盒法[10]，并對算法作了改進(jìn)。最小包裝盒算法的碰撞檢測時間對兩物體是否碰撞相當(dāng)敏感，在2個物體未發(fā)生碰撞時，該算法能迅速檢測出它們沒有碰撞；而當(dāng)2個物體發(fā)生碰撞時，則對發(fā)生碰撞的物體內(nèi)的凸面體部分進(jìn)行凸面體相交檢測，這樣能減少碰撞的檢測時間。由于仿真系統(tǒng)中大量的物體處于靜止?fàn)顟B(tài)，用包裝盒法能迅速排除很多未發(fā)生碰撞的物體，提高了檢測速度。為同時滿足碰撞檢測的實(shí)時性與檢測精度高的要求，經(jīng)過多次對比、分析，系統(tǒng)使用了基于相交碰撞檢測算法與包裝盒算法相結(jié)合的方法[11]，既保證了檢測的精度，又提高了檢測速度。

2.3.3 高真實(shí)感圖像實(shí)時繪制技術(shù) 多細(xì)節(jié)層次（Levels of Detail，LOD）技術(shù)是一種有效的圖形生成加速方法，也是一種三維渲染技術(shù)。該技術(shù)在給定的圖形處理軟、硬件條件下，在不影響畫面視覺效果的前提下，根據(jù)視覺重要性原則，通過逐次簡化景物的表面細(xì)節(jié)來減小場景的幾何復(fù)雜度，從而提高圖形繪制的效率[12]。在計算機(jī)圖形學(xué)中，LOD技術(shù)的產(chǎn)生是為了減少某些復(fù)雜三維模型的運(yùn)算；當(dāng)視點(diǎn)變化時，所選取的細(xì)節(jié)層次模型各不相同，根據(jù)視野內(nèi)物體的距離、重要程度或速度來確定要描繪的細(xì)節(jié)。如當(dāng)視點(diǎn)離物體較近時選用描繪細(xì)致的模型，而當(dāng)視點(diǎn)離物體較遠(yuǎn)時則調(diào)用較粗略的模型；低速或重要的物體采用較細(xì)致的LOD，反之，則選擇較粗略的LOD。LOD技術(shù)是根據(jù)需要來選擇不同細(xì)節(jié)程度的物體表達(dá)方式，由于圖形計算工作量減少的物體通常是距離較遠(yuǎn)的或是高速運(yùn)動的物體，故視覺上因使用LOD技術(shù)而造成的模型質(zhì)量的下降通常是難以察覺的[13]。LOD技術(shù)的主要難點(diǎn)在于如何快速構(gòu)建并選擇幾何體的多層次細(xì)節(jié)模型，以及不同層次細(xì)節(jié)之間的自然過渡，避免在不同細(xì)節(jié)層次間切換引起視覺上的突跳感。本系統(tǒng)采用了一種改進(jìn)的算法。該算法采用小波變換來得到幾何模型的多精度表示，其優(yōu)點(diǎn)是能在簡化模型的同時較好地保持原模型的局部特征；也可以通過插值方法在近處和遠(yuǎn)處這兩個區(qū)域間的幾何細(xì)節(jié)實(shí)現(xiàn)光滑的視覺過渡，從而形成幾何細(xì)節(jié)平滑過渡。

2.3.4 系統(tǒng)中的渲染技術(shù) 遮擋剔除是指當(dāng)一個物體被其他物體遮擋時，不再對其進(jìn)行渲染。常用遮擋剔除算法有兩種[14]：預(yù)處理遮擋剔除算法和實(shí)時遮擋剔除算法。預(yù)處理遮擋剔除法就是預(yù)先計算物體間的空間關(guān)系，并存儲渲染前需要預(yù)計算和預(yù)留額外存儲空間；在預(yù)處理遮擋剔除過程中，使用虛擬相機(jī)（視點(diǎn)）構(gòu)建潛在可見對象集的層級視圖，并應(yīng)用于整個場景。運(yùn)行時，各相機(jī)使用這些數(shù)據(jù)來確定可見和不可見物體。有了該信息，Unity3D將確保僅發(fā)送可見對象進(jìn)行渲染，從而減少繪制調(diào)用的次數(shù)，提高系統(tǒng)運(yùn)行性能。在Unity3D里，遮擋剔除依靠中間件組件Umbra，該組件由Umbra軟件公司開發(fā)。Unity3D中采用潛在可視集合（Potentially Visible Set，PVS）和入口（Portal）的算法控制 Umbra的UI，在 Window→Occlusion Culling→Bake Tab下。

本系統(tǒng)開發(fā)過程中大量地運(yùn)用了公告板（billboard）渲染技術(shù)[15]，大大減少了場景渲染計算量，提高了系統(tǒng)的流暢度，降低了對開發(fā)環(huán)境配置的要求。公告板渲染技術(shù)主要是用于沒有固定表面效果的物體的快速展現(xiàn)，如煙霧、火焰、爆炸、云彩、樹木等。公告板技術(shù)與Alpha紋理、動畫技術(shù)結(jié)合混合使用，能夠以極低的系統(tǒng)資源實(shí)現(xiàn)豐富的繪制效果。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

本文實(shí)現(xiàn)了危情生存模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的界面、場景和角色模型等的設(shè)計，并完成了角色模型、角色動畫的制作，開發(fā)了主要程序代碼，經(jīng)過多次調(diào)試直至控制模型基本流暢。系統(tǒng)使用了由Unity3D引擎提供的高效的界面搭建功能組件，并利用OnGUI（）函數(shù)加以控制，通過幀來調(diào)用腳本。系統(tǒng)將已經(jīng)完成的Unity3D模擬訓(xùn)練系統(tǒng)發(fā)布成.exe文件格式和.apk文件格式，然后分別在PC機(jī)和Android手機(jī)上進(jìn)行真機(jī)測試。

本文研究的危情生存模擬訓(xùn)練系統(tǒng)主要包括以下4部分：理論學(xué)習(xí)模塊、應(yīng)用基礎(chǔ)實(shí)訓(xùn)模塊、在線模擬訓(xùn)練模塊和在線考試模塊。依照實(shí)訓(xùn)內(nèi)容的要求，各模塊提供相應(yīng)的實(shí)訓(xùn)功能：

（1）理論學(xué)習(xí)模塊。進(jìn)入該模塊，首先通過選擇教材、篇章和小節(jié)來確定需要學(xué)習(xí)的知識；然后就能進(jìn)入各種實(shí)訓(xùn)場景，并通過對話、視頻、圖片等方式進(jìn)行個人安全基本知識的學(xué)習(xí)。

（2）應(yīng)用基礎(chǔ)實(shí)訓(xùn)模塊。在應(yīng)用基礎(chǔ)實(shí)訓(xùn)中，可以根據(jù)需要選擇學(xué)習(xí)的內(nèi)容和場景；在實(shí)訓(xùn)時，還可以選擇個人防護(hù)裝備、外部環(huán)境等。實(shí)訓(xùn)內(nèi)容包括日常習(xí)慣與安全意識、危情處置流程學(xué)習(xí)、實(shí)際操作演練等。最后，對于本次實(shí)訓(xùn)學(xué)習(xí)，完成一次綜合考評。

（3）在線模擬訓(xùn)練模塊。系統(tǒng)以三維仿真技術(shù)為基礎(chǔ)平臺，搭載定制化開發(fā)的立體顯示設(shè)備，用戶佩戴立體眼鏡即可在任意環(huán)境下呈現(xiàn)不同的訓(xùn)練畫面。模擬教學(xué)系統(tǒng)分別為初級學(xué)習(xí)和強(qiáng)化訓(xùn)練者提供了人性化的學(xué)習(xí)方式，其包含了兩種學(xué)習(xí)模式：順序模式和自由模式。順序模式中，可以根據(jù)危情的正確處理流程進(jìn)行逐步學(xué)習(xí)；在每項任務(wù)開始前會彈出提示框，提示下一步應(yīng)該執(zhí)行哪項任務(wù)，這樣可以幫助學(xué)習(xí)者快速了解相關(guān)應(yīng)急處置流程。自由模式則可按照學(xué)習(xí)者自身需求，有針對性地對某項任務(wù)進(jìn)行深入學(xué)習(xí)，不需要每次都重新開始學(xué)習(xí)整個流程。

（4）在線考試模塊。在線考試是對實(shí)訓(xùn)的一次綜合考核過程。學(xué)習(xí)者可自行選擇模擬場景，參加模擬考試，考試結(jié)束后可立即查詢考試成績。圖5為地震逃生模擬訓(xùn)練場景。

圖5 地震逃生的模擬訓(xùn)練場景Fig.5 Simulated training scene of earthquake escape

4 結(jié) 語

為增強(qiáng)青少年的安全意識和自我保護(hù)意識，幫助他們提高預(yù)防安全隱患和正確處理傷害的能力以及危情生存能力，本文借助Unity3D平臺，基于虛擬現(xiàn)實(shí)與動漫多媒體技術(shù)，研究了危情生存模擬訓(xùn)練系統(tǒng)，介紹了系統(tǒng)主要框架和關(guān)鍵技術(shù)。該系統(tǒng)基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，在模擬環(huán)境中進(jìn)行安全教育與訓(xùn)練，提高了學(xué)習(xí)者處理各種危險突發(fā)事件的能力，達(dá)到實(shí)戰(zhàn)訓(xùn)練的效果；可以廣泛應(yīng)用于青少年安全教育和突發(fā)事故應(yīng)急處理能力的模擬訓(xùn)練，具有比較廣泛的應(yīng)用前景。

[1] 肖夢雪.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與3D立體電影[J] .中國傳媒科技，2012（6）：35-37.

[2] 干建松.基于Unity3D的室內(nèi)漫游仿真系統(tǒng)[J] .淮陰師范學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版），2011，10（6）：515-518.

[3] 熊玉梅.虛擬環(huán)境中物體碰撞檢測技術(shù)的研究[D] .上海：上海大學(xué)，2011：97-98.

[4] 李遠(yuǎn)鑫，蔣海鷗，徐亦飛，等.基于Web3D的交互式虛擬社區(qū)[J] .計算機(jī)工程，2011，37（11）：288-290.

[5] 韓萬江，姜立新.系統(tǒng)工程與軟件工程[J] .計算機(jī)應(yīng)用，2010，30（S1）：212-214.

[6] Menard M.Game Development with Unity3D[M] .[S.L.] ：Delmar CengageLearning，2012：75-78.

[7] Wang Xiangyu，Dunston P S，Proctor R，et al.Reflections on using agame engine system for construction excavator operators[J] .Iaarc，2011（19）：631-636.

[8] 宣雨凇.Unity3D游戲開發(fā)[M] .北京：人民郵電出版社，2012：45-46.

[9] 孟祥旭.人機(jī)交互基礎(chǔ)教程[M] .2版.北京：清華大學(xué)出版社，2010：112-113.

[10] 何崗，李俊，張鋒.基于Unity3D的消防3D情景實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)[J] .軟件產(chǎn)業(yè)與工程，2014（6）：43-48.

[11] 朱瑞瑾，鞏秀鋼，楊梁.基于DirectX的模擬駕駛系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)[J] .山東理工大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2010，24（6）：88-91.

[12] 曾勇.基于Unity3D的挖掘機(jī)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)研究[D] .西安：長安大學(xué)，2013：97-98.

[13] 郭芮，蔣明，鄭劼恒，等.基于Unity3D的加油車虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè) 計[J] .機(jī) 械 設(shè) 計，2014，31（3）：84-87.

[14] 潘丹.基于unity3D的手術(shù)訓(xùn)練游戲的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)[D] .濟(jì)南：山東大學(xué)2014：133-134.

[15] 倪萌.基于Unity3D的汽車發(fā)動機(jī)虛擬裝配訓(xùn)練考評系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)[D] .北京：北京工業(yè)大學(xué)，2014：75-76.