AR—VR在危險化學品實戰訓練平臺中的運用

鐘文

摘 要：AR-VR混合技術在危險化學品處置實戰化訓練平臺的運用，綜合運用電氣及自動化技術，充分考慮危化品罐區可能出現的各種災情和險情，為消防官兵提供逼真、安全、可重復、低消耗的訓練手段。以Unity3D為平臺構建虛擬三維危化品事故現場，受訓者以第一人稱視角，在場景中可漫游了解災情的詳細信息，沉浸在危化品事故空間環境中，提升虛擬現場的真實性和感染力。

關鍵詞：AR；VR；危險化學品；實戰化平臺

中圖分類號：X937 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）15-0175-02

1 概述

基于AR-VR技術在危險化學品處置實戰化訓練平臺的運用，探討二者混合所涉及的關鍵技術及相關。該方法打破了傳統的危險化學品事故處置救援展示方式，采用雙向互動方式在虛擬現實與增強現實間進行切換，大大增強學習培訓的參與性和交互性，從而克服增現實技術在交流互動中存在的一些問題，使得人們能夠在訓練的同時有更好的交互體驗。綜合運用電氣及自動化技術，充分考慮危化品罐區可能出現的各種災情和險情，訓練目前常用的排險、救災手段，為受訓者提供逼真、安全、可重復、低消耗的訓練手段，彌補當前教學中存在的不足，從深度、廣度、先進性上保證教學質量，提高教學水平。可以為受訓者創造一種體驗和沉浸的學習環境，達到建構實戰化訓練的目的。

1.1 VR（Virtual Reality）

虛擬現實，虛擬仿真或稱為模擬技術，就是用一個系統模仿另一個真實系統的技術。虛擬仿真實際上是一種可創建和體驗虛擬世界的計算機系統。它是以仿真的方式給用戶創造一個實時反映實體對象變化與相互作用的三維虛擬世界，可通過HMD、數據手套等輔助傳感設備，提供用戶一個觀測與該虛擬世界交互的三維界面，使用戶可直接參與并探索仿真對象在所處環境中的作用與變化，產生沉浸感。VR主要包括模擬環境、感知、自然技能和傳感設各等方面。模擬環境是由計算機生成的、實時動態的三維立體逼真圖像。虛擬現實技術分虛擬實景（境）技術/與虛擬虛景（境）技術兩大類。

1.2 AR（Augmented Reality）

增強現實技術是在虛擬現實技術的基礎上發展起來的，通過科學技術模擬仿真，生成一種逼真的視、聽、力、觸和動等感覺的虛擬環境，運用各種傳感設備使用戶“沉浸”在該環境中，將計算機生成的虛擬物體、場景或系統提示信息疊加到真實場景中，實現用戶和環境直接進行自然交互，使計算機系統提供的信息與用戶對現實世界的感知結合起來，從而實現對現實的“增強”，是一種全新的人機交互技術，具有虛實結合、實時交互的特點。

1.3 化學事故實戰化訓練平臺

根據不同類型罐體，研究其常見的火災和險情，在不同罐體上，模擬不同類型訓練內容，擬建設多個專業儲罐類型、模擬險情、輔助配套系統。平臺系統將綜合就用室內透明模型、室外實物系統、CFD流場模擬技術、仿真偵檢技術等，結合各種險情模擬裝置，全方位、多角度、全過程的對危化品罐區消防內容進行訓練；結合VR-AR將虛擬現實技術用于危化品罐區消防訓練；將CFD流場模擬技術與仿真偵檢技術相結合的偵檢訓練；透明模型與實物罐區相結合的、理論與實踐相統一的訓練方法。

2 關鍵技術

2.1 系統構架

AR-VR互動系統將虛擬現實技術與增強現實技術結合，利用虛擬現實技術的沉浸感以及增強現實的交互感提升參訓者的實訓體驗。系統一共分兩個模塊，分別是危化品虛擬漫游模塊和增強交互模塊，危化品虛擬漫游模塊使用虛擬現實技術，虛擬的模擬危化品事故現場內外場景，把客觀上并不存在的景物，運用計算機技術，在用戶眼前生成一個虛擬的環境，使人感到沉浸在危化品事故場景中。而增強交互模塊基于增強現實技術，通過攝像頭采集場景視頻，采用計算機視覺跟蹤注冊方法，根據真實場景中的人工標志物信息迚行跟蹤注冊，將虛擬信息疊加在真實場景中，以增強危化品處置現場信息展示。

首先開啟程序進入虛擬漫游模塊，基于預先制作好的三維虛擬場景開啟場景漫游模式，受訓者者可以在事故現場中向前、向后、向左、向右移動，或是用鼠標、頭盔控制旋轉視角。在AR-VR切換方面，當受訓者想從虛擬世界切換到真實世界時只需點擊虛擬AR按鈕，即可完成模塊切換。當切換到增強交互模塊后，系統立即開啟攝像頭捕獲場景的初始識別圖像，采用基于計算機視覺跟蹤注冊技術計算出攝像機位姿數據，并持續的將位姿數據不斷傳遞給渲染模塊，將虛擬展品加載到真實場景中。

2.2 虛擬漫游模塊開發

危化品處置現場展覽互動系統中虛擬漫游模塊開發基于Unity3D平臺，Unity3D擁有高度優化的圖形渲染管道，可以與一些增強現實開發工具相結合實現虛實疊加人機交互功能也可以實現虛擬現實世界的生成。首先通過3ds Max、Maya等三維軟件完成建模和貼圖，將模型建好后發布為.fbx栺式文件，并將.fbx文件直接導入Unity3D中構建虛擬危化品處置現場場景。最后為虛擬漫游加入交互指令，并對場景進行管理。化學事故現場場景模型制作是虛擬現實漫游模塊開發中非常重要的組成部分，模型的質量決定了虛擬場景搭建后的效果，與漫游系統的體驗效果也直接相關。采用3ds Max建模，在制作建筑模型過程中，既考慮模型真實感，又要考慮系統運行速度問題。因此，建模采用精細建模和簡單建模相結合的方式構建虛擬三維景觀。

危化品事故現場搭建完成后，導入3dUnity平臺，通過加入虛擬漫游交互功能，實現受訓者在危化品處置現場場景中進行虛擬漫游，通過上下左右鍵進行前后左右行走，也可以進行視角轉換，選擇跑步、走路等多種方式以便讓受訓者了解災情并進行識別危險化學品及災害處置。

2.3 增強交互模塊開發

同VR技術相比，AR技術可以使危化品處置現場導覽系統創造更豐富的互動方式，因為AR技術可以在真實世界中疊加虛擬信息，因此可以增強真實世界的物體和環境。增強交互模塊開發主要分三步進行：首先，通過攝像頭采集真實場景視頻圖像。其次，將檢測到的標志進行跟蹤注冊。最后，在真實的場景中疊加虛擬信息豐富危化品處置現場中災情點信息顯示。endprint

當系統切換到增強交互模塊后，攝像頭被立即打開，實時采集危化品處置現場中的環境，生成一系列的真實場景圖像，供系統跟蹤注冊模塊進行調用。跟蹤注冊是增強現實系統的核心，目前的增強現實系統中，主要有兩大類跟蹤注冊技術，一類是基于計算機視覺跟蹤注冊；另一類是利用設備中的傳感器、GPS進行硬件跟蹤注冊。基于計算機視覺的跟蹤注冊方式按照系統是否使用人工標記來區分，分為使用人工標記增強現實技術和沒有使用人工標記的增強現實技術。人工標記的增強現實系統能夠將虛擬模型準確定位到真實世界，幵最大限度的實現虛實之間的無縫融合，具有快速、穩定、準確的特點，可以快速從復雜的真實環境中檢測出人工標記且對硬件配置要求不高。

經過跟蹤注冊步驟后，則獲得了攝像機位姿，此時將攝像頭所拍攝的室內環境視頻流圖像與生成的虛擬文物信息進行實時融合，形成増強現實圖像，最終將虛擬的文物信息渲染到屏幕上，使用戶體驗到真實室內場景與虛擬信息相融合的逼真效果。

2.4 顯示技術

隨著計算機軟硬件技術的不斷収展，VR系統顯示設備在不斷進步，頭盔顯示器可以讓用戶感受到空間立體感，增加用戶體驗時沉浸效果。AR系統主要是呈現物體的三維詳細信息，應該以輕巧靈便為系統設計原則，可采用Android操作系統的智能手機屏幕作為AR系統顯示設備，簡單便攜，不受環境的限制，擁有更加豐富的使用范圍。

2.5 與實戰化平臺交互

危化品處置現場重在進行仿真實戰訓練，構建將增強現實技術、虛擬現實技術與實戰化訓練平臺相結合，對界面和行為進行交互設計，使受訓者在沉浸過程中與現場互動、發現探索，互動體驗主要包括受訓者與空間環境（災害現場）的交互和受訓者之間的交互兩方面內容。

Unity3D平臺構建虛擬三維危化品事故現場，受訓者以第一人稱視角，在場景中可漫游了解災情的詳細信息。虛擬漫游使參觀者沉浸在危化品事故空間環境中，提升虛擬現場的真實性和感染力。利用HDM頭盔進行場景中危險化學品事故處置中的儀器操作、堵漏、精密儀器清洗、標識識別單兵訓練，屏幕切換，在虛擬視頻中進行部署設置。可進行VR場景和AR互動界面的切換。增強現實系統可以為受訓者提供關于空間環境的重要信息，如顯示儲罐信息數據、危化品理化性質及逃生出口等。增強現實顯示器還能突出顯示各受訓員移動位置，在協作訓練時有更好的團隊表現。與實戰化平臺相結合，當受訓者想仔細觀察某一個物品時，系統根據掃描標記在真實場景中疊加虛擬三維物體，加上實戰平臺中可提供煙霧、炙熱等感官體驗效果，能大大增強受訓實戰效果。

3 結語（訓練現代化的實戰化的精尖部隊）

本文提出了將VR與AR應用于消防（儲罐區）危險化學品事故處置訓練平臺的技術，提供逼真、安全、可重復、低消耗的訓練手段，彌補當前訓練存在的不足，為受訓者創造一種體驗和沉浸的學習環境，提高消防危險化學品事故處置的訓練效果，具有實現實戰化訓練又好又快發展積極意義。

參考文獻

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