虛擬現實與增強現實技術在實驗室安全教育中的應用

黃曉一, 范一強, 張亞軍

(1. 北京化工大學 保衛處, 北京 100029； 2. 北京化工大學 機電工程學院, 北京 100029)

實驗室安全教育是各高校實驗室管理中的重中之重。為避免實驗室安全事故的發生,實驗室安全教育必須有效、實用和持久[1-4]。近年來，虛擬現實(VR)和增強現實(AR)技術的發展非常迅速[5],將虛擬現實和增強現實技術應用在實驗室安全教育中,具有以下顯著優勢：

(1) 基于VR/AR的實驗室安全教育沒有時間和地點的限制,只要具有相應的軟硬件條件即可實施；

(2) 基于VR/AR的實驗室安全教育過程互動性好,學生的接受程度高,教育效果相比傳統方法具有一定優勢；

(3) 顯著降低了實驗室工作人員的勞動強度和實驗耗材的使用成本,且被培訓者可根據需要進行定期鞏固培訓效果；

(4) 火災逃生、化學撒漏等不便進行實踐訓練的項目可以通過虛擬現實的方法進行培訓；

(5) 實驗室安全教育效果的實時反饋：通過虛擬現實中被培訓者的表現,可以及時對安全教育效果進行評價,并對教育方法進行改進；

(6) 便于實現實驗室安全教育的標準化。

1 虛擬現實與增強現實發展現狀

目前,虛擬現實與增強現實消費和服務市場總量在快速增加,2018年的預期產值達到68億美元(數據來源：International Data Corporation)。由于市場的推動,虛擬現實和增強現實技術的軟硬件資源和相關應用拓展迅速。除了在游戲產業中的廣泛應用外,虛擬現實和增強現實技術還被應用于軍事訓練[6]、復雜醫學手術的模擬訓練[7]、高壓電纜維修訓練[8]、兒童交通安全訓練[9]、建筑工程危險源識別[10]以及礦井操作培訓[11]等領域。

虛擬現實和增強現實技術的實現需要VR/AR軟件與沉浸式虛擬現實或增強現實硬件的配合來實現。目前市場上主流的VR/AR軟件有Unity(免費)、Unreal Engine(后期付費)、CryEngine(部分付費)、Lumberyard(免費)；主流硬件的收費情況見表1(數據采集自2018年7月)。從實驗室安全教育領域的應用需求看,目前各類主流VR/AR的軟件硬件設備均能滿足需求,且絕大部分VR/AR開發軟件為開源免費使用軟件,VR/AR設備的價格也相對低廉,高等院校和研究機構可以根據自身實驗室的特點和重點安全教育領域,開發基于VR/AR技術的實驗室安全教育軟件并推廣使用。被培訓者通過安裝軟件或者使用基于網頁的培訓平臺,可以方便地使用電腦或者基于iOS/Android的移動設備參加實驗室安全教育和效果評估。

表1 市場主流VR/AR硬件設備價格

2 虛擬現實和增強現實技術在實驗室安全教育中的應用

近年來,虛擬現實和增強現實技術在實驗室中的應用受到很多學者和科技公司的重視。2013年和2014年,分別有學者在《自然》和《科學》期刊發文,探討將虛擬現實和增強現實技術應用在實驗室安全教育中,效果非常顯著[12-13]。

丹麥科技大學(DTU)基于虛擬現實技術的虛擬實驗室教學效果表明：有97%學生認為這種教育方式十分生動且印象深刻,有86%學生認為基于虛擬現實技術的實驗室教學比傳統方法效果更好。實際教學效果評估也表明：基于虛擬現實技術的實驗室教學比傳統方法成績提高了4.2%[13]。

近年來,開發了一系列實驗室安全教育方面的虛擬現實商業化軟件,具有代表性的開發商包括丹麥Labester公司以及美國的Virtualheroes公司等。圖1為Labester公司開發的基于虛擬現實技術的實驗室安全教育系統。使用者可以與軟件構建的虛擬環境互動,根據軟件引導,充分了解各類實驗室防護器具以及噴淋、洗眼器等應急設備的使用方法,可以根據軟件設定進行實驗室安全小測驗,還可以通過虛擬現實技術練習各類腐蝕性化學物質撒漏后的應急處置方法。通過沉浸式的虛擬現實訓練,學生可以充分了解和掌握基礎實驗室安全常識。由于沉浸感強、學習過程生動,學生積極性提高。在實驗室安全教育的實際應用中,用戶還可根據實驗室的特點對安全訓練內容進行調整,以適應不同研究方向的實驗室安全教育的需要。

在增強現實技術領域也出現了一些面向實驗室安全領域的應用。圖2展示了基于微軟HoloLens硬件的利用增強現實技術識別實驗室內輻射劑量分布的應用。在CT掃描室內,工作人員通過佩帶增強現實硬件HoloLens,可以在自身視覺背景上以3D方式疊加輻射劑量分布圖,可以有效避免工作人員在輻射劑量集中的區域長期暴露而受到傷害。與之類似,Alam等研究者通過增強現實技術,把實驗室管道和線纜的伽馬射線輻射情況疊加在真實視覺上,從而有效降低了使用者接受的輻照劑量。

此外,還有研究者研發了將肉眼不可見的激光光束用示意圖的方式疊加在人視覺中的增強現實技術,可以有效避免由于人直視激光對眼睛造成的傷害[14]。韓國的Tae-Jung等研究者[15]則將增強現實技術應用在了實驗室火災的逃生訓練中。

值得一提的是,也有高?；蚩蒲袡C構在自行開發基于虛擬現實或增強現實技術的安全教育系統時,借助了一款名為OpenSimulator(原為美國陸軍模擬和訓練技術中心開發,現已公開)的免費軟件,充分利用其中已有的各類模型和訓練方法進行快速研發。

3 結語

虛擬現實和增強現實技術在實驗室安全領域的應用方興未艾,目前還遠未普及到大多高校和研究機構的實驗室安全教育中。由于采用沉浸式虛擬現實和增強現實技術進行實驗室安全培訓效果好、培訓成本低,未來必將得到越來越廣泛的應用。但需要指出的是,在實驗室安全教育中不應忽視實踐培訓的作用,而是要把虛擬世界和現實世界中的培訓結合起來,實現優勢互補,方能實現實驗室安全教育效果的最大化。

圖1 基于虛擬現實技術的實驗室安全訓練

圖2 通過增強現實技術顯示輻射劑量的分布