基于Unity 3D的虛擬消防與安全教育系統(tǒng)

吳可玉，莊建軍,2，徐琳玲

（1.南京大學(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210023；2.南京信息工程大學(xué) 工程訓(xùn)練中心，江蘇 南京 210044）

火災(zāi)是威脅公共安全、危害大眾生命財產(chǎn)的災(zāi)害之一。從火災(zāi)發(fā)生的原因來看，80%以上的火災(zāi)是由于公眾消防意識薄弱、缺乏相關(guān)消防常識、違反安全操作規(guī)范等人為因素引發(fā)的[1]。而從特重大火災(zāi)人員傷亡情況來看，多數(shù)是由于大眾缺乏消防安全知識和火災(zāi)逃生自救技能，沒能及時逃離火場造成的[2]。因此，針對大眾特別是學(xué)生等聚集性群體進(jìn)行消防知識普及和消防訓(xùn)練意義重大。傳統(tǒng)消防演練和逃生訓(xùn)練，由于受時間、場地、安全、成本、專業(yè)性等因素限制，無法經(jīng)常性、大范圍開展，其作用范圍和效果有限[3]。隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)的出現(xiàn)，消防訓(xùn)練方式也迎來了發(fā)展的新機(jī)遇。

基于虛擬現(xiàn)實平臺的消防訓(xùn)練系統(tǒng)為消防安全教育提供了新手段[4]。虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以為訓(xùn)練者構(gòu)建逼真的虛擬訓(xùn)練場景，使其在虛擬消防場景中強(qiáng)化訓(xùn)練自己的火災(zāi)逃生能力。本文基于Unity 3D 虛擬現(xiàn)實平臺，針對消防訓(xùn)練與安全教育的要求和流程，開發(fā)了一個虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)。該系統(tǒng)以3ds Max 為基礎(chǔ)建立三維模型，導(dǎo)入Unity 3D 后搭建出不同的室內(nèi)、室外典型消防訓(xùn)練場景，利用C#語言進(jìn)行腳本編程，實現(xiàn)用戶和場景的交互，最后在PC 和HTC VIVE 同步發(fā)布。另外，為了增強(qiáng)真實性和體驗感，系統(tǒng)還利用MAX30102 傳感器模塊實時采集受訓(xùn)者的心率和血氧信號。經(jīng)驗證，系統(tǒng)具有很好的交互性和沉浸感，一定程度上可以彌補傳統(tǒng)消防訓(xùn)練的不足。

1 虛擬消防與安全教育系統(tǒng)的設(shè)計

該系統(tǒng)結(jié)合現(xiàn)實生活中可能發(fā)生的火災(zāi)典型場景，模擬出實際的火場狀況用于對大眾進(jìn)行訓(xùn)練。整個系統(tǒng)包括大眾教育訓(xùn)練和生理信號采集兩個模塊，系統(tǒng)的整體框架如圖1 所示。

圖1 虛擬消防與安全教育系統(tǒng)整體框架

大眾教育訓(xùn)練模塊包括消防安全知識教育和典型火災(zāi)訓(xùn)練場景。針對當(dāng)下大眾消防自救能力薄弱的情況，系統(tǒng)中設(shè)計了消防知識教育及相關(guān)的模擬訓(xùn)練，以幫助大眾強(qiáng)化災(zāi)害自救能力。另外，連接HTC VIVE頭顯后，使用者可以利用手柄操控自己的行動，完成相關(guān)訓(xùn)練。生理信號采集模塊用于對系統(tǒng)使用者進(jìn)行心率和血氧信息的實時采集和顯示，以增加訓(xùn)練者使用過程中的真實性和體驗感。

2 系統(tǒng)采用的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 虛擬現(xiàn)實技術(shù)

虛擬現(xiàn)實（virtual reality，VR）技術(shù)是一種可以創(chuàng)建和體驗虛擬世界的計算機(jī)仿真技術(shù)，能夠感知參與者的相關(guān)位置和動作，替代或增強(qiáng)一種或多種感官反饋，從而產(chǎn)生一種精神沉浸于或出現(xiàn)在虛擬情境中的感覺。虛擬現(xiàn)實技術(shù)有三個顯著特點：交互性、沉浸性和構(gòu)想性，這些特點使虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用愈發(fā)廣泛。本系統(tǒng)主要通過HTC VIVE 設(shè)備來實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實的沉浸效果。

2.2 系統(tǒng)開發(fā)引擎

Unity3D 支持導(dǎo)入FBX、OBJ 等格式的模型，只需導(dǎo)入由3ds Max 建立并渲染后的三維模型[5]，再添加一些場景元素，即可搭建逼真的虛擬現(xiàn)實消防訓(xùn)練場景。Unity3D 支持C#、JavaScript 等多種編程語言，可以實現(xiàn)對多種典型消防場景的自定義。本系統(tǒng)主要采用C#語言進(jìn)行內(nèi)容的編寫。Unity 3D 具有跨平臺能力，可以很好地兼容Android、Windows、HTC VIVE等平臺[6]。

2.3 生理信號檢測

本系統(tǒng)采用MAX30102 傳感器作為生理信號采集模塊。MAX30102 是一個高度集成的血氧濃度和心率傳感器，廣泛應(yīng)用于各類可穿戴設(shè)備中，其工作原理是血氧飽和度測量法。由于含氧血紅蛋白和無氧血紅蛋白對于紅光和紅外光的吸收能力不同，傳感器通過發(fā)射紅光和紅外光脈沖，再用光電二極管檢測被人體組織反射回來的光強(qiáng)，就可計算出含氧血紅蛋白（C2HbO）與去氧血紅蛋白（CHb）的相對含量[7]，進(jìn)而計算出血氧飽和度SaO2[8]，如公式（1）。而心臟的每一次收縮和擴(kuò)張都會引起脈搏的波動，通過檢測和計算脈搏波的波動頻率便可得到心率。

傳感器內(nèi)部集成有兩個 LED，分別發(fā)出波長660 nm 的紅光和波長880 nm 的紅外光，同時還帶有環(huán)境光抑制和溫度補償功能。生理信號采集模塊集成了玻璃蓋板等光學(xué)元件，通過對內(nèi)部寄存器的設(shè)置，可以完全控制模塊的各項參數(shù)，以適應(yīng)各種場景的使用需求。環(huán)境光抑制模塊內(nèi)部有跟蹤/保持電路，在消除環(huán)境光噪聲影響的同時，可增加有效測量值的動態(tài)范圍。芯片內(nèi)部還集成了I2C 通信模塊，用于連接微控制器或處理機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。在采集到相關(guān)生理信號后，利用STM32F103 單片機(jī)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀取和處理，并通過串口傳送至電腦中。

3 虛擬消防與安全教育系統(tǒng)的實現(xiàn)

將利用3ds Max 建模軟件制作的模型導(dǎo)入Unity 3D 平臺，即可構(gòu)建相關(guān)的訓(xùn)練場景。Unity 3D 主要依托Visual Studio 套件中的C#語言進(jìn)行內(nèi)容編寫，可以自定義所需的消防訓(xùn)練內(nèi)容。再利用串口通信將MAX30102 心率傳感器與Unity 3D 連接，即可實時檢測使用者的心率和血氧飽和度。最后將系統(tǒng)的整體內(nèi)容與HTC VIVE 虛擬現(xiàn)實眼鏡互連，實現(xiàn)沉浸式的虛擬現(xiàn)實體驗。本系統(tǒng)的開發(fā)技術(shù)路線如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)路線

3.1 場景搭建

在3ds Max 軟件中完成建模和渲染并導(dǎo)入Unity 3D 后，即可進(jìn)行相關(guān)場景的搭建和編程[9]。大眾消防訓(xùn)練場景主要包括室內(nèi)和室外兩種。

3.1.1 室內(nèi)訓(xùn)練場景

室內(nèi)訓(xùn)練場景主要針對處于室內(nèi)的消防演練，包括消防知識教育場景、火災(zāi)隱患排查場景以及典型室內(nèi)火災(zāi)場景。消防知識教育場景使用Unity 3D 中的UI 面板進(jìn)行制作[10]，利用 Visual Studio 的C#語言進(jìn)行開發(fā)，涵蓋消防逃生須知的知識點。火災(zāi)隱患排查場景主要針對家庭場景，對家中可能存在的隱患進(jìn)行排查，鍛煉使用者的隱患發(fā)現(xiàn)能力。

典型火災(zāi)場景中的火災(zāi)逃生訓(xùn)練主要針對家庭、學(xué)校和辦公區(qū)等人流密集處而設(shè)計，均為消防自救和訓(xùn)練的典型場景。常見的火災(zāi)自救操作步驟如下：第一時間撥打火警電話、關(guān)閉電閘；用濕毛巾捂住口鼻；在煙霧中壓低身子前進(jìn)；禁止乘坐電梯……以上步驟均可根據(jù)不同的操作需求進(jìn)行增減。訓(xùn)練場景以常見的火災(zāi)自救操作步驟為依據(jù)，在每個場景中設(shè)計了不同的操作點。指示性面板利用Unity 3D 中的UI 面板進(jìn)行制作，其中Canvas 組件控制整個UI 面板的結(jié)構(gòu)，Button 組件控制面板按鈕。UI 面板也可進(jìn)行相應(yīng)的場景切換[11]。人物的移動設(shè)計采用第一人稱漫游方式，導(dǎo)入相關(guān)人體模型后，將Main Camera 置于人物頭部，即可實現(xiàn)帶模型的第一人稱漫游[12]。

場景中的火、煙和水的效果都采用內(nèi)置的粒子系統(tǒng)（particle system），導(dǎo)入相關(guān)特效后，結(jié)合所需情境，控制火的燃燒、煙的彌漫和水將火撲滅的效果。

3.1.2 室外訓(xùn)練場景

室外訓(xùn)練場景針對的是地形規(guī)模較大的室外場景，為了還原真實的地貌地形，除了利用3ds Max 中導(dǎo)入的模型以及建立相應(yīng)的逃生步驟之外，還需要使用插件對真實地形進(jìn)行復(fù)刻。

對于較大規(guī)模的地形重建可以采用 Worldcomposer 插件，運用位高圖與衛(wèi)星圖來創(chuàng)建地形。首先在Unity 3D 中導(dǎo)入該插件，在BingMap 中申請到許可Key，通過衛(wèi)星圖掃描定位，如圖3，放大后截取所需部分的地形圖，點擊導(dǎo)入高度（import height）和導(dǎo)入圖像（import picture），由插件處理后輸出高度和圖像數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集完成后點擊創(chuàng)建地形（create terrain），即可建立地形并開始渲染（見圖4）。最后查找相關(guān)資料確認(rèn)對應(yīng)地形的植被，找到相似的建模導(dǎo)入Unity 3D，并在相應(yīng)地形上進(jìn)行添加。

對于虛擬場景的完整搭建，可嘗試將多種地形整合起來。以森林為例，可選取典型的森林地形，如峽谷、洼地、山脊等。通過調(diào)整地形（terrain）參數(shù)，選擇質(zhì)地（texture）以及天空盒（skybox）的不同貼圖，對樹木花草等不同植被進(jìn)行導(dǎo)入，再導(dǎo)入河流、火的粒子系統(tǒng)等組件[13]，盡量實現(xiàn)對森林場景的全覆蓋，以達(dá)到訓(xùn)練多樣化、全面化的目的。

圖3 Worldcomposer 插件界面圖

圖4 使用Worldcomposer 插件建立的地形示例

3.2 生理信號采集

為了增加用戶在訓(xùn)練過程中的真實性和體驗感，系統(tǒng)選用Maxim Integrated 公司的MAX30102 心率血氧傳感器模塊實時采集、計算用戶的血氧濃度和心率，實現(xiàn)對受訓(xùn)者生理信號的實時檢測。整個生理信號檢測過程的框圖如圖5 所示。

圖5 生理信號采集框圖

實際工作中，以STM32F103 單片機(jī)實現(xiàn)對傳感器的數(shù)據(jù)讀取、處理和計算，電腦作為上位機(jī)，在Unity 3D 平臺中對串口發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取，再在Unity 3D平臺中添加顯示數(shù)據(jù)的相關(guān)UI 面板，使血氧飽和度和心率數(shù)據(jù)實時顯示在訓(xùn)練場景中，使用者在使用中可以時刻觀察和了解自己的生命體征信息。

開發(fā)時，在.Net2.0 及以上版本直接使用SerialPort類對串口進(jìn)行讀寫操作。SerialPort 類的屬性主要包括：串口名稱（PortName）、波特率（BaudRate）、數(shù)據(jù)位（DataBits）、停止位（StopBits）、奇偶校驗（Parity）。SerialPort 類的事件主要包括：DataReceived（用于異步接收串口數(shù)據(jù)事件）以及 ErrorReceived（錯誤處理事件）。SerialPort 類的方法主要包括：Open()、Close()、Read()、Write()、DiscardInBuffer()、DiscardOutBuffer()等。

3.3 系統(tǒng)發(fā)布

在Unity 3D 中完成相關(guān)場景內(nèi)容的搭建后，利用VRTK 套件與HTC VIVE 設(shè)備進(jìn)行交互，即可實現(xiàn)真正的虛擬現(xiàn)實訓(xùn)練場景。

本系統(tǒng)采用的是HTC VIVE 的PC 經(jīng)典版本的虛擬現(xiàn)實眼鏡。配置兩個移動操作手柄以及一個虛擬現(xiàn)實頭顯。此設(shè)備可以實現(xiàn)大部分虛擬現(xiàn)實火災(zāi)場景所需的功能[14]。Unity 3D 為開發(fā)者提供了虛擬現(xiàn)實的相關(guān) API 接口，可以將軟件中的內(nèi)容發(fā)布到對應(yīng)的虛擬現(xiàn)實眼鏡上。通過現(xiàn)有集成的VRTK 套件和Steam VR Plugin 軟件，可以實現(xiàn)基本的虛擬現(xiàn)實操作。本系統(tǒng)涉及的虛擬現(xiàn)實操作包括手柄對物體的抓取、手柄發(fā)射射線以及移動等。

首先將VRTK 集成腳本導(dǎo)入Unity 3D，再為場景創(chuàng)建虛擬現(xiàn)實環(huán)境。調(diào)用 VRTK 腳本中的 VRTK_ ControllerEvents，此腳本中聲明了虛擬現(xiàn)實環(huán)境中的操作事件。主要功能包括：VRTK_Interact Grab（抓取所需物體）、VRTK_Interact Touch（觸摸所需物體）、VRTK_Interact Use（可使用特定物體，扣動手柄扳機(jī)啟動）、Controller_SimplePointer（遠(yuǎn)程定點移動）[15]。對于所需的功能，VRTK 套件中進(jìn)行了大量定義，可依據(jù)不同需求對照說明文件進(jìn)行相關(guān)調(diào)用和修改。

4 結(jié)語

本文設(shè)計了一套基于Unity 3D 的虛擬消防與安全教育系統(tǒng)，包括消防教育訓(xùn)練和實時生理信號檢測功能，并將Unity 3D 平臺內(nèi)容發(fā)布至HTC VIVE 虛擬現(xiàn)實眼鏡中。此虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)可對普通民眾進(jìn)行消防安 全教育，并可作為消防訓(xùn)練的輔助手段。

本系統(tǒng)的生理檢測部分目前使用串口通信，未來可考慮增加Wi-Fi 或藍(lán)牙模塊，實現(xiàn)穿戴式生理信號的無線傳輸，增加系統(tǒng)的靈活性和舒適性。另外，目前系統(tǒng)內(nèi)的場景內(nèi)容相對固定，下一步可以改進(jìn)模型，使著火點的設(shè)置、火勢大小的調(diào)節(jié)、起火原因的選擇等可隨機(jī)出現(xiàn)，讓訓(xùn)練者根據(jù)情況靈活判斷最佳的逃生路線，增加系統(tǒng)的交互性和實用性。