基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的災(zāi)害救援煙霧環(huán)境模擬軟件開發(fā)

徐佳琦

（江蘇新禾建設(shè)工程有限公司 江蘇省南京市 211135）

地震后的救援現(xiàn)場經(jīng)常充滿煙塵，火災(zāi)后的救援現(xiàn)場常充滿燃燒后有毒的濃重黑色煙霧。因此，災(zāi)后救援人員需要在低可見度的環(huán)境中進(jìn)行訓(xùn)練，以應(yīng)對上述救援情形。對于救援人員而言，暴露在煙霧中對其呼吸系統(tǒng)造成的損傷甚至超過救援時(shí)的直接傷害[1]。煙霧造成的損傷包括直接傷害和間接傷害。直接傷害為吸入有害煙霧粒子從而對呼吸系統(tǒng)造成的損傷。間接傷害為煙霧造成環(huán)境的可見度降低，從而影響救援人員的準(zhǔn)確判斷[2]。統(tǒng)計(jì)表明，在未接受過專業(yè)的低可見度環(huán)境訓(xùn)練的人員中，90%以上人員在濃煙中有效行進(jìn)距離不超過16 米[3]。而通過在低可見度環(huán)境的有效訓(xùn)練，救援人員在該環(huán)境中的判斷能力能夠得到有效的提高[4]。

目前，救援人員通常使用煙霧模擬器對真實(shí)場地中的低可見度煙霧環(huán)境進(jìn)行模擬[5]。煙霧模擬器通常將乙二醇或甘油同蒸餾水混合，在空氣中蒸發(fā)和冷凝，從而產(chǎn)生煙狀效果。其模擬產(chǎn)生的煙霧中含有大量化學(xué)成分，吸入后可對救援人員的呼吸系統(tǒng)造成損傷[6,7]。而救援人員在平時(shí)訓(xùn)練中與煙霧接觸時(shí)間較長，煙霧對其健康造成的影響不可忽視。2012年，美國健康危害評價(jià)部門在得克薩斯州消防局對使用煙霧模擬器后的房屋進(jìn)行取樣分析，并調(diào)取了消防員的健康檔案，得到的結(jié)論為，即使在未加熱且無明火的情況下，僅使用煙霧模擬器的房屋空氣中礦物油霧、二甘醇和甲醛的含量仍然遠(yuǎn)超安全標(biāo)準(zhǔn)。而在訓(xùn)練中引入明火和高溫后，即使在密閉房門外的走廊中，空氣中的有毒物質(zhì)含量仍然超標(biāo)[8]。短時(shí)間暴露在礦物油霧、二甘醇和甲醛中將導(dǎo)致眼部及肺部的不適，而長時(shí)間的暴露將造成肺部的嚴(yán)重?fù)p傷。因此，救援人員在訓(xùn)練中需要采用新型的安全健康的煙霧模擬方式。

本文作者應(yīng)用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)為救援人員提供了一種新型的煙霧模擬方式。目前在災(zāi)后救援領(lǐng)域，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)主要應(yīng)用于為救援人員提供虛擬地圖及導(dǎo)航[9–11]。本文應(yīng)用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，直接將虛擬煙霧粒子在真實(shí)環(huán)境中顯示，從而模擬煙霧環(huán)境。此應(yīng)用僅需模擬煙霧環(huán)境，使用者可以通過增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)設(shè)備直接觀察周圍的真實(shí)環(huán)境，從而免去了對周邊環(huán)境建模的工作。同時(shí)，本應(yīng)用基于的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)設(shè)備為可穿戴設(shè)備，保證了救援人員可以方便的將其應(yīng)用于所有可能場景，而無需對場景的變換進(jìn)行建模。利用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行模擬的煙霧環(huán)境可以應(yīng)用于救援人員的訓(xùn)練中。此煙霧效果的組成成分為虛擬激光粒子，效果與真實(shí)煙霧相近，而對身體無害。根據(jù)訓(xùn)練目標(biāo)不同，救援人員可以在訓(xùn)練中自行調(diào)節(jié)煙霧的顏色及濃度，用于逼真的模擬各種煙霧場地的環(huán)境。煙霧的顏色為RGB色盤調(diào)節(jié)，可滿足真彩色要求。煙霧的濃度設(shè)置可滿足可見度為0 ～100%的區(qū)間設(shè)置。應(yīng)用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)替代傳統(tǒng)的煙霧模擬器對煙霧場地進(jìn)行模擬，可使得救援人員的訓(xùn)練更加安全、健康，且花費(fèi)更低。

本文在接下來的章節(jié)中首先介紹了本軟件的設(shè)計(jì)思路及流程，然后介紹了軟件界面設(shè)計(jì)，最后通過試驗(yàn)驗(yàn)證了本軟件的有效性。

1 軟件設(shè)計(jì)

圖1：HoloLens2 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)眼鏡

圖2：SmokeGen 軟件設(shè)計(jì)流程圖

本軟件SmokeGen 基于微軟公司的HoloLens2 平臺進(jìn)行設(shè)計(jì)，使用Unity 3D 軟件（2019.4.10 版本）進(jìn)行編程。設(shè)備如圖1 所示。

SmokeGen 的設(shè)計(jì)包括兩個模塊：煙霧粒子和顏色選擇器。其中，顏色選擇器包括三部分：RGB 顏色菜單、色調(diào)選擇菜單以及透明度菜單。圖1 為該軟件的設(shè)計(jì)流程圖。

1.1 煙霧粒子設(shè)計(jì)

本軟件中的煙霧粒子由Unity 3D 中用于模擬微小圖元的粒子系統(tǒng)進(jìn)行模擬。粒子系統(tǒng)中的每一個圖元成為一個“粒子”，每一個粒子在應(yīng)用中表現(xiàn)為煙霧中的一顆微塵。系統(tǒng)將所有粒子協(xié)同進(jìn)行模擬，從而展現(xiàn)逼真的煙霧效果。通過改變粒子的參數(shù)，包括顏色、尺寸、移動速度等，可以模擬不同的煙霧效果。

圖3：煙霧顏色設(shè)計(jì)

圖5：軟件控制手勢air-tap[12]

如圖2 所示，在設(shè)計(jì)煙霧粒子時(shí)，第一步為設(shè)計(jì)粒子基本參數(shù)。在SmokeGen 中，作者通過改變粒子的參數(shù)達(dá)到控制煙霧的目的。本軟件中粒子的設(shè)計(jì)目標(biāo)為使煙霧效果連續(xù)且隨機(jī)。粒子的參數(shù)可分為三類：基本參數(shù)、揮發(fā)模型參數(shù)以及時(shí)變模型參數(shù)。三類參數(shù)的取值分別參見表1 ～3。

1.2 煙霧顏色設(shè)計(jì)

煙霧的顏色為煙霧的重要特征之一。SmokeGen 的設(shè)計(jì)思路為提供盡量多的顏色供使用者選擇，同時(shí)兼顧顏色選擇的便捷性。本軟件設(shè)計(jì)界面采用兩步顏色選擇法：

（1）通過滑動滑塊選擇色調(diào)（圖3 有色顏色選擇欄）；

（2）通過單擊左側(cè)RGB 顏色區(qū)在已選定的色調(diào)內(nèi)選擇特定顏色。

在界面頂部的兩個色塊中，左側(cè)色塊為當(dāng)前選定的煙霧顏色，右側(cè)色塊為上一次選擇的煙霧顏色。若對本次選擇顏色不滿，可直接點(diǎn)擊右側(cè)色塊恢復(fù)上一次的煙霧顏色選擇。

表1：煙霧粒子基本參數(shù)

表2：煙霧粒子揮發(fā)模型參數(shù)

表3：煙霧粒子時(shí)變模型參數(shù)

1.3 煙霧濃度設(shè)計(jì)

煙霧濃度決定了真實(shí)環(huán)境的可見度，為煙霧模擬的另一重要參數(shù)。本軟件中將濃度調(diào)節(jié)滑塊與顏色調(diào)節(jié)界面融合，見圖3 底部標(biāo)注為“透明度”部分。滑塊最左側(cè)為可見度100%，即煙霧濃度為0。滑塊最右側(cè)為可見度0%，即煙霧濃度為100%。

2 軟件界面設(shè)計(jì)

SmokeGen 為輔助救援人員訓(xùn)練設(shè)計(jì)，因此其設(shè)計(jì)邏輯為最大程度上降低救援人員的學(xué)習(xí)認(rèn)知成本、降低軟件學(xué)習(xí)培訓(xùn)時(shí)間、以及不妨礙正常救援任務(wù)訓(xùn)練的開展。以此為設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的人機(jī)交互界面應(yīng)盡可能簡潔，且操作符合第一直覺。

2.1 軟件界面

SmokeGen 的交互界面如圖4 所示。該軟件的操作界面僅包括兩個按鍵及一個顏色控制菜單。兩個按鍵分別控制煙霧效果的開啟及關(guān)閉，單擊操作。顏色菜單的操作已在1.2 節(jié)中介紹，再次不再贅述。

值得注意的是，圖4 中顯示的操作界面應(yīng)用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)直接顯示在實(shí)際環(huán)境中。此圖背景為公寓房間。救援人員在操作軟件的同時(shí)，可觀測到實(shí)際周邊環(huán)境。

圖6：救援人員應(yīng)用SmokeGen 軟件

圖7：室內(nèi)環(huán)境中的煙霧效果

2.2 手勢控制

圖8：室外陽光下的煙霧效果

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)設(shè)備HoloLens2 由手勢進(jìn)行控制。本軟件應(yīng)用了“指向”和“air-tap”兩個交互手勢。圖3 中白色激光線為手指方向的延長線。其指向方向有食指控制。用戶通過移動食指控制激光指向自己希望點(diǎn)擊的位置。

當(dāng)激光移動到正確位置后，救援人員通過air-tap 的動作進(jìn)行確認(rèn)，具體手勢如圖5 所示。此動作可類比于鼠標(biāo)的單擊操作。

圖6 為救援人員應(yīng)用此軟件進(jìn)行訓(xùn)練的照片。救援人員頭上佩戴的即為HoloLens2 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)設(shè)備，手持的為溫度感應(yīng)儀。此救援人員眼前出現(xiàn)的為圖4 中的操作界面，但除佩戴特定增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)設(shè)備的人員外，其他人無法觀測到煙霧效果。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

本文通過兩組試驗(yàn)對SmokeGen 軟件的實(shí)用性進(jìn)行驗(yàn)證。兩組試驗(yàn)分別在室內(nèi)及室外進(jìn)行，以驗(yàn)證該軟件在不同場地中適用性。

3.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

試驗(yàn)前期準(zhǔn)備設(shè)備為已預(yù)裝SmokeGen 軟件的HoloLens2 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)軟件，如圖1 所示。試驗(yàn)者已經(jīng)過培訓(xùn)，可熟練使用此設(shè)備，并充分了解軟件所需的操作手勢，如圖5 所示。

第一組試驗(yàn)為室內(nèi)煙霧試驗(yàn)。試驗(yàn)場地為公寓房間，房間面積約為20 平方米。為保證試驗(yàn)安全，室內(nèi)空間除家具外已清理完畢。

第二組試驗(yàn)為室外煙霧試驗(yàn)。試驗(yàn)場地為位于美國新墨西哥州阿爾伯克基市某公園中的步行橋。橋梁總長約20 米，寬度約2.5 米。試驗(yàn)時(shí)間為下午15 時(shí)，光線充足。

3.2 試驗(yàn)過程

兩組試驗(yàn)的試驗(yàn)流程相同，均分為三步：

（1）試驗(yàn)煙霧開啟效果（默認(rèn)煙霧顏色為白色）；

（2）試驗(yàn)煙霧更改顏色（本試驗(yàn)中為明確區(qū)分，將顏色更改為紅色）；

（3）試驗(yàn)煙霧更改透明度，分別試驗(yàn)可見度為0、30%、80%的煙霧效果。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果

3.3.1 第一組試驗(yàn)結(jié)果（室內(nèi)）

第一組試驗(yàn)結(jié)果如圖7 所示。

圖7(a)為可見度為0 的條件下的白色煙霧。在其條件下室內(nèi)家具及軟件操作界面幾乎不可見，煙霧效果均勻彌漫整間房間。

圖7(b)為可見度為30%的條件下的紅色煙霧。煙霧顏色及濃度成功設(shè)置。在此條件下可見部分家具，操作界面清晰可見。

圖7(c)為可見度為80%的條件下的紅色煙霧。煙霧顏色及濃度成功設(shè)置。在此條件下家具及操作界面均清晰可見，可見少量煙霧效果。

此試驗(yàn)驗(yàn)證了在室內(nèi)正常光線條件下，SmokeGen 軟件模擬的煙霧效果逼真，顏色及濃度調(diào)節(jié)可方便實(shí)現(xiàn)。煙霧顏色、濃度區(qū)分有效，可用于救援人員的訓(xùn)練中。

3.2.2 第二組試驗(yàn)結(jié)果（室外）

第二組試驗(yàn)結(jié)果如圖8 所示。由于SmokeGen 產(chǎn)生的煙霧中的粒子為激光圖像，因此需保證其在室外較為強(qiáng)烈的陽光下仍然可以正常顯示。

圖8(a)為可見度為0 的條件下的白色煙霧。相比于室內(nèi)的光線條件，在室外光線充足的環(huán)境中，煙霧的亮度略有降低，但在可見度設(shè)定為0 時(shí)仍然可遮蔽橋梁構(gòu)件。煙霧效果逼真有效。

圖8(b)為可見度為30%的條件下的紅色煙霧。煙霧顏色及濃度成功設(shè)置。類似的，同等可見度參數(shù)條件下，在室外環(huán)境中煙霧亮度略有降低，但煙霧的顏色及濃度效果依然清晰有效。

圖8(c)為可見度為80%的條件下的紅色煙霧。煙霧顏色及濃度成功設(shè)置。在此可見度參數(shù)條件下，煙霧效果不明顯。

此試驗(yàn)驗(yàn)證了在室外較強(qiáng)烈的光線條件下，SmokeGen 軟件模擬的煙霧仍然效果逼真，且可成功調(diào)節(jié)顏色及濃度。煙霧顏色、濃度區(qū)分有效，可用于救援人員的訓(xùn)練中。但在可見度的參數(shù)設(shè)置時(shí)需考慮環(huán)境光線的因素。光線較強(qiáng)時(shí)可適當(dāng)降低煙霧效果可見度，以保證煙霧模擬效果。

4 結(jié)語

本文應(yīng)用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，為救援人員在煙霧環(huán)境中的災(zāi)后救援訓(xùn)練設(shè)計(jì)了新的軟件，SmokeGen。此軟件采用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)模擬煙霧環(huán)境，可有效降低在訓(xùn)練中對煙霧發(fā)生器的使用頻次，從而減少救援人員在訓(xùn)練中暴露在有毒化學(xué)物質(zhì)中的時(shí)間。本軟件可方便、定量的調(diào)節(jié)煙霧效果的顏色及環(huán)境可見度。本文在室內(nèi)、室外分別對軟件進(jìn)行了測試。試驗(yàn)表明，該軟件可有效的應(yīng)用于室內(nèi)及室外環(huán)境。