基于VR 的水模擬水災害教學實驗平臺研究＊

王 峰，李智星，王俊琿，王昕澤

（1.水利水電國家級實驗教學示范中心（西安理工大學），陜西 西安 710048；2.西安理工大學水利水電學院，陜西 西安 710048）

虛擬現實技術（VR）已進入一個全新的實景仿真應用時代[1]。利用虛擬現實技術開發虛擬仿真教學實驗平臺，可突破教學實驗場地和課程安排限制，是很好的輔助和補充[2]。水利專業教學中的極端水力學現象和水災害演進都較難以用傳統實驗方法模擬，且大型水利儀器設備和實驗模型存在構造復雜、占用專用場地、價格昂貴、涉水涉電等問題，一定程度上制約了教學實驗的靈活性和實效性，影響了學生實驗實踐和創新能力培養。將虛擬現實技術獨有的展示特效、交互性能與水文水動力理論知識、洪水災害演進機理相結合，將成為水利專業教學教具開發、教學科研實驗發展的重要方向。

1 虛擬現實技術

虛擬現實技術是一種可創建和體驗虛擬世界的計算機仿真系統，它利用計算機生成一種模擬環境，是一種多源信息融合、交互式的三維動態視景和實體行為的系統仿真，并使用戶沉浸到這一環境中[3]。虛擬現實具有交互性、沉浸性和構想性3 大特點[4]。通過三維建模和編程開發搭建模擬場景，讓用戶借助必要裝備與虛擬環境進行交互，相互影響，增強了用戶對虛擬場景所對應真實場景的感受和體驗。

2 水模擬水災害VR 教學實驗平臺設計

本文依托所承擔的項目課題，以高校水利專業課程教學實驗和科普為需求牽引，研究開發水模擬水災害VR 教學實驗平臺，解決復雜惡劣天氣和地理環境下極端水力學現象、水災害用傳統教具、實驗手段難以表達的問題，提高水模擬水災害教學實驗成效。Unity3D 是支持多平臺的綜合型游戲開發工具和全面整合的專業游戲引擎，可提供豐富的物理特效，有大量第三方插件支撐，采用事件函數驅動機制。采用Unity3D 開發虛擬實驗項目，可實現高效率的開發與部署。因此，本文采用Unity3D 設計開發水模擬水災害VR 教學實驗平臺。

2.1 設計思路

本文研究的水模擬水災害認知情景環境為城市城區、河道溝谷及其鄰近區域的復雜地理場景，并配套雷閃、狂風、暴雨等惡劣天氣環境。配備VR 頭盔、手柄等沉浸式虛擬現實設備以及計算機圖形工作站、PC 電腦等搭建教學實驗VR 體驗硬件平臺。開發技術方案是通過3DMax 軟件、傾斜攝影測量三維建模途徑獲取三維實景模型，利用Unity3D 軟件和C#語言編寫開發水模擬水災害虛擬仿真場景特效、人機互動、消息反饋功能，場景特效、交互功能等。平臺設計流程如圖1所示。

圖1 設計思路

獲取水模擬水災害典型情景區域地理空間相關數據。典型區域主要有2 類，一類是城市易形成暴雨內澇區域，如低洼處、道路橋隧、下穿通道等；另一類是河道水庫洪水發生區域，如河流河道、水庫庫區及大壩下游區域。在項目開發中針對選定區域需事先準備該區域及其周邊高精度數字高程數據，以及居住、工礦、交通、植被等土地利用信息。

典型情景區域三維實景模型建立。本文通過2 種途徑建立三維實景模型，一種是基于區域空間地圖（如GIS、CAD）、實景照片等數據，采用3DMax、Photoshop等軟件進行三維實景建模；另一種是基于無人機傾斜攝影測量數據，采用Pixel4D、Smart3D 等后處理軟件生成高精度傾斜攝影實景三維模型。將獲取的三維實景模型導入到Unity3D 中，初步建立VR 虛擬現實場景。

VR 場景交互設計與開發。按照水模擬水災害教學實驗內容和設計腳本，在Unity3D 中采用C#腳本語言完成虛擬仿真場景特效、交互設計、功能開發、數據響應等編程開發；設置各類體驗視角，設定各種體驗路線，開發各項交互功能，后臺數據請求和響應，按不同參數條件設置虛擬仿真環境中不同模擬結果。

2.2 系統平臺架構

本文設計的水模擬水災害VR 教學實驗平臺采用三層體系結構，分別是應用層、業務層、數據層。應用層即表現層，提供用戶界面，根據用戶不同操作選擇相應功能；業務層主要處理用戶請求，將用戶請求傳遞給表現層，各服務器與數據層進行交互，完成對數據的操作；數據層是系統數據的管理核心。

3 平臺開發流程及實踐驗證

本文選用VR 眼鏡頭盔、體感手柄和高性能電腦、顯示屏作為VR 體驗平臺配套硬件，利用Unity3D 軟件、C#語言開發水模擬水災害教學實驗平臺VR 程序資源包，如城市雨洪災害VR 體驗、河道洪水災害VR體驗、堤壩潰決洪水災害VR 體驗等。本文以“城市雨洪災害逃生避險VR 體驗”系統為例，闡述了具體開發流程。

3.1 資源導入和場景搭建

在Unity3D 中新建一個Project，創建完成后，通過菜單“File”→“NewScene”新建場景，在Assets選項下拉菜單里彈出import package 對話框選擇導入已建立的三維實景模型資源文件。

3.2 界面交互開發

使用Unity3D 中Unity 導航欄菜單NGUI 選項下的CreateaNewUI，創建UIRoot，分別編寫UIRoot 和UIPanel 腳本。利用UIRoot 腳本完成UI 界面高度、縮放比例等參數調整，利用UIPanel 腳本完成控件添加和布局，之后在UI 界面對應按鈕下綁定相應C#腳本。以體驗場景切換按鈕為例，創建名為SwitchScene 的C#腳本，該腳本分別通過Onclick()函數監控鼠標按鈕點擊、Application.LoadLevel()函數切換并加載對應場景、Application.Quit()函數關閉退出Unity3D 窗口程序，將編寫的C#腳本綁定至對應圖標按鈕下，可實現場景切換和虛擬教學實驗功能觸發。系統主界面如圖2所示。圖2（a）展示了“城市雨洪災害逃生避險VR 體驗”系統提供的“洪澇災害體驗”和“逃生避險演練”2 大體驗功能模塊，在體驗中提供上帝、司機和路人3種體驗視角。圖2（b）表明系統提供引導體驗和自由體驗2 種學習者模式供選擇，可選擇切換至不同模式下的體驗場景。

圖2 系統主界面

3.3 三維場景交互及體驗功能開發

三維場景交互及體驗功能主要包括場景切換、視角切換、位置移動等動作與交互，物品拾取、丟棄動作與交互，界面標簽選擇、條件控制交互、實時信息反饋、進程控制等交互及體驗功能開發。本文針對某城區制作了三維實景場景，利用水動力模型對某場次暴雨進行數值模擬，將數值結果轉為雨洪演進過程風險等級，作為依據在Unity3D 中開發暴雨積水漲水過程特效。系統VR 教學體驗內容展示如圖3所示。圖3（a）展示了短時暴雨導致城市街道積水逐漸成災的體驗效果，圖3（b）展示了暴雨導致城市低洼地快速形成嚴重積澇，車輛被困、行人難以通行的體驗效果。

圖3 系統VR 教學體驗內容展示

3.4 程序資源包發布

在Unity3D 中利用“Build Settings”菜單中的Platform 列表下選擇“PC，Mac&Linux Standalone”選項，完成程序資源包打包發布；之后將其部署在PC圖形工作站電腦，連接配置三星玄龍MR+VR 頭盔；最后完成軟硬件結合的VR 教學實驗平臺的構建。

利用本文研究成果在西安理工大學水模擬及災害管理中心搭建了水災害VR 教學實驗簡易平臺，為學校“水力學”“河流動力學”等研究生課程教學提供教學實驗支撐，為水文水動力數值模擬與仿真提供了畢業設計和科研驗證平臺。將本文研究成果應用于慶陽市海綿科普中心，為參觀者感知城市雨洪內澇、河道溝道洪水災害，為洪水防災減災科普知識提供VR 教學體驗環境支撐。

4 結語

綜上，本文針對水模擬水災害教學實驗采用傳統實驗模型和大型儀器設備存在的問題，結合虛擬現實技術優勢，以計算機三維仿真建模、虛擬現實為技術支撐，研究與設計了沉浸式、多感知、交互性強、用戶體驗良好的水模擬水災害VR 教學實驗平臺。實踐證明，本文研究成果可有效支撐水利相關專業快速靈活開設虛擬仿真教學實驗，增加教學實驗時空自由度、學生實踐性和感知性，提升了水模擬水災害教學實驗效果，同時在水災害科普教育中也能靈活運用，具有良好的應用前景。