基于虛幻引擎開發的地震救援模擬系統

摘" 要：隨著社會的不斷發展，計算機軟硬件性能的不斷提升，對于傳統的地震災害救援模擬訓練和演練有更加豐富的方法，通過對救援系統的傳統訓練、演練方法的分析，發現傳統的救援模擬存在著場景單一，所消耗的經費高等問題。為解決以上問題，基于UE4和虛擬現實技術制作此地震災害模擬系統，可以使所有使用人員在不同典型、逼真的場景中交互式地體現救援中可能遇到的不同問題，使模擬訓練更加真實化、實戰化和專業化，從而提升國民大眾整體的救援能力和救援水平，解決目前地震模擬災害救援面臨的部分實戰化、普遍化訓練難題。

關鍵詞：地震救援；UE4；仿真系統；虛擬現實；3D Max

中圖分類號：TP391.9" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）12-00３６-0４

Abstract： With the continuous development of society and the continuous improvement of the performance of computer software and hardware， there are more abundant methods for the traditional earthquake disaster rescue simulation training and drilling. Through the analysis of the traditional training and drilling methods of therescue system， it is found that the traditional rescue simulation has the problems of single scene and high expenditure. In order to solve the aboveproblems， an earthquake disaster simulation system is made based on UE4 and virtual reality technologies， which can make all users interactively reflect different problems that may be encountered in rescue in different typical and lifelike scenes， and make the simulation training more realistic， practical and professional， thus improving the overall rescue ability and rescue level of the public， and solving some of the problems faced by current earthquake disaster rescue simulation.

Keywords： earthquake rescue; UE4; simulation system; virtual reality; 3D Max

地震是一種破壞性極大的突發性自然災害[1]，面對越來越頻繁的地震，應該想辦法預防和應對地震帶來的安全問題，防微杜漸。而傳統的安全教育無法營造一場真正的災難，很難融入到災難發生的場景中，存在很大的局限性[2]。利用虛幻引擎技術仿真出真實的地震災害過程，令使用者在模擬出的真實環境下，用沉浸式的方式親身參與并體驗如何自救和救助他人。

本項目意在通過模擬地震災害現場的真實環境，將模擬場景與救援行動相結合，讓人們更快理解自然災害的相關知識并提供技能訓練以使其更好地在災害中保護自己的生命安全。通過VR技術，用沉浸感來營造出最逼真的緊急狀況，讓災情反應訓練變成真正可實踐的學習。

1" 項目研究意義與創新點

1.1" 項目研究的意義

目前，國內對防震減災問題的研究不算少，但關于防震減災科普類游戲設計的研究不多。本文在研究的過程中結合了用戶體驗理論和游戲化相關理論。沉浸式的體驗更容易被群眾所接受，隨著新媒體技術的發展，將地震科普知識與虛幻引擎相結合，再制作出各種類型的科普作品，是當今“微時代”背景下科普宣傳的主流方向[3]。與傳統文字相比，地震救援模擬系統的畫面表現更為直接，可以將眾多元素匯聚在一個平面，豐富了內容。冗長的文字容易產生視覺疲勞，公眾在接受地震科普時容易失去閱讀大量枯燥文字的耐心。通過交互式虛擬系統能極大提高學習者的參與興趣[4-5]，因此，地震模擬救援系統通過將文字代入到場景中，再結合用戶的操作能夠很大程度上提高公眾對地震科普知識的接受度。

1.2" 研究的創新點

1.2.1" 突破時空局限

通過UE4的高渲染功能可以帶來高質量的環境沉浸感這一特點，能夠讓使用者身臨其境地感受地震帶來的破壞，并從各種事故場景中學習相關安全知識及處置技能。

1.2.2" 沉浸感和交互性

通過視覺、聽覺等全方面的體驗，可以讓使用者清晰地記住操作要點和安全隱患點。循序漸進中令使用者了解在遇到不同情況的災難時應當如何正確使用救援工具及逃生手段，更好地增加真實災難環境中人們成功逃生與自保的可能性。

1.2.3" 低成本低風險

使用地震災害模擬系統進行安全教育的普及，不僅成本低，減少了實地演練中的一系列耗材采購成本，而且效率極高，通過電腦系統模擬各種復雜的環境狀況，還支持多人同時培訓，大大減少了教育實踐所用時間，讓體驗者們不用負擔任何風險，也能身臨其境。

2" 系統功能設計

本系統建立了突發地震救援的仿真實廢墟場景，同時加入了一系列救援工具使用規則，讓使用者可以很好地學習地震救援技巧。

2.1" 項目主要流程

2.1.1" 使用救援儀器搜索幸存者

在體驗開始時，需要使用鼠標滾輪將物品切換至探測儀，并雙擊鼠標左鍵將探測儀放置在箭頭指定的黃色區域內，右鍵雙擊探測儀上的箭頭使探測儀正對廢墟的位置，接著按提示給探測儀進行裝入電池等操作后點擊“開始探測”即可。

2.1.2" 移除障礙

使用鼠標左鍵雙擊障礙物，拖拽障礙物至指定黃色區域內，并松開鼠標左鍵，完成移除障礙的操作。

2.1.3" 使用千斤頂

廢墟中會出現一個綠色箭頭，可以使用鼠標中鍵雙擊此箭頭，此時鏡頭會平滑地移動到面前，接著使用鼠標滾輪將物品切換到千斤頂并按提示使用千斤頂救出傷員。

2.2" 項目主要玩法

2.2.1" 救援展覽館

項目一開始便處于救援展覽館（圖1）之中。點擊右上角設置按鈕選擇切換鎖定視角，選擇后可選擇點擊展覽館內生命探測儀、醫療箱和千斤頂等各類救援設施進行查看。查看學習結束后，需點擊右上角設置按鈕進入救援模擬地圖

2.2.2" 救援現場

進入地圖后根據左上角相關任務提示從左下角選擇相應的救援工具實施一系列救援工作，開始工作后救援器械會出現該器械相對應的使用步驟及實時使用數據。例如生命探測儀，會有檢測、一鍵測距和中靈敏度等按鈕，且會出現生命探測儀電子面板及檢測進度，以模擬真實的生命探測儀的各種使用情況及使用數據（圖2）。

生命探測儀探測出生命體后，可用鼠標點擊移開目標表面較大體積倒塌墻壁，后控制視角進入倒塌區域，使用千斤頂移開壓在被困人員身上的倒塌物（圖3）。

成功完成各項任務，成功解救被困人員，任務完成后可點擊選擇返回展覽館，重置模擬重新開始此關卡任務，點擊“退出”可退出到桌面。

3" 系統實現

3.1" 基本地物及工具三維模型

地震救援模擬系統在空間上，是對現實中突發地震救援訓練的擴展。通過虛擬現實技術，可以創造出現實中不能實現的環境。其主要針對地震后有人員被困于倒塌房屋等廢墟下的救援特情展開，故基本地物三維模型建模也僅針對該范圍，其中救援工具也僅針對于救援中常用的醫療器械及醫療用品。主要包括靜態環境模型（如倒塌的商場、學校等），救援工具模型（如醫療箱、千斤頂和生命探測儀等），活動目標模型（如被救助人員、氣象環境（煙霧、光線等））。采用Maya、3DMax等建模軟件制作三維模型，建模完成后用Substance Painter、U3D及Photoshop等軟件上材質與貼圖，并將模型與貼圖同時導入UE4軟件引擎中。UE4引擎中可完成靜態模型和活動目標模型的加載并給模型附上材質、完成三維場景的渲染、地震虛擬場景的呈現，且支持使用者在場景中學習并完成救援動作[6]。廢墟場景中典型的三維模型如圖4所示。

3.2" 虛擬場景搭建

地震救援模擬包括多個不同的場景，如地震救援展覽館、商場救援和住宅救援等。每一個場景都包含多個不同的三維模型，利用UE4進行控制融合。各個場景都采用了分細節化的場景構造方式，包含了宏觀地震災害場景、監控引導場景和救援場景等，通過UE4內置的引擎，實現了各個場景的調度，使得各個場景中碰撞、運動等物理特性更加真實。同時，考慮到多人多場景的協同應用需求，將場景聲效、人機交互等數據整合到場景中，從而實現了對仿真場景的動態渲染。

3.3" 基本界面設計

場景內界面設計是把人與空間及界面相聯系起來，從而使所有的體驗感受和操作都按照現實世界的規律，最后將技術與實際場景相融合獲得新的觀感。在該地震救援模擬系統中，體驗者可以在空間中了解到每一個器械的使用手段和救援模式，再通過具體的操作流程獲得新的感悟。

所謂系統界面設計，是指界面設計提供給用戶的功能界面、操作界面和設置界面等。通過系統界面設計可以更直觀地向體驗者展現其所需的提示信息。而系統界面的設計也需要注意以下問題：第一，避免過于復雜的設計。比起復雜的視覺動態，更應該設置簡單明了的線框、鏤空元素。第二，如果設置位置不當，會導致界面不協調。

3.4" 粒子系統的實現

地震是自然界中無法避免的自然現象，為了系統更具有真實性和可學習性，模擬地震效果在一定程度上可以提高虛擬場景的逼真程度，而粒子系統的實現對于虛擬場景的構造是不可或缺的關鍵部分。此項目則在使用基于粒子系統模擬地震災害的基礎上，制造出其他機械模型對于地震救災工具模型進行了更加真實的細化，通過控制每一個救援工具的外觀模式、 操作屬性和使用方法來實現仿真化。而粒子系統模型的實現對于簡單或復雜的虛擬場景都能起到很好的仿真效果。

3.5" 人機交互的實現

虛擬現實技術與人機的交互已經應用于生活的各個領域，其中包括醫療、教育等方面，同樣人機交互也適用于地震救援模擬系統。人機交互的實現是體驗者和計算機的重要媒介和橋梁，體驗者下達指令，計算機接收信息并即刻對指令實施行動。以體驗者為核心的人機交互界面能夠大大降低體驗者的操作難度，同時也能大大激發用戶體驗的積極性。通過鼠標、鍵盤和窗口等交互手段再結合虛擬環境給體驗者提供一個立體全面的交互環境，使之更加有交互的體驗感和沉浸感。

4" 結束語

目前計算機行業不斷發展，虛擬現實技術也在不斷進步，而計算機作為應用類學科，其技術也在不斷地被運用到一些實際問題中，將其運用到地震模擬救援領域也是必然趨勢，將虛擬現實技術與災后救援相結合而形成的模擬演練系統，更貼近真實地展現出災后的真實現場狀況以及出現的一些新的問題，這樣不僅可以提升消防救援隊伍的救援能力和反應能力，還在一定程度上解決消防救援隊員面臨的訓練難題，同時可以將項目運用到地震科普方面，使地震救援不止局限于專業的救援人員，普通大眾在災害真正來臨時也可以快速地參與到救援中去，從而在一定程度上減少救援人員的壓力并提高受困者的生還概率。

參考文獻：

[1] 賈群林，周柏賈.地震應急救援虛擬仿真訓練系統設計開發與應用[J].中國應急管理，2020（11）：66-69.

[2] 王建剛.虛擬現實技術用于地震應急救援訓練基地中的對策研究[J].消防界（電子版），2020，6（21）：85-86.

[3] 吳嘉賢，郭媛.動漫IP助力為地震科普宣傳賦能——以廣東省地震科普館動漫IP“穩穩”“震震”為例[J].防災博覽，2022（3）：64-67.

[4] SULBARAN T， BAKER N C. Enhancing engineering education through distributed virtual reality[C]//Frontiers in Education Conference，IEEE，2000.

[5] ROUSSOU M， OLIVER M， SLATER M. The virtual playground： an educational virtual reality environment for evaluating interactivity and conceptual learning[J].Virtual reality（S1359-4338），2006，10（3-4）：227-240.

[6] 朱新平，徐海瑤，萬健.基于虛擬現實的機場消防救援虛擬演練平臺[J].計算機仿真，2020，37（2）：102-105.