基于VR技術的劇情化消防安全體驗館設計研究

摘要：

為了增強消防安全教育的吸引力，提升教育質量，本文設計了基于虛擬現實（VR）技術的劇情化消防安全體驗館。首先，詳細規劃了體驗館的核心場景、劇情流程及關鍵功能模塊，利用實時互動和決策點精心編織劇情，引導用戶通過模擬體驗深入了解消防安全知識。其次，使用3D MAX軟件構建了精細的虛擬火災場景，通過Unity引擎進行高級開發，打造出一個既真實又充滿緊張感的劇情化虛擬環境。該體驗館能顯著提高用戶的沉浸感，并有效增強參與者在緊急情況下的應急反應能力，使用戶能更好地掌握消防安全操作，為消防安全培訓提供了新的視角和方法。

關鍵詞：虛擬現實；VR；劇情化體驗館；消防安全；火災逃生

引言

隨著電器的廣泛使用以及城市化進程的加快，住宅和商業建筑的火災事件頻發。在這種背景下，消防安全教育在保護公眾生命財產安全方面發揮著至關重要的作用。有效的消防安全教育不僅能提高公眾對火災危險的認識，還能增強人們在緊急情況下的應變能力。虛擬現實（Virtual Reality，簡稱VR）技術的出現為消防安全教育開辟了新的路徑[1-3]。通過模擬真實的火災場景，VR提供了一個沉浸式和互動性強的學習環境，使用戶能夠在完全安全的條件下體驗和學習應對火災的技巧。然而，盡管現有的VR消防安全體驗館在技術上取得了一定的進步，但是在內容設計上仍停留在較為基礎的層面，缺乏深度和創造性，未能充分利用VR技術提供的沉浸體驗和互動潛力，缺少能夠真正吸引用戶并激發其深入思考和深度參與的故事情節和情境設置。因此，探索如何在VR體驗中融合更具吸引力和參與性的教學元素，成為提升消防安全教育質量和效果的關鍵挑戰。為實現以上目標，我們使用VR技術開發出一套集復雜的情景模擬和引人入勝的交互性故事于一體的更緊張、更真實的劇情化消防安全體驗館，進而提升整體的教學效果，同時還能提高緊急情況下的應急反應能力，為學習者帶來更全面的消防安全教育體驗。

一、體驗館總體設計

（一）設計思路

1.虛擬環境構建

火災場景設定為高層居民樓，火災發生原因包含電器起火、油鍋起火、燃氣起火與吸煙起火四種類型。本系統使用三維建模軟件3D MAX，按照真實尺寸建立樓房、電梯、樓梯、家具等制作三維模型，將建立完成的三維實體模型導入Unity 3D開發引擎中進行場景環境的集成和渲染。虛擬環境整合渲染完成后，再增加火焰、煙霧等特效。根據實際火災視頻資料，精確模擬火勢的初期、中期到高峰期的變化，包括煙霧密度、擴散速度和火焰行為。同時，將火焰燃燒、尖叫等音效數據關聯到場景環境中，以提高虛擬場景在發生災害時的真實度。

2.敘事邏輯開發

在開發敘事邏輯時，融入劇情化元素，使用戶能夠通過交互選擇影響故事的發展。腳本詳細說明每一步的動作指令和交互選擇，如決定是否破窗逃生或沖出被火堵住的大門。設置不同的行動要求和行為評估標準，如反應速度和決策的正確性，這些都將直接影響劇情的發展和用戶體驗。在視覺設計方面，確保每個元素都增強故事敘述。確定色彩方案以橙色調為主，強調緊急情況下的視覺引導和警示效果。同時，分鏡腳本中詳細描述了每個場景的視角、關鍵動作和特效使用，確保視覺敘述的連貫性和動態表現力，從而增強整體的沉浸感和用戶參與度。

3.互動功能集成

本系統共有三個主要互動功能模塊，包括模擬滅火模塊、模擬逃生模塊、體驗者場景漫游模塊。模擬滅火模塊包含模擬選擇滅火器和體驗滅火兩部分。體驗者需要正確選擇并使用滅火器材進行模擬滅火。滅火部分包含根據火勢大小是否站在安全距離和位置以及是否正確檢查和使用滅火器。模擬逃生模塊包含在逃生過程中所需要做出的決策，可選擇直接逃生，也可選擇滅火失敗后逃生。逃生過程有多條支線劇情，根據不同的選擇觸發劇情。不同的選擇不僅決定最后的逃生是否成功，還決定本棟樓其他居民的安全狀況。體驗者場景漫游模塊是系統最基本的功能模塊，系統的所有功能操作都基于場景漫游。該模塊以傳感器跟蹤檢測技術為核心，利用定位器定位頭盔和手柄的位置，為了使顯示器輸出與虛擬設備視野保持一致，需要使體驗者在場景中的位置信息與定位器定位的位置信息保持一致。

（二）設計架構

設計架構劃分為三個主要層次，包括表現層、邏輯層和數據層（圖1）。每層均承擔著獨特的功能和責任，確保整個系統的順暢運行和高效性能。

1.表現層

表現層主要是顯示和用戶直接交互的界面，負責圖形界面元素的設計和布局，如菜單、按鈕和信息面板，確保界面的用戶友好性；管理背景音樂和環境聲音以及為用戶操作提供及時的聲音反饋；接收用戶指令，如接收VR手柄輸入的數據，并將這些操作請求有效地傳遞到邏輯層進行處理。

2.邏輯層

邏輯層是處理應用程序核心功能的地方，它連接數據層和表現層，確保應用的業務邏輯得到正確執行，將執行結果反饋給表現層。使用Unity 3D等游戲引擎，處理物理模擬、場景管理和其他游戲邏輯，主要包括處理用戶的輸入、計算物理效果以及管理游戲狀態的變化。利用PlayMaker插件編寫可視化的腳本，進行事件管理，通過Adventure Creator和Cinemachine插件控制劇情發展。

3.數據層

數據層是軟件架構的基礎，負責管理所有的數據存儲、檢索和整合。對于資產管理和數據存儲，使用Unity的Asset Bundle技術對3D模型、紋理、音頻文件等資源進行打包和管理。數據訪問接口提供了一組用于高效訪問、查詢和更新數據層中數據的接口，確保數據操作和數據訪問的安全性[1]。

二、高層民用建筑電器起火場景開發實例

（一）劇情交互設計

用戶選擇電器起火模塊后，系統將展示一個選項框（圖2），描述起火原因。用戶點擊開始體驗后，可從臥室到客廳查看險情，此時會發現火勢較小，此刻用戶開始選擇，每個選項代表一種應對措施，不同選擇將引導用戶進入不同的故事分支（圖3）。隨著劇情的發展，如果未能及時有效地處理，火勢將逐漸加劇。用戶的決策不僅影響自己的安全，還可能對整棟建筑的其他居民產生影響，導致不同的故事結局。

（二）場景設計

本案例環境模塊包括一棟大樓、客廳、浴室、廚房、臥室和樓梯間，場景內部裝配了各種家具及滅火器等應急設備。為了提高系統運行的流暢性，在建模時主要執行幾方面的工作。首先，在滿足視覺效果的基礎上，對復雜的家具和裝飾物件，盡可能地簡化模型的多邊形數量來提升渲染效果。例如，通過減少不直接影響視覺感知的細節部分的多邊形，包括家具背面和底部，不僅有效減少了模型的總多邊形數量，還能夠同時保持前視圖的高質量外觀。其次，在設置好材質、貼圖和燈光后，將光照信息烘焙成貼圖，減少實時光照計算對系統資源的需求。使用預過濾的陰影貼圖和光照探針，優化動態物體和靜態場景之間的光照交互，保證光照的一致性和動態物體陰影的準確性。最后，將每個獨立的空間分別輸出為單獨的場景，使各場景能夠獨立設置預加載機制，當用戶接近某個場景的觸發點時，相關場景開始在后臺加載，減少了等待時間，使切換過程更加平滑[2]。

（三）界面設計

界面設計涉及按鈕控件與各種提示，以幫助用戶理解和響應火災逃生情景。為增加沉浸感，本系統采用第一視角操作界面，界面清晰簡潔，確保用戶能夠快速理解并作出反應。

界面布局與界面功能如圖4所示，界面左上角為房間平面圖，顯示房間的布局，橙色火焰圖標代指火源位置，火源圖標會根據火勢大小變化其動態效果，如輕微的閃爍表示火勢較小，而快速的閃爍提示火勢正在迅速蔓延。黃色圓形圖標代指用戶當前位置，幫助用戶在空間中導航。界面右上角為安全狀態指示器，根據環境變化和用戶所處的位置，實時顯示用戶當前的安全級別，提示器顏色和提示語隨狀態改變。綠色代表安全，橙色代表警告，深紅色代表危險。

視覺設計與交互反饋如圖5所示，界面以橙色為主色調，不僅體現出火焰感，還增強了視覺的一致性和緊急感。選項控件在非激活狀態下邊緣為高亮橙色，當選項被選中時，控件變為高亮橙紅色，直觀地確認用戶操作已被執行。

（四）煙霧設計

使用UNITY 3D中Fire Propagation System這款插件設計煙霧效果，可以增加火災模擬的真實性和沉浸感。首先，開發者需要設定煙霧的基本屬性，如產生速度、顏色、密度及透明度，這些因素共同定義了煙霧的視覺表現。利用插件的流體動力學模擬，煙霧的動態擴散和上升行為可以根據實際物理規律進行，包括煙霧因熱空氣上升及在遇到天花板后的水平擴展[3]。此外，煙霧粒子系統的優化是關鍵，不僅要實現視覺上的逼真性，還需要通過粒子的大小調整和顏色變化來模擬不同密度和濃度的煙霧。整合煙霧效果時，要確保與火災模擬的其他元素如火焰、燈光和環境互動，協調一致。進行全面的性能優化，確保即使在煙霧較為密集的情況下，也能保持VR體驗的流暢性和響應速度，從而提供一個既真實又沉浸的消防安全訓練環境[4]。

（五）交互設計

在開發虛擬火災逃生體驗時，關鍵在于構建一個能夠模擬真實世界物理特性的交互系統，以增強實用性和沉浸感，這要求虛擬場景中的物體都可為用戶所操作和觸碰。這一效果的實現依賴對場景中物體進行精確的碰撞檢測。此外，為了更真實地模擬物理環境，這些物體還需要具備與現實世界中相似的物理特性，如重量、彈性、摩擦力等，從而確保物理行為的真實性和一致性[5]。基于物理的真實性，體驗館進一步構建了一個深度互動系統，支持復雜的邏輯分支和條件響應，使玩家的選擇能夠實時影響進程。這不僅增加了敘事的動態性，還大大提升了玩家在每個決策點的沉浸感。這種對話系統支持復雜的邏輯分支和條件反應，確保對話的選擇能夠直接推動故事向預定或意外的方向發展。當觸發一定的條件時，系統會以生活化的語言文字、聲音與畫面輔助的方式來與用戶進行交互。

結語

本文著重設計基于VR技術的劇情化消防安全體驗館，通過引入更復雜的情景模擬和更真實沉浸的交互性故事情節，讓用戶在各種模擬場景中做出決策，創造更緊張、更真實的情境，提升消防安全教育的創意性和互動感，豐富了消防安全教育的形式和內涵，從而激發學習者的興趣并增強其決策能力。在情感和記憶層面，加強了用戶與教育內容的聯系，進而提升整體的教學效果。這種全方位的學習方法不僅能夠提供理論知識，還能強化實際操作技能，為學習者帶來更全面的消防安全教育體驗。

參考文獻

[1]周廣琦，孔令謙.基于VR技術的建筑火災自救訓練系統研究[C].2023年度滅火與應急救援技術學術研討會論文集，2023.

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[3]曲峰德，劉晶晶，王煥新.基于虛擬現實的船舶消防多人協同訓練平臺[J].計算機仿真，2023，40（05）：472-476.

[4]鄧鵬，袁狄平，靳學勝，等.石化基地滅火救援指揮VR訓練系統設計與實現[J].中國安全科學學報，2021，31（12）：160-166.

[5]魏士松，周正東，章栩苓，等.基于桌面虛擬現實技術的航天器虛擬維修訓練系統[J].系統仿真學報，2021，33（06）：1358-1363.

作者簡介：

周詩航（1996— ），女，漢族，湖南長沙人，研究生，研究方向：虛擬現實、藝術設計。

基金項目：

2024年湖南安全技術職業學院校級科研課題《基于VR技術的劇情化消防安全體驗館設計研究》（項目編號：AY24E001）；2023年湖南省教育廳科學研究項目（優秀青年項目）《智能安防巡檢機器人監控系統關鍵技術研究》（項目編號：23B0939）；2024年度湖南安全技術職業學院院級重大委托課題《應急救援機器人關鍵技術研究》（項目編號：AY24A001）。