張斯偉 北方工業(yè)大學(xué)

虛擬現(xiàn)實技術(shù)在安全宣傳教育中的應(yīng)用與研究

張斯偉 北方工業(yè)大學(xué)

虛擬現(xiàn)實技術(shù)是一項綜合集成技術(shù)，涉及計算機圖形學(xué)、人機交互技術(shù)、傳感技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、人工智能等領(lǐng)域，它利用計算機生成逼真的三維視、聽、嗅覺等感覺，使人作為參與者通過適當(dāng)?shù)难b置，自然地對虛擬世界進行體驗和交互作用。

計算機系統(tǒng)；虛擬；應(yīng)用

1．虛擬現(xiàn)實技術(shù)及特點

虛擬現(xiàn)實技術(shù)（Virtual Reality 簡稱VR）是系統(tǒng)仿真中新興技術(shù)之一，實際上是一種可創(chuàng)建和體驗虛擬世界的計算機系統(tǒng)。虛擬現(xiàn)實是利用電腦模擬產(chǎn)生一個三維空間的虛擬仿真環(huán)境，讓使用者如同身臨其境地參與到虛擬環(huán)境事件的發(fā)展變化中，從而獲得最大的控制和操作整個事件的自由度。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)的特點：

多感知性

所謂多感知性是指除了一般計算機技術(shù)所具有的視覺感知之外，還有聽覺感知，力覺感知，觸覺感知，運動感知，甚至包括味覺感知、嗅覺感知等。理想的虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)該具有一切人所具有感知功能。由于相關(guān)技術(shù)的感知功能僅限于視覺、聽覺、力覺、觸覺、運動等幾種。

浸沒感

浸沒感又稱臨場感，指使用者感到作為主角存在于模擬環(huán)境中的真實程度。理想的模擬環(huán)境應(yīng)該使用戶難以分辨真假，使用戶全身心地投入到計算機創(chuàng)建的三維虛擬環(huán)境中，該環(huán)境中的一切看上去是真的，聽上去是真的，動起來是真的，甚至聞起來嘗起來等一切感覺都是真的，如同在現(xiàn)實世界中的感覺一樣。

交互性

用戶對模擬環(huán)境內(nèi)物體的可操作程度和從模擬環(huán)境得到反饋的自然程度。例如，用戶可用手去直接抓取模擬環(huán)境中虛擬的物體，這時手有握著東西的感覺并可以感覺物體的重量，視野中被抓的物體也能立刻隨著手的移動而移動。

構(gòu)想性

虛擬現(xiàn)實技術(shù)具有廣闊的可想象空間，可擴寬人類認(rèn)知范圍，不僅可再現(xiàn)真實存在的環(huán)境，也可隨意構(gòu)想客觀不存在的甚至是不可能發(fā)生的環(huán)境。

2．虛擬現(xiàn)實技術(shù)在安全宣傳教育中的可行性

在對學(xué)生進行安全防火教育的時候，安全宣傳教育部門會用文字，加上一些圖片放在網(wǎng)上，或者將文字和圖片做成展板放在校園、街道；或者做成動畫刻成光盤發(fā)放給各單位，用視頻播放。虛擬現(xiàn)實技術(shù)的出現(xiàn)給安全宣傳教育帶來了更直觀、更生動、具有交互性、構(gòu)想性、新穎的有效的宣傳手段。

例如在對學(xué)生進行安全防火教育宣傳中，會提出教學(xué)樓發(fā)生火災(zāi)時怎么辦?會告訴學(xué)生判斷風(fēng)，朝逆風(fēng)方向快速離開火災(zāi)區(qū)域；當(dāng)樓道被煙火封死，關(guān)閉自己教室門通風(fēng)窗、用濕毛巾堵住口鼻，將身上衣服澆濕，向樓下發(fā)出信息；千萬不要從高層樓窗戶往下跳；不能乘電梯，應(yīng)沿防火安全通道朝樓下跑等安全知識。特別是對安全隱患的分析，易燃易爆堆放樓道由不明星火引起的火災(zāi)。上述情況完全可以用虛擬現(xiàn)實技術(shù)模擬出來，通過網(wǎng)絡(luò)對學(xué)生進行安全防火教育，使學(xué)生身臨其境感受安全防火知識，將會收到良好教育效果。

3. 虛擬現(xiàn)實技術(shù)在安全宣傳教育中應(yīng)用的技術(shù)方案

用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，建立一個三維校園模型，包括校園外景和樓內(nèi)的虛擬教室、樓道、樓梯。解決場景在不同視角、不同光照條件下的真實呈現(xiàn)問題，包括光感、陰影、煙霧、火的態(tài)勢等。同一場景中的人物運動圖像生成，同事呈現(xiàn)場景中所有可見人物的運動狀態(tài)和面部表情、動作。

(1)利用3D MAX進行場景建模、人物建模與紋理映射，豐富現(xiàn)有的三維模型庫。并采用通用接口將模型導(dǎo)入3D引擎服務(wù)器中。

(2)利用已有的3D引擎完成系統(tǒng)的基本功能。包括場景渲染、動作交互、音樂播放、流媒體播放、網(wǎng)絡(luò)通信等。

(3)在現(xiàn)有3D引擎的框架下，研究新的算法、新的插件、新的模塊，使場景更逼真，人物的動作和表情更豐富。

(4)編程實現(xiàn)方面：

借助“藍(lán)牛”引擎，完成整個虛擬校園場景的搭建，用戶通過注冊、登陸、選取人物角色進入主場景，主場景主要包括以下功能：巡視檢查校園、實時導(dǎo)航、三種瀏覽模式（無人、單人、多人）的切換、小地圖的顯示和隱藏、聊天信息的實時傳送、全景導(dǎo)航。

1)虛擬校園整體架構(gòu)

整個系統(tǒng)的后臺采用JDK+TOM ACAT+MySQL架構(gòu)，客戶端采用Lyinux語言（類似于VRML）和JSP實現(xiàn)，藍(lán)牛并不是傳統(tǒng)Web頁面的3D瀏覽環(huán)境，而是一個全新的使用標(biāo)記語言（Lyinux）驅(qū)動的3D應(yīng)用環(huán)境，這個標(biāo)記語言可以產(chǎn)生華麗的3D效果并與用戶互動，這一互動完全類似于DHTML中的用戶互動，甚至結(jié)構(gòu)也可以復(fù)用，唯一不同的是W eb Server輸出的標(biāo)記語言不再是HTML，而是Lyinux。

2)數(shù)據(jù)庫搭建

數(shù)據(jù)庫采用MySQL，建立了五個數(shù)據(jù)庫表：Bbuilding、Building、In Building、Building Introduce和Reguser，其中Bbuiding存放教學(xué)樓、學(xué)生公寓、食堂、附屬設(shè)施四大類，作為導(dǎo)航中的頂級菜單；Building存放所有的教學(xué)樓、學(xué)生公寓、食堂和附屬設(shè)施，作為點擊頂級菜單后彈出的一級菜單，此表和Bbuilding表通過Bbno相關(guān)聯(lián)；InBuilding存放每一個建筑物所包含的場景，分別通過Bbno、Bno表Bbuilding和表Building相關(guān)聯(lián)；Buiding Introduce存放每一個場景的介紹信息，通過點擊相應(yīng)的物體彈出該場景的介紹信息；Reguser記錄了用戶的個人信息，注冊時用戶信息自動寫入該表，登錄時系統(tǒng)讀取該表中的信息。

3)注冊和登錄界面

采用JSP編寫，注冊簡捷，登錄方便。

4)人物角色選取

在UserLoginAction.java中調(diào)用selectAvatar.jsp實現(xiàn)不同人物角色的選擇，而這些人物角色在main.jsp中分別EXTERNPROTO和DEF，其中selectAvatar.jsp調(diào)用了InstanceBone.cc6對不同的人物角色進行位置和骨骼的實例化。InstanceBone.cc6中定義了鼠標(biāo)isOver和isClick人物角色時執(zhí)行的腳本。

5)導(dǎo)航功能的實現(xiàn)

導(dǎo)航菜單有三級，點擊第三級菜單人物會飛到指定的位置。通過從數(shù)據(jù)庫中讀取相對應(yīng)的數(shù)據(jù)庫表生成三級菜單，導(dǎo)航UI在menuBarProto.cc6中定義和實現(xiàn)，導(dǎo)航的跳轉(zhuǎn)分為校園主場景和室內(nèi)場景，校園主場景內(nèi)的跳轉(zhuǎn)由menuBarProto.cc6中的jumptoInside( )函數(shù)實現(xiàn)，通過從InBuilding中讀取目標(biāo)位置的坐標(biāo)，和當(dāng)前位置坐標(biāo)進行g(shù)etRotation( )獲取飛行方向，然后執(zhí)行MoveControl.cc6中的flyTo( )飛到目標(biāo)位置。跳轉(zhuǎn)到室內(nèi)場景由menu BarProto. cc6中的jumptoOutside( )來實現(xiàn)，首先獲取目標(biāo)場景的url，然后通過navigate (url)跳轉(zhuǎn)到目標(biāo)場景。

6) 巡視檢查校園的實現(xiàn)

巡視檢查校園主要通過鼠標(biāo)或鍵盤控制人物移動實現(xiàn)，在protoavatarControlMoveCtrl.cc6中，通過leftKey（a或左方向鍵）、rightKey（d或右方向鍵）、upKey（w或上方向鍵）、downKey（s或下方向鍵）分別來控制人物的4種狀態(tài)：左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、前移、后退；jumpKey為空格鍵，可以執(zhí)行dojump( )函數(shù)，讓人物跳一下 。其中，leftKey和rightKey調(diào)用函數(shù)turnState( )；upKey和downKey調(diào)用函數(shù)moveState( )。

鼠標(biāo)單擊地面時執(zhí)行single Click( ),調(diào)用show Target Transform( )和walkTo ( )函數(shù)，分別用來顯示鼠標(biāo)單擊地面的動畫和步行的動作；當(dāng)鼠標(biāo)雙擊地面時執(zhí)行double Click（），調(diào)用show Target Transform( )和runTo( )函數(shù)，分別用來顯示鼠標(biāo)單擊地面的動畫和跑步的動作。

巡視檢查校園過程中視角的控制主要由View Controller.cc6來實現(xiàn)，用鼠標(biāo)左鍵按下可以左右拖動視角，鼠標(biāo)右鍵按下則可以上下左右拖動視角，均通過keydown( )中的view Control( )函數(shù)來實現(xiàn)，在view Control( )中又調(diào)用mouse Position( )來實現(xiàn)兩種視角控制中的光標(biāo)顯示和視角轉(zhuǎn)動。鼠標(biāo)中間的滾輪可以控制視角的拉近和拉遠(yuǎn)，在wheel ( )函數(shù)中通過調(diào)用zoom InOrOut (zoomin Key[0])和zoom InOrOut (zoomoutKey[0])來分別控制視角的拉近和拉遠(yuǎn)。

7)三種瀏覽模式的切換

對整個場景的瀏覽主要有三種方式：無人、單人、多人，主要通過menuBarProto.cc6中的modeChange( )來實現(xiàn)。無人模式下man Group Node. children[0].man Switch = -1，也就是角色本身的which Choice=-1,這樣可以使得人物角色本身不顯示，同時調(diào)用函數(shù)avatar Hidden()，使其它人物節(jié)點的man Switch = -1，這樣就可以隱藏所有的人物。單人模式下，man GroupNode.children[0].man Switch =0，人物角色本身顯示，同時調(diào)用avatar Hidden()，隱藏其它人。多人模式下，man Group Nod e.children[0]. man Switch =0，人物角色本身顯示，同時調(diào)用avatar Visible()，顯示其它人物角色。同時，在每種瀏覽模式中都定義了不同的步行和跑步速度，無人模式最快，單人和多人模式相對較慢。

4.結(jié)論

隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)在各個領(lǐng)域、行業(yè)中的應(yīng)用與發(fā)展，虛擬現(xiàn)實技術(shù)在安全宣傳教育中的應(yīng)用是未來發(fā)展的必然趨勢。通過連接一些控制設(shè)備與虛擬場景相結(jié)合，可使使用者感到振動、傾斜、煙霧、火勢等感覺，好像把人帶入真實環(huán)境中，對人產(chǎn)生很強的震撼力、注意力，難以忘懷的記憶，起到極佳的宣傳教育效果。

[1] 郭軼，陳岱林,姜立，張雷. 基于虛擬現(xiàn)實的王維建筑造型和裝修設(shè)計系統(tǒng).計算機仿真.2008.11242-246

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10.3969/j.issn.1001-8972.2010.14.095