虛擬現(xiàn)實技術(shù)在安全工程中的應(yīng)用

虛擬現(xiàn)實技術(shù)在安全工程中的應(yīng)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)在平安工程中的應(yīng)用

論述了虛擬現(xiàn)實技術(shù)（virtualreality）的基本原理、應(yīng)用范圍。結(jié)合大空間公用建筑火災(zāi)虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，提出了平安工程中應(yīng)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)的基本結(jié)構(gòu)及程序設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)，給出了大空間公用建筑火災(zāi)虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)編制實例。

平安工程虛擬現(xiàn)實火災(zāi)救災(zāi)

applicationofvirtualrealityinsafetyengineering

qiyixinxiazhengyiwangjianfanweicheng

(chinauniversityofminingtechnology)(universityofscienceandtechnologyofchina)

abstractthebasicprincipleofuirtualrealityanditsextentofapplicationarediscussed.inbiningwiththevirtualrealityofthefireofbigspacepublicbuildingthebasicstructureofthetechnologyofthevirtualrealityandthekeytechniqueofprogramdesignareputforward.anexampleofthevirtualrealitysystemofbigspacepublicbuildingisprovided.

keywords：safetyengineeringvirtualrealityfiresaving

1引言

平安是保障人類生存和生活質(zhì)量的重要方面。LOcALHoSt隨著人類社會的進(jìn)步和生活水平的提高，人們對自身平安的要求越來越高。社會活動中，存在著大量擔(dān)心全因素，要保證人的平安，離不開對社會環(huán)境的真實了解——平安管理人員需要了解管理區(qū)域內(nèi)存在的事故隱患；科研人員需要向人們真實反映其平安討論的的成果；而一般人則需要有肯定的平安學(xué)問和防范意識。這些都需要人們能處于真實的環(huán)境中，如平安管理人員能依據(jù)發(fā)生災(zāi)難而對其現(xiàn)場的真實環(huán)境進(jìn)行正確的決策；而科技人員需要將討論的方法、設(shè)備、儀器等應(yīng)用于真實的環(huán)境進(jìn)行檢驗；一般人也需要在現(xiàn)實的環(huán)境中接受平安訓(xùn)練、救生訓(xùn)練等；設(shè)計人員需要在真實的環(huán)境中驗證設(shè)計的平安性。上述狀況都離不開人類生存的現(xiàn)實社會。但由于受到各種環(huán)境因素的限制，人類不行能采納實際模擬的方式，使每個人均能置身于真實的環(huán)境中，有時真實感受平安的狀況是擔(dān)心全的，甚至是根本無法供應(yīng)這種現(xiàn)實的環(huán)境（如建筑物僅僅在設(shè)計中）的，因而需要有一個能夠模擬真實環(huán)境的系統(tǒng)來幫助人員感受這種環(huán)境。當(dāng)前，國內(nèi)外普遍采納的虛擬現(xiàn)實技術(shù)便能滿意這種要求。

2虛擬現(xiàn)實(virtualreality—vr)簡介

虛擬現(xiàn)實技術(shù)是指利用人工智能、計算機(jī)圖形學(xué)、人機(jī)接口、多媒體、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)及電子、機(jī)械、視聽等高新技術(shù)，模擬人在特定環(huán)境中的視、聽、動等行為的高級人機(jī)交互技術(shù)。交互性是指“參加者”利用視覺、聽覺、觸覺、嗅覺和味覺等感官功能及對話、頭部運(yùn)動、眼睛移動、轉(zhuǎn)身、拾取和放置等人類自然技能，對虛擬實體進(jìn)行交互考察與操作的過程。

虛擬環(huán)境技術(shù)的體系結(jié)構(gòu)可以用圖1所示的3個i的“三角形”來表示，所謂的3-i即immersion-interaction-imagination，指沉醉-交互-構(gòu)想。這三個i，是vr系統(tǒng)的三個基本特征。它表示vr系統(tǒng)使人由過去只能從計算機(jī)系統(tǒng)的外部去觀測計算處理的結(jié)果，進(jìn)展到能夠沉醉到計算機(jī)系統(tǒng)所創(chuàng)建的系統(tǒng)中；從過去人們只能通過鍵盤、鼠標(biāo)與計算環(huán)境中的數(shù)字化信息發(fā)生交互作用，到能夠利用多種傳感器與多維化信息的環(huán)境發(fā)生交互作用；由過去人們只能從定量計算為主的結(jié)果中得到啟發(fā)從而加深對事物的熟悉，到有可能從定性和定量綜合集成的環(huán)境中得到感性和理性的熟悉，從而深化概念和萌發(fā)新意。

圖13—i“三角形”

也就是說，在vr系統(tǒng)中，人們的目的是使計算機(jī)及其他傳感器組成的信息處理系統(tǒng)去盡量“滿意”人的需要，而不是強(qiáng)迫人去“湊合”那些不很親切的計算機(jī)系統(tǒng)。

3虛擬現(xiàn)實技術(shù)在平安工程中應(yīng)用的領(lǐng)域

綜合虛擬現(xiàn)實技術(shù)的特點，筆者認(rèn)為平安工程在以下方面可充分應(yīng)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)：

1)科學(xué)討論、試驗及計算機(jī)模擬結(jié)果的真實化再現(xiàn)

平安科學(xué)的討論成果需要用直觀的形式表示出來，使用vr技術(shù)與多媒體及可視化技術(shù)相結(jié)合，可以制造一種虛擬的真實環(huán)境，可以將孤獨(dú)的討論公式、計算數(shù)值用完全真實的立體效果表示出來，并且人們可以交互式地掌握這種表示結(jié)果，可以通過動態(tài)轉(zhuǎn)變參數(shù)（這種轉(zhuǎn)變不肯定要由人輸入數(shù)據(jù)，而可以由人操縱某種vr設(shè)備，如數(shù)據(jù)手套等進(jìn)行近乎自然的交互方式）來觀看計算結(jié)果。

2)平安性能設(shè)計

任何社會產(chǎn)品（也包括平安產(chǎn)品）都應(yīng)當(dāng)有其自身的平安性。而人們在產(chǎn)品未生產(chǎn)出前，是無法真實感受其平安性的，而vr技術(shù)可以預(yù)先為其供應(yīng)一種虛擬的真實產(chǎn)品模型，讓設(shè)計者和使用者在產(chǎn)品付諸生產(chǎn)之前就能親身感受到該產(chǎn)品的平安性能，從而為設(shè)計者供應(yīng)改進(jìn)的依據(jù)。

3)救災(zāi)指揮決策

發(fā)生事故時，救災(zāi)指揮者一方面需要精確?????把握事故現(xiàn)場的狀況，另一方面要了解事故可能的進(jìn)展趨勢，甚至有時需要進(jìn)行遠(yuǎn)程指揮（如

虛擬現(xiàn)實技術(shù)在平安工程中的應(yīng)用

主要事故處理專家一時無法到達(dá)事故現(xiàn)場），這時可以應(yīng)用vr技術(shù)與其它模擬技術(shù)相結(jié)合的方式來完成。此外，還可以利用vr技術(shù)來模擬未發(fā)生的事故，進(jìn)行對人員的訓(xùn)練工作。

4）日常平安訓(xùn)練與避災(zāi)訓(xùn)練

可以針對某些事故及肯定區(qū)域建筑事故模擬和訓(xùn)練的vr系統(tǒng)，讓人們在真實的環(huán)境中接受事故預(yù)防的訓(xùn)練及事故搶險人員的操作訓(xùn)練，從而提高人們對事故的感知度及搶險人員的技術(shù)操作水平和戰(zhàn)斗力。

3平安工程虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

由于平安工程涉及范圍廣泛，所以對不同領(lǐng)域的平安工程vr系統(tǒng)的側(cè)重面就可能有所不同。本文以大空間建筑火災(zāi)vr系統(tǒng)為例進(jìn)行介紹。

中國科學(xué)技術(shù)高校和中國礦業(yè)高校合作，針對大空間建筑火災(zāi)的特點，建立了大空間建筑火災(zāi)vr系統(tǒng)。這是國內(nèi)目前平安領(lǐng)域所建立的唯一vr系統(tǒng)。建筑火災(zāi)的vr系統(tǒng)主要有兩個方面，一是要考慮建筑物本身的結(jié)構(gòu)模型的真實性；二是火災(zāi)模擬的真實性。本文論述的大空間建筑火災(zāi)vr系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要包括兩個模型、兩個接口及一套外圍設(shè)備，即：

1)建筑物真實感三維立體模型系統(tǒng)；

2)火災(zāi)煙氣及火焰模型系統(tǒng)；

3)三維模型運(yùn)動及掌握接口；

4)外圍設(shè)備與兩個模型的接口；

5)虛擬現(xiàn)實外圍設(shè)備系統(tǒng)；

各部分關(guān)系，如圖2所示：

圖2大空間公用建筑火災(zāi)虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

使用者通過外圍設(shè)備系統(tǒng)經(jīng)由主計算機(jī)系統(tǒng)使用外圍設(shè)備，例如：計算機(jī)鼠標(biāo)、數(shù)據(jù)手套等操作設(shè)備，通過三維模型運(yùn)動掌握接口程序掌握建筑物及火災(zāi)的運(yùn)動。建筑物模型及火災(zāi)模型本身由專用三維處理程序建立，具有真實三維立體感。經(jīng)過掌握運(yùn)動的兩個模型，通過外圍設(shè)備與模型接口程序，將結(jié)果顯示輸出到外圍設(shè)備，例如：計算機(jī)顯示器、立體眼睛等。操可以依據(jù)這一循環(huán)的結(jié)果，打算下一個循環(huán)的操作過程。從而經(jīng)過不停地循環(huán)，達(dá)到真實模擬和實時掌握的操作環(huán)境。

用戶可以使用鼠標(biāo)，掌握人員在建筑物中漫游，例如：按動鼠標(biāo)左鍵，然后移動鼠標(biāo)可以沿各個方向運(yùn)動；按動鼠標(biāo)右鍵，左右移動鼠標(biāo)，可以實現(xiàn)建筑物的左右旋轉(zhuǎn);用上下光標(biāo)鍵，可以上下移動建筑物。用戶也可以使用數(shù)據(jù)手套拾取滅火器并對其進(jìn)行開啟操作，以實現(xiàn)滅火的操作；可以用大拇指按動模擬人對滅火器開關(guān)的操作，從而使人感覺到好像是在真實地操作滅火器。而用戶若通過立體眼睛觀看時,所得到的三維模型為具有極強(qiáng)的深度感的三維物體，即兩個有前后距離的物體，看起來其間有一段真實的距離,前邊的物體好像是在計算機(jī)屏幕外邊。

4系統(tǒng)軟件支撐環(huán)境和硬件設(shè)備的選擇

系統(tǒng)軟件支撐環(huán)境選擇是建立真實感模型及掌握的關(guān)鍵。選擇時，要考慮程序的使用范圍。硬件設(shè)備的選擇應(yīng)依據(jù)經(jīng)濟(jì)條件來打算。

模型的建立，可采納專用的3d軟件系統(tǒng)，例如：3dmax、softimage等，然后再使用專用的轉(zhuǎn)換軟件轉(zhuǎn)換到所使用的三維開發(fā)環(huán)境中；還可以直接用三維開發(fā)環(huán)境api進(jìn)行開發(fā)，例如：openglapi、directxapi及虛擬現(xiàn)實專用軟件開發(fā)系統(tǒng)worldtoolskit等。本系統(tǒng)采納visualc++v6.0開發(fā)語言，調(diào)用opengl三維立體圖形api接口建立模型。opengl是sgi公司開發(fā)的三維圖形繪制接口，它可以運(yùn)行在多種系統(tǒng)中，因而具有應(yīng)用范圍廣泛的特點。

選擇計算機(jī)主系統(tǒng)時，應(yīng)考慮系統(tǒng)cpu的運(yùn)行速度、顯示卡的性能等指標(biāo)。專業(yè)的系統(tǒng)可以采納專用的工作站。本系統(tǒng)采納pc機(jī)系統(tǒng)，系統(tǒng)cpu為pⅱ400，內(nèi)存為128mb，顯示卡采納creativeblastertnt128，顯示內(nèi)存為16mb。所采納的輸入設(shè)備應(yīng)考慮人員操作的便利及功能的多樣性。假如只要完成基本的漫游功能，則一般的鼠標(biāo)即可完成。若需要人員對操作的物體如門、消防器材等有真實感知，則需配備數(shù)據(jù)手套等設(shè)備。本系統(tǒng)的輸入設(shè)備選擇了羅技鼠標(biāo)及數(shù)據(jù)手套。選擇輸出設(shè)備時，需考慮應(yīng)用者想達(dá)到的真實感程度，如只需一般的漫游，可以使用大屏幕即可，若想操作人員能夠達(dá)到沉醉感，則需配備有立體眼鏡及高性能立體顯示頭盔等外圍設(shè)備。本系統(tǒng)使用一般的顯示器及立體眼鏡作為輸出設(shè)備。

5結(jié)論

筆者論述了虛擬現(xiàn)實技術(shù)在平安工程中應(yīng)用的原理和技術(shù)路線。綜上所述，可以得出以下幾點結(jié)論：

1)虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)能夠真實再現(xiàn)客觀環(huán)境，使人能充分沉醉由其年所制造的人工環(huán)境中實現(xiàn)感知模擬的現(xiàn)實，因而對于平安工程中的培訓(xùn)、指揮以及性能設(shè)計等多方面具有重要意義。隨著計算機(jī)圖形學(xué)、體視化技術(shù)的進(jìn)步，虛擬現(xiàn)實技術(shù)將在模型及設(shè)備方面越來越能適應(yīng)這些系統(tǒng)的要求。

2)平安工程可以在科學(xué)討論成果真實化再現(xiàn)、平安產(chǎn)品性能設(shè)計、事故救災(zāi)指揮、平安訓(xùn)練與培訓(xùn)等多個方面應(yīng)用vr系統(tǒng)。

3)平安工程應(yīng)用vr技術(shù)的方法是多種多樣的，文中所論述的建筑火災(zāi)vr系統(tǒng)可以為構(gòu)建其他平安工程vr系統(tǒng)所借鑒。

4)平安工程vr系統(tǒng)可以采納高、中、低各種檔次，所選擇的硬件和軟件也有所不同。初步討論時可以采納比較廉價的硬件和軟件系統(tǒng)，例如：硬件采納一般鼠標(biāo)、一般立體眼鏡；軟件采納opengl、directx等免費(fèi)3d開發(fā)程序等。

5)要達(dá)到真實模擬環(huán)境系統(tǒng)，如山川、河流、人、火焰、煙流、樹木等高度簡單的自然體，還需要將vr技術(shù)與體視化等技術(shù)結(jié)合才能完成。

6致謝

本文所述的建筑火災(zāi)vr系統(tǒng)，是第一筆者在中國科學(xué)技術(shù)高校從事高級訪問學(xué)者期間完成的。中國科學(xué)技術(shù)高校火災(zāi)科學(xué)國家重點試驗室供應(yīng)了討論設(shè)備和必要的討論經(jīng)費(fèi)及工作環(huán)境。在程序編制過程中，得到

虛擬現(xiàn)實技術(shù)在平安工程中的應(yīng)用

了95級同學(xué)季輝、聶曉林的幫助。謹(jǐn)向他們表示真誠的謝意!