基于VR及熱成像技術(shù)的火災(zāi)逃生系統(tǒng)研究

佘光航　方蒲靜　潘城

摘? 要：在現(xiàn)代的生活中，火災(zāi)發(fā)生的頻率越來越高，一般火災(zāi)的經(jīng)濟損失達到10到30萬不等，與生命財產(chǎn)息息相關(guān)。隨著虛擬技術(shù)的發(fā)展，運用虛擬技術(shù)對火災(zāi)現(xiàn)場的模擬，來增強居住賓館的旅客對火災(zāi)現(xiàn)場逃離有更深刻的理解，和真切的感受?；馂?zāi)逃生與自救教育學(xué)習(xí)有重要的科普意義，在現(xiàn)實生活中，面向公眾的火災(zāi)逃生演練一般要耗費很大的人力物力。

本論文主要是對利用 3D 建模與 VR 眼鏡結(jié)合創(chuàng)建三維火災(zāi)逃生場景的虛擬現(xiàn)實技術(shù)，在 VR 眼鏡中構(gòu)建三維場景模型和角色模型，在UE4中布置場景，模擬生動逼真的火災(zāi)發(fā)生場景，結(jié)合熱成像技術(shù)使人有身臨其境的虛擬體驗。應(yīng)用于實現(xiàn)虛擬狀態(tài)下快速逃生、自救等防控仿真訓(xùn)練。

關(guān)鍵詞：火災(zāi)逃生;虛擬現(xiàn)實;熱成像技術(shù);Unity 3D;3Ds Max;

1.緒論

1.1研究背景及意義

1.1.1 課題來源及背景

據(jù)了解，我國現(xiàn)有高層建筑162 000多棟，其中超過100m的超高層建筑就有1 500余棟?，F(xiàn)代城市已經(jīng)步入高樓時代，人口居住越來越密集，但高層建筑的火災(zāi)撲救卻成為全世界消防界面臨的共同難題，高層建筑火災(zāi)的性質(zhì)不同于一般建筑火災(zāi)，具有火勢蔓延快、疏散人員困難等特點。當高層建筑發(fā)生火災(zāi)時，主要靠自己的消防措施來保證安全，很難靠外部力量救援，最有效的辦法是每個人懂得逃生方法，知道如何自救。

1.1.2 課題研究的意義

由于我國高層建筑比較多，人流量較大，發(fā)生火災(zāi)時，對被困人員的生命產(chǎn)生了巨大的威脅。研究團隊認為，發(fā)生火災(zāi)原因的主要由于居民在火災(zāi)時，沒有火災(zāi)的逃生經(jīng)驗，并不能馬上找到逃生路線和正確使用滅火設(shè)施[2]。然而虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以為我們提供一個很好的平臺，通過虛擬技術(shù)模擬真實的建筑火災(zāi)及火的蔓延方向和煙氣在建筑內(nèi)的流動情況。參與者通過模擬來感受真實火災(zāi)，給人們帶來新的體驗，對于火災(zāi)發(fā)生有更好的措施來保護自己。救護人員可以通過進入這個虛擬環(huán)境，嘗試采取各種救災(zāi)措施，從而獲得訓(xùn)練。對于今后的火災(zāi)的逃離自救以及知識普及有著十分重要的作用。

1.1.3 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

VR技術(shù)研究在我國起步較晚，與其他西方發(fā)達國家相比仍有一定差距。目前國家相關(guān)部門和科學(xué)家對VR技術(shù)已經(jīng)高度關(guān)注，根據(jù)中國的國情，制定了開展VR技術(shù)的研究計劃。VR已被列入“九五”研究計劃、國家自然科學(xué)基金、國家高新技術(shù)研發(fā)計劃。我國一些重點高校已積極開展這方面的研究工作。我國雖然VR發(fā)展較晚，但是我國在VR虛擬現(xiàn)實方面正在迅猛發(fā)展。2012年至2016年上半年，硬件設(shè)備部分的融資額度占行業(yè)的62.6%，達到65570萬元;內(nèi)容制作融資額度達到104490萬元;分發(fā)平臺部分融資額度達到54100萬元，占整體的12. 8%，目前國內(nèi)主要是在游戲、影視、線下體驗館、房產(chǎn)開發(fā)、旅游、醫(yī)學(xué)以及教育培訓(xùn)這些方面著手。

國內(nèi)對于本文所提到的研究領(lǐng)域還沒有完善。虛擬現(xiàn)實在火災(zāi)模擬演練的開發(fā)并不是開發(fā)的太好，沒有充分的應(yīng)用。在國內(nèi)現(xiàn)有的開發(fā)來看，大多都沒有太大的實踐效果，我們就是基于這樣的背景，而構(gòu)思的一個產(chǎn)品。

目前關(guān)于火災(zāi)的模擬的研究主要是通過VR為載體，本課題以VR技術(shù)為基礎(chǔ)，它與仿真系統(tǒng)等子系統(tǒng)整合成一個完整的系統(tǒng)，系統(tǒng)通過計算機編程語言來實現(xiàn)。在發(fā)生火災(zāi)時，系統(tǒng)通過計算語言來實現(xiàn)并規(guī)劃被困人員的逃生路徑。

1.1.4 相關(guān)理論

Unity 3D是一個由Unity Technologies開發(fā)的多平臺集成游戲開發(fā)工具，它允許玩家輕松地創(chuàng)建交互式內(nèi)容，如3D視頻游戲、建筑可視化和實時3D動畫。Unity 3D可以在Windows和MacOS X上運行，可以發(fā)布到Windows、Mac和WebGL等系統(tǒng)上;其中Unity Web Player插件可以用來發(fā)布Web游戲，支持Mac和Windows平臺的Web瀏覽[4]。它是一個完全集成的專業(yè)游戲引擎，具有跨平臺、綜合編輯、資源導(dǎo)入、地形編輯器、物理特效等特色。

1.1.5本文主要的研究內(nèi)容

本文主要以此為背景，運用虛擬現(xiàn)實結(jié)合熱成像技術(shù)模擬演練火災(zāi)發(fā)生現(xiàn)場如何自救和親生體驗火災(zāi)災(zāi)的感受，為人們提供一個學(xué)習(xí)的平臺。主要設(shè)計思路為，通過3D Max技術(shù)將賓館的建筑模型構(gòu)建出來，然后通過渲染為模型創(chuàng)造一個真實的場景，將該模型導(dǎo)入到VR眼鏡中去，然后結(jié)合熱成像將在火災(zāi)發(fā)生后使被困人員清楚的知道逃生路徑。此產(chǎn)品VR眼鏡，可供使用者觀看和學(xué)習(xí)。

2.VR與熱成像儀技術(shù)理論綜述

2.1 VR和熱成像技術(shù)

2.1.1? VR技術(shù)原理

虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality）技術(shù)，簡稱VR技術(shù)，也稱“虛擬實境”。它是通過計算機開發(fā)模擬出一個虛擬的空間環(huán)境，然后通過頭戴顯示器、觸感反饋裝置、體感操控設(shè)備、立體聲揚聲器等設(shè)備，為使用者提供虛擬空間視覺、聽覺、觸覺等感官的模擬感受，為使用者帶來全方位置身于被設(shè)計的虛擬環(huán)境之中，即沉浸式體驗。使用者可以實時地通過體感操作、語音操作等方式查看虛擬空間的各種事物，并與虛擬環(huán)境進行互動。而且計算機還可以通過動作捕技術(shù)來實時跟蹤使用者映射在虛擬空間中的行為，并將圖像、聲音、觸發(fā)事件等同步反饋給使用者，營造出完全沉浸式的信息媒體使用體驗。圍繞提供這種體驗的--系列技術(shù)，包括3D時渲染、動作捕捉、體感操作、語音操作、立體顯示技術(shù)等技術(shù)的集合，這就是虛擬現(xiàn)實技術(shù)。

VR系統(tǒng)以其高效、可控性、安全性、不破壞性、使用靈活性、修改便捷性、不受氣象影響、空間和場地限制、可重復(fù)使用和低運營成本等特點，引起了世界各國軍方的高度重視。到目前為止，VR技術(shù)在軍事領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用。廣泛應(yīng)用于軍事教育、軍事訓(xùn)練、武器裝備研制和生產(chǎn)等領(lǐng)域。

2.1.2 熱成像技術(shù)檢測原理

熱成像是一種將不可見的紅外輻射轉(zhuǎn)化為可見圖像的技術(shù)。使用這種技術(shù)開發(fā)的設(shè)備稱為熱成像設(shè)備或熱成像儀。廣義上說，熱成像技術(shù)還包括紅外線掃描成像儀，主要用于空中偵察。該儀器本身只有一維掃描，必須依靠載體的另一維度運動才能獲得圖像。熱成像儀是一種可以獨立獲取圖像的儀器。隨著紅外探測器技術(shù)的發(fā)展，熱像儀已由單部或多部離散探測器加一維或二維光學(xué)掃描儀發(fā)展為無光學(xué)掃描的凝視成像裝置[5]。在國外，這種成像設(shè)備有時被稱為紅外前視（FLIR），這個名稱來源于這樣一個事實，即這種成像設(shè)備最初用于空中偵察，并被命名為將其與向下看的紅外掃描設(shè)備區(qū)分開來。自從發(fā)現(xiàn)紅外輻射以來，人們就認識到自然界的任何物體都在不斷地發(fā)射紅外能量。它的輻射強度取決于物體的溫度和它自身的輻射能力（輻射率）。

2.2 VR技術(shù)的應(yīng)用與積極作用與消極作用

2.2.1 VR技術(shù)的積極作用

虛擬現(xiàn)實（VR）技術(shù)主要通過頭戴顯示設(shè)備為使用者提供視頻畫面。佩戴這類全封閉的顯示器可以讓用戶的視野充滿視頻畫面，因此視線不會被周圍的環(huán)境光干擾，從而營造更深入的沉浸式體驗。虛擬現(xiàn)實技術(shù)多采用封閉式顯示方式，可以通過給兩只眼睛對應(yīng)的屏幕輸出帶有視差角度的不同畫面，來實現(xiàn)三維立體畫面效果。這種方式在保證輸出高質(zhì)量視頻畫面的同時，大大降低了成本和操作難度。虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以為我們的建筑模擬帶來非常出眾的表現(xiàn)力，完全沉浸式的火災(zāi)體驗可以把各種火災(zāi)現(xiàn)場以逼真的方式展現(xiàn)給使用者。人們可以以更近的距離觀看火災(zāi)現(xiàn)場和了解自救方法。

2.2.2 VR技術(shù)的消極作用

雖然VR技術(shù)給我們帶來許多的好處，但這新技術(shù)往往也存在潛在的問題，它會導(dǎo)致3D眩暈、近視、視覺疲勞等操作不適感較重，3D眩暈的主要原因是運動產(chǎn)生的視覺信息與耳朵等其他器官的位置信息不一致。視頻畫面的視覺信息是用戶已經(jīng)移動了位置，但是用戶耳朵的前庭器官感覺不到平衡偏移等與位置移動相關(guān)的信息。當這種身體感知的偏差被放大到一定程度時，身體會出現(xiàn)頭暈、頭痛甚至嘔吐等嚴重癥狀。

2.3 VR與熱成像技術(shù)的創(chuàng)新結(jié)合

利用3Ds Max構(gòu)建三維模型，同時在unity 3D中布置場景，實現(xiàn)對火災(zāi)現(xiàn)場的建模。在火災(zāi)現(xiàn)場時，現(xiàn)場混亂且瞬息萬變，人們在濃煙中需要快速的尋找安全通道，系統(tǒng)通過定位人員位置后迅速規(guī)劃安全路線并引導(dǎo)人員，熱成像儀需要檢測外部環(huán)境的狀況和溫度，從而得到紅外熱像圖，一旦這種熱像圖與搭建的場景產(chǎn)生沖突，例如通道中柱子倒了或者有可燃物在燃燒阻擋了通道，系統(tǒng)會快速的做出判斷發(fā)出警告并規(guī)避此通道，直到尋找到安全的通道。

3.火災(zāi)仿真系統(tǒng)總體設(shè)計

3.1 選擇日常場景用3Ds Max建模軟件制作模型

建立賓館火災(zāi)應(yīng)急逃生系統(tǒng)的第一步是通過3Ds Max建立一個與賓館、火災(zāi)和人物模型類似的信息化三維模型。建模時應(yīng)充分參考酒店實際情況、酒店數(shù)字模型、酒店設(shè)備參數(shù)、巷道采場結(jié)構(gòu)參數(shù)?；馂?zāi)模型包括火焰、煙霧和爆炸等因素的影響是通過3Ds Max軟件里的一個插件來調(diào)整材質(zhì)和顏色，添加煙霧材質(zhì)渲染，完成火災(zāi)爆炸效果。另外，可以通過改變主色將火焰變?yōu)闊熿F。人物造型包括前后移動、跳躍、逃跑、佩戴裝備、拿出滅火器等，以及人物工作服、頭燈（手電筒）、自救裝置等靜態(tài)佩戴裝備造型。角色建模在3Ds Max多邊形建模為核心，首先創(chuàng)建一個標準的3D對象，然后轉(zhuǎn)換為可編輯多邊形對象，使用多邊形強大的可編輯的屬性，根據(jù)人體肌肉模型切割、連接、合并、焊接、沖壓倒角操作，逐步細化模型，最后以滿足生產(chǎn)需求。

3.2 仿真系統(tǒng)的功能設(shè)計

整個火災(zāi)模擬系統(tǒng)包括粒子、聲效、動畫、天球、材質(zhì)、模型、圖紙等系統(tǒng)。粒子需要被用來制造火焰、煙霧、煙霧等特效;聲音是場景必要的一部分;動畫被用來在交互過程中改變手勢引導(dǎo)被困人員;天空球被用來模擬整體系統(tǒng)的天氣和光照，可以是晴天或者是雨天;場景中的每一個物體都是模型，它們提供材料，藍圖則用來實現(xiàn)各個機制[6]。各個子系統(tǒng)整體組合以此構(gòu)建了一個仿真系統(tǒng)。

4.系統(tǒng)總體設(shè)計

4.1 信息采集

數(shù)據(jù)采集，需要從酒店賓館收集平均客流量以及建筑物的數(shù)據(jù)。素材采集，建筑物的外觀和整體結(jié)構(gòu)，必須物品的擺放位置，安全通道的路線，建筑物的各部分所用的材料。把采集到的信息在建模軟件中最大程度的還原原有建筑。需要創(chuàng)建多種引發(fā)火災(zāi)的模式。收集酒店火災(zāi)的常見原因：違規(guī)裝修施工、因使用火、電燃氣設(shè)備的使用量大，而且有些建筑材料不符合消防安全的規(guī)定，一旦工人操作失誤或操作不當，容易導(dǎo)致火災(zāi)安全事故的發(fā)生;電氣設(shè)備老化有些酒店電器線路老化或配置不合理，容易引起火災(zāi);客房內(nèi)的電熨斗、電暖器等加熱器具可能因使用不當、電線不合法或忘記切斷電源而引起火災(zāi);廚房的違規(guī)操作，如在爐子上煨、燉、煮各種食物，浮在鍋蓋上的油溢出來，在火中焚燒;在火爐附近烘烤衣服或點燃可燃液體來點火導(dǎo)致爆炸，這種火災(zāi)火勢蔓延很快，而且很難撲滅，尤其是石油火災(zāi)，用水是無法撲滅的;酒店客人的安全意識不強，在旅館的床上吸煙是引起火災(zāi)的一個重要因素如果沒有同行大人的監(jiān)督，容易玩火而失火，而且容易驚慌失措，錯過有效控制火情的時間;救援設(shè)備不完整或丟失，部分酒店安全出口門鎖閉或數(shù)量不足，疏散通道堵塞、滅火器過期、噴淋設(shè)施損壞或未按要求安裝、疏散標志不足、應(yīng)急照明損壞等現(xiàn)象[7]。一旦發(fā)生火災(zāi)，得不到及時撲滅，最終導(dǎo)致火災(zāi)蔓延。

4.2 unity 3D的功能實現(xiàn)

三維模型構(gòu)建完成后，需將模型導(dǎo)入到Unity 3D游戲引擎中構(gòu)建培訓(xùn)系統(tǒng)來增加系統(tǒng)的真實感和交互性，這也是構(gòu)建仿真系統(tǒng)最重要的步驟之一。系統(tǒng)構(gòu)建時，模型導(dǎo)入到 Unity 3D 游戲引擎中進行紋理貼圖和烘焙，然后利用shader 編程使畫面更逼真、更漂亮，目的就是在場景中還原火災(zāi)環(huán)境中濃煙暗淡的效果和火災(zāi)的實時情況。VR培訓(xùn)系統(tǒng)中的深度感知問題可通過使用豐富的紋理背景、陰影、多感官環(huán)境和生動高質(zhì)量的顏色來解決。為了實現(xiàn)更真實的體驗效果，需要對場景視覺、聽覺及物理效果進行加成，在物理效果的加成中最重要的是在物理引擎控制中加入碰撞檢測：可以給物體加碰撞檢測的腳本，在腳本中添加“碰撞 Enter”、“碰撞 Exit”、“碰撞Stay”這3個函數(shù)，當有碰撞體進入、離開和停留在另一個碰撞體時，將會依次調(diào)用這些函數(shù)[8]。在這些函數(shù)中添加相應(yīng)的碰撞檢測代碼，就可以實現(xiàn)物體抓取、碰撞應(yīng)力反饋等物理效果。

4.3 逃生路徑規(guī)劃

將 A*算法和 Unity 3D 技術(shù)相結(jié)合，對接收到的數(shù)據(jù)進行利用，首先使用Unity 3D技術(shù)構(gòu)建出樓宇內(nèi)部場景，各個房間中的陳設(shè)和布局，其次把人物模型導(dǎo)入場景中，然后利用 C++語言設(shè)置串口號、波特率、線程的處理和人物狀態(tài)，使得數(shù)據(jù)庫內(nèi)的信息實時對應(yīng)逃生演示系統(tǒng)中人物模型的運動軌跡。并用 Visual C++設(shè)計了被困人員的信息采集程序。實現(xiàn)了對數(shù)據(jù)幀中的數(shù)據(jù)接收和分解。利用 T-SQL 語言設(shè)計了人員數(shù)信息據(jù)庫，把定位、心跳等信息存入數(shù)據(jù)庫內(nèi)。系統(tǒng)會根據(jù)這些信息自動生成逃生路線。

4.4 路徑規(guī)劃檢測

Unity 3D 創(chuàng)建了2D網(wǎng)狀格子地形和模擬被困人員和逃生出口的立方體、障礙物等。并應(yīng)用 C++語言編寫腳本實現(xiàn)了路徑的實時更新。生成的逃生重現(xiàn)系統(tǒng)程序，在上位機中可以隨時查看內(nèi)部場景Unity 3D中的逃生場景，尋找到的最短路徑可以通過廣播、被困人員所攜帶的終端設(shè)備來傳達給被困人員，從而實現(xiàn)被困人員的逃生。

5.結(jié)論

隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)的高速發(fā)展以及城市發(fā)展水平的提高，人們對火災(zāi)的防范意識需要提高，也有對火災(zāi)存在僥幸心理和不重視心理依然存在。人們在面臨真實火災(zāi)的時候，大部分人往往會失去理智，陷于慌亂，為在城市發(fā)生火災(zāi)時減少人員傷亡和經(jīng)濟損失，我們把虛擬現(xiàn)實技術(shù)引入其中幫助被困人員快速的撤離現(xiàn)場。由于這項技術(shù)是所呈現(xiàn)的環(huán)境以及火災(zāi)狀況都是虛擬的，而現(xiàn)實的情況是千變?nèi)f化的，也就不能做到虛擬與現(xiàn)實的一體化。但是虛擬現(xiàn)實可以讓人們更清楚的了解火災(zāi)的狀況，也可以清楚的知道如何預(yù)防火災(zāi)以及發(fā)生火災(zāi)該怎樣自救的知識。虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用還不夠深入和廣泛，需要進一步與實踐相結(jié)合，才能真正為公眾服務(wù)，造福全人類。

參考文獻

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