基于增強現(xiàn)實技術(shù)的災(zāi)害救援煙霧環(huán)境模擬軟件開發(fā)

徐佳琦

（江蘇新禾建設(shè)工程有限公司 江蘇省南京市 211135）

地震后的救援現(xiàn)場經(jīng)常充滿煙塵，火災(zāi)后的救援現(xiàn)場常充滿燃燒后有毒的濃重黑色煙霧。因此，災(zāi)后救援人員需要在低可見度的環(huán)境中進行訓(xùn)練，以應(yīng)對上述救援情形。對于救援人員而言，暴露在煙霧中對其呼吸系統(tǒng)造成的損傷甚至超過救援時的直接傷害[1]。煙霧造成的損傷包括直接傷害和間接傷害。直接傷害為吸入有害煙霧粒子從而對呼吸系統(tǒng)造成的損傷。間接傷害為煙霧造成環(huán)境的可見度降低，從而影響救援人員的準確判斷[2]。統(tǒng)計表明，在未接受過專業(yè)的低可見度環(huán)境訓(xùn)練的人員中，90%以上人員在濃煙中有效行進距離不超過16 米[3]。而通過在低可見度環(huán)境的有效訓(xùn)練，救援人員在該環(huán)境中的判斷能力能夠得到有效的提高[4]。

目前，救援人員通常使用煙霧模擬器對真實場地中的低可見度煙霧環(huán)境進行模擬[5]。煙霧模擬器通常將乙二醇或甘油同蒸餾水混合，在空氣中蒸發(fā)和冷凝，從而產(chǎn)生煙狀效果。其模擬產(chǎn)生的煙霧中含有大量化學成分，吸入后可對救援人員的呼吸系統(tǒng)造成損傷[6,7]。而救援人員在平時訓(xùn)練中與煙霧接觸時間較長，煙霧對其健康造成的影響不可忽視。2012年，美國健康危害評價部門在得克薩斯州消防局對使用煙霧模擬器后的房屋進行取樣分析，并調(diào)取了消防員的健康檔案，得到的結(jié)論為，即使在未加熱且無明火的情況下，僅使用煙霧模擬器的房屋空氣中礦物油霧、二甘醇和甲醛的含量仍然遠超安全標準。而在訓(xùn)練中引入明火和高溫后，即使在密閉房門外的走廊中，空氣中的有毒物質(zhì)含量仍然超標[8]。短時間暴露在礦物油霧、二甘醇和甲醛中將導(dǎo)致眼部及肺部的不適，而長時間的暴露將造成肺部的嚴重損傷。因此，救援人員在訓(xùn)練中需要采用新型的安全健康的煙霧模擬方式。

本文作者應(yīng)用增強現(xiàn)實技術(shù)為救援人員提供了一種新型的煙霧模擬方式。目前在災(zāi)后救援領(lǐng)域，增強現(xiàn)實技術(shù)主要應(yīng)用于為救援人員提供虛擬地圖及導(dǎo)航[9–11]。本文應(yīng)用增強現(xiàn)實技術(shù)，直接將虛擬煙霧粒子在真實環(huán)境中顯示，從而模擬煙霧環(huán)境。此應(yīng)用僅需模擬煙霧環(huán)境，使用者可以通過增強現(xiàn)實設(shè)備直接觀察周圍的真實環(huán)境，從而免去了對周邊環(huán)境建模的工作。同時，本應(yīng)用基于的增強現(xiàn)實設(shè)備為可穿戴設(shè)備，保證了救援人員可以方便的將其應(yīng)用于所有可能場景，而無需對場景的變換進行建模。利用增強現(xiàn)實技術(shù)進行模擬的煙霧環(huán)境可以應(yīng)用于救援人員的訓(xùn)練中。此煙霧效果的組成成分為虛擬激光粒子，效果與真實煙霧相近，而對身體無害。根據(jù)訓(xùn)練目標不同，救援人員可以在訓(xùn)練中自行調(diào)節(jié)煙霧的顏色及濃度，用于逼真的模擬各種煙霧場地的環(huán)境。煙霧的顏色為RGB色盤調(diào)節(jié)，可滿足真彩色要求。煙霧的濃度設(shè)置可滿足可見度為0 ～100%的區(qū)間設(shè)置。應(yīng)用增強現(xiàn)實技術(shù)替代傳統(tǒng)的煙霧模擬器對煙霧場地進行模擬，可使得救援人員的訓(xùn)練更加安全、健康，且花費更低。

本文在接下來的章節(jié)中首先介紹了本軟件的設(shè)計思路及流程，然后介紹了軟件界面設(shè)計，最后通過試驗驗證了本軟件的有效性。

1 軟件設(shè)計

圖1：HoloLens2 增強現(xiàn)實眼鏡

圖2：SmokeGen 軟件設(shè)計流程圖

本軟件SmokeGen 基于微軟公司的HoloLens2 平臺進行設(shè)計，使用Unity 3D 軟件（2019.4.10 版本）進行編程。設(shè)備如圖1 所示。

SmokeGen 的設(shè)計包括兩個模塊：煙霧粒子和顏色選擇器。其中，顏色選擇器包括三部分：RGB 顏色菜單、色調(diào)選擇菜單以及透明度菜單。圖1 為該軟件的設(shè)計流程圖。

1.1 煙霧粒子設(shè)計

本軟件中的煙霧粒子由Unity 3D 中用于模擬微小圖元的粒子系統(tǒng)進行模擬。粒子系統(tǒng)中的每一個圖元成為一個“粒子”，每一個粒子在應(yīng)用中表現(xiàn)為煙霧中的一顆微塵。系統(tǒng)將所有粒子協(xié)同進行模擬，從而展現(xiàn)逼真的煙霧效果。通過改變粒子的參數(shù)，包括顏色、尺寸、移動速度等，可以模擬不同的煙霧效果。

圖3：煙霧顏色設(shè)計

圖5：軟件控制手勢air-tap[12]

如圖2 所示，在設(shè)計煙霧粒子時，第一步為設(shè)計粒子基本參數(shù)。在SmokeGen 中，作者通過改變粒子的參數(shù)達到控制煙霧的目的。本軟件中粒子的設(shè)計目標為使煙霧效果連續(xù)且隨機。粒子的參數(shù)可分為三類：基本參數(shù)、揮發(fā)模型參數(shù)以及時變模型參數(shù)。三類參數(shù)的取值分別參見表1 ～3。

1.2 煙霧顏色設(shè)計

煙霧的顏色為煙霧的重要特征之一。SmokeGen 的設(shè)計思路為提供盡量多的顏色供使用者選擇，同時兼顧顏色選擇的便捷性。本軟件設(shè)計界面采用兩步顏色選擇法：

（1）通過滑動滑塊選擇色調(diào)（圖3 有色顏色選擇欄）；

（2）通過單擊左側(cè)RGB 顏色區(qū)在已選定的色調(diào)內(nèi)選擇特定顏色。

在界面頂部的兩個色塊中，左側(cè)色塊為當前選定的煙霧顏色，右側(cè)色塊為上一次選擇的煙霧顏色。若對本次選擇顏色不滿，可直接點擊右側(cè)色塊恢復(fù)上一次的煙霧顏色選擇。

表1：煙霧粒子基本參數(shù)

表2：煙霧粒子揮發(fā)模型參數(shù)

表3：煙霧粒子時變模型參數(shù)

1.3 煙霧濃度設(shè)計

煙霧濃度決定了真實環(huán)境的可見度，為煙霧模擬的另一重要參數(shù)。本軟件中將濃度調(diào)節(jié)滑塊與顏色調(diào)節(jié)界面融合，見圖3 底部標注為“透明度”部分?；瑝K最左側(cè)為可見度100%，即煙霧濃度為0?；瑝K最右側(cè)為可見度0%，即煙霧濃度為100%。

2 軟件界面設(shè)計

SmokeGen 為輔助救援人員訓(xùn)練設(shè)計，因此其設(shè)計邏輯為最大程度上降低救援人員的學習認知成本、降低軟件學習培訓(xùn)時間、以及不妨礙正常救援任務(wù)訓(xùn)練的開展。以此為設(shè)計準則的人機交互界面應(yīng)盡可能簡潔，且操作符合第一直覺。

2.1 軟件界面

SmokeGen 的交互界面如圖4 所示。該軟件的操作界面僅包括兩個按鍵及一個顏色控制菜單。兩個按鍵分別控制煙霧效果的開啟及關(guān)閉，單擊操作。顏色菜單的操作已在1.2 節(jié)中介紹，再次不再贅述。

值得注意的是，圖4 中顯示的操作界面應(yīng)用增強現(xiàn)實技術(shù)直接顯示在實際環(huán)境中。此圖背景為公寓房間。救援人員在操作軟件的同時，可觀測到實際周邊環(huán)境。

圖6：救援人員應(yīng)用SmokeGen 軟件

圖7：室內(nèi)環(huán)境中的煙霧效果

2.2 手勢控制

圖8：室外陽光下的煙霧效果

增強現(xiàn)實設(shè)備HoloLens2 由手勢進行控制。本軟件應(yīng)用了“指向”和“air-tap”兩個交互手勢。圖3 中白色激光線為手指方向的延長線。其指向方向有食指控制。用戶通過移動食指控制激光指向自己希望點擊的位置。

當激光移動到正確位置后，救援人員通過air-tap 的動作進行確認，具體手勢如圖5 所示。此動作可類比于鼠標的單擊操作。

圖6 為救援人員應(yīng)用此軟件進行訓(xùn)練的照片。救援人員頭上佩戴的即為HoloLens2 增強現(xiàn)實設(shè)備，手持的為溫度感應(yīng)儀。此救援人員眼前出現(xiàn)的為圖4 中的操作界面，但除佩戴特定增強現(xiàn)實設(shè)備的人員外，其他人無法觀測到煙霧效果。

3 試驗驗證

本文通過兩組試驗對SmokeGen 軟件的實用性進行驗證。兩組試驗分別在室內(nèi)及室外進行，以驗證該軟件在不同場地中適用性。

3.1 試驗準備

試驗前期準備設(shè)備為已預(yù)裝SmokeGen 軟件的HoloLens2 增強現(xiàn)實軟件，如圖1 所示。試驗者已經(jīng)過培訓(xùn)，可熟練使用此設(shè)備，并充分了解軟件所需的操作手勢，如圖5 所示。

第一組試驗為室內(nèi)煙霧試驗。試驗場地為公寓房間，房間面積約為20 平方米。為保證試驗安全，室內(nèi)空間除家具外已清理完畢。

第二組試驗為室外煙霧試驗。試驗場地為位于美國新墨西哥州阿爾伯克基市某公園中的步行橋。橋梁總長約20 米，寬度約2.5 米。試驗時間為下午15 時，光線充足。

3.2 試驗過程

兩組試驗的試驗流程相同，均分為三步：

（1）試驗煙霧開啟效果（默認煙霧顏色為白色）；

（2）試驗煙霧更改顏色（本試驗中為明確區(qū)分，將顏色更改為紅色）；

（3）試驗煙霧更改透明度，分別試驗可見度為0、30%、80%的煙霧效果。

3.3 試驗結(jié)果

3.3.1 第一組試驗結(jié)果（室內(nèi)）

第一組試驗結(jié)果如圖7 所示。

圖7(a)為可見度為0 的條件下的白色煙霧。在其條件下室內(nèi)家具及軟件操作界面幾乎不可見，煙霧效果均勻彌漫整間房間。

圖7(b)為可見度為30%的條件下的紅色煙霧。煙霧顏色及濃度成功設(shè)置。在此條件下可見部分家具，操作界面清晰可見。

圖7(c)為可見度為80%的條件下的紅色煙霧。煙霧顏色及濃度成功設(shè)置。在此條件下家具及操作界面均清晰可見，可見少量煙霧效果。

此試驗驗證了在室內(nèi)正常光線條件下，SmokeGen 軟件模擬的煙霧效果逼真，顏色及濃度調(diào)節(jié)可方便實現(xiàn)。煙霧顏色、濃度區(qū)分有效，可用于救援人員的訓(xùn)練中。

3.2.2 第二組試驗結(jié)果（室外）

第二組試驗結(jié)果如圖8 所示。由于SmokeGen 產(chǎn)生的煙霧中的粒子為激光圖像，因此需保證其在室外較為強烈的陽光下仍然可以正常顯示。

圖8(a)為可見度為0 的條件下的白色煙霧。相比于室內(nèi)的光線條件，在室外光線充足的環(huán)境中，煙霧的亮度略有降低，但在可見度設(shè)定為0 時仍然可遮蔽橋梁構(gòu)件。煙霧效果逼真有效。

圖8(b)為可見度為30%的條件下的紅色煙霧。煙霧顏色及濃度成功設(shè)置。類似的，同等可見度參數(shù)條件下，在室外環(huán)境中煙霧亮度略有降低，但煙霧的顏色及濃度效果依然清晰有效。

圖8(c)為可見度為80%的條件下的紅色煙霧。煙霧顏色及濃度成功設(shè)置。在此可見度參數(shù)條件下，煙霧效果不明顯。

此試驗驗證了在室外較強烈的光線條件下，SmokeGen 軟件模擬的煙霧仍然效果逼真，且可成功調(diào)節(jié)顏色及濃度。煙霧顏色、濃度區(qū)分有效，可用于救援人員的訓(xùn)練中。但在可見度的參數(shù)設(shè)置時需考慮環(huán)境光線的因素。光線較強時可適當降低煙霧效果可見度，以保證煙霧模擬效果。

4 結(jié)語

本文應(yīng)用增強現(xiàn)實技術(shù)，為救援人員在煙霧環(huán)境中的災(zāi)后救援訓(xùn)練設(shè)計了新的軟件，SmokeGen。此軟件采用增強現(xiàn)實技術(shù)模擬煙霧環(huán)境，可有效降低在訓(xùn)練中對煙霧發(fā)生器的使用頻次，從而減少救援人員在訓(xùn)練中暴露在有毒化學物質(zhì)中的時間。本軟件可方便、定量的調(diào)節(jié)煙霧效果的顏色及環(huán)境可見度。本文在室內(nèi)、室外分別對軟件進行了測試。試驗表明，該軟件可有效的應(yīng)用于室內(nèi)及室外環(huán)境。