虛擬場景生成系統(tǒng)在滅火救援訓(xùn)練中的實(shí)施對策

趙龍

摘要：虛擬場景技術(shù)可以很好的模擬出現(xiàn)場火災(zāi)情況，幫助消防救援隊(duì)伍提升日常演變的目的性以及科學(xué)性，進(jìn)而提高消防部門的滅火效率，使得人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全在火災(zāi)的危害之下得到更高的保障，這對全面提升消防力量同樣具有重要意義。文章以虛擬場景市場系統(tǒng)在滅火救援訓(xùn)練中的應(yīng)用展開討論，以期對我國消防事業(yè)建設(shè)與發(fā)展有所借鑒與幫助。

關(guān)鍵詞：虛擬場景;消防系統(tǒng);滅火救援

相對于其他行業(yè)來說，消防部門的滅火救援工作的危險(xiǎn)性以及復(fù)雜性都比較高，特別是對于一些廣泛存在的高層建筑以及石油化工等行業(yè)進(jìn)行救援活動(dòng)時(shí)，充斥著各種各樣不可控的安全隱患，對于這些安全隱患如若處理不當(dāng)不僅影響救援質(zhì)量，還可能給消防人員的人身安全帶來一定隱患[1]。對此，消防部門必要的演練工作無疑可以大大提升消防隊(duì)伍的整體專業(yè)性素養(yǎng)，提高其臨時(shí)應(yīng)變能力，進(jìn)而為消防人員在火場中工作時(shí)提供一定的安全保障，有效提高滅火工作的效率，進(jìn)而為人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全帶來一定的保障。為此，虛擬場景生成系統(tǒng)可以很好的模擬火災(zāi)發(fā)生時(shí)的場景，幫助消防隊(duì)伍更能切身體會火災(zāi)現(xiàn)場，對顯著提升滅火救援質(zhì)量有著積極的作用[2]。

1? 虛擬場景生成系統(tǒng)概述

即VFSE1.0技術(shù)，是當(dāng)前消防部門主要用來建立火災(zāi)場景以及搶險(xiǎn)救援模擬練習(xí)的重要訓(xùn)練工具[3]。基于該軟件應(yīng)用，使用者可以創(chuàng)建各種火災(zāi)發(fā)生的場景，包括機(jī)場、高層建筑、地鐵站以及飛機(jī)等各場所出現(xiàn)的爆炸、燃燒以及有毒有害物質(zhì)泄漏等情況的火災(zāi)場景[4]。此外，消防部門借助該技術(shù)還可以針對各種各樣的事故出現(xiàn)的動(dòng)態(tài)過程進(jìn)行有效模擬，而這些模擬訓(xùn)練對提升滅火救援訓(xùn)練質(zhì)量，提高人員現(xiàn)場處變能力有著重要意義。消防部門開展的各種場景下的火災(zāi)事故進(jìn)行有效演練與模擬，提供更為逼真的場景體驗(yàn)，進(jìn)而加強(qiáng)消防隊(duì)伍的專業(yè)素養(yǎng)建設(shè)[5]。

2? 系統(tǒng)功能及其特點(diǎn)

以下內(nèi)容我們對該系統(tǒng)的功能及其特點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)分析，基于該系統(tǒng)所提供的圖像渲染以及合成技術(shù)形式，消防部門在進(jìn)行模擬訓(xùn)練的過程中可以將整個(gè)滅火救援現(xiàn)場劃分成多個(gè)不同時(shí)間節(jié)點(diǎn)的動(dòng)態(tài)式變動(dòng)的幀情景，使得各個(gè)情景內(nèi)都涵蓋了單個(gè)以及多個(gè)的層次化前景要素。消防部門作為使用者在使用的過程中要綜合實(shí)際訴求，圍繞轄區(qū)重點(diǎn)單位各方面的數(shù)字圖像作為背景元素，進(jìn)而疊加出具有動(dòng)態(tài)形式的火、煙以及有害物質(zhì)泄漏、音效等火災(zāi)發(fā)生時(shí)具有的要素，并對各個(gè)組成要素進(jìn)行整合與修改，隨即得到一幅幅動(dòng)態(tài)式的火災(zāi)場景變化圖。各個(gè)場景依據(jù)不同的流程設(shè)定以及時(shí)間等進(jìn)行播放，隨即得到極具真實(shí)性以及形象的虛擬火災(zāi)與有毒有害物質(zhì)泄漏場景。

相對于傳統(tǒng)的訓(xùn)練技術(shù)形式，虛擬場景生成系統(tǒng)的訓(xùn)練方式在多個(gè)方面具有一定的應(yīng)用潛力。首先，整個(gè)系統(tǒng)有著較為良好的靈活性以及擴(kuò)展性，不僅可以用來進(jìn)行電子預(yù)案的設(shè)計(jì)，也可以對滅火救援場景進(jìn)行再現(xiàn)與分析，更為關(guān)鍵的是可以同通信指揮系統(tǒng)等形成契合，建立起帶有可拓展性以及開放性的指揮、訓(xùn)練一體式的滅火救援模擬，在模擬訓(xùn)練的過程中可以將一些可能發(fā)生在現(xiàn)實(shí)中的情況一一展現(xiàn)出來，然后將這些可能會出現(xiàn)的情況全部展現(xiàn)出來進(jìn)行演習(xí)訓(xùn)練，進(jìn)而使得訓(xùn)練變得更加開放化，能夠處理和應(yīng)對更多突發(fā)情況;其次，整個(gè)系統(tǒng)都有著較為良好的交互性，能夠很好地完成場景和元素等非線性設(shè)計(jì)與動(dòng)態(tài)效果的交互呈現(xiàn)，使用戶能夠開展非線性形式的現(xiàn)場管控;最后，該系統(tǒng)還具有著開放性優(yōu)勢，就用戶層面（即消防部門）而言，作為典型的工具應(yīng)用使用者，可以在使用的過程中自行制定各種形式的滅火救援虛擬場景訓(xùn)練，根據(jù)不同的模擬場景進(jìn)行相應(yīng)的訓(xùn)練，自系統(tǒng)設(shè)計(jì)層面出發(fā)，需要設(shè)計(jì)者們能夠建立起系統(tǒng)的各個(gè)背景的動(dòng)態(tài)式升級模擬，并對該系統(tǒng)性能的配置也可以完全交由用戶們來決定。除此之外，與其它技術(shù)形式對比，該系統(tǒng)更具靈活性、場景更為簡便、成本更低以及效率更高等多方面優(yōu)勢。

3? 虛擬場景生成系統(tǒng)基本組成

以下內(nèi)容主要對虛擬場景的生成系統(tǒng)的基本組成作主要介紹，以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)建立的滅火救援訓(xùn)練系統(tǒng)主要包含消防項(xiàng)目、訓(xùn)練科目、軟件設(shè)計(jì)、硬件配置等多個(gè)層面的系統(tǒng)性工程。如下圖1所示即為整個(gè)系統(tǒng)的基本架構(gòu)：

就應(yīng)用軟件層面而言，整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的生成大致包含以下幾方面問題，首先是火災(zāi)現(xiàn)場的場景渲染問題，其次是音效的呈現(xiàn)、數(shù)據(jù)信息的處理問題。整個(gè)滅火救援計(jì)算機(jī)系統(tǒng)多為常規(guī)的仿真技術(shù)形式。對人體而言，該系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)來源主要以視覺為主，少部分取決于聽覺系統(tǒng)，故而該場景呈現(xiàn)的子模塊為整個(gè)系統(tǒng)的主要構(gòu)成，并且該系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)還肩負(fù)著承前啟后的銜接意義。整個(gè)場景呈現(xiàn)的逼真情況關(guān)系到訓(xùn)練期間相關(guān)人員的判斷能力以及決策水平，這就使得整個(gè)虛擬場景會對整個(gè)訓(xùn)練有著極其重要的意義。

我們將該滅火救援現(xiàn)場的模擬情況大致分為兩個(gè)層面：其一，即將模擬情況用圖形的方式展示出來，圖像將會綜合各個(gè)規(guī)格以及素材等基于3D建模技術(shù)進(jìn)而得到逼真的三維模型，隨即利用有關(guān)的渲染工具對場景進(jìn)行渲染操作。運(yùn)用該方式建立的現(xiàn)場情景可以從多角度進(jìn)行模擬，使其具有自主性與靈活性，但在實(shí)際工作過程中涉及的工作量較高，軟硬件等方面也有著一定的訴求，這就使得過低的軟硬件無法達(dá)到目標(biāo)需求，并且整個(gè)場景的逼真效果也將會對相關(guān)人員的專業(yè)水平提出一定的考驗(yàn)。其二，圍繞圖像的方式，在采用真實(shí)的圖像以及視頻等的前提下，基于原本圖像合成的方式，在此基礎(chǔ)上增加有關(guān)特效，進(jìn)而模擬出火災(zāi)出現(xiàn)情況下的各種表現(xiàn)，用于消防部門的仿真訓(xùn)練。因?yàn)樵摲绞缴婕暗乃夭膸焱^高，整個(gè)場景也極易得到，這也就使得整個(gè)場景的逼真度更好，故而在訓(xùn)練中應(yīng)用的較為普遍。

4? 虛擬場景的生成系統(tǒng)建構(gòu)策略

整個(gè)災(zāi)害虛擬場景的創(chuàng)建以及動(dòng)態(tài)式的調(diào)整處理為滅火救援模擬系統(tǒng)的核心組成部分?；趫D像的方式搭建滅火救援訓(xùn)練系統(tǒng)，于具體的場景內(nèi)擴(kuò)展四個(gè)窗口界面，然后從各個(gè)角度以及側(cè)面等顯示出同一個(gè)時(shí)間點(diǎn)以及時(shí)間段中存在的火災(zāi)災(zāi)害演變情況，進(jìn)而有效規(guī)避各種靈敏性不達(dá)標(biāo)的情況，進(jìn)而對各個(gè)窗口增加多個(gè)背景要素以及其它前景要素。而前者在此過程中主要以各種靜態(tài)形式的圖片存在，主要用來反映具體的場景以及各種環(huán)境情況，但部分情況也可以基于動(dòng)態(tài)式的形式存在。而后者則主要包含靜態(tài)部分以及動(dòng)態(tài)部分兩個(gè)方面，其中靜態(tài)為圖片以及圖標(biāo)等數(shù)據(jù)，而動(dòng)態(tài)則為煙霧成分、爆炸成分以及有毒有害的泄漏物成分為主。

4.1? 場景要素的建立

上述各個(gè)元素中，圖像以及視頻等背景資料主要來源于用戶的照相拍攝設(shè)備等，聲音要素可以為系統(tǒng)自帶的部分電信災(zāi)害現(xiàn)場常見的聲音，包含火焰燃燒聲音、消防車聲音等，使用者能夠直接選擇應(yīng)用，也可以通過聲音編輯應(yīng)用等得到自定義的各方面聲音，但各個(gè)品類的聲音均應(yīng)為系統(tǒng)所支持的聲音形式。包括文字以及遮擋等要素均為制作場景及時(shí)創(chuàng)建的元素，無需提前準(zhǔn)備。圖標(biāo)以及圖片等要素，系統(tǒng)也只是提供有關(guān)常見的要素，對于用戶而言，可以使用各種專業(yè)的圖片工具等進(jìn)行處理得到。

動(dòng)態(tài)要素?zé)o疑是整個(gè)災(zāi)害現(xiàn)場所常見的組成部分，不管什么樣的火災(zāi)現(xiàn)場，對煙霧、火，以及滅火時(shí)的水等動(dòng)態(tài)組成部分的模擬都是極其重要的，其中最為典型就是煙火、水等動(dòng)態(tài)的火災(zāi)組成要素，并且此類要素需要綜合有關(guān)規(guī)范展開定制，這樣才能有效的體現(xiàn)出模擬火災(zāi)場景的科學(xué)性與合理性，從而更加有利于消防部門進(jìn)行相關(guān)的演練或訓(xùn)練。此次基于自定義方式，明確內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲要求達(dá)成動(dòng)態(tài)特效。此類要素的建設(shè)期間，第一步需要在專業(yè)的3D軟件中進(jìn)行特效剪輯與制作，得到初步的動(dòng)態(tài)表現(xiàn)效果，隨后從中截取時(shí)間相對穩(wěn)定的一些段落，最終得到一系列的動(dòng)畫文件樣式，尤其需要注意文件格式務(wù)必保持一致，方能夠?yàn)橄到y(tǒng)使用。

4.2? 場景組合

對于場景的組合需要將格式正確的VFA文件等預(yù)先準(zhǔn)備好，隨后將其和背景圖片以及視頻等組合起來從而得到更為逼真的火災(zāi)模擬畫面。因?yàn)闊熁鸬葎?dòng)態(tài)要素本身所具有一定的透明性，它們本身的透明度需要根據(jù)自身所具有的濃度來確定，或者是根據(jù)觀察者與它們之間的距離來確定，往往越臨近中心越不透明，越靠近主邊則透明度也就更高，不管是煙霧還是火焰，它們中心與外圍的透明度都是不一樣的，即各個(gè)像素所占用的通道是不一樣的，對于這些要求，需要設(shè)計(jì)者務(wù)必綜合各種實(shí)際情況來開展設(shè)計(jì)，不然會出現(xiàn)背景圖像的邊緣區(qū)域有可能存在明顯拼接的跡象。某個(gè)動(dòng)態(tài)式的特效場景往往為多個(gè)畫面不斷播放的結(jié)果，務(wù)必需要對各通道進(jìn)行比較合理的設(shè)置。

4.3? 過渡處理

對于3D應(yīng)用軟件而言，在制作煙火等特效期間，因?yàn)榇祟惒寮榈湫偷牧Ｗ酉到y(tǒng)方式仿真動(dòng)態(tài)特效，為保證效果更為可靠有效，粒子運(yùn)動(dòng)效果往往增加了大量的隨機(jī)性要素，因?yàn)榇祟悇?dòng)畫序列難以嚴(yán)格的達(dá)成循環(huán)功效。這也使得動(dòng)態(tài)特效和背景圖片的組合播放期間會出現(xiàn)一些跳躍式的突變，而這些突變嚴(yán)重的可能對最終的動(dòng)畫效果帶來一定的影響，使得畫面在銜接過程中出現(xiàn)瑕疵，看上去并不是那么流暢。通過動(dòng)態(tài)式的逐幀透明度因子方式可以規(guī)避此類問題，也可以將這種方式看作一種過渡，一種畫面與畫面不斷切換的過渡過程，能夠促使前后兩個(gè)循環(huán)彼此形成重疊區(qū)，于前一循環(huán)開始線性淡出時(shí)后一循環(huán)實(shí)施線性淡入，使其前者與后者在一定基礎(chǔ)上有所相連，而不是直接的退出或又直接的出現(xiàn)，由此較好的規(guī)避了跳躍情況的出現(xiàn)，使其達(dá)到無縫銜接的功效，這就是我們常說的過渡，只有這樣，才能更好的體現(xiàn)出動(dòng)畫所展示出的效果，最終過程如下圖2動(dòng)畫過渡處理機(jī)制示意圖。

5? 虛擬場景生成系統(tǒng)應(yīng)用研究

該系統(tǒng)相對于之前的語言描繪假定場景的方式對比在多個(gè)方面具有更為明顯的特性，第一，應(yīng)用內(nèi)融入了大量的聲音、光線以及煙霧等動(dòng)態(tài)元素成分，能夠從多角度直觀地反饋預(yù)想火災(zāi)場地的氣候變化、環(huán)境變化、風(fēng)向變化以及火勢變化等多方面重要因素;第二，圍繞滅火救援的目標(biāo)為核心創(chuàng)作，能夠使得救援對象可以在整個(gè)滅火救援的前期、中期以及后期等各個(gè)過程潛在的不安全要素等進(jìn)行有效識別與研究，或根據(jù)火場存在的不確定因素進(jìn)行分析將會出現(xiàn)的情況以及會給救援任務(wù)帶來的困難，消防部門在進(jìn)行救援工作的過程中，基于應(yīng)用操作實(shí)現(xiàn)模擬情況下的滅火、救援以及供給各項(xiàng)任務(wù)訴求，合理設(shè)置戰(zhàn)斗力并高度統(tǒng)籌調(diào)度指揮，以達(dá)到最為理想的作戰(zhàn)策略。

6? 結(jié)語

現(xiàn)代城市建設(shè)規(guī)模越來越大，高層建筑、多功能建筑以及工業(yè)廠房的大量出現(xiàn)無疑對現(xiàn)代消防救援提出了更高的訴求。消防模擬演練可以幫助消防隊(duì)員更好地模擬各種火災(zāi)事故的發(fā)生表現(xiàn)，并支持各種消防訓(xùn)練工作的開展。虛擬場景生成系統(tǒng)是其中典型代表之一，利用該技術(shù)可以動(dòng)態(tài)呈現(xiàn)出火災(zāi)發(fā)生的前期、中期以及后期等過程及各個(gè)過程的特點(diǎn)，能夠較為逼真的模擬出真實(shí)火災(zāi)發(fā)生中可能出現(xiàn)的一系列事件，而這對于滅火救援等工作無疑有著重要意義。正是借助一系列的科技技術(shù)的支持，消防力量才能夠得到不斷的提升，可以更好地保障消防員在滅火救援過程中保護(hù)自我，成功完成救援任務(wù)。因此，相關(guān)單位應(yīng)重視對該虛擬場景生成系統(tǒng)的合理應(yīng)用，不斷擴(kuò)展訓(xùn)練的素材與方式，全面提升消防隊(duì)伍整體素養(yǎng)，為城市和諧穩(wěn)定發(fā)展保駕護(hù)航。

參考文獻(xiàn)：

[1]靳學(xué)勝.數(shù)字圖像合成技術(shù)在滅火救援模擬訓(xùn)練中的應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2009，29（S2）：305-307.

[2]袁狄平，靳學(xué)勝，張曉麗，等.沉浸式滅火救援計(jì)算機(jī)模擬訓(xùn)練平臺的開發(fā)[J].消防科學(xué)與技術(shù)，2012（02）：162-165.

[3]毛勇忠，張繼新，黃瑋.三維仿真及虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在消防訓(xùn)練中的應(yīng)用[J].中國管理信息化，2019，22（03）：149-152.

[4]李栗.利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)開展滅火救援訓(xùn)練初探[J].消防科學(xué)與技術(shù)，2005（S1）：83-84.

[5]朱武，張慶利.基于三維虛擬仿真情景推演電子沙盤設(shè)計(jì)[J].消防科學(xué)與技術(shù)，2019，38（12）：1738-1741.

The implementation of virtual scene

generation system in firefighting and rescue training

Zhao Long

（Huairou District fire and rescue brigade Beijing，Beijing 101400）

Abstract：Virtual scene technology can simulate the fire scene， help the fire rescue teams to enhance the purpose of daily exercises as well as scientific， and then improve the firefighting efficiency of the fire department， so that the people's lives and property safety under the danger of fire to get higher protection， which is also important for the overall improvement of firefighting force. The article discusses the application of virtual scene market system in firefighting and rescue training， in order to draw reference from and help the construction and development of fire fighting in China.

Keywords：virtual scene; fire prevention system; fir fighting and rescue