虚拟现实技术在安全工程中的应用

　　【摘　要】　论述了虚拟现实技术（Virtual Reality）的基本原理、应用范围。结合大空间公用建筑火灾虚拟现实系统，提出了安全工程中应用虚拟现实技术的基本结构及程序设计关键技术，给出了大空间公用建筑火灾虚拟现实系统编制实例。
　　【关键词】　安全工程　虚拟现实　火灾救灾

Application of Virtual Reality in Safety Engineering

Qi Yixin　Xia ZhengyiWang Jian　Fan Weicheng
(China University of Mining&Technology)(University of Science and Technology of China)

　　Abstract　　The basic principle of uirtual reality and its extent of application are discussed.In combining with the virtual reality of the fire of big space public building the basic structure of the technology of the virtual reality and the key technique of program design are put forward.An example of the virtual reality system of big space public building is provided.
　　Key words：　Safety engineering　Virtual reality　Fire saving

1　引　言
　　安全是保障人类生存和生活质量的重要方面。随着人类社会的进步和生活水平的提高，人们对自身安全的要求越来越高。社会活动中，存在着大量不安全因素，要保证人的安全，离不开对社会环境的真实了解——安全管理人员需要了解管理区域内存在的事故隐患；科研人员需要向人们真实反映其安全研究的的成果；而普通人则需要有一定的安全知识和防范意识。这些都需要人们能处于真实的环境中，如安全管理人员能根据发生灾害而对其现场的真实环境进行正确的决策；而科技人员需要将研究的方法、设备、仪器等应用于真实的环境进行检验；普通人也需要在现实的环境中接受安全教育、救生训练等；设计人员需要在真实的环境中验证设计的安全性。上述情况都离不开人类生存的现实社会。但由于受到各种环境因素的限制，人类不可能采用实际模拟的方式，使每个人均能置身于真实的环境中，有时真实感受安全的状况是不安全的，甚至是根本无法提供这种现实的环境（如建筑物仅仅在设计中）的，因而需要有一个能够模拟真实环境的系统来辅助人员感受这种环境。当前，国内外普遍采用的虚拟现实技术便能满足这种要求。
　　
2　虚拟现实(Virtual Reality—VR)简介
　　虚拟现实技术是指利用人工智能、计算机图形学、人机接口、多媒体、计算机网络及电子、机械、视听等高新技术，模拟人在特定环境中的视、听、动等行为的高级人机交互技术。交互性是指“参与者”利用视觉、听觉、 触觉、嗅觉和味觉等感官功能及对话、头部运动、眼睛移动、转身、拾取和放置等人类自然技能，对虚拟实体进行交互考察与操作的过程。
　　虚拟环境技术的体系结构可以用图1所示的3个I的 “三角形”来表示，所谓的3-I即Immersion-Interaction-Imagination，指沉浸-交互-构想。这三个I，是VR系统的三个基本特征。它表示VR系统使人由过去只能从计算机系统的外部去观测计算处理的结果，发展到能够沉浸到计算机系统所创建的系统中；从过去人们只能通过键盘、鼠标与计算环境中的数字化信息发生交互作用，到能够利用多种传感器与多 维化信息的环境发生交互作用；由过去人们只能从定量计算为主的结果中得到启发从而加深对事物的认识，到有可能从定性和定量综合集成的环境中得到感性和理性的认识，从而深化概念和萌发新意。

图1　3—I“三角形”

　　也就是说，在VR系统中，人们的目的是使计算机及其他传感器组成的信息处理系统去尽量“满足”人的需要，而不是强迫人去“凑合”那些不很亲切的计算机系统。
　　
3　虚拟现实技术在安全工程中应用的领域
　　综合虚拟现实技术的特点，笔者认为安全工程在以下方面可充分应用虚拟现实技术：
　　1) 　科学研究、实验及计算机模拟结果的真实化再现
　　安全科学的研究成果需要用直观的形式表示出来，使用VR技术与多媒体及可视化技术相结合，可以创造一种虚拟的真实环境，可以将孤单的研究公式、计算数值用完全真实的立体效果表示出来，并且人们可以交互式地控制这种表示结果，可以通过动态改变参数（这种改变不一定要由人输入数据，而可以由人操纵某种VR设备，如数据手套等进行近乎自然的交互方式）来观察计算结果。
　　2)　 安全性能设计
　　任何社会产品（也包括安全产品）都应该有其自身的安全性。而人们在产品未生产出前，是无法真实感受其安全性的，而VR技术可以预先为其提供一种虚拟的真实产品模型，让设计者和使用者在产品付诸生产之前就能亲身感受到该产品的安全性能，从而为设计者提供改进的依据。
　　3)　救灾指挥决策
　　发生事故时，救灾指挥者一方面需要准确掌握事故现场的情况，另一方面要了解事故可能的发展趋势，甚至有时需要进行远程指挥（如主要事故处理专家一时无法到达事故现场），这时可以应用VR技术与其它模拟技术相结合的方式来完成。此外，还可以利用VR技术来模拟未发生的事故，进行对人员的训练工作。
　　 4）　日常安全教育与避灾训练
　　可以针对某些事故及一定区域建造事故模拟和训练的VR系统，让人们在真实的环境中接受事故预防的教育及事故抢险人员的操作训练，从而提高人们对事故的感知度及抢险人员的技术操作水平和战斗力。
　　
3　安全工程虚拟现实系统结构
　　由于安全工程涉及范围广泛，所以对不同领域的安全工程VR系统的侧重面就可能有所不同。本文以大空间建筑火灾VR系统为例进行介绍。
　　中国科学技术大学和中国矿业大学合作，针对大空间建筑火灾的特点，建立了大空间建筑火灾VR系统。这是国内目前安全领域所建立的唯一VR系统。建筑火灾的VR系统主要有两个方面，一是要考虑建筑物本身的结构模型的真实性；二是火灾模拟的真实性。本文论述的大空间建筑火灾VR系统结构主要包括两个模型、两个接口及一套外围设备，即：
　　1)　建筑物真实感三维立体模型系统；
　　2)　火灾烟气及火焰模型系统；
　　3)　三维模型运动及控制接口；
　　4)　外围设备与两个模型的接口；
　　5)　虚拟现实外围设备系统；
　　各部分关系，如图2所示：

图2　大空间公用建筑火灾虚拟现实系统结构

　　使用者通过外围设备系统经由主计算机系统使用外围设备，例如：计算机鼠标、数据手套等操作设备，通过三维模型运动控制接口程序控制建筑物及火灾的运动。建筑物模型及火灾模型本身由专用三维处理程序建立，具有真实三维立体感。经过控制运动的两个模型，通过外围设备与模型接口程序，将结果显示输出到外围设备，例如：计算机显示器、立体眼睛等。操作者可以根据这一循环的结果，决定下一个循环的操作过程。从而经过不停地循环，达到真实模拟和实时控制的操作环境。
　　用户可以使用鼠标，控制人员在建筑物中漫游，例如：按动鼠标左键，然后移动鼠标可以沿各个方向运动；按动鼠标右键，左右移动鼠标，可以实现建筑物的左右旋转;用上下光标键，可以上下移动建筑物。用户也可以使用数据手套拾取灭火器并对其进行开启操作，以实现灭火的操作；可以用大拇指按动模拟人对灭火器开关的操作，从而使人感觉到似乎是在真实地操作灭火器。而用户若通过立体眼睛观察时,所得到的三维模型为具有极强的深度感的三维物体，即两个有前后距离的物体，看起来其间有一段真实的距离,前边的物体似乎是在计算机屏幕外边。
　　
4　系统软件支撑环境和硬件设备的选择
　　系统软件支撑环境选择是建立真实感模型及控制的关键。选择时，要考虑程序的使用范围。硬件设备的选择应根据经济条件来决定。
　　模型的建立，可采用专用的3D软件系统，例如：3DMAX、SOFTIMAGE等，然后再使用专用的转换软件转换到所使用的三维开发环境中；还可以直接用三维开发环境API进行开发，例如：OPENGL API、DIRECTX API及虚拟现实专用软件开发系统World Tools KIT等。本系统采用Visual C++ V6.0开发语言，调用OPENGL三维立体图形API接口建立模型。OPENGL是SGI公司开发的三维图形绘制接口，它可以运行在多种系统中，因而具有应用范围广泛的特点。
　　选择计算机主系统时，应考虑系统CPU的运行速度、显示卡的性能等指标。专业的系统可以采用专用的工作站。本系统采用PC机系统，系统CPU为PⅡ400，内存为128MB，显示卡采用Creative Blaster TNT 128，显示内存为16MB。所采用的输入设备应考虑人员操作的方便及功能的多样性。如果只要完成基本的漫游功能，则普通的鼠标即可完成。若需要人员对操作的物体如门、消防器材等有真实感知，则需配备数据手套等设备。本系统的输入设备选择了罗技鼠标及数据手套。选择输出设备时，需考虑应用者想达到的真实感程度，如只需普通的漫游，可以使用大屏幕即可，若想操作人员能够达到沉浸感，则需配备有立体眼镜及高性能立体显示头盔等外围设备。本系统使用普通的显示器及立体眼镜作为输出设备。
　　
5　结　论
　　笔者论述了虚拟现实技术在安全工程中应用的原理和技术路线。综上所述，可以得出以下几点结论：
　　1)　虚拟现实系统能够真实再现客观环境，使人能充分沉浸由其年所创造的人工环境中实现感知模拟的现实，因而对于安全工程中的培训、指挥以及性能设计等多方面具有重要意义。随着计算机图形学、体视化技术的进步，虚拟现实技术将在模型及设备方面越来越能适应这些系统的要求。
　　2)　安全工程可以在科学研究成果真实化再现、安全产品性能设计、事故救灾指挥、安全教育与培训等多个方面应用VR系统。
　　3)　安全工程应用VR技术的方法是多种多样的，文中所论述的建筑火灾VR系统可以为构建其他安全工程VR系统所借鉴。
　　4)　安全工程VR系统可以采用高、中、低各种档次，所选择的硬件和软件也有所不同。初步研究时可以采用比较廉价的硬件和软件系统，例如：硬件采用普通鼠标、普通立体眼镜；软件采用OPENGL、DIRECTX等免费3D开发程序等。
　　5)　要达到真实模拟环境系统，如山川、河流、人、火焰、烟流、树木等高度复杂的自然体，还需要将VR技术与体视化等技术结合才能完成。
　　
6　致　谢
　　本文所述的建筑火灾VR系统，是第一笔者在中国科学技术大学从事高级访问学者期间完成的。中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室提供了研究设备和必要的研究经费及工作环境。在程序编制过程中，得到了95级学生季辉、聂晓林的协助。谨向他们表示诚挚的谢意!

　

作者简介：戚宜欣　1965年生,博士,副教授。在校攻读安全技术及工程专业,1992年毕业于中国矿业大学，并获博士学位。主要从事火灾模拟，计算机技术在安全技术及工程、地质、采矿等专业上的应用研究及教学工作，完成多项国家科技攻关项目及部级重点项目并有多项软件成果得到应用。发表论文10余篇，有译著及编著各一部，担任硕士导师指导硕士研究生10名。
作者单位：戚宜欣　夏征义(中国矿业大学（北京校区）)
　　　　　汪　箭　范维澄(中国科学技术大学)
作者地址：北京市海淀区学院路丁11号；邮编：100083

参考文献

　　1　汪成为、高　文、王行仁著.灵境（虚拟现实）技术的理论、实现及应用.北京：清华大学出版社,1996.
　　2　李锦涛著.虚拟环境技术及其应用.北京：中国铁道出版社出版,1998.
　　3　白燕斌、史惠康等编.OPENGL三维图形库编程指南.北京：机械工业出版社,1999.
　　4　李　薇、徐国标等编.OPENG 3D入门与提高.成都：西南交通大学出版社,1998.
　　5　贾志刚编.精通OPENGL.北京：电子工业出版社,1998.