【摘　要】　論述了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（Virtual Reality）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(shí)系統(tǒng)，提出了安全工程中應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的基本結(jié)構(gòu)及程序設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)，給出了大空間公用建筑火災(zāi)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)編制實(shí)例。
　　【關(guān)鍵詞】　安全工程　虛擬現(xiàn)實(shí)　火災(zāi)救災(zāi)

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
　　安全是保障人類生存和生活質(zhì)量的重要方面。隨著人類社會(huì)的進(jìn)步和生活水平的提高，人們對(duì)自身安全的要求越來越高。社會(huì)活動(dòng)中，存在著大量不安全因素，要保證人的安全，離不開對(duì)社會(huì)環(huán)境的真實(shí)了解——安全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(shí)反映其安全研究的的成果；而普通人則需要有一定的安全知識(shí)和防范意識(shí)。這些都需要人們能處于真實(shí)的環(huán)境中，如安全管理人員能根據(jù)發(fā)生災(zāi)害而對(duì)其現(xiàn)場(chǎng)的真實(shí)環(huán)境進(jìn)行正確的決策；而科技人員需要將研究的方法、設(shè)備、儀器等應(yīng)用于真實(shí)的環(huán)境進(jìn)行檢驗(yàn)；普通人也需要在現(xiàn)實(shí)的環(huán)境中接受安全教育、救生訓(xùn)練等；設(shè)計(jì)人員需要在真實(shí)的環(huán)境中驗(yàn)證設(shè)計(jì)的安全性。上述情況都離不開人類生存的現(xiàn)實(shí)社會(huì)。但由于受到各種環(huán)境因素的限制，人類不可能采用實(shí)際模擬的方式，使每個(gè)人均能置身于真實(shí)的環(huán)境中，有時(shí)真實(shí)感受安全的狀況是不安全的，甚至是根本無法提供這種現(xiàn)實(shí)的環(huán)境（如建筑物僅僅在設(shè)計(jì)中）的，因而需要有一個(gè)能夠模擬真實(shí)環(huán)境的系統(tǒng)來輔助人員感受這種環(huán)境。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外普遍采用的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)便能滿足這種要求。
　　
2　虛擬現(xiàn)實(shí)(Virtual Reality—VR)簡(jiǎn)介
　　虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是指利用人工智能、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、人機(jī)接口、多媒體、計(jì)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(dòng)等行為的高級(jí)人機(jī)交互技術(shù)。交互性是指“參與者”利用視覺、聽覺、 觸覺、嗅覺和味覺等感官功能及對(duì)話、頭部運(yùn)動(dòng)、眼睛移動(dòng)、轉(zhuǎn)身、拾取和放置等人類自然技能，對(duì)虛擬實(shí)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(gè)I的 “三角形”來表示，所謂的3-I即Immersion-Interaction-Imagination，指沉浸-交互-構(gòu)想。這三個(gè)I，是VR系統(tǒng)的三個(gè)基本特征。它表示VR系統(tǒng)使人由過去只能從計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的外部去觀測(cè)計(jì)算處理的結(jié)果，發(fā)展到能夠沉浸到計(jì)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(jì)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(jì)算為主的結(jié)果中得到啟發(fā)從而加深對(duì)事物的認(rèn)識(shí)，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認(rèn)識(shí)，從而深化概念和萌發(fā)新意。

圖1　3—I“三角形”

　　也就是說，在VR系統(tǒng)中，人們的目的是使計(jì)算機(jī)及其他傳感器組成的信息處理系統(tǒng)去盡量“滿足”人的需要，而不是強(qiáng)迫人去“湊合”那些不很親切的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。
　　
3　虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在安全工程中應(yīng)用的領(lǐng)域
　　綜合虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的特點(diǎn)，筆者認(rèn)為安全工程在以下方面可充分應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)：
　　1) 　科學(xué)研究、實(shí)驗(yàn)及計(jì)算機(jī)模擬結(jié)果的真實(shí)化再現(xiàn)
　　安全科學(xué)的研究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，可以創(chuàng)造一種虛擬的真實(shí)環(huán)境，可以將孤單的研究公式、計(jì)算數(shù)值用完全真實(shí)的立體效果表示出來，并且人們可以交互式地控制這種表示結(jié)果，可以通過動(dòng)態(tài)改變參數(shù)（這種改變不一定要由人輸入數(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）來觀察計(jì)算結(jié)果。
　　2)　 安全性能設(shè)計(jì)
　　任何社會(huì)產(chǎn)品（也包括安全產(chǎn)品）都應(yīng)該有其自身的安全性。而人們?cè)诋a(chǎn)品未生產(chǎn)出前，是無法真實(shí)感受其安全性的，而VR技術(shù)可以預(yù)先為其提供一種虛擬的真實(shí)產(chǎn)品模型，讓設(shè)計(jì)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)品的安全性能，從而為設(shè)計(jì)者提供改進(jìn)的依據(jù)。
　　3)　救災(zāi)指揮決策
　　發(fā)生事故時(shí)，救災(zāi)指揮者一方面需要準(zhǔn)確掌握事故現(xiàn)場(chǎng)的情況，另一方面要了解事故可能的發(fā)展趨勢(shì)，甚至有時(shí)需要進(jìn)行遠(yuǎn)程指揮（如主要事故處理專家一時(shí)無法到達(dá)事故現(xiàn)場(chǎng)），這時(shí)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(duì)人員的訓(xùn)練工作。
　　 4）　日常安全教育與避災(zāi)訓(xùn)練
　　可以針對(duì)某些事故及一定區(qū)域建造事故模擬和訓(xùn)練的VR系統(tǒng)，讓人們?cè)谡鎸?shí)的環(huán)境中接受事故預(yù)防的教育及事故搶險(xiǎn)人員的操作訓(xùn)練，從而提高人們對(duì)事故的感知度及搶險(xiǎn)人員的技術(shù)操作水平和戰(zhàn)斗力。
　　
3　安全工程虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
　　由于安全工程涉及范圍廣泛，所以對(duì)不同領(lǐng)域的安全工程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(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)和中國(guó)礦業(yè)大學(xué)合作，針對(duì)大空間建筑火災(zāi)的特點(diǎn)，建立了大空間建筑火災(zāi)VR系統(tǒng)。這是國(guó)內(nèi)目前安全領(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(gè)方面，一是要考慮建筑物本身的結(jié)構(gòu)模型的真實(shí)性；二是火災(zāi)模擬的真實(shí)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(gè)模型、兩個(gè)接口及一套外圍設(shè)備，即：
　　1)　建筑物真實(shí)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(dòng)及控制接口；
　　4)　外圍設(shè)備與兩個(gè)模型的接口；
　　5)　虛擬現(xiàn)實(shí)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(shí)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(jì)算機(jī)系統(tǒng)使用外圍設(shè)備，例如：計(jì)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(dòng)控制接口程序控制建筑物及火災(zāi)的運(yùn)動(dòng)。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(shí)三維立體感。經(jīng)過控制運(yùn)動(dòng)的兩個(gè)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(jì)算機(jī)顯示器、立體眼睛等。操作者可以根據(jù)這一循環(huán)的結(jié)果，決定下一個(gè)循環(huán)的操作過程。從而經(jīng)過不停地循環(huán)，達(dá)到真實(shí)模擬和實(shí)時(shí)控制的操作環(huán)境。
　　用戶可以使用鼠標(biāo)，控制人員在建筑物中漫游，例如：按動(dòng)鼠標(biāo)左鍵，然后移動(dòng)鼠標(biāo)可以沿各個(gè)方向運(yùn)動(dòng)；按動(dòng)鼠標(biāo)右鍵，左右移動(dòng)鼠標(biāo)，可以實(shí)現(xiàn)建筑物的左右旋轉(zhuǎn);用上下光標(biāo)鍵，可以上下移動(dòng)建筑物。用戶也可以使用數(shù)據(jù)手套拾取滅火器并對(duì)其進(jìn)行開啟操作，以實(shí)現(xiàn)滅火的操作；可以用大拇指按動(dòng)模擬人對(duì)滅火器開關(guān)的操作，從而使人感覺到似乎是在真實(shí)地操作滅火器。而用戶若通過立體眼睛觀察時(shí),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(gè)有前后距離的物體，看起來其間有一段真實(shí)的距離,前邊的物體似乎是在計(jì)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(shí)感模型及控制的關(guān)鍵。選擇時(shí)，要考慮程序的使用范圍。硬件設(shè)備的選擇應(yīng)根據(jù)經(jīng)濟(jì)條件來決定。
　　模型的建立，可采用專用的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：OPENGL API、DIRECTX API及虛擬現(xiàn)實(shí)專用軟件開發(fā)系統(tǒng)World Tools KIT等。本系統(tǒng)采用Visual C++ 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(diǎn)。
　　選擇計(jì)算機(jī)主系統(tǒng)時(shí)，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)可以采用專用的工作站。本系統(tǒng)采用PC機(jī)系統(tǒng)，系統(tǒng)CPU為PⅡ400，內(nèi)存為128MB，顯示卡采用Creative Blaster TNT 128，顯示內(nèi)存為16MB。所采用的輸入設(shè)備應(yīng)考慮人員操作的方便及功能的多樣性。如果只要完成基本的漫游功能，則普通的鼠標(biāo)即可完成。若需要人員對(duì)操作的物體如門、消防器材等有真實(shí)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(shí)，需考慮應(yīng)用者想達(dá)到的真實(shí)感程度，如只需普通的漫游，可以使用大屏幕即可，若想操作人員能夠達(dá)到沉浸感，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)使用普通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(shí)技術(shù)在安全工程中應(yīng)用的原理和技術(shù)路線。綜上所述，可以得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：
　　1)　虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)能夠真實(shí)再現(xiàn)客觀環(huán)境，使人能充分沉浸由其年所創(chuàng)造的人工環(huán)境中實(shí)現(xiàn)感知模擬的現(xiàn)實(shí)，因而對(duì)于安全工程中的培訓(xùn)、指揮以及性能設(shè)計(jì)等多方面具有重要意義。隨著計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、體視化技術(shù)的進(jìn)步，虛擬現(xiàn)實(shí)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)　安全工程可以在科學(xué)研究成果真實(shí)化再現(xiàn)、安全產(chǎn)品性能設(shè)計(jì)、事故救災(zāi)指揮、安全教育與培訓(xùn)等多個(gè)方面應(yīng)用VR系統(tǒng)。
　　3)　安全工程應(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)建其他安全工程VR系統(tǒng)所借鑒。
　　4)　安全工程VR系統(tǒng)可以采用高、中、低各種檔次，所選擇的硬件和軟件也有所不同。初步研究時(shí)可以采用比較廉價(jià)的硬件和軟件系統(tǒng)，例如：硬件采用普通鼠標(biāo)、普通立體眼鏡；軟件采用OPENGL、DIRECTX等免費(fèi)3D開發(fā)程序等。
　　5)　要達(dá)到真實(shí)模擬環(huán)境系統(tǒng)，如山川、河流、人、火焰、煙流、樹木等高度復(fù)雜的自然體，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(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)從事高級(jí)訪問學(xué)者期間完成的。中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室提供了研究設(shè)備和必要的研究經(jīng)費(fèi)及工作環(huán)境。在程序編制過程中，得到了95級(jí)學(xué)生季輝、聶曉林的協(xié)助。謹(jǐn)向他們表示誠(chéng)摯的謝意!

作者簡(jiǎn)介：戚宜欣　1965年生,博士,副教授。在校攻讀安全技術(shù)及工程專業(yè),1992年畢業(yè)于中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，并獲博士學(xué)位。主要從事火災(zāi)模擬，計(jì)算機(jī)技術(shù)在安全技術(shù)及工程、地質(zhì)、采礦等專業(yè)上的應(yīng)用研究及教學(xué)工作，完成多項(xiàng)國(guó)家科技攻關(guān)項(xiàng)目及部級(jí)重點(diǎn)項(xiàng)目并有多項(xiàng)軟件成果得到應(yīng)用。發(fā)表論文10余篇，有譯著及編著各一部，擔(dān)任碩士導(dǎo)師指導(dǎo)碩士研究生10名。
作者單位：戚宜欣　夏征義(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京校區(qū)）)
　　　　　汪　箭　范維澄(中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué))
作者地址：北京市海淀區(qū)學(xué)院路丁11號(hào)；郵編：100083

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