1、 虛擬現實技術在安全工程中的應用 【摘要】論述了虛擬現實技術（Virtual Reality）的基本原理、應用范圍。結合大空間公用建筑火災虛擬現實系統，提出了平安工程中應用虛擬現實技術的基本結構及程序設計關鍵技術，給出了大空間公用建筑火災虛擬現實系統編制實例。 【關鍵詞】平安工程虛擬現實火災救災 Application of Virtual Reality in Safety Engineering Qi YixinXia ZhengyiWang JianFan Weicheng (China University of MiningTechnology)(University of Scie

2、nce and Technology of China) AbstractThe 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

3、are put forward.An example of the virtual reality system of big space public building is provided. Key words：Safety engineeringVirtual realityFire saving 1引言 平安是保障人類生存和生活質量的重要方面。隨著人類社會的進步和生活水平的提高，人們對自身平安的要求越來越高。社會活動中，存在著大量擔心全因素，要保證人的平安，離不開對社會環境的真實了解平安管理人員需要了解管理區域內存在的事故隱患；科研人員需要向人們真實反映其平安討論的的成果；而一般人則

4、需要有肯定的平安學問和防范意識。這些都需要人們能處于真實的環境中，如平安管理人員能依據發生災難而對其現場的真實環境進行正確的決策；而科技人員需要將討論的方法、設備、儀器等應用于真實的環境進行檢驗；一般人也需要在現實的環境中接受平安訓練、救生訓練等；設計人員需要在真實的環境中驗證設計的平安性。上述狀況都離不開人類生存的現實社會。但由于受到各種環境因素的限制，人類不行能采納實際模擬的方式，使每個人均能置身于真實的環境中，有時真實感受平安的狀況是擔心全的，甚至是根本無法供應這種現實的環境（如建筑物僅僅在設計中）的，因而需要有一個能夠模擬真實環境的系統來幫助人員感受這種環境。當前，國內外普遍采納的虛擬

5、現實技術便能滿意這種要求。 2虛擬現實(Virtual RealityVR)簡介 虛擬現實技術是指利用人工智能、計算機圖形學、人機接口、多媒體、計算機網絡及電子、機械、視聽等高新技術，模擬人在特定環境中的視、聽、動等行為的高級人機交互技術。交互性是指“參加者”利用視覺、聽覺、 觸覺、嗅覺和味覺等感官功能及對話、頭部運動、眼睛移動、轉身、拾取和放置等人類自然技能，對虛擬實體進行交互考察與操作的過程。 虛擬環境技術的體系結構可以用圖1所示的3個I的 “三角形”來表示，所謂的3-I即Immersion-Interaction-Imagination，指沉醉-交互-構想。這三個I，是VR系統的三個基本

6、特征。它表示VR系統使人由過去只能從計算機系統的外部去觀測計算處理的結果，進展到能夠沉醉到計算機系統所創建的系統中；從過去人們只能通過鍵盤、鼠標與計算環境中的數字化信息發生交互作用，到能夠利用多種傳感器與多 維化信息的環境發生交互作用；由過去人們只能從定量計算為主的結果中得到啟發從而加深對事物的熟悉，到有可能從定性和定量綜合集成的環境中得到感性和理性的熟悉，從而深化概念和萌發新意。 圖13I“三角形” 也就是說，在VR系統中，人們的目的是使計算機及其他傳感器組成的信息處理系統去盡量“滿意”人的需要，而不是強迫人去“湊合”那些不很親切的計算機系統。 3虛擬現實技術在平安工程中應用的領域 綜合虛擬

7、現實技術的特點，筆者認為平安工程在以下方面可充分應用虛擬現實技術： 1) 科學討論、試驗及計算機模擬結果的真實化再現 平安科學的討論成果需要用直觀的形式表示出來，使用VR技術與多媒體及可視化技術相結合，可以制造一種虛擬的真實環境，可以將孤獨的討論公式、計算數值用完全真實的立體效果表示出來，并且人們可以交互式地掌握這種表示結果，可以通過動態轉變參數（這種轉變不肯定要由人輸入數據，而可以由人操縱某種VR設備，如數據手套等進行近乎自然的交互方式）來觀看計算結果。 2) 平安性能設計 任何社會產品（也包括平安產品）都應當有其自身的平安性。而人們在產品未生產出前，是無法真實感受其平安性的，而VR技術可以

8、預先為其供應一種虛擬的真實產品模型，讓設計者和使用者在產品付諸生產之前就能親身感受到該產品的平安性能，從而為設計者供應改進的依據。 3)救災指揮決策 發生事故時，救災指揮者一方面需要精確把握事故現場的狀況，另一方面要了解事故可能的進展趨勢，甚至有時需要進行遠程指揮（如主要事故處理專家一時無法到達事故現場），這時可以應用VR技術與其它模擬技術相結合的方式來完成。此外，還可以利用VR技術來模擬未發生的事故，進行對人員的訓練工作。 4）日常平安訓練與避災訓練 可以針對某些事故及肯定區域建筑事故模擬和訓練的VR系統，讓人們在真實的環境中接受事故預防的訓練及事故搶險人員的操作訓練，從而提高人們對事故的感

9、知度及搶險人員的技術操作水平和戰斗力。 3平安工程虛擬現實系統結構 由于平安工程涉及范圍廣泛，所以對不同領域的平安工程VR系統的側重面就可能有所不同。本文以大空間建筑火災VR系統為例進行介紹。 中國科學技術高校和中國礦業高校合作，針對大空間建筑火災的特點，建立了大空間建筑火災VR系統。這是國內目前平安領域所建立的唯一VR系統。建筑火災的VR系統主要有兩個方面，一是要考慮建筑物本身的結構模型的真實性；二是火災模擬的真實性。本文論述的大空間建筑火災VR系統結構主要包括兩個模型、兩個接口及一套外圍設備，即： 1)建筑物真實感三維立體模型系統； 2)火災煙氣及火焰模型系統； 3)三維模型運動及掌握接口

10、； 4)外圍設備與兩個模型的接口； 5)虛擬現實外圍設備系統； 各部分關系，如圖2所示： 圖2大空間公用建筑火災虛擬現實系統結構 使用者通過外圍設備系統經由主計算機系統使用外圍設備，例如：計算機鼠標、數據手套等操作設備，通過三維模型運動掌握接口程序掌握建筑物及火災的運動。建筑物模型及火災模型本身由專用三維處理程序建立，具有真實三維立體感。經過掌握運動的兩個模型，通過外圍設備與模型接口程序，將結果顯示輸出到外圍設備，例如：計算機顯示器、立體眼睛等。操可以依據這一循環的結果，打算下一個循環的操作過程。從而經過不停地循環，達到真實模擬和實時掌握的操作環境。 用戶可以使用鼠標，掌握人員在建筑物中漫游，

11、例如：按動鼠標左鍵，然后移動鼠標可以沿各個方向運動；按動鼠標右鍵，左右移動鼠標，可以實現建筑物的左右旋轉;用上下光標鍵，可以上下移動建筑物。用戶也可以使用數據手套拾取滅火器并對其進行開啟操作，以實現滅火的操作；可以用大拇指按動模擬人對滅火器開關的操作，從而使人感覺到好像是在真實地操作滅火器。而用戶若通過立體眼睛觀看時,所得到的三維模型為具有極強的深度感的三維物體，即兩個有前后距離的物體，看起來其間有一段真實的距離,前邊的物體好像是在計算機屏幕外邊。 4系統軟件支撐環境和硬件設備的選擇 系統軟件支撐環境選擇是建立真實感模型及掌握的關鍵。選擇時，要考慮程序的使用范圍。硬件設備的選擇應依據經濟條件來

12、打算。 模型的建立，可采納專用的3D軟件系統，例如：3DMAX、SOFTIMAGE等，然后再使用專用的轉換軟件轉換到所使用的三維開發環境中；還可以直接用三維開發環境API進行開發，例如：OPENGL API、DIRECTX API及虛擬現實專用軟件開發系統World Tools KIT等。本系統采納Visual C+ V6.0開發語言，調用OPENGL三維立體圖形API接口建立模型。OPENGL是SGI公司開發的三維圖形繪制接口，它可以運行在多種系統中，因而具有應用范圍廣泛的特點。 選擇計算機主系統時，應考慮系統CPU的運行速度、顯示卡的性能等指標。專業的系統可以采納專用的工作站。本系統采納P

13、C機系統，系統CPU為P400，內存為128MB，顯示卡采納Creative Blaster TNT 128，顯示內存為16MB。所采納的輸入設備應考慮人員操作的便利及功能的多樣性。假如只要完成基本的漫游功能，則一般的鼠標即可完成。若需要人員對操作的物體如門、消防器材等有真實感知，則需配備數據手套等設備。本系統的輸入設備選擇了羅技鼠標及數據手套。選擇輸出設備時，需考慮應用者想達到的真實感程度，如只需一般的漫游，可以使用大屏幕即可，若想操作人員能夠達到沉醉感，則需配備有立體眼鏡及高性能立體顯示頭盔等外圍設備。本系統使用一般的顯示器及立體眼鏡作為輸出設備。 5結論 筆者論述了虛擬現實技術在平安工程

14、中應用的原理和技術路線。綜上所述，可以得出以下幾點結論： 1)虛擬現實系統能夠真實再現客觀環境，使人能充分沉醉由其年所制造的人工環境中實現感知模擬的現實，因而對于平安工程中的培訓、指揮以及性能設計等多方面具有重要意義。隨著計算機圖形學、體視化技術的進步，虛擬現實技術將在模型及設備方面越來越能適應這些系統的要求。 2)平安工程可以在科學討論成果真實化再現、平安產品性能設計、事故救災指揮、平安訓練與培訓等多個方面應用VR系統。 3)平安工程應用VR技術的方法是多種多樣的，文中所論述的建筑火災VR系統可以為構建其他平安工程VR系統所借鑒。 4)平安工程VR系統可以采納高、中、低各種檔次，所選擇的硬件和軟件也有所不同。初步討論時可以采納比較廉價的硬件和軟件系統，例如：硬件采納一般鼠標、一般立體眼鏡；軟件采納OPENGL、DIRECTX等免費3D開發程序等。 5)要達到真實模擬環境系統，如山川、河流、人、火焰、煙流、樹木等高度簡單的自然體，還需要將VR技術與體視化等技術結合才能完成。 6致謝 本文所述的建筑火災VR系統，是第一筆者在中國科學技術高校從事高級訪問學者期間完成的。中國科學技術高校火災科學國家重點試驗室供應了討論設備和必要的討論經費及工作環境。在程序編制過程中，得到了95級同學季輝、聶曉林的幫助。謹向他們表示真誠的謝意! 簡介