【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，提出了安全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】　安全工程　虛擬現實　火災救災

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，人們對自身安全的要求越來越高。社會活動中，存在著大量不安全因素，要保證人的安全，離不開對社會環境的真實了解——安全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安全研究的的成果；而普通人則需要有一定的安全知識和防范意識。這些都需要人們能處于真實的環境中，如安全管理人員能根據發生災害而對其現場的真實環境進行正確的決策；而科技人員需要將研究的方法、設備、儀器等應用于真實的環境進行檢驗；普通人也需要在現實的環境中接受安全教育、救生訓練等；設計人員需要在真實的環境中驗證設計的安全性。上述情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，人類不可能采用實際模擬的方式，使每個人均能置身于真實的環境中，有時真實感受安全的狀況是不安全的，甚至是根本無法提供這種現實的環境（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輔助人員感受這種環境。當前，國內外普遍采用的虛擬現實技術便能滿足這種要求。
　　
2　虛擬現實(Virtual Reality—VR)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“參與者”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，指沉浸-交互-構想。這三個I，是VR系統的三個基本特征。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，發展到能夠沉浸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認識，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認識，從而深化概念和萌發新意。

圖1　3—I“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“滿足”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　虛擬現實技術在安全工程中應用的領域
　　綜合虛擬現實技術的特點，筆者認為安全工程在以下方面可充分應用虛擬現實技術：
　　1) 　科學研究、實驗及計算機模擬結果的真實化再現
　　安全科學的研究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，可以創造一種虛擬的真實環境，可以將孤單的研究公式、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控制這種表示結果，可以通過動態改變參數（這種改變不一定要由人輸入數據，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）來觀察計算結果。
　　2)　 安全性能設計
　　任何社會產品（也包括安全產品）都應該有其自身的安全性。而人們在產品未生產出前，是無法真實感受其安全性的，而VR技術可以預先為其提供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安全性能，從而為設計者提供改進的依據。
　　3)　救災指揮決策
　　發生事故時，救災指揮者一方面需要準確掌握事故現場的情況，另一方面要了解事故可能的發展趨勢，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）　日常安全教育與避災訓練
　　可以針對某些事故及一定區域建造事故模擬和訓練的VR系統，讓人們在真實的環境中接受事故預防的教育及事故搶險人員的操作訓練，從而提高人們對事故的感知度及搶險人員的技術操作水平和戰斗力。
　　
3　安全工程虛擬現實系統結構
　　由于安全工程涉及范圍廣泛，所以對不同領域的安全工程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。
　　中國科學技術大學和中國礦業大學合作，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。這是國內目前安全領域所建立的唯一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)　三維模型運動及控制接口；
　　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，通過三維模型運動控制接口程序控制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。經過控制運動的兩個模型，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。操作者可以根據這一循環的結果，決定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控制的操作環境。
　　用戶可以使用鼠標，控制人員在建筑物中漫游，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，從而使人感覺到似乎是在真實地操作滅火器。而用戶若通過立體眼睛觀察時,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,前邊的物體似乎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控制的關鍵。選擇時，要考慮程序的使用范圍。硬件設備的選擇應根據經濟條件來決定。
　　模型的建立，可采用專用的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。本系統采用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。專業的系統可以采用專用的工作站。本系統采用PC機系統，系統CPU為PⅡ400，內存為128MB，顯示卡采用Creative Blaster TNT 128，顯示內存為16MB。所采用的輸入設備應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，如只需普通的漫游，可以使用大屏幕即可，若想操作人員能夠達到沉浸感，則需配備有立體眼鏡及高性能立體顯示頭盔等外圍設備。本系統使用普通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安全工程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，使人能充分沉浸由其年所創造的人工環境中實現感知模擬的現實，因而對于安全工程中的培訓、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)　安全工程可以在科學研究成果真實化再現、安全產品性能設計、事故救災指揮、安全教育與培訓等多個方面應用VR系統。
　　3)　安全工程應用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安全工程VR系統所借鑒。
　　4)　安全工程VR系統可以采用高、中、低各種檔次，所選擇的硬件和軟件也有所不同。初步研究時可以采用比較廉價的硬件和軟件系統，例如：硬件采用普通鼠標、普通立體眼鏡；軟件采用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、樹木等高度復雜的自然體，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大學從事高級訪問學者期間完成的。中國科學技術大學火災科學國家重點實驗室提供了研究設備和必要的研究經費及工作環境。在程序編制過程中，得到了95級學生季輝、聶曉林的協助。謹向他們表示誠摯的謝意!

　

作者簡介：戚宜欣　1965年生,博士,副教授。在校攻讀安全技術及工程專業,1992年畢業于中國礦業大學，并獲博士學位。主要從事火災模擬，計算機技術在安全技術及工程、地質、采礦等專業上的應用研究及教學工作，完成多項國家科技攻關項目及部級重點項目并有多項軟件成果得到應用。發表論文10余篇，有譯著及編著各一部，擔任碩士導師指導碩士研究生10名。
作者單位：戚宜欣　夏征義(中國礦業大學（北京校區）)
　　　　　汪　箭　范維澄(中國科學技術大學)
作者地址：北京市海淀區學院路丁11號；郵編：100083

參考文獻

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