钟文

摘 要：AR-VR混合技术在危险化学品处置实战化训练平台的运用，综合运用电气及自动化技术，充分考虑危化品罐区可能出现的各种灾情和险情，为消防官兵提供逼真、安全、可重复、低消耗的训练手段。以Unity3D为平台构建虚拟三维危化品事故现场，受训者以第一人称视角，在场景中可漫游了解灾情的详细信息，沉浸在危化品事故空间环境中，提升虚拟现场的真实性和感染力。

关键词：AR；VR；危险化学品；实战化平台

中图分类号：X937 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）15-0175-02

1 概述

基于AR-VR技术在危险化学品处置实战化训练平台的运用，探讨二者混合所涉及的关键技术及相关。该方法打破了传统的危险化学品事故处置救援展示方式，采用双向互动方式在虚拟现实与增强现实间进行切换，大大增强学习培训的参与性和交互性，从而克服增现实技术在交流互动中存在的一些问题，使得人们能够在训练的同时有更好的交互体验。综合运用电气及自动化技术，充分考虑危化品罐区可能出现的各种灾情和险情，训练目前常用的排险、救灾手段，为受训者提供逼真、安全、可重复、低消耗的训练手段，弥补当前教学中存在的不足，从深度、广度、先进性上保证教学质量，提高教学水平。可以为受训者创造一种体验和沉浸的学习环境，达到建构实战化训练的目的。

1.1 VR（Virtual Reality）

虚拟现實，虚拟仿真或称为模拟技术，就是用一个系统模仿另一个真实系统的技术。虚拟仿真实际上是一种可创建和体验虚拟世界的计算机系统。它是以仿真的方式给用户创造一个实时反映实体对象变化与相互作用的三维虚拟世界，可通过HMD、数据手套等辅助传感设备，提供用户一个观测与该虚拟世界交互的三维界面，使用户可直接参与并探索仿真对象在所处环境中的作用与变化，产生沉浸感。VR主要包括模拟环境、感知、自然技能和传感设各等方面。模拟环境是由计算机生成的、实时动态的三维立体逼真图像。虚拟现实技术分虚拟实景（境）技术/与虚拟虚景（境）技术两大类。

1.2 AR（Augmented Reality）

增强现实技术是在虚拟现实技术的基础上发展起来的，通过科学技术模拟仿真，生成一种逼真的视、听、力、触和动等感觉的虚拟环境，运用各种传感设备使用户“沉浸”在该环境中，将计算机生成的虚拟物体、场景或系统提示信息叠加到真实场景中，实现用户和环境直接进行自然交互，使计算机系统提供的信息与用户对现实世界的感知结合起来，从而实现对现实的“增强”，是一种全新的人机交互技术，具有虚实结合、实时交互的特点。

1.3 化学事故实战化训练平台

根据不同类型罐体，研究其常见的火灾和险情，在不同罐体上，模拟不同类型训练内容，拟建设多个专业储罐类型、模拟险情、辅助配套系统。平台系统将综合就用室内透明模型、室外实物系统、CFD流场模拟技术、仿真侦检技术等，结合各种险情模拟装置，全方位、多角度、全过程的对危化品罐区消防内容进行训练；结合VR-AR将虚拟现实技术用于危化品罐区消防训练；将CFD流场模拟技术与仿真侦检技术相结合的侦检训练；透明模型与实物罐区相结合的、理论与实践相统一的训练方法。

2 关键技术

2.1 系统构架

AR-VR互动系统将虚拟现实技术与增强现实技术结合，利用虚拟现实技术的沉浸感以及增强现实的交互感提升参训者的实训体验。系统一共分两个模块，分别是危化品虚拟漫游模块和增强交互模块，危化品虚拟漫游模块使用虚拟现实技术，虚拟的模拟危化品事故现场内外场景，把客观上并不存在的景物，运用计算机技术，在用户眼前生成一个虚拟的环境，使人感到沉浸在危化品事故场景中。而增强交互模块基于增强现实技术，通过摄像头采集场景视频，采用计算机视觉跟踪注册方法，根据真实场景中的人工标志物信息迚行跟踪注册，将虚拟信息叠加在真实场景中，以增强危化品处置现场信息展示。

首先开启程序进入虚拟漫游模块，基于预先制作好的三维虚拟场景开启场景漫游模式，受训者者可以在事故现场中向前、向后、向左、向右移动，或是用鼠标、头盔控制旋转视角。在AR-VR切换方面，当受训者想从虚拟世界切换到真实世界时只需点击虚拟AR按钮，即可完成模块切换。当切换到增强交互模块后，系统立即开启摄像头捕获场景的初始识别图像，采用基于计算机视觉跟踪注册技术计算出摄像机位姿数据，并持续的将位姿数据不断传递给渲染模块，将虚拟展品加载到真实场景中。

2.2 虚拟漫游模块开发

危化品处置现场展览互动系统中虚拟漫游模块开发基于Unity3D平台，Unity3D拥有高度优化的图形渲染管道，可以与一些增强现实开发工具相结合实现虚实叠加人机交互功能也可以实现虚拟现实世界的生成。首先通过3ds Max、Maya等三维软件完成建模和贴图，将模型建好后发布为.fbx栺式文件，并将.fbx文件直接导入Unity3D中构建虚拟危化品处置现场场景。最后为虚拟漫游加入交互指令，并对场景进行管理。化学事故现场场景模型制作是虚拟现实漫游模块开发中非常重要的组成部分，模型的质量决定了虚拟场景搭建后的效果，与漫游系统的体验效果也直接相关。采用3ds Max建模，在制作建筑模型过程中，既考虑模型真实感，又要考虑系统运行速度问题。因此，建模采用精细建模和简单建模相结合的方式构建虚拟三维景观。

危化品事故现场搭建完成后，导入3dUnity平台，通过加入虚拟漫游交互功能，实现受训者在危化品处置现场场景中进行虚拟漫游，通过上下左右键进行前后左右行走，也可以进行视角转换，选择跑步、走路等多种方式以便让受训者了解灾情并进行识别危险化学品及灾害处置。

2.3 增强交互模块开发

同VR技术相比，AR技术可以使危化品处置现场导览系统创造更丰富的互动方式，因为AR技术可以在真实世界中叠加虚拟信息，因此可以增强真实世界的物体和环境。增强交互模块开发主要分三步进行：首先，通过摄像头采集真实场景视频图像。其次，将检测到的标志进行跟踪注册。最后，在真实的场景中叠加虚拟信息丰富危化品处置现场中灾情点信息显示。endprint

当系统切换到增强交互模块后，摄像头被立即打开，实时采集危化品处置现场中的环境，生成一系列的真实场景图像，供系统跟踪注册模块进行调用。跟踪注册是增强现实系统的核心，目前的增强现实系统中，主要有两大类跟踪注册技术，一类是基于计算机视觉跟踪注册；另一类是利用设备中的传感器、GPS进行硬件跟踪注册。基于计算机视觉的跟踪注册方式按照系统是否使用人工标记来区分，分为使用人工标记增强现实技术和没有使用人工标记的增强现实技术。人工标记的增强现实系统能够将虚拟模型准确定位到真实世界，幵最大限度的实现虚实之间的无缝融合，具有快速、稳定、准确的特点，可以快速从复杂的真实环境中检测出人工标记且对硬件配置要求不高。

经过跟踪注册步骤后，则获得了摄像机位姿，此时将摄像头所拍摄的室内环境视频流图像与生成的虚拟文物信息进行实时融合，形成増强现实图像，最终将虚拟的文物信息渲染到屏幕上，使用户体验到真实室内场景与虚拟信息相融合的逼真效果。

2.4 显示技术

随着计算机软硬件技术的不断収展，VR系统显示设备在不断进步，头盔显示器可以让用户感受到空间立体感，增加用户体验时沉浸效果。AR系统主要是呈现物体的三维详细信息，应该以轻巧灵便为系统设计原则，可采用Android操作系统的智能手机屏幕作为AR系统显示设备，简单便携，不受环境的限制，拥有更加丰富的使用范围。

2.5 与实战化平臺交互

危化品处置现场重在进行仿真实战训练，构建将增强现实技术、虚拟现实技术与实战化训练平台相结合，对界面和行为进行交互设计，使受训者在沉浸过程中与现场互动、发现探索，互动体验主要包括受训者与空间环境（灾害现场）的交互和受训者之间的交互两方面内容。

Unity3D平台构建虚拟三维危化品事故现场，受训者以第一人称视角，在场景中可漫游了解灾情的详细信息。虚拟漫游使参观者沉浸在危化品事故空间环境中，提升虚拟现场的真实性和感染力。利用HDM头盔进行场景中危险化学品事故处置中的仪器操作、堵漏、精密仪器清洗、标识识别单兵训练，屏幕切换，在虚拟视频中进行部署设置。可进行VR场景和AR互动界面的切换。增强现实系统可以为受训者提供关于空间环境的重要信息，如显示储罐信息数据、危化品理化性质及逃生出口等。增强现实显示器还能突出显示各受训员移动位置，在协作训练时有更好的团队表现。与实战化平台相结合，当受训者想仔细观察某一个物品时，系统根据扫描标记在真实场景中叠加虚拟三维物体，加上实战平台中可提供烟雾、炙热等感官体验效果，能大大增强受训实战效果。

3 结语（训练现代化的实战化的精尖部队）

本文提出了将VR与AR应用于消防（储罐区）危险化学品事故处置训练平台的技术，提供逼真、安全、可重复、低消耗的训练手段，弥补当前训练存在的不足，为受训者创造一种体验和沉浸的学习环境，提高消防危险化学品事故处置的训练效果，具有实现实战化训练又好又快发展积极意义。

参考文献

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