呂志明 王婷婷 張付有

摘要：近幾年來，地震一直在肆虐著我國位于地震帶的地區(qū)，破化建筑物，造成人員傷亡，帶來巨大的損失。為防止突發(fā)地震來臨時發(fā)生非地震因素對師生的安全造成威脅，教育部要求學(xué)校組織學(xué)生進(jìn)行緊急疏散訓(xùn)練。由于緊急疏散訓(xùn)練并不能提升學(xué)生面對地震時的心理素質(zhì)和虛擬地震平臺的高花費及其不真實性，所以并沒有良好的成效。利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)的地震逃生游戲能夠提升受訓(xùn)者的心理素質(zhì)并且具有一定的真實性，基于此，文章首先介紹了地震安全訓(xùn)練的現(xiàn)狀與虛擬現(xiàn)實；接下來簡述了地震安全訓(xùn)練與虛擬現(xiàn)實技術(shù)結(jié)合的設(shè)想以及對虛擬地震逃生游戲的模擬進(jìn)行解釋；最后展望教育游戲的未來，以期能夠?qū)ξ覈卣鹁o急疏散提供借鑒與指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：地震安全訓(xùn)練；虛擬現(xiàn)實技術(shù)；虛擬現(xiàn)實的3I特征；地震逃生游戲模擬；

中圖分類號：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2015）11-0208-02

我國位于世界兩大地震帶――環(huán)太平洋地震帶與歐亞地震帶之間，受太平洋板塊、印度板塊和菲律賓海板塊的擠壓，地震斷裂帶十分活躍。2008年到2015年之間，5.12汶川大地震、青海玉樹大地震、四川雅安大地震、新疆于田大地震、云南昭通魯?shù)榈卣鹪谖覈嗬^發(fā)生，僅人口死亡都達(dá)到了70000多人，經(jīng)濟損失嚴(yán)重。近年來，學(xué)校安全教育越來越受到國家的重視。為了確保學(xué)校師生的安全，教育部要求學(xué)校組織學(xué)生進(jìn)行緊急疏散訓(xùn)練。以防止突發(fā)地震來臨時發(fā)生非地震因素對師生的安全造成威脅。

1 地震安全訓(xùn)練的現(xiàn)狀

1.1 地震安全訓(xùn)練的方式

就目前有關(guān)地震安全訓(xùn)練的方式來看，主要有兩種：一是集體性地緊急疏散演練。在汶川大地震發(fā)生時，四川綿陽安縣桑棗中學(xué)2200多名學(xué)生和上百名老師在1分36秒內(nèi)撤離教室，無一人傷亡?！?】在地震突發(fā)來臨的時候，之所以該校有如此快的反應(yīng)速度是因為校長葉志平平時加強對師生進(jìn)行緊急災(zāi)難疏散訓(xùn)練。另外一種的訓(xùn)練方式是虛擬地震平臺。該虛擬地震平臺是由地震小屋實體、液壓運動平臺、控制臺并輔以視頻及音響系統(tǒng)構(gòu)成，為受訓(xùn)者展示了一個立體的地震環(huán)境，使受訓(xùn)者與環(huán)境融為一體，全方位展示地震的整個過程，讓受訓(xùn)者感受地震。操作人員通過控制臺能夠操作液壓運動平臺從而模擬出地震效果，包括橫波、縱波及顛簸等。

1.2地震安全訓(xùn)練的成效

針對集體性緊急疏散演練來說，在訓(xùn)練的時候需要花費大量的時間和人員進(jìn)行前期準(zhǔn)備工作的安排，由于緊急疏散場地和人員的關(guān)系，不可能經(jīng)常性訓(xùn)練。其次，在訓(xùn)練的過程中，受訓(xùn)者無法感受地震時心理的變化，因此日常組織的緊急疏散環(huán)境不真實，大多數(shù)受訓(xùn)者體會不到地震來時的緊張感。為了不耽誤學(xué)習(xí)和工作的時間，學(xué)校的領(lǐng)導(dǎo)往往會減少緊急疏散的次數(shù)，甚至不進(jìn)行訓(xùn)練。

虛擬地震平臺的應(yīng)用可以使受訓(xùn)者真實的感受不同地震等級的房屋搖晃模擬，從而使受訓(xùn)者提高了面對地震的心理素質(zhì)。但是虛擬的地震平臺中的地震小屋僅僅提供房屋的搖晃，沒有房屋坍塌錯位碎片脫落的設(shè)計，并不能體驗地震的真實性。并且購買該平臺需要耗費大量的資金，同時也需要專門的操作人員。

2 虛擬現(xiàn)實

2.1 概念

虛擬現(xiàn)實就是一種可以創(chuàng)建和體驗虛擬世界的計算機系統(tǒng)。該計算機系統(tǒng)生成一個接近真實的模擬環(huán)境，用戶借助一些設(shè)備與虛擬環(huán)境中的各個對象進(jìn)行交互，使用戶產(chǎn)生身臨其境的感覺，從而感受到高度的真實感。虛擬現(xiàn)實技術(shù)是計算機圖形學(xué)、人機接口技術(shù)、人工智能技術(shù)以及傳感器技術(shù)等交叉與綜合的結(jié)果?！?】

2.2 特點

1993年，Burdea G和Coiffet PZHI出了虛擬現(xiàn)實“三角形”，即虛擬現(xiàn)實的3I特征：Immersion（沉浸）、Interaction（交互）、Imagination（構(gòu)想）。

1）沉浸感。即臨場感，或者說是真實感。用戶通過使用交互設(shè)備進(jìn)入到虛擬環(huán)境中，在虛擬環(huán)境中一切都和現(xiàn)實世界中是一樣的。

2）交互性。交互性是用戶可以使用專用的輸入、輸出設(shè)備對虛擬環(huán)境內(nèi)的各個對象進(jìn)行交互操作，然后從虛擬環(huán)境中得到反饋。另外交互要盡可能的實時交互，因為這樣才能夠使用戶真正地沉浸在虛擬的環(huán)境中。

3）構(gòu)想性。也被稱作為創(chuàng)造性，是虛擬現(xiàn)實發(fā)展的開端。人類在真實世界中不可見的環(huán)境或者說人類的構(gòu)想都可以通過虛擬現(xiàn)實來實現(xiàn)，因此也可以說虛擬現(xiàn)實能夠啟迪人類的創(chuàng)造性思維。

3 地震安全訓(xùn)練與虛擬現(xiàn)實技術(shù)結(jié)合的設(shè)想

在地震的逃生中，逃生者的心理素質(zhì)尤為重要。身陷地震的場景中，人的心理因素大致可以分為三類：大概10%-15%的人能保持清醒并且能夠快速反應(yīng)做出有效的動作；小于15%的人會哭泣、尖叫甚至放棄逃生；剩下的大多數(shù)人則是處于大腦空白，完全驚呆的狀態(tài)?！?】逃生成功的關(guān)鍵在于人們平時訓(xùn)練的下意識動作。下意識動作的形成是需要長期訓(xùn)練的，唯有不斷重復(fù)的訓(xùn)練，才能形成條件反射，從而使受訓(xùn)者終身受益。然而從現(xiàn)在地震安全訓(xùn)練的方式和成效來看，大部分地區(qū)的師生很難形成這種條件反射。

虛擬現(xiàn)實所生成的虛擬環(huán)境通常分為三類：一是模擬出人類在真實世界中不可見的環(huán)境；二是模擬出人類的主觀構(gòu)想；三是還原再現(xiàn)真實世界中的環(huán)境。【4】利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以構(gòu)建出虛擬的震災(zāi)場景，為科學(xué)地開展逃生與疏散演練提供方便使用的、真實的、低價的虛擬環(huán)境。這個虛擬的環(huán)境就是指虛擬的地震逃生游戲平臺，該平臺實現(xiàn)的功能有以下幾條：

1）平臺的控制臺要能夠?qū)Φ卣鸬恼鸺夁M(jìn)行設(shè)置；

2）較為真實地模擬地震時房屋搖晃、房屋部分倒塌的變化；

3）受訓(xùn)者進(jìn)入平臺后，首先應(yīng)填寫其身體真實的機能（應(yīng)激反應(yīng)速度、跑步的速度），根據(jù)這些實際情況在虛擬的緊急疏散訓(xùn)練中做出游戲中所操縱人物的抉擇，這樣較真實的進(jìn)行模擬訓(xùn)練。

4）在緊急疏散的訓(xùn)練中的關(guān)鍵位置上要有專業(yè)的系統(tǒng)提醒，以防止發(fā)生非地震因素造成的傷害。

5）虛擬系統(tǒng)中的各種危險都要對游戲中逃生人物造成不同的生命值傷害，游戲中的人物能否活到游戲的最后，就是對現(xiàn)實中受訓(xùn)者的地震逃生能力強弱的判斷。

通過虛擬現(xiàn)實逃生游戲的訓(xùn)練，一方面可以提升了受訓(xùn)者的心理素質(zhì)，另一方面也能夠隨時加強集體性地緊急疏散訓(xùn)練。經(jīng)常進(jìn)行虛擬逃生訓(xùn)練，能夠在受訓(xùn)者的大腦中形成條件反射，使受訓(xùn)者在面對地震時下意識做出正確的逃跑判斷。

4虛擬地震逃生游戲的模擬

4.1 地震場景和人物的建模

1）場景建模：這里的場景建模包含房屋建筑建模和道路樹木建模。房物建筑的建模要考慮到地震來臨房屋的搖晃和倒塌的情況，所以在構(gòu)建房屋建筑的時候要采用按高度進(jìn)行分層建模的方法。而樹木的建模采用經(jīng)常使用的十字交叉的幾何模型和透明樹木紋理映射的方法。道路的建模采用平面組合的方式和紋理貼圖。

2）人物的建模：人物建模的質(zhì)量將會直接影響到參與者的沉浸感。在利用面片建模和多邊形建模方法完成虛擬人建模的時候，首先要對人體的骨骼進(jìn)行分析，其次要對人體在不同運動狀態(tài)（走路和跑步）時的運動數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研究，用代碼完善設(shè)計虛擬人的運動模式，從而使虛擬人物的動作更加真實。最后要實現(xiàn)虛擬人在三維場景中的人機交互控制功能，其方法是調(diào)用Direct 3D庫函數(shù)。這里的人機交互控制功能是指通過游戲柄、鍵盤、鼠標(biāo)等設(shè)備控制虛擬人行走和視覺方向。

4.2 地震的模擬

在地震的緊急疏散過程中，房屋搖晃模擬與房屋部分倒塌模擬是我們應(yīng)當(dāng)首先考慮的。當(dāng)?shù)卣疠^為強烈的時候，房屋會出現(xiàn)搖晃甚至高層會出現(xiàn)局部的破壞。房屋在搖晃的過程中隨時可能產(chǎn)生脫落的物體，這些脫落物體的運動模型為剛體自由運動四維模型。面對這些脫落物，受訓(xùn)者會感覺身臨其境，從而提升了心理素質(zhì)。

4.3 地震時的疏散模擬

1） 受訓(xùn)者行為模擬：受訓(xùn)者進(jìn)入平臺系統(tǒng)的時候，根據(jù)自身的身體機能選擇相應(yīng)的屬性值，在面對突發(fā)的震感時及時通過計算機鍵盤操縱游戲中的人物進(jìn)行加速奔跑、轉(zhuǎn)向等運動。

2） 人群引導(dǎo)模擬：在地震中，很多學(xué)校并沒有地震現(xiàn)場指揮部，所以并沒有達(dá)到較好的指揮效果。通過對各類公共事故的案例進(jìn)行分析，我們得出以下結(jié)論：要想在較短的時間內(nèi)疏散較多的人群，必要的正確的現(xiàn)場疏散指揮是不可缺少的。因此，在地震逃生游戲中，要實現(xiàn)對人群的引導(dǎo)模擬。人群的引導(dǎo)通過系統(tǒng)提醒的方式來實現(xiàn)，系統(tǒng)控制臺的指揮者通過搖桿的方向給受訓(xùn)者指示運動方向，同時給以語音提示。

5 教育游戲的展望

虛擬現(xiàn)實技術(shù)的地震逃生游戲能夠提升受訓(xùn)者的心理素質(zhì)并且具有一定的真實性，將緊急疏散的訓(xùn)練和游戲結(jié)合在一起，受訓(xùn)者一方面得到知識、技能和心理素質(zhì)的提高，另一方面也會歡快的體驗訓(xùn)練。隨著教育游戲設(shè)計理論的深入研究、開發(fā)技術(shù)的完善，相信教育游戲的發(fā)展會更加的科學(xué)，更加完善，從而使學(xué)習(xí)的過程更加歡樂、學(xué)習(xí)的成效更加明顯。

參考文獻(xiàn)：

[1] 趙華. 汶川大地震五周年安全問題思考[J]. 城市與減災(zāi)，2013，03：16-18.

[2] 湯磊. 基于Virtools的三維場景實時漫游系統(tǒng)的研究與開發(fā)[D].大慶石油學(xué)院，2007.

[3] 劉鍇，劉玉龍. VR技術(shù)在防震安全教育軟件開發(fā)中的應(yīng)用研究[J].徐州師范大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2009（03）：45-48.

[4] 賀靜靜. 基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的地震緊急疏散演練模擬研究[D].云南師范大學(xué)，2014.