蓋文靜

（上海交通大學(xué)　　教育技術(shù)中心，上?！?00240）

虛擬現(xiàn)實技術(shù)在高校安全教育中的應(yīng)用研究

蓋文靜

（上海交通大學(xué)教育技術(shù)中心，上海200240）

校園突發(fā)事件的應(yīng)急預(yù)案是高校安全管理的重要保障，將虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用到高校安全教育中，有效地解決了傳統(tǒng)演練受環(huán)境、成本、風險因素所限無法融合到現(xiàn)實場景，以及真實性較差、教學(xué)效果不明顯的難題。文章針對新型的計算機輔助教學(xué)模式，設(shè)計了一套虛擬現(xiàn)實疏散仿真系統(tǒng)，借助頭盔式顯示器讓學(xué)生體驗災(zāi)難現(xiàn)場逃生，并通過實驗驗證了疏散效果的有效性。

校園安全教育；虛擬現(xiàn)實技術(shù)；疏散仿真

引言

重視校園安全教育，加強校園安全文化建設(shè)，有利于強化師生的自我安全意識，規(guī)避、減少人身傷害。傳統(tǒng)的安全教育主要是基于課本、教育視頻以及安全演習(xí)等方式進行，對于學(xué)生而言，這些方式相對枯燥、乏味，并不能達到理想的教育目的。在此背景下，僅從思想方面提高認識，已經(jīng)不能有效解決高校安全教育所面臨的嚴峻挑戰(zhàn)，積極探索基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的新型安全教育模式勢在必行。

一、信息化背景下興起的新型安全教育模式

隨著計算機圖形學(xué)和虛擬現(xiàn)實技術(shù)（Virtual Reality） 的發(fā)展，教育的方式也開始逐步發(fā)生改變，人們將虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用到教育領(lǐng)域，產(chǎn)生了一種新的教育模式，即虛擬教育［1］。借助虛擬現(xiàn)實技術(shù)，構(gòu)建虛擬的教學(xué)情境，以一種主動交互的方式，在引導(dǎo)和探索的過程中去學(xué)習(xí)知識和技能，這也為高校安全教育激發(fā)了新思路、新途徑。

大學(xué)生安全教育是高等教育中不可或缺的一部分，而我國高校目前安全教育環(huán)節(jié)還相當薄弱，如：2008年“5.12”大地震中，四川大學(xué)多名學(xué)生缺乏對自然災(zāi)害逃生自救技能的認知，在撤離的時候從樓上跳下，導(dǎo)致摔傷［2］。據(jù)統(tǒng)計，2006-2011年5年間，我國學(xué)校一共發(fā)生火災(zāi)事故9666起，死亡96人，傷231人，直接造成經(jīng)濟損失9764萬元［3］。這一系列慘劇更是為當前高校安全教育的改革創(chuàng)新提出了挑戰(zhàn)，敲響了警鐘。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)具有以下三個主要特征：沉浸感（Immersion）、交互性 （Interactivity）、構(gòu)想性（Imagination），也稱為3I特征［4］。其中，沉浸感使得大學(xué)生可以在模擬教學(xué)中獲得最為客觀、真實的感受。尤其是在校園火災(zāi)、地震的逃生疏散模擬中，大學(xué)生能夠真切地感受到災(zāi)難的動態(tài)演化過程以及觀察周圍人群不當?shù)奶由袨樵斐傻膿頂D、踩踏等次生災(zāi)害，促使其從全局的角度出發(fā)，結(jié)合教師傳授的知識，現(xiàn)場做出最佳選擇。教師也可在模擬演練過后，在實驗數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，通過系統(tǒng)分析，建立大學(xué)生疏散逃生行為模型，并將結(jié)果反饋到教學(xué)中去，從而更好地鍛煉學(xué)生的安全自救、隨機應(yīng)變能力。這種人機的互動交互，沉浸式的疏散演習(xí)體驗，基于實驗數(shù)據(jù)的行為模型，多樣化的呈現(xiàn)形式是傳統(tǒng)的疏散演習(xí)所不能做到的。

目前，在發(fā)達國家，虛擬教育的理念已經(jīng)廣泛應(yīng)用。NASA的火星探測車模擬，推出了一系列基于Unity引擎開發(fā)的虛擬現(xiàn)實火星探險之旅［5］。Innovation基于Unity引擎實現(xiàn)了一個命名為CliniSpace的虛擬醫(yī)療模擬培訓(xùn)平臺，通過3D的虛擬仿真培訓(xùn)技術(shù)，高效、安全地為醫(yī)護工作初學(xué)者提供了模擬實訓(xùn)的平臺［6］。當這些平臺結(jié)合可穿戴式設(shè)備時，如Oculus Rift、HTC vive、Cardboard、Gear VR等，能讓用戶獲得更加逼真、生動的虛擬交互式學(xué)習(xí)體驗。

文章針對大學(xué)生安全教育中的消防安全教育及逃生技能、地震等自然災(zāi)害逃生技能等內(nèi)容，在新型的模擬教學(xué)模式下，設(shè)計了一套虛擬現(xiàn)實疏散仿真系統(tǒng)，借助頭盔式顯示器有效地使學(xué)生迅速進入虛擬現(xiàn)場，獲得身臨其境之感。

二、虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)框架設(shè)計

（一）系統(tǒng)流程概覽

文章虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的運行流程分為預(yù)處理階段和仿真階段（見圖1），在預(yù)處理階段，系統(tǒng)完成幾何環(huán)境的建模以及環(huán)境抽象圖的建立。用戶可以通過編輯界面來設(shè)置虛擬人的初始參數(shù)和分布，以及危險源的位置和強度。在仿真階段，行人仿真模塊根據(jù)虛擬環(huán)境的情況，不斷更新所有虛擬行人的運動狀態(tài)。

圖1　　系統(tǒng)流程圖

（二）系統(tǒng)模塊化設(shè)計

根據(jù)所要完成任務(wù)的需求，同一種功能可通過具有不同實現(xiàn)方式的模塊來完成。模塊化設(shè)計保證了系統(tǒng)的通用性、可擴展性與可維護性（見圖2）。

1.幾何建模負責三維虛擬環(huán)境的生成。在實現(xiàn)中，我們采用計算機自動化與人工調(diào)整相結(jié)合的方式生成三維場景。根據(jù)二維建筑平面圖，生成房間墻壁以及房間中桌椅等物件的位置布局，并在對應(yīng)的布局位置放置模型數(shù)據(jù)庫中的模型。數(shù)據(jù)庫中的模型可以通過3DSMAX、SketchUp等建模軟件預(yù)先建好，并可以通過關(guān)鍵字“房間類型：物件類型”（例如：“教室：課桌”）在數(shù)據(jù)庫中檢索出來。

2.環(huán)境抽象根據(jù)環(huán)境中的障礙、地形等信息，對現(xiàn)實場景進行抽象得到其空間拓撲結(jié)構(gòu)。在人群仿真中，虛擬人可以在該結(jié)構(gòu)中進行安全空間的搜索，從而自主完成疏散路徑的規(guī)劃。在緊急場景中，往往存在火焰、毒氣等危險源，該模塊對這些危險源信息等進行數(shù)學(xué)建模，這樣學(xué)生就能夠通過指定危險源的強度值、分布等信息來重現(xiàn)不同條件下的緊急情景。

3.人群仿真在真實的疏散過程中，人群運動會對個體運動產(chǎn)生重要影響。人群仿真模塊負責控制虛擬人的行為，在疏散過程中最終要的兩個行為是避免與障礙/其他個體碰撞以及疏散路徑的規(guī)劃。

4.用戶交互在模擬教學(xué)中，參與訓(xùn)練的學(xué)生能夠以第一人稱視角參與到整個虛擬的疏散演練中。根據(jù)所使用的硬件的不同，系統(tǒng)為用戶提供了不同的操作方式來控制前后左右移動。

5.場景顯示根據(jù)不同的需求，能夠通過不同的視角向?qū)W生展示疏散過程的場景信息。當學(xué)生參與訓(xùn)練時使用第一人稱視角顯示，使學(xué)生能夠更真實的觀察附近環(huán)境并做出運動決策。此外，系統(tǒng)也能夠提供俯視視角。該視角能夠展示整個場景的全局信息，從而為疏散方案的設(shè)計者提供方案驗證工具，也能展示建筑設(shè)計是否合理。在顯示硬件上，系統(tǒng)能夠調(diào)用不同設(shè)備的API將畫面顯示在計算機屏幕或者頭盔屏幕上（當前支持HTCVive）

圖2　　系統(tǒng)模塊設(shè)計

三、虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)應(yīng)用實驗結(jié)果

本文系統(tǒng)在配置為Intel i7 3.0GHzCPU，8G內(nèi)存，NVIDIA GeForce GTX660顯卡的臺式機上運行，并且使用HTC Vive作為沉浸式頭盔設(shè)備，對系統(tǒng)訓(xùn)練與仿真應(yīng)用進行了實驗。

對沉浸式訓(xùn)練效果的分析（見表1、表2），首先選取參加過傳統(tǒng)安全演習(xí)的30名學(xué)生（下文稱A組）以及未參加過傳統(tǒng)安全演習(xí)的30名學(xué)生（下文稱B組）使用HTCVive虛擬現(xiàn)實頭盔進行安全疏散模擬訓(xùn)練（見圖3）。在模擬訓(xùn)練中，讓學(xué)生在各類安全事件的虛擬場景中，根據(jù)自己的常識對出現(xiàn)的緊急情況選取應(yīng)對措施，并最終通過操作桿控制移動，最終到達安全出口。教師根據(jù)學(xué)生的判斷給予評價，并對訓(xùn)練效果進行了調(diào)查和分析。

1.學(xué)生方面

表1　對參加傳統(tǒng)演習(xí)的30名同學(xué)的真實感調(diào)查

表1摘取了對參加過傳統(tǒng)演習(xí)的同學(xué)進行的調(diào)查結(jié)果。其中，所有學(xué)生認為使用虛擬現(xiàn)實頭盔訓(xùn)練更加真實，并且相對于傳統(tǒng)演習(xí)過長的時間，虛擬演習(xí)效率明顯更高。93.3%的同學(xué)認為虛擬訓(xùn)練更容易引起參與的興趣，學(xué)習(xí)效果更好。

表2　　對60位同學(xué)的舒適度調(diào)查

表2摘取了對所有同學(xué)進行的使用沉浸式頭盔舒適程度的調(diào)查結(jié)果。3D暈眩是當前使用沉浸式虛擬現(xiàn)實設(shè)備無法避免的問題，與畫面顯示的流暢度以及使用者體質(zhì)相關(guān)。從這次抽樣調(diào)查來看，初次使用虛擬設(shè)備出現(xiàn)眩暈的比例較低，約為30%，重復(fù)訓(xùn)練后，能夠有效緩解眩暈癥狀，而且沒有學(xué)生因為眩暈而停止訓(xùn)練。

2.指導(dǎo)教師方面

表3　　教師對疏散平均時間的評價

表3展示了不同場景不同同學(xué)所用疏散時間的平均值。從中可以看到，對于校園中教室等常見的場景，是否參加過傳統(tǒng)演習(xí)對學(xué)生在虛擬場景中所耗的疏散時間幾乎沒有影響。而學(xué)生在參加過各個場景的虛擬訓(xùn)練后，再次進入同一場景時其疏散效率顯著提升。說明學(xué)生通過對災(zāi)難類型、場景逃生通道、疏散路徑以及幾個容易造成擁擠點的了解與熟悉，以及教師對學(xué)生在之前訓(xùn)練中所選取疏散逃生路徑的分析，有效地提升了逃生技能。此外，在使用HTCVive進行疏散訓(xùn)練時，采用了單人疏散場景（即場景中不存在其他虛擬人），以及存在虛擬人群的疏散場景（如圖4）。同樣，所有參與訓(xùn)練的學(xué)生認為存在虛擬人群的疏散場景更加真實。實驗中還觀察到疏散研究中存在的從眾現(xiàn)象：當學(xué)生在存在虛擬人群的場景中疏散時，更容易選擇跟隨人群前進，而非自己去尋找疏散路線。

圖3　使用HTC　Vive進行虛擬疏散訓(xùn)練。圖中上排為使用HTC　Vive訓(xùn)練的學(xué)生，下排為Vive中顯示的虛擬場景。

圖4　　單人疏散場景與存在虛擬人群的疏散場景

四、結(jié)語

隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展與進步，虛擬安全教育也受到越來越多的重視。應(yīng)用實驗證明，與傳統(tǒng)安全教育手段、傳統(tǒng)安全演習(xí)相比較，虛擬現(xiàn)實技術(shù)突破了時間和空間的限制，使教師能夠全面觀察、深入分析已經(jīng)發(fā)生或?qū)砜赡馨l(fā)生的校園安全事件，準確評估學(xué)生在逃生訓(xùn)練中的行為，并作出針對性的指導(dǎo)；使學(xué)生在沉浸式的訓(xùn)練中，能夠更加直觀地感受緊急情景，并對不同危險源作出真實、合理的判斷與應(yīng)對，增強了安全意識和能力。

［1］祝智庭.教育信息化：教育技術(shù)的新高地［J］.中國電化教育，2001（1）.

［2］姜曉麗，高岳侖.構(gòu)建高校校園安全管理機制的思考［J］.高教論壇，2009（10）.

［3］李晴.高校學(xué)生公寓安全疏散研究［D］.沈陽：遼寧工程技術(shù)大學(xué)，2012.

［4］張菁.虛擬現(xiàn)實技術(shù)及應(yīng)用［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2011.

［5］劉佳力.基于Unity3D的兒童安全教育游戲的研究與實現(xiàn)［D］.成都：四川師范大學(xué)，2015.

［6］ParvatiD EV，HeinrichsW LR，Patricia Y.CliniSpace：AMultiperson 3DOnline Immersive Training Environment Accessible through a Browser ［J］.Medicine Meets Virtual Reality 18：NextMed，2011，163：173.

［責任編輯張宜］

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1008-7656（2016）02-0066-04

2016-05-16

蓋文靜，上海交通大學(xué)教育技術(shù)中心助理工程師，碩士，研究方向：教育技術(shù)學(xué)理論與教學(xué)。