沈　超

（合肥學(xué)院，安徽　合肥　230000）

改革開放以后，隨著我國(guó)市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，各種工程項(xiàng)目的建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，導(dǎo)致了施工人員的短缺.同時(shí)，不少企業(yè)對(duì)施工人員的安全培訓(xùn)時(shí)間進(jìn)一步縮水，使施工安全教育的質(zhì)量不斷下降.根據(jù)調(diào)查顯示，來自偏遠(yuǎn)地區(qū)的農(nóng)民工人數(shù)已經(jīng)占到了建筑施工從業(yè)人員人數(shù)的80%.由于他們中絕大部分人的文化程度較低，而且之前并沒有接觸過建筑安全方面的相關(guān)知識(shí)，所以他們?cè)诮o蓬勃發(fā)展的建筑市場(chǎng)提供了豐富的人力資源的同時(shí)，也存在著極高的建筑安全事故隱患.[1]因此，一種高效的施工安全教育方式便顯得十分必要.

虛擬現(xiàn)實(shí)是一種利用計(jì)算機(jī)生成的虛擬環(huán)境供人們操作和體驗(yàn)的技術(shù)，它使人們足不出戶便可沉浸在虛構(gòu)的環(huán)境中.通過虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備的幫助，人們可以上天入地，甚至穿越時(shí)空，自由體驗(yàn)現(xiàn)實(shí)生活中難以實(shí)現(xiàn)的情景.隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的逐漸成熟，它已經(jīng)被運(yùn)用到教育、建筑設(shè)計(jì)、虛擬旅游、樣板間展示等領(lǐng)域.目前虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)也被大量運(yùn)用在建筑施工安全教育領(lǐng)域，它在有效地提高安全教育效率的同時(shí)，也存在著許多問題.由于設(shè)備本身的技術(shù)限制，導(dǎo)致其無(wú)法有效運(yùn)行結(jié)構(gòu)復(fù)雜的三維場(chǎng)景；同時(shí)，培訓(xùn)人員缺乏相關(guān)操作經(jīng)驗(yàn)，使得他們不能按照預(yù)定的思路操作軟件；諸如此類的困難都使得培訓(xùn)無(wú)法得到有效的推廣.那么，如何更加有效地將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)運(yùn)用在該領(lǐng)域呢？本文結(jié)合作者自身參與的相關(guān)項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)就該問題進(jìn)行了探究，并對(duì)目前國(guó)內(nèi)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)面臨的一些問題給出了自己的回答.

1　研究現(xiàn)狀

在歐美日等發(fā)達(dá)國(guó)家，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)經(jīng)過多年的沉淀已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用在各類教育培訓(xùn)領(lǐng)域.美國(guó)宇航局的Ames實(shí)驗(yàn)室將成本極高的航空航天培訓(xùn)項(xiàng)目以較低的成本實(shí)現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)室的虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中.在英國(guó)，業(yè)界聞名的VEATIVE公司在虛擬現(xiàn)實(shí)教育領(lǐng)域做出了許多嘗試，并將其產(chǎn)品大量運(yùn)用在中小學(xué)的體驗(yàn)課堂之中.[1]在我國(guó)，對(duì)VR相關(guān)技術(shù)的研究雖然起步較晚，但已經(jīng)引起了國(guó)內(nèi)專家學(xué)者越來越多的重視，以及商業(yè)領(lǐng)域越來越廣泛的運(yùn)用.包括中建集團(tuán)在內(nèi)的各大建筑公司也對(duì)以虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為基礎(chǔ)的施工安全教育進(jìn)行了探索.

2　虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在安全教育領(lǐng)域的實(shí)踐價(jià)值

2.1　避免了培訓(xùn)導(dǎo)致的傷亡事故

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以使訓(xùn)練人員遠(yuǎn)離存在安全隱患的地區(qū)進(jìn)行操作，并可以得到相應(yīng)操作活動(dòng)的反饋.例如在虛擬的火災(zāi)場(chǎng)景中，培訓(xùn)工人如果采取站立的姿勢(shì)，則會(huì)因觸發(fā)虛擬場(chǎng)景中的生命倒計(jì)時(shí)系統(tǒng)而導(dǎo)致吸入過多有害氣體而死亡的情景.如果采取下蹲姿勢(shì)則解除生命倒計(jì)時(shí)系統(tǒng)，并得以通過模擬訓(xùn)練.這個(gè)訓(xùn)練活動(dòng)的過程中，培訓(xùn)人員無(wú)需置身于真正的火災(zāi)場(chǎng)景.[2]

2.2　對(duì)現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景進(jìn)行高度還原

虛擬現(xiàn)實(shí)培訓(xùn)的另一大特點(diǎn)既是能逼真地再現(xiàn)場(chǎng)景，能使培訓(xùn)人員完成將虛擬的情景對(duì)應(yīng)到真實(shí)情景的意識(shí)遷移.現(xiàn)階段，市場(chǎng)上常見的虛擬現(xiàn)實(shí)硬件已經(jīng)可以方便地完成視覺、聽覺和觸覺方面的情景模擬.在這些硬件的幫助下，施工培訓(xùn)人員可以身臨其境地“聽”到施工場(chǎng)地機(jī)械的轟鳴，“看”到工程結(jié)構(gòu)的造型，“擺弄”場(chǎng)景中的物件.從而更加有效地完成經(jīng)驗(yàn)的遷移[3].

3　虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在武漢楊泗港長(zhǎng)江大橋安全教育體驗(yàn)館項(xiàng)目中的實(shí)踐與啟示

武漢楊泗港長(zhǎng)江大橋虛擬現(xiàn)實(shí)安全教育體驗(yàn)館是使用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)結(jié)合HCT VIVE虛擬現(xiàn)實(shí)可穿戴設(shè)備搭建的安全教育培訓(xùn)點(diǎn)，該館旨在利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為新進(jìn)大橋施工人員提供安全教育.其特點(diǎn)在于將虛擬的視聽場(chǎng)景作用于觀眾的視覺、聽覺系統(tǒng).使受教育人員仿佛身臨其境地感受到事故現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境、危險(xiǎn)隱患以及事故的后果.使其在實(shí)際的工作中增強(qiáng)安全警惕意識(shí).目前，國(guó)內(nèi)的商用虛擬現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域還存在著軟件建設(shè)成本過高，虛擬場(chǎng)景缺乏表現(xiàn)力，軟件不易操作等問題.作者結(jié)合楊泗港長(zhǎng)江大橋安全教育體驗(yàn)館項(xiàng)的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)為這些問題提供了一些解決方案.

4　結(jié)果與討論

4.1　簡(jiǎn)明的使用規(guī)則有助于提升教育效果

參加體驗(yàn)的施工人員往往沒有接觸過虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備，在使用這一新鮮事物時(shí)不知所措.所以在設(shè)計(jì)軟件時(shí)應(yīng)當(dāng)本著讓使用者盡快學(xué)會(huì)操作的目的，采用簡(jiǎn)單直接明了的操作方法.方便使用者盡快上手.

4.1.1簡(jiǎn)單明了的操作邏輯

為了得到最佳的教育體驗(yàn)效果，在編輯程序的運(yùn)行邏輯時(shí)，作者采用了條件觸發(fā)的機(jī)制.既只有當(dāng)使用者在滿足既定的條件的前提下才能使相應(yīng)的事件發(fā)生.例如在場(chǎng)景中，當(dāng)觀看者的位置進(jìn)入電梯區(qū)域才能進(jìn)行超載電梯墜毀的動(dòng)畫.這樣做的目的在于使觀看者能夠在體驗(yàn)虛擬現(xiàn)實(shí)情境的震撼的同時(shí)了解造成事故的原因.

4.1.2所見即所得

研究表明，視覺占人腦所接受信息總量的83%.于是利用人的視線來進(jìn)行信息傳播就成了項(xiàng)目首選的方法.射線觸發(fā)是項(xiàng)目場(chǎng)景中常用的事件觸發(fā)方法，該技術(shù)通過頭盔發(fā)出的與使用者視線方向一致的射束來激發(fā)事件，從而模擬出“看”的效果.比如在火災(zāi)場(chǎng)景中，當(dāng)觀察者“看”到了過載的插線板這個(gè)隱患的時(shí)候，場(chǎng)景便開始播放火災(zāi)蔓延的情景動(dòng)畫.

4.1.3人聲提醒與提示符號(hào)的運(yùn)用

場(chǎng)景中在視覺射束的感應(yīng)區(qū)處設(shè)置了顯眼的純色標(biāo)記，并配以人聲提醒，告訴觀察者注視到標(biāo)記所在的區(qū)域.當(dāng)觀察者沒有注視標(biāo)記時(shí)，場(chǎng)景則不會(huì)產(chǎn)生任何動(dòng)態(tài).如此便可引導(dǎo)觀察者按照預(yù)定的設(shè)計(jì)運(yùn)行軟件程序.

在采用以上手法對(duì)程序進(jìn)行優(yōu)化后，初次使用軟件的培訓(xùn)人員也可以無(wú)障礙使用軟件進(jìn)行安全教育了.這樣便降低了軟件的使用門檻，擴(kuò)大了軟件的接受范圍.

4.2　利用貼圖替代模型和限制模型的面數(shù)是避免場(chǎng)景卡頓的有效措施

4.2.1控制模型的面數(shù)

在模型制作方面，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)與成本內(nèi)，場(chǎng)景既要真實(shí)還原項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)，又需要使畫面運(yùn)行流暢.因此，作者采用了中低精度的多邊形模型.其中場(chǎng)景（地形、建筑、建筑大結(jié)構(gòu)）的多邊形總面數(shù)控制在50000面左右，道具模型面數(shù)控制在150個(gè)三角面，187個(gè)頂點(diǎn)以內(nèi).人物模型面數(shù)控制在600-900個(gè)三角面之內(nèi).以求在最大限度地節(jié)約電腦資源前提下，達(dá)成逼真還原場(chǎng)景效果的目的.

4.2.2靈活利用貼圖效果

在制作初期，常出現(xiàn)由于模型的細(xì)節(jié)過多而導(dǎo)致軟件出現(xiàn)卡頓的情況.作者將場(chǎng)景的模型進(jìn)行了進(jìn)一步的精簡(jiǎn)化處理.例如在施工場(chǎng)所的安全網(wǎng)處，用帶有alpha通道的鏤空貼圖代替了原先由幾何體構(gòu)成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，對(duì)于機(jī)械表面的凹凸結(jié)構(gòu)（按鈕、翻蓋、凹痕等）采用了與凹凸結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的法線貼圖來模擬.這些措施在不影響場(chǎng)景大效果的條件下大大提高了軟件運(yùn)行的流暢程度.[5]

4.2.3使用天空盒模擬周邊場(chǎng)景

同時(shí)，作者用unity軟件的天空盒功能替代了模型.Unity軟件的天空盒是一個(gè)可以將照片貼圖拼合成為一個(gè)球形外景的插件.它可以逼真地模擬出場(chǎng)景的外圍景象.在制作時(shí)，作者使用平面軟件將拍攝的照片處理成為背景一致，邊緣可以無(wú)縫連接的6張?zhí)炜蘸匈N圖，并且將景物的地平線位置和模型中地平線的位置調(diào)整一致.便得出能夠真實(shí)還原周邊場(chǎng)景的天空盒系統(tǒng).

4.2.4使用貼圖序列幀代替粒子系統(tǒng)制作特效

Unity3D軟件的自帶粒子系統(tǒng)可以模擬包括水、火、煙霧在內(nèi)的各種特效.但是粒子系統(tǒng)的過度使用往往會(huì)對(duì)軟件的運(yùn)行流暢程度造成影響.所以在該項(xiàng)目中，火焰特效沒有全部采用粒子束來表現(xiàn)，而是采用了粒子結(jié)合火苗連續(xù)幀做成的動(dòng)態(tài)貼圖的形式實(shí)現(xiàn).同樣的，設(shè)計(jì)師也可以用煙霧貼圖來表現(xiàn)煙霧特效，以使含有大量煙霧的場(chǎng)景得以流暢運(yùn)行.

5　結(jié)語(yǔ)

武漢楊泗港長(zhǎng)江大橋安全教育體驗(yàn)館項(xiàng)目從開始到結(jié)束共歷時(shí)3個(gè)月.該項(xiàng)目靈活運(yùn)用了Unity3D軟件的交互和特效功能，探索了多邊形建模技術(shù)與Unity3D軟件進(jìn)行更好銜接的方法，并最大限度地發(fā)揮了HTC VIVE虛擬現(xiàn)實(shí)穿戴設(shè)備的潛力.該項(xiàng)研究的經(jīng)驗(yàn)表明，在不影響場(chǎng)景大效果的前提下可以通過簡(jiǎn)化模型細(xì)節(jié)，以及大量使用貼圖替代模型和粒子特效的方法增加軟件運(yùn)行的流暢度.同時(shí)，簡(jiǎn)單明了的軟件操作思路，和使用模擬視覺的射線束來觸發(fā)事件的軟件操作方法，可以使軟件使用者更高效地學(xué)習(xí)軟件內(nèi)容，并且對(duì)軟件內(nèi)容留下更深刻的印象.

參考文獻(xiàn)：

〔1〕李慧.安全員[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2014.12.

〔2〕楊浩然.VR虛擬現(xiàn)實(shí)：商業(yè)化應(yīng)用及影響[M].2017.3.

〔3〕李溪喧,張霞,等,數(shù)字虛擬技術(shù)在楚文化博物館設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2002（10）.