梁璇文，張 俊，宋衛(wèi)國，葉 銳

(中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國家重點實驗室，合肥，230026)

0 引言

隨著火災(zāi)安全日益受到重視，火災(zāi)疏散引起了廣泛研究。傳統(tǒng)的研究方法主要包括三個方面，分別為可控實驗[1,2]，模型模擬[3,4]以及實地觀測[5,6]。可控實驗，即在實驗室條件下開展的實驗，又可分為疏散演習(xí)實驗[2]和非緊急情況下的行人動力學(xué)實驗[1]。出于對實驗參與者的安全考慮和倫理問題，真實火災(zāi)場景下的疏散實驗難以開展?；谏鲜鍪聦?，虛擬現(xiàn)實實驗得到了廣泛的應(yīng)用。虛擬現(xiàn)實實驗不僅可重復(fù)性強(qiáng)，實驗成本低，更重要的是，其可以在實驗場景中模擬火災(zāi)，使實驗場景更加接近火災(zāi)場景。

早期的用于行人研究領(lǐng)域的虛擬現(xiàn)實實驗設(shè)備多由三面屏幕或投影儀組成[7-9]，但是這種設(shè)備存在沉浸感低的缺點。近幾年來，CAVE(Cave Automatic Virtual Environment，洞穴狀自動虛擬系統(tǒng))虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)開始用于行人研究[10-12]，此種設(shè)備沉浸感高，但價格高昂、便攜性差。Schwebel等[13]利用智能手機(jī)和Google VR研究了學(xué)生過馬路的行為。該設(shè)備雖然便宜，但是同樣存在沉浸感低的問題。因此上述設(shè)備均不能同時滿足高沉浸感、價格經(jīng)濟(jì)、便攜性好的要求。這種情況下，類似于HTC Vive 和 Oculus等近幾年上市的頭戴式顯示設(shè)備為上述問題提供了解決方案。

和其他實驗方法一樣，使用頭戴式顯示設(shè)備開展行人疏散實驗前，我們須驗證其有效性。Moussaid等[14]開展了真實世界與虛擬場景下的簡單繞障實驗和瓶頸疏散實驗，分析了右行偏好和出口流量，發(fā)現(xiàn)真實行人在虛擬場景中表現(xiàn)出和真實世界一樣的典型行為模式，包括右行行為和自組織行為。Deb等[15]開展了行人過馬路實驗，結(jié)果表明虛擬場景里的平均速度和已發(fā)布的真實世界規(guī)范匹配良好，認(rèn)為虛擬現(xiàn)實用于開展行人實驗具有一定的有效性。盡管如此，頭戴式顯示設(shè)備用于開展行人實驗的有效性研究仍十分匱乏，尤其是基于微觀層面的軌跡研究。

Olivier等[12]基于CAVE虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，利用游戲手柄、身體和頭部偏移等多種方式控制參與者運動，發(fā)現(xiàn)不同的控制方式對虛擬實驗的有效性也有影響。然而，不少研究采用鼠標(biāo)、鍵盤來控制運動[16,17]。因此，研究鼠標(biāo)和鍵盤在虛擬場景里的表現(xiàn)很有必要。另外，似乎還沒有研究討論利用頭顯控制運動方向的導(dǎo)航方式。針對頭戴式虛擬現(xiàn)實設(shè)備，從微觀層面定量比較不同控制方式的研究更為缺乏?；诖?，本文開展了真實世界與虛擬場景下的繞障實驗，分析參與者的運動軌跡，以研究利用頭戴式顯示設(shè)備開展行人疏散實驗的有效性。同時，對于虛擬場景，本文設(shè)置了三種不同的控制方式(頭顯-鼠標(biāo)(HM)、鼠標(biāo)-鼠標(biāo)(MM)、鍵盤-鼠標(biāo)(KM))，以比較不同控制方式的優(yōu)劣。

1 實驗設(shè)計

1.1 實驗人員和設(shè)備

本次實驗在安徽省合肥市中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)開展，實驗中的參與者均為該校學(xué)生。實驗分為真實世界實驗和虛擬場景實驗，分別有50名和19名學(xué)生參加。參與者年齡在21～25歲之間，身高在159 cm～180 cm之間。虛擬實驗所用的實驗平臺采用Unreal Engine4游戲引擎和HTC Vive頭戴顯示設(shè)備實現(xiàn)。

1.2 實驗場景和實驗設(shè)置

1.2.1 真實世界實驗

真實世界實驗的實驗場景為一個長12 m、寬2.4 m的長方形通道，如圖1(a)所示。一名工作人員站定于通道正中心充當(dāng)障礙物，其肩寬46.0 cm，身體厚度為22.8 cm。圖1(d)為實驗場景示意圖。完整的實驗過程為一名參與者以正常速度從通道一端的起點處行走至通道另一端的終線位置，再從終線的中心處走回起點所在的直線位置，下一名參與者重復(fù)上述相同任務(wù)，直至50名參與者全部完成實驗。行走過程中，參與者不可以與通道兩壁和通道中間的障礙物發(fā)生碰撞。起點位于圖中虛線中心，起點所在直線和終線皆距通道1 m，如圖1(d)所示。

1.2.2 虛擬實驗

為了比較不同控制方法在虛擬場景中的有效性和優(yōu)缺點，本次實驗采用了以下三種常用的控制方法：

(1)頭顯-鼠標(biāo)(headset-mouse，本文簡稱HM)控制方法。此種方法結(jié)合使用了頭戴顯示設(shè)備和鼠標(biāo)，參與者可通過轉(zhuǎn)動頭戴顯示設(shè)備控制運動方向，通過是否按住鼠標(biāo)左鍵控制前進(jìn)與停止。

(2)鼠標(biāo)-鼠標(biāo)(mouse-mouse，本文簡稱MM)控制方法。與HM方法不同，此導(dǎo)航方法只需利用鼠標(biāo)即可，轉(zhuǎn)動鼠標(biāo)可控制運動方向，是否按住鼠標(biāo)左鍵可控制前進(jìn)與停止。

(3)鍵盤-鼠標(biāo)(keyboard-mouse，本文簡稱KM)控制方法。此方法需用到鍵盤和鼠標(biāo)，通過轉(zhuǎn)動鼠標(biāo)改變方向，通過是否按住鍵盤上的“w”鍵控制前進(jìn)與停止。

本次虛擬實驗包含兩個場景，分別為訓(xùn)練場景和實驗場景。參與者參與虛擬繞障實驗之前，須先在訓(xùn)練場景中熟悉虛擬場景的導(dǎo)航方式，即分別用上述三種控制方法控制自身在虛擬場景中的運動。訓(xùn)練場景示意圖如圖1(c)所示，參與者在此場景中須沿著虛線箭頭所示的運動路徑依次繞過前方圓柱形障礙物。虛擬實驗場景與真實世界實驗場景相同，以便于比較參與者在兩種場景中的運動，如圖1(b)所示，真實世界中的障礙物在虛擬場景中用一個相同尺寸的柱體表示。圖1(b)為虛擬實驗中某一幀的截圖，本次虛擬實驗采用第一人稱視角。實驗流程如圖2所示，圖2中HM訓(xùn)練場景表示參與者須先在訓(xùn)練場景中通過HM方法控制自身在虛擬場景里運動，即繞行如圖1(c)所示的圓柱體，直至參與者認(rèn)為自身可熟練使用HM控制方法。之后，參與者利用HM控制方法完成虛擬實驗，即從起點到終線，再從終線中心回到起點所在直線，此過程與真實世界實驗相同。虛擬場景中，參與者須來回行走兩次。如上述完成HM實驗場景，圖2后續(xù)MM場景、KM場景與HM場景類似。當(dāng)一名參與者完成了以上所有實驗后，下一名參與者再依次完成上述實驗，直至19名參與者全部完成。

圖2 虛擬實驗流程圖

1.3 實驗數(shù)據(jù)采集與處理

真實世界實驗利用兩臺攝像機(jī)(Sony FDR-AX700)記錄實驗過程。利用PeTrack軟件跟蹤參與者頭部，得到參與者每一幀的三維位置，幀率為25 HZ，從而得到參與者的行走軌跡。我們對真實世界實驗的參與者行走軌跡進(jìn)行了平滑處理，每一幀的三維位置分別為前12幀、此幀以及后12幀的三維位置的平均值。本次虛擬實驗平臺可自動保存并輸出參與者在虛擬場景中每一幀的位置。圖3為真實世界實驗的時間-平均速度圖(中間黑色線條表示平均速度，上下邊界表示標(biāo)準(zhǔn)差)。由圖3可知，真實世界下，參與者通道內(nèi)的平均速度基本保持穩(wěn)定，約為1.54 m/s。參與者在虛擬場景里有靜止和行走兩種狀態(tài)，我們將行走的速度設(shè)為定值，為1.54 m/s。

圖3 真實世界實驗參與者每一幀的平均速度圖

2 數(shù)據(jù)分析與結(jié)果

2.1 實驗軌跡

為方便數(shù)據(jù)分析，我們建立了如圖1(d)所示的平面直角坐標(biāo)系。將通道中心，也即障礙物的中心，設(shè)為坐標(biāo)原點。分別將圖示水平向右方向、豎直向上方向設(shè)置為x軸、y軸正方向。在真實世界和虛擬場景里，行人繞障均未出現(xiàn)明顯的左右偏好，因此本文不考慮行人的左右偏好?；诖?，為方便數(shù)據(jù)分析，參照圖1(d)所示的坐標(biāo)系，將沿x軸下方繞障的實驗軌跡，以x軸為對稱軸，作軸對稱變換。變換后，軌跡結(jié)果如圖4所示，RE表示真實世界實驗(下同)。由圖4可知，真實與虛擬場景下，均未發(fā)生參與者與障礙物或通道兩側(cè)碰撞的情況。同時，不同個體之間的軌跡呈現(xiàn)較大差異。為了消除個體差異，得到軌跡的一般特性，我們將每種場景下的軌跡進(jìn)行平均處理。具體而言，我們將實驗場地在x軸方向上的范圍(-7 m，7 m)劃分成200個小區(qū)間，對于落在每個小區(qū)間里的軌跡點的x坐標(biāo)和y坐標(biāo)分別作平均。如此，得到各個場景下，所有參與者的平均軌跡，再做25幀的平滑處理，處理方法與本文1.3節(jié)提到的真實軌跡處理方法相同，平滑后的平均軌跡如圖5所示。

圖5表明不同場景下，參與者的平均軌跡趨勢相近。為了定量分析虛擬場景與真實世界軌跡的差異，基于圖5，我們計算了上述200個小區(qū)間里，每個小區(qū)間內(nèi)虛擬場景軌跡點與真實世界軌跡點縱坐標(biāo)的差值。每個小區(qū)間內(nèi)共有四個軌跡點，即RE、HM、KM和MM四個場景分別有一個對應(yīng)的軌跡點。由于四個點的橫坐標(biāo)不一定相等，為了使縱坐標(biāo)的差值具有可比性，我們對HM、KM和MM所對應(yīng)的軌跡點做插值處理，使其橫坐標(biāo)均等于真實世界實驗軌跡點的橫坐標(biāo)，并通過插值運算得到該橫坐標(biāo)對應(yīng)的HM、KM、MM的縱坐標(biāo)。如此，我們可得每個小區(qū)間里三個虛擬場景與真實世界實驗的軌跡點的縱坐標(biāo)差值。將這些差值分成了4個部分，分別為橫坐標(biāo)落在區(qū)間(-7，-5)、區(qū)間(-5，-3)、區(qū)間(-3，-1)和區(qū)間(-1，1)的點所對應(yīng)的差值，繪制箱型圖如圖6所示。由于參與者繞過障礙物后，其運動為不考慮障礙物的自由行走狀態(tài)，因此本文此處不考慮區(qū)間(1，7)。觀察箱型圖最大值可知，當(dāng)x<1 m時，相同橫坐標(biāo)處，虛擬場景與真實世界平均軌跡的差值在10 cm之內(nèi)，因此我們認(rèn)為基于虛擬現(xiàn)實的行人運動實驗具有一定的有效性。對于區(qū)間(-7，-5)、區(qū)間(-5，-3)和區(qū)間(-1，1)，相較于MM和KM，HM與真實世界軌跡之間的差距更小。而對于區(qū)間(-3，-1)，相較HM，KM與MM明顯更接近真實世界軌跡。

圖4 對稱變換后的軌跡圖

圖6 不同區(qū)間內(nèi)真實世界和虛擬實驗平均軌跡的差值

圖5 各個實驗場景下的平均軌跡圖

2.2 繞障距離

我們計算了參與者的平均繞障距離，即參與者在穿越y(tǒng)軸時，其自身與障礙物中心之間距離的平均值。如圖7所示，RE、HM、MM和KM里的平均繞障距離分別為(0.59±0.11) m、(0.64±0.08) m、(0.67±0.14) m、(0.69±0.15) m。通道內(nèi)壁與障礙物外側(cè)的中間位置的縱坐標(biāo)為0.715，如圖7中虛線所示。由圖7可知，參與者在虛擬場景里的平均繞障距離均大于真實世界實驗的平均繞障距離，這可能是因為參與者在虛擬場景里對距離更不自信，因此在到達(dá)y軸時，整體傾向于靠近通道內(nèi)壁和障礙物的中間位置，以避免和障礙物或通道墻壁發(fā)生碰撞。而HM里參與者的平均繞障距離相較于MM、KM更小，可能是因為參與者避讓通道墻壁所致。圖8表示各個場景下參與者轉(zhuǎn)彎點的橫坐標(biāo)。所謂轉(zhuǎn)彎點，即參與者在y軸方向的速度為0的點。由圖8可知，真實世界實驗里，在y軸之前、之后轉(zhuǎn)彎的參與者人數(shù)約各占50%。KM和MM場景下，接近70%的參與者在通過y軸之后轉(zhuǎn)彎。而HM場景下，大部分的參與者在到達(dá)y軸之前轉(zhuǎn)彎，表明HM場景里整體轉(zhuǎn)彎更早。這是因為HM場景里，參與者在到達(dá)轉(zhuǎn)彎點之前，其速度方向偏向通道墻壁，因此參與者頭部須偏向通道墻壁，而非直視前方，這使得參與者更害怕與通道內(nèi)壁碰撞，因此其整體轉(zhuǎn)彎更早，從而減小了平均繞障距離。繞障距離的不同導(dǎo)致了4種不同實驗下，參與者在障礙物附近的軌跡差異。HM的繞障距離更接近真實世界實驗，解釋了為何靠近障礙物時，相較于其他兩種控制方式，HM的平均軌跡更接近真實世界，即圖6(d)的結(jié)果。

圖7 不同實驗場景參與者的平均繞障距離

圖8 各個場景的轉(zhuǎn)彎點橫坐標(biāo)箱線圖

2.3 繞障起始時間

如圖9所示，實線和虛線是真實世界實驗里兩條典型軌跡的一部分。本次實驗中，參與者既可以在實驗開始時便開始繞障，如圖中實線軌跡所示，也可以直行一段時間后，再開始繞障，如圖中虛線軌跡所示。圖中實線和虛線箭頭分別指向其開始繞障的位置?？梢?，參與者的繞障起始時間不同。基于軸對稱處理后的軌跡，當(dāng)?shù)趇幀的縱坐標(biāo)大于3 cm且其后三幀的縱坐標(biāo)皆大于前一幀時，我們認(rèn)為參與者在第i幀開始繞障，此即參與者的繞障起始時間。繞障起始時間概率直方分布圖如圖10所示。觀察圖10可知，真實世界中，約一半的參與者在實驗開始0.5 s內(nèi)開始繞障。HM場景的繞障起始時間分布與真實世界相似度高，超過40%的參與者在實驗開始0.5 s內(nèi)開始繞障；與真實世界相近，約20%的參與者在實驗開始0.5 s～1.5 s內(nèi)開始繞障。相較于RE和HM場景，MM和KM場景下，參與者繞障起始時間更晚，參與者主要在實驗開始0.5 s～1.5 s內(nèi)開始繞障，其比例大于40%，在實驗開始0.5秒內(nèi)繞障的參與者比例不足10%。HM控制方式根據(jù)頭部的轉(zhuǎn)動來改變運動方向。一方面，參與者很難保持頭部處于完全靜止不動狀態(tài)；另一方面，參與者需要轉(zhuǎn)動頭部來觀察周圍的環(huán)境，尤其是其與通道內(nèi)壁的距離。因此，使用HM控制方式，繞障起始時間短。相反，利用MM或KM控制方式時，參與者極易保持鼠標(biāo)不動，且參與者更傾向于在實驗開始后保持鼠標(biāo)靜止一段時間，即直行一段時間，因為這樣有利于其適應(yīng)虛擬環(huán)境和自身的運動速度，同時，也沒有發(fā)生碰撞的風(fēng)險。這使得MM 和KM繞障起始時間更長。繞障起始時間的差異導(dǎo)致實驗前期四種實驗的軌跡差異，HM的繞障起始時間與RE更接近導(dǎo)致相較KM和MM，HM實驗前期的平均軌跡與RE的平均軌跡更為接近，這解釋了出現(xiàn)圖6(a)、圖6(b)中結(jié)果的原因。

圖9 繞障起始時間示意圖

圖10 繞障起始時間概率分布圖

2.4 時間歸一化下的橫向距離

由本文2.3節(jié)可知，不同實驗場景，參與者的繞障起始時間分布圖差異較大，同一場景不同參與者的繞障起始時間也表現(xiàn)出很大的差異性。為了消除上述差異性，以研究繞障行為本身，我們這里僅僅關(guān)注繞障階段。繞障階段始于參與者開始繞障，結(jié)束于參與者到達(dá)本文所建坐標(biāo)系的y軸。圖9分別標(biāo)注了實線軌跡和虛線軌跡的繞障階段。將繞障起始時間設(shè)為0，將繞障結(jié)束時間設(shè)為1，以此對繞障階段的軌跡作時間歸一化處理。我們計算了各個場景下每個參與者在歸一化時間下的橫向距離，即參與者與x軸之間的距離，如圖11所示。繞障過程本質(zhì)上是一個任務(wù)，即參與者要在繞障階段逐漸實現(xiàn)安全的橫向距離，使其在穿過y軸時，與障礙物不發(fā)生碰撞。在這個意義上，歸一化時間下，每一時刻的橫向距離可以衡量參與者截至該時刻繞障任務(wù)的完成量。

圖11 歸一化時間下的橫向距離圖

與計算平均軌跡所用的方法相同，我們計算了各個場景的平均橫向距離，并進(jìn)行平滑處理，結(jié)果如圖12(a)所示。觀察圖12(a)可知，在變化趨勢上，KM、MM與RE更為接近，皆為在繞障階段的前80%的時間內(nèi)，即歸一化時間在(0，0.8)之間時，平均橫向距離與時間大致呈線性關(guān)系，而HM并沒有表現(xiàn)出此特性。在繞障階段的后20%部分，四種場景下，隨著歸一化時間的增大，平均橫向距離的增量下降。這可以理解為參與者接近障礙物時進(jìn)行的運動調(diào)整，有利于其以更自適的距離和運動方式繞過障礙物。我們計算了歸一化時間下三種不同控制方式的平均橫向距離與真實世界實驗的平均橫向距離的差距，具體計算方法類比于本文2.1節(jié)平均軌跡差值的計算，計算結(jié)果如圖12(b)所示。HM、MM、KM與真實世界實驗平均橫向距離差距分別為4.60±2.41 cm、2.38±1.17 cm、3.61±2.15 cm，表明使用MM控制方式，繞障階段的軌跡與真實世界實驗最為接近。由此可見，在趨勢上，MM、KM控制方式與真實世界實驗相近；在數(shù)值上，MM控制方式與真實世界差距最小。

圖12 平均橫向距離圖

3 結(jié)論

本文通過開展真實世界與不同控制方式下(頭顯-鼠標(biāo)(HM)、鼠標(biāo)-鼠標(biāo)(MM)、鍵盤-鼠標(biāo)(KM))虛擬場景的繞障實驗，對各個場景下的平均軌跡、繞障距離、繞障起始時間和歸一化時間下的橫向距離進(jìn)行比較，以分析利用虛擬現(xiàn)實開展行人疏散實驗的有效性，并比較了各種控制方式的優(yōu)劣。本文得出主要結(jié)論如下：

1)當(dāng)橫向坐標(biāo)小于1 m時，相同橫坐標(biāo)處，虛擬場景與真實世界平均軌跡的差值在10 cm之內(nèi)，因此我們認(rèn)為基于虛擬現(xiàn)實的行人運動實驗具有一定的有效性。

2)虛擬場景下，行人更傾向于在通道內(nèi)壁和障礙物的中心繞過障礙物，導(dǎo)致虛擬場景下的平均繞障距離大于真實世界實驗。

3)繞障起始時間和繞障距離的不同導(dǎo)致了不同實驗的軌跡差異。對于平均軌跡，相較于MM和KM，HM更接近真實世界實驗，這是因為HM下的繞障距離、繞障起始時間與真實世界實驗更接近。而關(guān)于歸一化時間下的橫向距離方面，MM在趨勢和數(shù)值上都比HM更接近于真實實驗，表明就繞障過程而言，MM與真實世界更接近。