吳余川 陳元

1. 重慶市公安局江北區(qū)分局 2. 重慶子元科技有限公司

引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和科技的進(jìn)步，意識(shí)形態(tài)與文化的沖突不斷升級(jí)，全球性風(fēng)險(xiǎn)的急劇擴(kuò)散，同時(shí)恐怖主義和分裂主義思想也有日益泛濫的不良趨勢(shì)，這導(dǎo)致國(guó)內(nèi)社會(huì)治安形勢(shì)變得異常嚴(yán)峻和復(fù)雜。據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局統(tǒng)計(jì)，2018年全國(guó)受理和查處各類治安案件共972萬(wàn)起，各類刑事案件共506萬(wàn)起，然而僅2018年就有301名公安民警、141名警務(wù)輔助人員在執(zhí)勤過(guò)程中因公犧牲，1.2萬(wàn)余名公安民警和警務(wù)輔助人員因公負(fù)傷。因此，在處理復(fù)雜公共治安突發(fā)事件時(shí)，如何安全、高效地完成警務(wù)任務(wù)，是當(dāng)前公安機(jī)關(guān)面臨的重要問(wèn)題。其中，提高日常警務(wù)訓(xùn)練的成效是提高公安警務(wù)人員執(zhí)勤效果的有效途徑之一。傳統(tǒng)的警務(wù)及射擊訓(xùn)練模式存在訓(xùn)練場(chǎng)景單一、安全性差、耗時(shí)長(zhǎng)、成果反饋不及時(shí)等缺點(diǎn)，并且難以復(fù)現(xiàn)公共突發(fā)事件的復(fù)雜警情。亟需引進(jìn)新的科學(xué)技術(shù)以改進(jìn)現(xiàn)有的訓(xùn)練體系，從而適應(yīng)當(dāng)前警務(wù)需求，提高應(yīng)對(duì)公共突發(fā)事件的作業(yè)能力。使用VR仿真訓(xùn)練儀（平臺(tái)）的融合多源傳感數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)作姿態(tài)識(shí)別與動(dòng)作實(shí)時(shí)捕捉，使參訓(xùn)人員能夠“身臨其境”的在虛擬場(chǎng)景中實(shí)現(xiàn)高沉浸度模擬實(shí)戰(zhàn)演練，滿足當(dāng)前智慧警務(wù)訓(xùn)練的需求，提高應(yīng)對(duì)公共突發(fā)事件的作業(yè)能力。

一、日常警務(wù)訓(xùn)練待解決的問(wèn)題及解決辦法

（一）日常警務(wù)訓(xùn)練中待解決的問(wèn)題

我國(guó)大部分公安民警日常工作繁重，很難在工作中抽出固定時(shí)間進(jìn)行實(shí)戰(zhàn)化訓(xùn)練?；鶎庸裁窬荒曛挥幸坏絻纱螀⑴c的機(jī)會(huì)，這對(duì)長(zhǎng)期處在預(yù)防犯罪一線的公安民警是完全不夠的。因而保障日常警訓(xùn)順利開展至關(guān)重要。

1. 受訓(xùn)人員全身動(dòng)作的實(shí)時(shí)精準(zhǔn)捕捉

當(dāng)警員進(jìn)行演練及考核時(shí)，課程中動(dòng)作的標(biāo)準(zhǔn)程度是一個(gè)重要的考核指標(biāo)。動(dòng)作捕捉系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)精確的采集受訓(xùn)警員的操作動(dòng)作，映射進(jìn)演練系統(tǒng)，才能對(duì)警員戰(zhàn)術(shù)動(dòng)作進(jìn)行評(píng)分及糾正。因此，動(dòng)作捕捉數(shù)據(jù)的全面性及精確性對(duì)于演練效果至關(guān)重要。如何實(shí)現(xiàn)受訓(xùn)人員在演練過(guò)程中全身運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)精準(zhǔn)捕捉，是擬解決的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題之一。

2. 低延時(shí)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的開發(fā)及應(yīng)用

為實(shí)現(xiàn)受訓(xùn)人與虛擬演練環(huán)境之間的交互，受訓(xùn)人的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)需及時(shí)傳輸至上位機(jī)中，再通過(guò)系統(tǒng)處理并映射到虛擬環(huán)境。若數(shù)據(jù)傳輸?shù)难訒r(shí)大于30ms，人類的眼睛就會(huì)感覺到看到的動(dòng)作與實(shí)際動(dòng)作有“慢一拍”的差距，在VR頭戴設(shè)備中會(huì)產(chǎn)生暈眩的感覺。因此為避免受訓(xùn)人產(chǎn)生暈動(dòng)癥，同時(shí)提高虛擬演練系統(tǒng)的沉浸感，研發(fā)低延時(shí)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，是擬解決的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題之一。

3. 超高演練坪效的實(shí)現(xiàn)

現(xiàn)有的警務(wù)虛擬現(xiàn)實(shí)訓(xùn)練系統(tǒng)均存在移動(dòng)空間受場(chǎng)地限制的不足，若要進(jìn)行大場(chǎng)地虛擬空間的警務(wù)訓(xùn)練，則需要在真實(shí)環(huán)境中按1:1的比例配備響應(yīng)的訓(xùn)練場(chǎng)地。然而基層警務(wù)機(jī)構(gòu)往往存在訓(xùn)練場(chǎng)地缺乏的情況，這使得現(xiàn)有警務(wù)虛擬現(xiàn)實(shí)訓(xùn)練系統(tǒng)難以在警務(wù)系統(tǒng)中進(jìn)行廣泛的推廣應(yīng)用。因此，如何減小虛擬現(xiàn)實(shí)訓(xùn)練系統(tǒng)的占地面積并實(shí)現(xiàn)超高演練坪效，是擬解決的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題之一。

4. 結(jié)合地域特色及實(shí)戰(zhàn)警情的演練場(chǎng)景搭建

警務(wù)虛擬演練系統(tǒng)的目的是提高受訓(xùn)人面對(duì)突發(fā)警情時(shí)的應(yīng)急處置能力，讓受訓(xùn)人在應(yīng)對(duì)實(shí)際突發(fā)公共事件時(shí)，可以正確合理地使用戰(zhàn)術(shù)技能，從而安全有效地完成出警任務(wù)。因此用于演練的虛擬環(huán)境需嚴(yán)格反映真實(shí)突發(fā)警情，才能達(dá)到期望的訓(xùn)練效果?，F(xiàn)有的警務(wù)虛擬現(xiàn)實(shí)訓(xùn)練系統(tǒng)往往采用平面街區(qū)式的應(yīng)用場(chǎng)景，然而重慶地區(qū)由于地理環(huán)境特殊，城市街道呈三維立體分布，與現(xiàn)有虛擬現(xiàn)實(shí)訓(xùn)練系統(tǒng)中的應(yīng)用場(chǎng)景差別較大。因此為提高演練真實(shí)性，搭建具有地域特色并貼近實(shí)戰(zhàn)警情的演練場(chǎng)景，也是擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題之一。

（二）解決方案

針對(duì)目前存在的問(wèn)題，如果能夠進(jìn)行警務(wù)培訓(xùn)人員動(dòng)作姿態(tài)識(shí)別與動(dòng)作實(shí)時(shí)捕捉，滿足全沉浸式的需求，并能有面向大型城市隨機(jī)犯罪事件和公共突發(fā)事件演練場(chǎng)景的定制演練，就能改善受環(huán)境和場(chǎng)景所影響的警務(wù)訓(xùn)練。VR仿真訓(xùn)練儀（平臺(tái)）能夠有效的解決上述問(wèn)題。

在VR仿真訓(xùn)練儀（平臺(tái)）自主研發(fā)的萬(wàn)向行動(dòng)平臺(tái)中，用于動(dòng)作捕捉的慣性測(cè)量單元姿態(tài)測(cè)量范圍實(shí)現(xiàn)三軸360°，加速度量程±8g，角速度量程±2000dps，靜態(tài)精度達(dá)到翻滾角小于1°、俯仰角小于1°、偏航角小于2°，從而實(shí)現(xiàn)了用戶在保障安全的情況下任意行走奔跑；動(dòng)態(tài)捕捉數(shù)據(jù)輸出速率不小于80Hz，數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)小超過(guò)30ms，滿足了通過(guò)傳感器實(shí)現(xiàn)用戶在虛擬環(huán)境中的實(shí)時(shí)定位。

針對(duì)實(shí)際警務(wù)演練要求，結(jié)合地域特色，降低演練系統(tǒng)占地面積，VR仿真訓(xùn)練儀（平臺(tái)）能保證單人虛擬演練系統(tǒng)占地不超過(guò)3m2，并完成2到5個(gè)典型虛擬演練場(chǎng)景的搭建。該項(xiàng)技術(shù)目前已獲得國(guó)家級(jí)技術(shù)創(chuàng)新重點(diǎn)項(xiàng)目鑒定證書，并入選2020年度公安部科技成果推廣目錄。

二、技術(shù)路徑與功能特點(diǎn)

（一）融合多源傳感數(shù)據(jù)的警務(wù)培訓(xùn)人員動(dòng)作姿態(tài)識(shí)別與動(dòng)作實(shí)時(shí)捕捉

因?yàn)殡S機(jī)犯罪事件和公共突發(fā)事件演練系統(tǒng)的3D虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中，往往需要多人協(xié)同配合完成任務(wù)，所以構(gòu)造全沉浸式共享空間的虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境非常重要。在真實(shí)場(chǎng)景中警務(wù)培訓(xùn)人員經(jīng)由動(dòng)捕傳感器識(shí)別其動(dòng)作姿態(tài)，并將對(duì)應(yīng)人員的動(dòng)作姿態(tài)渲染到虛擬場(chǎng)景中去，完成人物虛擬空間的映射。

1. 慣性測(cè)量單元傳感器數(shù)據(jù)融合算法

由于單獨(dú)使用一個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)會(huì)造成慣性測(cè)量單元的測(cè)量出現(xiàn)誤差，這種誤差反應(yīng)在動(dòng)作映射上，會(huì)造成人體動(dòng)作映射的變形和走樣，同時(shí)單一傳感器也很難完成捕捉全身動(dòng)作姿態(tài)的任務(wù)，因此必須采用多傳感器融合感知的方法，才能夠擴(kuò)展人體感知覆蓋率，增強(qiáng)數(shù)據(jù)的可信度，提高精度。VR仿真訓(xùn)練儀（平臺(tái)）采用的是慣性動(dòng)捕，在人體的重要節(jié)點(diǎn)都佩戴慣性測(cè)量單元，慣性測(cè)量單元捕捉目標(biāo)物體的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，包括身體部位的姿態(tài)、方位等信息，然而多個(gè)慣性測(cè)量單元信息之間可能存在冗余和矛盾，需要對(duì)多傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，獲得被測(cè)對(duì)象的一致性解釋與描述。

VR仿真訓(xùn)練儀（平臺(tái)）采用的慣性測(cè)量單元核心器件為MEMS九軸傳感器，在芯片上集成有一個(gè)三軸加速度計(jì)、一個(gè)三軸陀螺儀和一個(gè)三軸磁力計(jì)。為了獲得更精準(zhǔn)的姿態(tài)，需要將加速度計(jì)和磁力計(jì)的數(shù)據(jù)與陀螺儀輸出的角速度數(shù)據(jù)融合。而最常用的非線性姿態(tài)估計(jì)方法所使用的技術(shù)就是互補(bǔ)濾波和擴(kuò)展卡爾曼濾波。互補(bǔ)濾波方法中的互補(bǔ)濾波系數(shù)在動(dòng)態(tài)系統(tǒng)中需要實(shí)時(shí)修正，但是如何修正并沒有具體的模型方程，常使用的方法是采用自適應(yīng)調(diào)參，但是不同的傳感器的使用會(huì)導(dǎo)致自適應(yīng)調(diào)參的方法不同，參數(shù)值的不穩(wěn)定會(huì)在實(shí)際過(guò)程中造成很大的麻煩，甚至導(dǎo)致姿態(tài)估計(jì)不精確。因此采用一種基于四元數(shù)的擴(kuò)展卡爾曼濾波算法完成人體重要關(guān)節(jié)上九軸傳感慣性測(cè)量單元的數(shù)據(jù)融合。采用卡爾曼濾波器算法對(duì)加速度計(jì)、陀螺儀和磁力計(jì)的輸出信號(hào)進(jìn)行融合，具體融合方法如圖1所示。

融合步驟具體如下：（1）搭建姿態(tài)估計(jì)系統(tǒng)，獲取載體固定參考系坐標(biāo)系下多軸傳感器數(shù)據(jù)，陀螺儀采集的三軸角速度數(shù)據(jù)，加速度計(jì)采集的三軸加速度數(shù)據(jù)，磁力計(jì)采集的三軸磁感應(yīng)強(qiáng)度數(shù)據(jù)；（2）由于MEMS器件制造的特性，在芯片工作時(shí)會(huì)引入噪聲，對(duì)數(shù)據(jù)的測(cè)量造成影響，根據(jù)MEMS噪聲白噪聲呈現(xiàn)高斯分布的特性。VR仿真訓(xùn)練儀（平臺(tái)）擬采用互補(bǔ)濾波算法對(duì)傳感器的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，并對(duì)這兩個(gè)傳感器采集的數(shù)據(jù)做歸一化處理；（3）根據(jù)四元數(shù)微分方程和姿態(tài)矩陣構(gòu)建載體系統(tǒng)的狀態(tài)方程，并得到系統(tǒng)的過(guò)程噪聲方差矩陣；（4）利用快速高斯-牛頓法構(gòu)建系統(tǒng)的觀測(cè)模型，并得到系統(tǒng)的測(cè)量噪聲方差矩陣；（5）根據(jù)建立的系統(tǒng)狀態(tài)方程和觀測(cè)模型建立擴(kuò)展卡爾曼濾波遞推方程；（6）利用每次遞推得到的最佳四元數(shù)解算載體的三個(gè)姿態(tài)角：航向角、俯仰角、橫滾角，最終得到數(shù)據(jù)融合后各個(gè)關(guān)節(jié)位置慣性測(cè)量單元所測(cè)量的姿態(tài)。

2. 警務(wù)培訓(xùn)人員虛擬空間動(dòng)作姿態(tài)三維映射

基于慣性傳感器數(shù)據(jù)融合的人體運(yùn)動(dòng)姿態(tài)獲取方法就是利用慣性傳感器采集到的人體動(dòng)作數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)已經(jīng)構(gòu)建好的人體骨模型，重構(gòu)人體動(dòng)作中的各個(gè)姿態(tài)。所以構(gòu)建符合人體基本運(yùn)動(dòng)特征的人體骨模型是進(jìn)行人體運(yùn)動(dòng)姿態(tài)三維重構(gòu)的首要前提。

根據(jù)設(shè)計(jì)的人體骨骼組成的人體骨骼樹形結(jié)構(gòu)，在全身各個(gè)肢體部位綁定多個(gè)慣性傳感器，分別采集人體的頭部、大臂、小臂、腰、胸、大腿和小腿的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)數(shù)據(jù)。

（二）面向大型城市隨機(jī)犯罪事件和公共突發(fā)事件演練場(chǎng)景的感知交互設(shè)備開發(fā)

大型城市隨機(jī)犯罪事件和公共突發(fā)事件演練場(chǎng)景需要讓警務(wù)培訓(xùn)人員具有在大型虛擬場(chǎng)景中通過(guò)行走和奔跑的方式實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景漫游，在執(zhí)行出警任務(wù)時(shí)，需要通過(guò)全身反饋，將警務(wù)人員在虛擬世界中遭遇的碰撞、爆炸、沖擊、中彈等感覺進(jìn)行模擬，從而進(jìn)一步還原培訓(xùn)人員的現(xiàn)實(shí)感覺。為此，VR仿真訓(xùn)練儀（平臺(tái)）擬開發(fā)面向大型城市隨機(jī)犯罪事件和公共突發(fā)事件演練場(chǎng)景的感知交互系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)培訓(xùn)人員具有全身模擬觸感的同時(shí)，能夠進(jìn)行大場(chǎng)景的無(wú)限運(yùn)動(dòng)。

1. 萬(wàn)向行動(dòng)平臺(tái)

萬(wàn)向行動(dòng)平臺(tái)通過(guò)中心軸連接在下支架上方的上支架以及背部方柱支架，所述背部支架底部朝向中心軸側(cè)彎折且可圍繞中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)的連接在中心軸上，從而實(shí)現(xiàn)培訓(xùn)人員在一定范圍內(nèi)的行走、跑動(dòng)、起跳、彎腰、下蹲以及左右橫移等動(dòng)作；萬(wàn)向行動(dòng)平臺(tái)將采用新型設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，基礎(chǔ)用料少，成本低；中心軸背部支架轉(zhuǎn)動(dòng)形式，轉(zhuǎn)動(dòng)靈敏，使用過(guò)程中轉(zhuǎn)動(dòng)流暢，大幅度提升了培訓(xùn)人員體驗(yàn)；POM剎車柱設(shè)計(jì)，結(jié)合弧面行走底盤及橡膠止滑結(jié)構(gòu)，能夠有效提供安全保護(hù)。

2. 智能穿戴背心

智能穿戴背心是能夠搭載全身動(dòng)作捕捉系統(tǒng)的穿戴背心，能夠結(jié)合慣性動(dòng)作捕捉系統(tǒng)及模擬反饋系統(tǒng)，使警務(wù)培訓(xùn)人員的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)同步映射到虛擬世界，達(dá)到深度沉浸的大型城市隨機(jī)犯罪事件和公共突發(fā)事件演練體驗(yàn)。穿戴背心通過(guò)萬(wàn)向行動(dòng)平臺(tái)上的背部支架進(jìn)行固定，對(duì)培訓(xùn)人員提供背心式的保護(hù)，能夠在培訓(xùn)人員在有摔倒傾向時(shí)提供及時(shí)有效的保護(hù)，安全性高。背包式的骨架設(shè)計(jì)，能夠單人獨(dú)立完成穿戴，方便快捷。

力反饋系統(tǒng)設(shè)備主體由背心和與背心相連的反饋單元構(gòu)成，如圖4所示，在人體軀干的正面分布有6個(gè)反饋單元，依次分布在腰部、肋骨以及胸部（每個(gè)部位對(duì)稱分布兩個(gè)單元），背部分布2個(gè)單元，后腰部分布有2個(gè)單元，四肢分布8個(gè)單元，頭部分布2個(gè)單元。通過(guò)混合輸入不同的脈沖信號(hào)，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的振動(dòng)表現(xiàn)。

利用多個(gè)力反饋點(diǎn)之間的組合震動(dòng)，模擬反饋點(diǎn)以外的身體力反饋，從而模擬覆蓋軀干85%以上的感受面積。例如當(dāng)培訓(xùn)人員在虛擬場(chǎng)景中被子彈擊中的位置不在反饋點(diǎn)上時(shí)，系統(tǒng)會(huì)通過(guò)中槍位置周圍的幾個(gè)反饋點(diǎn)的震動(dòng)來(lái)虛擬實(shí)際中槍位置的震動(dòng)，從而大大增強(qiáng)培訓(xùn)人員的沉浸感。

（三）多感覺反饋的沉浸式公共突發(fā)事件演練系統(tǒng)研究

1. 動(dòng)捕傳感器多頻點(diǎn)多終端跳頻無(wú)線傳輸技術(shù)

為將分布于全身的動(dòng)作捕捉傳感器的數(shù)據(jù)上傳到上位機(jī)，開發(fā)了一套多頻點(diǎn)多終端跳頻無(wú)線傳輸技術(shù)，頻道數(shù)達(dá)125個(gè)，系統(tǒng)工作在2.4GHz全球免申請(qǐng)ISM工作頻段，能夠自動(dòng)調(diào)頻、自動(dòng)應(yīng)答及自動(dòng)重發(fā)，內(nèi)置地址及CRC數(shù)據(jù)校驗(yàn)?zāi)９δ?，可以將每一個(gè)傳感器采集到的數(shù)據(jù)快速準(zhǔn)確的傳輸?shù)缴衔粰C(jī)。

2. 動(dòng)捕傳感器及力反饋單元無(wú)損數(shù)據(jù)編碼壓縮技術(shù)

數(shù)據(jù)壓縮是指在不丟失有用信息的前提下，縮減數(shù)據(jù)量以減少存儲(chǔ)空間，提高其傳輸、存儲(chǔ)和處理效率，或按照一定的算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行重新組織，這是減少數(shù)據(jù)冗余和存儲(chǔ)空間的一種技術(shù)方法。動(dòng)作捕捉系統(tǒng)分布于全身的傳感器多達(dá)數(shù)十個(gè)，力反饋單元多達(dá)近二十個(gè)，每個(gè)傳感器和單元的數(shù)據(jù)量隨時(shí)間會(huì)變得非常龐大，需要開發(fā)無(wú)損數(shù)據(jù)編碼壓縮技術(shù)，在不影響數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度的情況下，將需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行編碼和重構(gòu)，壓縮40%的字節(jié)數(shù)，使通訊的效率大幅提升，并降低數(shù)據(jù)傳輸?shù)难訒r(shí)。

3. 融合視-聽-觸多感覺反饋的沉浸式隨機(jī)犯罪事件和公共突發(fā)事件演練系統(tǒng)平臺(tái)搭建及應(yīng)用

現(xiàn)有的虛擬現(xiàn)實(shí)交互系統(tǒng)通常使用顯示器、頭盔、立體聲耳機(jī)等設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)逼真的視覺和聽覺體驗(yàn)，但用戶在交互過(guò)程中能夠獲得的觸覺體驗(yàn)極為貧乏。而針對(duì)公共突發(fā)事件演練的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，如果只能通過(guò)自身的想象力在腦海中構(gòu)造相應(yīng)的碰撞、槍擊、中彈等交互場(chǎng)景，將會(huì)極大地降低交互的真實(shí)感和培訓(xùn)人員的沉浸感，影響培訓(xùn)效果。

研究通過(guò)將多元觸覺和沉浸式視覺以及聽覺相融合的方式，能夠顯著增強(qiáng)用戶的交互沉浸感。融合視-聽-觸多感覺反饋的沉浸式平臺(tái)，如圖5所示，實(shí)現(xiàn)虛擬場(chǎng)景中，由人體骨架模型建立的人物虛擬化身與場(chǎng)景中的虛擬物體進(jìn)行交互，實(shí)現(xiàn)視覺、聽覺和觸覺的實(shí)時(shí)反饋，可用于進(jìn)行隨機(jī)犯罪事件和公共突發(fā)事件演練場(chǎng)景的培訓(xùn)。

融合視-聽-觸多感覺反饋的沉浸式隨機(jī)犯罪事件和公共突發(fā)事件演練系統(tǒng)是一個(gè)多平臺(tái)集成的復(fù)雜系統(tǒng)，需要兼顧各個(gè)子系統(tǒng)的接口兼容性問(wèn)題，還需考慮整個(gè)系統(tǒng)的公共突發(fā)事件演練應(yīng)用場(chǎng)景以及培訓(xùn)人員的需求。

支持視-聽-觸多感覺反饋的虛擬現(xiàn)實(shí)交互系統(tǒng)需要通過(guò)安裝在關(guān)鍵部位的動(dòng)作捕捉傳感器和無(wú)限運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，采集用戶的空間位置和各關(guān)節(jié)姿態(tài)，將原始數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮編碼后通過(guò)多頻多終端跳頻無(wú)限傳輸技術(shù)傳輸給數(shù)據(jù)采集上位機(jī)。上位機(jī)將數(shù)據(jù)傳入三維引擎，三維引擎主要用于虛擬模型的構(gòu)建，模型的貼圖渲染，整個(gè)場(chǎng)景的光照烘焙，從而將虛擬場(chǎng)景的整個(gè)視覺渲染輸出給用戶。上位機(jī)的輸入數(shù)據(jù)用于驅(qū)動(dòng)用戶骨架模型運(yùn)動(dòng)，定位用戶在整個(gè)場(chǎng)景中的空間位置，從而實(shí)現(xiàn)用戶動(dòng)作和操作在虛擬空間的映射，配合三維引擎中對(duì)各個(gè)虛擬模型的規(guī)則定義，碰撞檢測(cè)，力/觸覺計(jì)算和聲音模擬，實(shí)現(xiàn)用戶動(dòng)作行為所對(duì)應(yīng)的觸覺反饋數(shù)據(jù)和聲音反饋數(shù)據(jù)。最終通過(guò)觸覺反饋設(shè)備、便攜式聽覺設(shè)備和虛擬現(xiàn)實(shí)顯示設(shè)備，將觸覺、聽覺和視覺信息反饋給用戶，實(shí)現(xiàn)高沉浸感的虛擬現(xiàn)實(shí)交互。

（四）創(chuàng)新點(diǎn)

1. 數(shù)據(jù)融合算法

慣性測(cè)量單元測(cè)得的數(shù)據(jù)容易受到高頻噪聲和時(shí)變的偏置的影響，所以傳感器數(shù)據(jù)融合算法中需要進(jìn)行平滑處理以及無(wú)偏置估計(jì)。為了獲得精準(zhǔn)的姿態(tài)，需要將加速度計(jì)和磁力計(jì)的數(shù)據(jù)與陀螺儀輸出的角速度數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，但采用傳統(tǒng)歐拉角作為系統(tǒng)狀態(tài)變量的姿態(tài)解算模型中，在關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)到奇點(diǎn)的時(shí)刻，姿態(tài)角將無(wú)法正確計(jì)算。因此提出一種基于四元數(shù)的擴(kuò)展卡爾曼濾波算法的姿態(tài)解算方法，采用四元數(shù)來(lái)代替歐拉角（俯仰角、翻滾角、偏航角）作為系統(tǒng)狀態(tài)量，從而避免奇點(diǎn)的姿態(tài)角計(jì)算問(wèn)題。

2. 模擬力反饋

相較于傳統(tǒng)力反饋通過(guò)在身體多個(gè)點(diǎn)上安裝反饋裝置，在碰撞、爆照、中彈等虛擬場(chǎng)景交互時(shí)只能在孤立的幾個(gè)點(diǎn)上進(jìn)行力反饋，不能給培訓(xùn)人員逼真的感受。采用多點(diǎn)模擬力反饋的方式，對(duì)即使在沒有反饋裝置的部位發(fā)生碰撞、中彈等虛擬交互，也通過(guò)調(diào)整多點(diǎn)震動(dòng)頻率，模擬該點(diǎn)的震動(dòng)，從而提高場(chǎng)景的沉浸感。

其中所采用的反饋單元構(gòu)成，在人體軀干的正面分布有6個(gè)反饋單元，依次分布在腰部、肋骨以及胸部（每個(gè)部位對(duì)稱分布兩個(gè)單元），背部分布2個(gè)單元，后腰部分布有2個(gè)單元，四肢分布8個(gè)單元，頭部分布2個(gè)單元。反饋單元由世界領(lǐng)先的HAPTICTMReactor Hybrid Tough Type振動(dòng)器構(gòu)成，此振動(dòng)器啟動(dòng)和停止迅速，可以實(shí)現(xiàn)高頻率振動(dòng)，以及多種頻率振動(dòng)合成的效果，通過(guò)混合輸入不同的脈沖信號(hào)，就可以實(shí)現(xiàn)全覆蓋的復(fù)雜振動(dòng)表現(xiàn)。

3. 融合視-聽-觸多感覺反饋的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的飛速發(fā)展促進(jìn)了虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用對(duì)沉浸式技術(shù)的需求，具體體現(xiàn)在對(duì)多元觸覺、沉浸式視覺、聽覺以及視-聽-觸覺融合反饋的時(shí)空一致性匹配的迫切需求。

相較于傳統(tǒng)單一視覺反饋的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，在融合視-聽-觸多感覺反饋的虛擬現(xiàn)實(shí)交互系統(tǒng)中，多元傳感裝置實(shí)時(shí)獲取用戶位置、姿勢(shì)等信息為計(jì)算機(jī)提供輸入信號(hào)，三維引擎軟件對(duì)從傳感裝置獲取的輸入信號(hào)進(jìn)行解析，隨后對(duì)虛擬環(huán)境作相應(yīng)的更新，三維可視化及其他反饋（如聲音和反饋力等）信息通過(guò)相應(yīng)的輸出設(shè)備反饋給用戶，使其獲得多種感官上的體驗(yàn)效果。多元反饋能夠?yàn)榫瘎?wù)培訓(xùn)人員提供大型公共安全演練虛擬場(chǎng)景觀感、射擊碰撞、中彈的震動(dòng)、模擬環(huán)境及自我動(dòng)作發(fā)出的聲音等多種類型的感受體驗(yàn)，聽覺、多元觸覺與沉浸式視覺的融合反饋需要實(shí)現(xiàn)三者在時(shí)間與空間上的同步，以提升交互體驗(yàn)。

三、應(yīng)用場(chǎng)景

公安民警VR仿真訓(xùn)練儀（平臺(tái)）與其他類似裝備在技術(shù)和功能上具有一定的差異性，主要體現(xiàn)在動(dòng)態(tài)捕捉技術(shù)、運(yùn)動(dòng)空間的實(shí)現(xiàn)、應(yīng)用場(chǎng)景的搭建等方面。這使得VR仿真訓(xùn)練儀（平臺(tái)）具有一定的獨(dú)特性，間接地提高了競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，在應(yīng)用過(guò)程中，可針對(duì)不同用戶需求，提供不同的應(yīng)用方案。例如，針對(duì)轄區(qū)派出所，以推廣單一訓(xùn)練設(shè)備為主，而針對(duì)市區(qū)直屬公安機(jī)關(guān)，則以推廣建設(shè)多人協(xié)同訓(xùn)練的VR警務(wù)實(shí)戰(zhàn)訓(xùn)練中心為主（如圖6所示）。同時(shí)針對(duì)不同轄區(qū)的實(shí)際需求，調(diào)整虛擬現(xiàn)實(shí)訓(xùn)練場(chǎng)景的建設(shè)以及虛擬設(shè)備的搭建。

以某公安戰(zhàn)訓(xùn)基地實(shí)施方案為例，VR警務(wù)實(shí)戰(zhàn)訓(xùn)練系統(tǒng)可以分為：VR訓(xùn)練模塊、指揮中心系統(tǒng)、APP管理平臺(tái)、Web端管理系統(tǒng)、指揮官系統(tǒng)。 從警務(wù)訓(xùn)練到日常學(xué)習(xí)，都可以使用整套系統(tǒng)。

場(chǎng)景1：訓(xùn) 練者借助VR訓(xùn)練設(shè)備完成兩種練習(xí)。

（1）VR虛擬打靶訓(xùn)練

受各種條件制約，對(duì)于基層民警來(lái)說(shuō)，每年實(shí)彈訓(xùn)練次數(shù)有限。而靶場(chǎng)的訓(xùn)練又比較特殊，有的民警常常會(huì)忘記靶場(chǎng)訓(xùn)練的流程和規(guī)范，部分民警還對(duì)持槍有心理抗拒，這使得靶場(chǎng)訓(xùn)練的效率和效果極低。VR虛擬打靶訓(xùn)練的建立本身就是依托于虛擬現(xiàn)實(shí)基礎(chǔ)打造完整的靶場(chǎng)訓(xùn)練流程，讓基層民警可以在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)進(jìn)行靶場(chǎng)的訓(xùn)練。

利用VR警務(wù)實(shí)戰(zhàn)訓(xùn)練系統(tǒng)能夠自由行走的特性，結(jié)合VR視覺技術(shù)，使整個(gè)射擊流程重現(xiàn)，鞏固民警對(duì)訓(xùn)練流程的認(rèn)知，解放訓(xùn)練時(shí)教官的人力，降低民警持槍的心理障礙，是高效、安全、低成本的訓(xùn)練方式。

（2）VR街道巡邏緊急事件處理訓(xùn)練

實(shí)景訓(xùn)練在目前的訓(xùn)練體系中是幾乎沒有的，實(shí)景巡邏訓(xùn)練社會(huì)影響大，配合單位多，而往往基層民警無(wú)法參與，這就導(dǎo)致了基層民警在巡邏時(shí)，如果遇到了一些訓(xùn)練中沒有的突發(fā)情況，往往無(wú)法即時(shí)、正確的應(yīng)對(duì)事件。VR街道巡邏緊急事件處理訓(xùn)練，本身就是依托于現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景打造虛擬環(huán)境，讓民警可以在不需要其他部門支持的情況下，還原實(shí)景巡邏的感覺，并且遭遇各種突發(fā)的治安事件，根據(jù)規(guī)范流程進(jìn)行事件處理。

利用VR警務(wù)實(shí)戰(zhàn)訓(xùn)練系統(tǒng)能夠自由行走的特性，結(jié)合VR視覺技術(shù)，使街景數(shù)字化重現(xiàn)，讓使用民警身臨其境般的進(jìn)行巡邏演練，既簡(jiǎn)單，又方便，還能彌補(bǔ)當(dāng)前訓(xùn)練沒有的實(shí)戰(zhàn)訓(xùn)練環(huán)節(jié)。

場(chǎng)景2：通過(guò)訓(xùn)練系統(tǒng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)有VR訓(xùn)練系統(tǒng)之間的信息互通，為警員、智能訓(xùn)練的業(yè)務(wù)、VR訓(xùn)練的業(yè)務(wù)和訓(xùn)練數(shù)據(jù)管理提供準(zhǔn)確的信息資源，幫助警員訓(xùn)練優(yōu)化流程、實(shí)現(xiàn)閉環(huán)管理，提高訓(xùn)練質(zhì)量和訓(xùn)練管理效率。將傳統(tǒng)的訓(xùn)練系統(tǒng)管理和現(xiàn)有的智能訓(xùn)練管理整合到新型的移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中。

場(chǎng)景3：指揮官系統(tǒng)的應(yīng)用。首創(chuàng)VR+AR模式指揮官系統(tǒng)，指揮官可以隨時(shí)隨地使用AR系統(tǒng)對(duì)VR訓(xùn)練者進(jìn)行指令，減少延誤時(shí)間，增加作戰(zhàn)效率。同時(shí)增加自定義模塊化訓(xùn)練系統(tǒng)充分發(fā)揮訓(xùn)練者的應(yīng)變能力，自由組合訓(xùn)練場(chǎng)景，突破傳統(tǒng)的日常警務(wù)訓(xùn)練依托于場(chǎng)地、器材、教授人員水平等的限制，難以實(shí)現(xiàn)訓(xùn)練標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一化。

四、實(shí)戰(zhàn)應(yīng)用成效

訓(xùn)練系統(tǒng)創(chuàng)新了一種警務(wù)訓(xùn)練應(yīng)用。得益于不斷累積的訓(xùn)練數(shù)據(jù)，可以優(yōu)化訓(xùn)練流程，提升訓(xùn)練效果。通過(guò)在實(shí)際應(yīng)用中優(yōu)化升級(jí)，滿足更加復(fù)雜的針對(duì)性訓(xùn)練需求。這套系統(tǒng)現(xiàn)成功應(yīng)用于重慶市公安局江北區(qū)分局，在一年的使用過(guò)程中，江北分局先后有500余名民警使用了此套系統(tǒng)，充分利用民警的碎片化時(shí)間，取得了良好的訓(xùn)練成果。后臺(tái)數(shù)據(jù)顯示，規(guī)范執(zhí)法流程的錯(cuò)誤率從原來(lái)的10%降低至3%。同時(shí)通過(guò)系統(tǒng)采集到的訓(xùn)練數(shù)據(jù)，教官可以更好的分析每個(gè)訓(xùn)練者的情況進(jìn)行針對(duì)性的訓(xùn)練。這套系統(tǒng)的應(yīng)用顯著減少了訓(xùn)練成本，提高了訓(xùn)練效率，起到了良好的示范效應(yīng)。

新技術(shù)的應(yīng)用讓受訓(xùn)者在訓(xùn)練時(shí)更有代入感、沉浸感；定制的訓(xùn)練內(nèi)容幫助基層民警提高對(duì)槍械的敏感性和熟悉程度，緩解實(shí)際使用中因緊張產(chǎn)生的壓力，采取正確的執(zhí)法流程。VR仿真訓(xùn)練儀（平臺(tái)）榮獲了2019年重慶市公安改革創(chuàng)新大賽一等獎(jiǎng)，并已入選公安部科技成果推廣目錄。

五、結(jié)語(yǔ)

近年來(lái)，動(dòng)作捕捉系統(tǒng)的發(fā)展與應(yīng)用，為精確三維動(dòng)態(tài)建模及全身動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集提供了有力支撐。公安民警VR仿真訓(xùn)練儀（平臺(tái)）在現(xiàn)有的無(wú)限運(yùn)動(dòng)平臺(tái)及動(dòng)映力反饋系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，引入慣性動(dòng)作捕捉系統(tǒng)，以提高系統(tǒng)的沉浸感、臨在感與交互性。該系統(tǒng)為提高警務(wù)訓(xùn)練效率提供了一種新的選擇，在訓(xùn)練領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。