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        采用虛擬聚焦交互技術的消防教育系統(tǒng)研究

        2021-07-15 08:24:20蔡青青陳思源楊芳圓
        電視技術 2021年5期
        關鍵詞:交互技術引擎虛擬現(xiàn)實

        蔡青青,陳思源,楊芳圓

        (1.紹興職業(yè)技術學院 信息工程學院,浙江 紹興 312000;2.中國聯(lián)通紹興分公司,浙江 紹興 312000)

        0 引 言

        火災是最常見的威脅人身安全的災害之一。通過對大量火災案例分析發(fā)現(xiàn),多數(shù)人員無法正確利用標志引導脫險,特別是老幼等弱勢群體[1],需要引起重點關注。目前,我國消防科普主要采取宣傳海報、微信公眾號以及視頻廣告等形式,在一定程度上起到了普及作用。但受時空的限制,消防科普缺少交互性,受眾人員缺乏學習興趣[2-3]。部分學校和單位等開展火災演練,教育效果相對較好。但由于火災發(fā)生的特殊性,公眾很難親身體驗真實情景,無法通過有效的方式自救。另外,該類科普忽視了對消防標志的宣傳教育。

        有效學習應該包括學習動機、清晰的學習目標以及足夠的練習3個部分[4]。為推進“智安城市”項目建設,加強對消防標志的宣傳教育,增加學習趣味性,設計一款采用虛擬現(xiàn)實技術的消防教育系統(tǒng)。目前,虛擬現(xiàn)實技術的解決方案主要有HTC VIVE、Oculus、Cardboard以及Gear VR等。其中,HTC VIVE需要連接電腦使用;Oculus主要針對國外市場,國內(nèi)市場很難獲取;Cardboard是谷歌的產(chǎn)品,其應用主要發(fā)布在Google Play應用市場;Gear VR由三星公司開發(fā),采用手機式設計,不需要連接電腦使用,并且完全兼容Oculus SDK,具有價格便宜的優(yōu)勢。鑒于此,本系統(tǒng)選擇基于Gear VR開發(fā)。針對傳統(tǒng)Gear VR凝視技術在虛擬交互中容易誤觸發(fā)的問題,對Oculus SDK的凝視功能進行研究,提出一種基于Gear VR的虛擬聚焦交互技術。

        1 虛擬消防教育系統(tǒng)總體設計

        虛擬消防教育系統(tǒng)主要涉及三維場景建模、場景渲染以及虛擬交互等技術。三維場景建模采用3ds MAX軟件,場景渲染采用Unity引擎,虛擬交互制作采用Gear VR相關技術。

        1.1 系統(tǒng)總體框架

        虛擬消防教育系統(tǒng)框架如圖1所示。系統(tǒng)實現(xiàn)方面,采用3ds MAX進行三維建模,搭建消防體驗館虛擬場景,采用Unity引擎進行場景渲染,采用Gear VR相關技術對交互對象檢測和使用的交互動作進行識別,采用本文提出的虛擬聚焦交互技術完成交互設計與制作,從而實現(xiàn)在場景顯示相應的提示文本,播放解說的語音、視頻及三維動畫等功能。系統(tǒng)采用人機虛擬交互的方式進行仿真交互,通過對交互對象和事件的綜合處理,實現(xiàn)消防安全教育功能仿真。

        圖1 虛擬消防教育系統(tǒng)框架圖

        1.2 系統(tǒng)場景構(gòu)建

        學習者在一個優(yōu)美的、逼真的虛擬教學環(huán)境進行學習,對學習內(nèi)容的印象會更加深刻。根據(jù)本系統(tǒng)的場景模型需求,選擇3ds MAX 2016工具對虛擬消防體驗館及其場景物品進行三維建模,采用烘焙貼圖技術進行貼圖處理,將每一個模型單獨導出為獨立的fbx文件。

        由于3ds MAX建模工具采用多邊形網(wǎng)格的方法制作模型,為真實還原物體原型,該方法往往需要使用幾百萬個甚至更多的多邊形網(wǎng)格,在實時運行應用時,設備終端需使用大量內(nèi)存來渲染該模型。為有效解決內(nèi)存消耗過大的問題,同時保持模型細節(jié),將模型導入Unity進行調(diào)整,采用細節(jié)層次(Level of details,LOD)技術對場景進行優(yōu)化[5],提高運行效率和精細度。運行實例效果如圖2所示。

        圖2 消防體驗館虛擬場景

        1.3 人機交互設計

        游戲問答式的人機交互是虛擬消防教育系統(tǒng)最大的特點。與傳統(tǒng)的非交互式消防教學系統(tǒng)相比,本系統(tǒng)增加了學習者自主學習過程,通過高強度的參與性,使消防教育更具有趣味性,從而提高學習者的學習興趣與專注度。該部分功能的實現(xiàn)需要使用3D引擎開發(fā)工具。在眾多的開發(fā)工具中,Unity引擎有著性價比高、適合在移動端開發(fā)3D應用以及對硬件設備要求不高等優(yōu)點,因此本文采用Unity引擎實現(xiàn)交互設計。

        1.3.1 Unity事件函數(shù)驅(qū)動機制

        Unity引擎采用事件函數(shù)驅(qū)動機制實現(xiàn)場景渲染和人機交互等功能[6-7],其主要功能函數(shù)的工作流程如圖3所示。事件函數(shù)組成Unity腳本,Awake、OnEnable及Start函數(shù)在游戲開始之前、初始化變量或游戲狀態(tài)時執(zhí)行;FixedUpdate函數(shù)是固定幀更新,適用于Unity中物理引擎的計算,通常用在剛體(Rigidbody)的受力處理;物理引擎的碰撞檢測是Unity實現(xiàn)虛擬人機交互的關鍵技術,該技術的實現(xiàn)與處理由OnCollisionEnter、OnCollision Stay、OnCollisionExit或OnTriggerEnter、OnTriggerStay以及OnTriggerExit函數(shù)輔助完成;Update函數(shù)用于邏輯更新,通常用于控制的實現(xiàn);OnDisable函數(shù)、OnDestroy函數(shù)在游戲場景中物體被銷毀時被調(diào)用;OnApplicationQuit函數(shù)是在應用程序退出時被調(diào)用。

        圖3 Unity引擎事件函數(shù)驅(qū)動流程圖

        1.3.2 碰撞檢測技術

        碰撞檢測技術是虛擬現(xiàn)實交互實現(xiàn)的重要技術。在Unity引擎中,檢測碰撞發(fā)生的方式有兩種:一種是利用碰撞器,另一種是利用觸發(fā)器。兩種技術都基于盒碰撞器、球碰撞器、膠囊碰撞器、網(wǎng)格碰撞器以及角色控制碰撞器開發(fā)[8-9]。場景中的規(guī)則物體如立方體、球體及膠囊體,可對應使用盒碰撞器、球碰撞器及膠囊碰撞器來實現(xiàn)碰撞,不規(guī)則的三維模型網(wǎng)格外形采用網(wǎng)格碰撞器模擬碰撞效果,角色控制碰撞器用于判斷場景中主要角色是否與其他物體發(fā)生碰撞。虛擬消防教育系統(tǒng)主要使用盒碰撞器和膠囊碰撞器。

        2 基于Gear VR的虛擬聚焦交互技術

        在基于Gear VR的虛擬消防教育系統(tǒng)中,碰撞發(fā)生在凝視射線和場景的任意對象之間。因此,針對凝視射線誤觸發(fā)率較高的問題,提出一種基于Gear VR的虛擬聚焦交互技術。

        2.1 實現(xiàn)原理

        基于Gear VR的虛擬現(xiàn)實項目通過凝視功能激活場景的交互對象實現(xiàn)交互。場景主相機掛載的VREyeRaycaster組件模擬用戶視線投射出一條射線,當該射線投射到場景對象所在的碰撞器,若該對象掛載了VRInteractiveItem組件,則觸發(fā)OnOver事件;當射線移出交互對象時,觸發(fā)OnOut事件。然而,虛擬消防教育系統(tǒng)有大量的交互對象相鄰,常會發(fā)生誤觸發(fā)的情況,影響用戶體驗。因此,本文提出一種基于Gear VR虛擬聚焦交互技術。

        本文方法在圖3所示Unity事件函數(shù)驅(qū)動的基礎上,對Oculus SDK的凝視技術進行改進。在觸發(fā)OnOver事件后,添加延時等待的處理動作,配合使用Image控件的fillAmount屬性呈現(xiàn)加載過程,增強用戶體驗感。當用戶凝視交互對象達到指定時間后,觸發(fā)自定義事件OnTrigger,供系統(tǒng)處理交互事件。其工作流程如圖4所示。

        圖4 本文方法事件函數(shù)驅(qū)動流程圖

        2.2 本文方法實現(xiàn)流程及步驟

        本文方法的實現(xiàn)流程如圖5所示,主要步驟如下:

        圖5 基于Gear VR虛擬聚焦交互技術流程圖

        (1)聲明變量isOn,用于標記視線是否聚焦于交互對象,初始值設置為false;聲明變量isTrigger,用于標記當前對象是否確認為需要交互的對象,初始值設置為false;

        (2)當視線聚焦交互對象時,其VRIntera- ctiveItem組件中IsOver屬性設置為true;

        (3)當isOn=false且IsOver=true時,圖像控件屬性fillAmount+=Time.deltaTime/triggerTime;

        (4)當圖像控件的fillAmount屬性增加到1時, 將isTrigger設置為true,同時生成自定義事件On Trigger,且將isOn標記為true;

        (5)當視線移出交互對象時,將isOn標記為false,isTrigger標記為false。

        基于Gear VR的虛擬聚焦交互技術實現(xiàn)效果如圖6所示。當凝視射線接觸到可交互對象時,畫面開始轉(zhuǎn)圈,等待確認時長結(jié)束,觸發(fā)交互。

        圖6 本文方法實現(xiàn)效果圖

        3 虛擬消防教育系統(tǒng)實現(xiàn)

        3.1 系統(tǒng)總體開發(fā)流程

        虛擬消防教育系統(tǒng)總體開發(fā)流程如圖7所示。首先,需要制作消防標識和消防館場景等圖像集,用3ds MAX制作模型和紋理貼圖等,重建消防館的虛擬三維場景,同時創(chuàng)建演示文字和解說音頻等資源庫,將以上所有資源導入到Unity引擎中;其次,在Oculus官網(wǎng)下載SDK文件,引入本系統(tǒng),進行Gear VR的開發(fā)環(huán)境配置,開發(fā)本文提出的基于Gear VR的虛擬交互技術;再次,利用該技術制作凝視功能,實現(xiàn)各場景的交互功能;最后,生成虛擬消防教育系統(tǒng)應用,進行測試與改進。

        圖7 系統(tǒng)總體開發(fā)流程

        3.2 系統(tǒng)的實現(xiàn)

        為了驗證本文方法的有效性,采用3ds MAX 2016制作三維場景與模型,采用Unity 2017進行場景渲染,基于Oculus SDK編寫代碼進行交互制作,導出虛擬消防教育系統(tǒng)應用,將生成的APK文件導入三星S8手機,在三星Gear VR虛擬現(xiàn)實設備中進行測試。在學習模塊,當視線凝視“推開”消防標識圖標時,系統(tǒng)彈出對話框,并進行文字解說,如圖8所示。

        圖8 “推開”消防標觸發(fā)效果圖

        在練習模塊,系統(tǒng)開發(fā)了大量的測試練習題,可供使用者進行大量的交互,如圖9所示。用戶通過本文提出的基于Gear VR的虛擬交互技術進行選擇答題,如果回答正確,系統(tǒng)彈出如圖10所示的界面,同時配有回答正確的音效;如果答錯,系統(tǒng)彈出如圖11所示的界面,同時配以回答錯誤的音效,并且對題目進行簡單分析,增加系統(tǒng)趣味性,加深使用者的理解和記憶,同時提升虛擬消防教育的體驗感。

        圖9 答題功能界面

        圖10 答對效果圖

        圖11 答錯效果圖

        4 結(jié) 語

        為解決傳統(tǒng)消防教育的弊端,研究基于虛擬現(xiàn)實技術的消防教育技術,提出了基于Gear VR的虛擬消防教育系統(tǒng)的設計與開發(fā)方法,給出總體設計和技術方案,開發(fā)了一套虛擬消防教育系統(tǒng)。為解決Gear VR在虛擬場景中容易誤觸發(fā)交互的問題,研究了Oculus SDK的凝視功能,開發(fā)出基于Gear VR的虛擬聚焦交互技術。實驗表明,本文所提的方法可以有效解決Gear VR凝視射線交互容易誤觸發(fā)交互和體驗感差的問題,可精確實現(xiàn)聚焦交互,增強了虛擬現(xiàn)實應用的體驗感,同時解決了傳統(tǒng)安全教育枯燥乏味、缺乏交互以及不易記憶的問題。

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