張 婷， 楊 揚(yáng)， 楊啟浩， 柴春雷

（浙江大學(xué)國際設(shè)計(jì)研究院，杭州310058）

0 引 言

校園消防安全教育是所有師生不可忽視的一門功課，安全事故時(shí)刻提醒安全教育的重要性。近年來，VR技術(shù)發(fā)展迅猛，在很多領(lǐng)域都得到了應(yīng)用。如何將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與消防安全教育相結(jié)合，提高消防培訓(xùn)效果，增強(qiáng)學(xué)生的消防安全意識(shí)，成為國際設(shè)計(jì)研究院師生創(chuàng)新實(shí)踐的新方向。學(xué)院通過研究多模態(tài)交互機(jī)制，開發(fā)基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的消防安全教育在線平臺(tái)，即校園火災(zāi)逃生虛擬教學(xué)系統(tǒng)軟件。該系統(tǒng)研發(fā)VR安全教育內(nèi)容，主要針對(duì)火災(zāi)逃生的演練，沉浸式體驗(yàn)?zāi)茏岓w驗(yàn)者感受更真切，更身臨其境，從而有助于體驗(yàn)者學(xué)習(xí)到火災(zāi)逃生的要領(lǐng)以及技巧。結(jié)合社會(huì)發(fā)展需要，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可為增強(qiáng)消防安全意識(shí)提供多種應(yīng)用。基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的消防安全教育平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)學(xué)校、商場、辦公樓等多種培訓(xùn)場景，為該技術(shù)研究的創(chuàng)新提供了更多可能性。

1 實(shí)驗(yàn)室消防安全教學(xué)實(shí)踐的現(xiàn)狀

1.1 消防安全教育中的問題

對(duì)于大眾來說，要提高公眾的消防安全素質(zhì)，加強(qiáng)消防科普教育，幫助大眾有效獲取消防安全知識(shí)是重點(diǎn)。除了使用常規(guī)的消防演練以及各種宣傳手段讓公眾獲得了解和學(xué)習(xí)相關(guān)知識(shí)和技能以外，最主要還是在培訓(xùn)中體驗(yàn)實(shí)際操作，使相關(guān)知識(shí)和技能牢記在心，才能在危險(xiǎn)來臨時(shí)，處變不驚［1］。

目前，縱觀國內(nèi)高校的消防安全教育狀況，主要問題，①對(duì)于消防安全教育的重視程度不夠，大多數(shù)高校并未將安全教育納入日常課程體系中，學(xué)生甚至教職工認(rèn)為火災(zāi)和自己的日常生活距離很遙遠(yuǎn)，消防安全意識(shí)淡薄，不能意識(shí)到潛在的危險(xiǎn)；②高校相應(yīng)訓(xùn)練素材和場地得不到保障，沒有配套齊全的裝備器材，教育方法與方式局限于課本，學(xué)生的安全教育學(xué)習(xí)缺乏體驗(yàn)感，沒有興趣深入學(xué)習(xí)，更談不上熟練掌握逃生技巧和正確使用滅火器材；③知識(shí)技能與實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)脫節(jié)，教育實(shí)效性有待加強(qiáng)。學(xué)校安全教育的開展形式主要是來自講述、圖片、視頻等方面的警示教育，安全演習(xí)、消防疏散演習(xí)等形式的實(shí)踐訓(xùn)練較少，難以保證消防安全教育的有效性［2］。④傳統(tǒng)消防演練無法再現(xiàn)火情臨場感，險(xiǎn)情突發(fā)時(shí)，在烈火和濃煙中，受災(zāi)者的精神會(huì)高度緊張、極度恐懼，失去判斷的能力，而大多數(shù)消防安全演習(xí)中相關(guān)人員敷衍走過場，演練的數(shù)量與質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到訓(xùn)練的目標(biāo)。

1.2 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在消防安全教育現(xiàn)狀

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)基于多媒體、人機(jī)接口、感知傳感、人工智能、仿真等技術(shù)，創(chuàng)建綜合多種感官一體化的虛擬環(huán)境，用戶借助必要的設(shè)備以自然的方式與虛擬環(huán)境中的對(duì)象進(jìn)行交互，獲得身臨其境的感受與體驗(yàn)［3］。3D虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用在教學(xué)實(shí)踐，能夠突破時(shí)間與空間的限制，給學(xué)習(xí)者提供視覺、聽覺等多種體驗(yàn)，創(chuàng)建真實(shí)感的學(xué)習(xí)環(huán)境、優(yōu)化教學(xué)過程。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在災(zāi)難預(yù)防與搶救的仿真建模中的應(yīng)用也在積極嘗試，國外已有不少研制成功的救災(zāi)、防災(zāi)模擬仿真系統(tǒng)。例如，1993年英國的Colt Virtual Reality公司就開發(fā)了一個(gè)被稱為“Vegas”的火災(zāi)疏散演示模擬仿真系統(tǒng)，該系統(tǒng)是基于Dimension International的Superscape虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)環(huán)境而開發(fā)的。它以三維動(dòng)畫的形式演示火災(zāi)發(fā)生時(shí)人員的疏散情況，使用戶更有參與感，提升了趣味性，讓用戶能夠親身體驗(yàn)火災(zāi)發(fā)生時(shí)的感覺。受限于當(dāng)時(shí)的技術(shù)水平，該仿真系統(tǒng)的視覺觀感仍然不夠真實(shí)，建模粗劣，交互性與沉浸感不足。通過普通用戶的參與，大眾有效培養(yǎng)了良好的防災(zāi)意識(shí)，在火災(zāi)發(fā)生時(shí)能夠迅速離開火場或采取報(bào)警、營救等措施。

國內(nèi)在這一研究領(lǐng)域尚處于初步階段，但已經(jīng)得到有關(guān)部門重視。例如，長春大學(xué)組成聯(lián)合研發(fā)團(tuán)隊(duì)，開發(fā)了校園安全演練教學(xué)和考核系統(tǒng)；2016年11月，網(wǎng)龍網(wǎng)絡(luò)公司在福建省“119”消防宣傳月中針對(duì)小學(xué)生開發(fā)了消防安全VR教育體驗(yàn)系統(tǒng)。目前針對(duì)消防安全教育領(lǐng)域的研究存在些許不足，例如，研究方法缺乏有效的吸引力，大多數(shù)系統(tǒng)為桌面式，體驗(yàn)感不強(qiáng)，教學(xué)內(nèi)容形式單一等。營造真實(shí)的環(huán)境十分關(guān)鍵，虛擬三維空間建模好壞決定了用戶體驗(yàn)是否能夠產(chǎn)生沉浸感和真實(shí)感，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮技術(shù)水平與實(shí)現(xiàn)成本，將教育教學(xué)理論與VR技術(shù)深度融合，立足用戶綜合體驗(yàn)，激發(fā)學(xué)習(xí)者的興趣和學(xué)習(xí)熱情，以期達(dá)到最終的教學(xué)目的［4-6］。

2 將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于消防安全教育

2.1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在消防教育中的優(yōu)勢

為了探索虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在消防安全教育領(lǐng)域應(yīng)用的可能性，研究多模態(tài)交互機(jī)制，探索基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的面向消防安全教育的在線平臺(tái)，國際設(shè)計(jì)研究院師生團(tuán)隊(duì)開發(fā)了校園火災(zāi)逃生虛擬教學(xué)系統(tǒng)軟件，意在針對(duì)火災(zāi)逃生的演練，沉浸式體驗(yàn)?zāi)茏屖褂谜吒惺芨媲?，更身臨其境，從而有助于使用者學(xué)習(xí)到火災(zāi)逃生的要領(lǐng)以及技巧。之所以把虛擬現(xiàn)實(shí)作為消防安全教育的教學(xué)輔助工具，是由于虛擬消防體驗(yàn)?zāi)Ｊ脚c傳統(tǒng)消防安全教育方法相比，具有仿真性、開放性、針對(duì)性、自主性、安全性和節(jié)約性的特點(diǎn)［7-8］。

虛擬演練環(huán)境是以現(xiàn)實(shí)培養(yǎng)演練環(huán)境為基礎(chǔ)搭建的，操作規(guī)則同樣立足于現(xiàn)實(shí)中實(shí)際的操作規(guī)范，旨在營造真實(shí)感與沉浸感。與現(xiàn)實(shí)中的真實(shí)安全演練相比，虛擬仿真訓(xùn)練可隨時(shí)進(jìn)行多次重復(fù)演練，體驗(yàn)者始終處于安全教育的主導(dǎo)地位，掌握安全教育主動(dòng)權(quán)。虛擬演練的另一大優(yōu)勢就是可以方便地模擬任何培訓(xùn)科目，借助虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，受訓(xùn)者可以將自身置于各種復(fù)雜、突發(fā)環(huán)境中去，從而進(jìn)行針對(duì)性訓(xùn)練，提高自身的應(yīng)變能力與相關(guān)處理技能。作為培訓(xùn)中重中之重的安全性，虛擬的演練環(huán)境遠(yuǎn)比現(xiàn)實(shí)中安全，培訓(xùn)與受訓(xùn)人員可以大膽地在虛擬環(huán)境中嘗試各種演練方案，即使闖下大禍，也不會(huì)造成惡果，而是將這一切放入演練評(píng)定中，作為最后演練考核的參考［9-10］。

2.2 設(shè)計(jì)方案的內(nèi)容和重點(diǎn)

當(dāng)前基于基地化的實(shí)戰(zhàn)訓(xùn)練存在多種局限，如：對(duì)于實(shí)際燃燒物質(zhì)的多樣性和事故現(xiàn)場的復(fù)雜性，基地化訓(xùn)練難以模擬實(shí)現(xiàn)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為這些問題的解決提供了強(qiáng)有力的支持。國際設(shè)計(jì)研究院師生團(tuán)隊(duì)的消防演練軟件探索了VR場景中深度壓縮問題優(yōu)化、多模態(tài)混合的VR交互技術(shù)研究、可控溫度反饋模塊的設(shè)計(jì)開發(fā)、動(dòng)態(tài)場景仿真與建模等問題，開展了大量研究，取得一定的成效［11］。

（1）結(jié)合多個(gè)前沿的研究成果改善了用戶在虛擬環(huán)境中廣泛存在的深度壓縮問題，讓用戶能夠更準(zhǔn)確地感知、理解虛擬場景的布局。

（2）融合了視覺、聽覺、觸覺、溫度的多模態(tài)交互方法，讓用戶可以更深入地參與教學(xué)中，充分挖掘了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育領(lǐng)域的潛力。

（3）針對(duì)消防教育的特點(diǎn)創(chuàng)造性地設(shè)計(jì)了可控溫度反饋模塊，為用戶營造了更加出色的沉浸感。

（4）動(dòng)態(tài)場景的仿真與建模即提高了場景的渲染效率，也為用戶提供了更多交互的可能性，顯著提高了教學(xué)質(zhì)量。

2.3 項(xiàng)目研究成果及形式

（1）通過對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)場景中的溫度壓縮優(yōu)化。①保證虛擬場景的真實(shí)感。在不顯著降低渲染效率的前提下盡可能提高場景模型和渲染效果的真實(shí)感。②預(yù)先讓用戶完成一些行走任務(wù)，以此增強(qiáng)用戶的存在感，從而提高其對(duì)虛擬場景的感知準(zhǔn)確性。③引入多模態(tài)、多通道的交互方法。提供視覺、聽覺、觸覺、溫度信息可以顯著改善深度壓縮問題。

（2）使用多模態(tài)融合的虛擬現(xiàn)實(shí)交互技術(shù)。多模態(tài)融合的虛擬現(xiàn)實(shí)交互技術(shù)圖解見圖1。

圖1 多模態(tài)融合的虛擬現(xiàn)實(shí)交互技術(shù)圖解

視覺、聽覺、觸覺信息的獲取是用戶對(duì)虛擬場景進(jìn)行感知、交互的基礎(chǔ)。為了營造更好的沉浸感，增強(qiáng)用戶的學(xué)習(xí)效果，為用戶提供了視覺、聽覺、觸覺、溫度多模態(tài)混合的交互方法。利用HTC Vive提供的Lighting House定位技術(shù)，實(shí)時(shí)檢測用戶頭部和手部的運(yùn)動(dòng)，根據(jù)用戶當(dāng)前行為實(shí)時(shí)地提供多模態(tài)的信息反饋。HTC Vive提供的控制器符合人體工程學(xué)原理，可以模擬用戶在現(xiàn)實(shí)生活中的觸摸、抓取、指點(diǎn)等行為，讓用戶以最自然的方式與虛擬物體進(jìn)行交互［12-13］。用戶可以用抓取動(dòng)作拾取虛擬桌面上的水杯，可以按下扳機(jī)鍵來啟動(dòng)虛擬的滅火器（見圖2）。

圖2 抓取水杯和按下扳機(jī)啟動(dòng)滅火器

2.4 在消防安全教育教學(xué)中的實(shí)踐效果

該系統(tǒng)已在國內(nèi)應(yīng)用于大中小學(xué)的安全常識(shí)和技能教育；消防部隊(duì)以及其他應(yīng)急救援力量的日常訓(xùn)練；安全生產(chǎn)重點(diǎn)行業(yè)和企業(yè)的安全技能培訓(xùn)等。國際設(shè)計(jì)研究院師生團(tuán)隊(duì)已與消防、安監(jiān)等部門合作，開展安全推廣，也在商場、學(xué)校、工廠搭建了體驗(yàn)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)了低成本、高效率、深沉浸的VR安全消防逃生演習(xí)。并在全國建立了5個(gè)典型應(yīng)用示范基地。授權(quán)國家發(fā)明專利1項(xiàng)。授權(quán)軟件著作權(quán)2件。培養(yǎng)碩士研究生4名。

國際設(shè)計(jì)研究院師生團(tuán)隊(duì)研發(fā)的校園火災(zāi)逃生虛擬教學(xué)系統(tǒng)軟件已安裝在學(xué)校安全保衛(wèi)處的“安全培訓(xùn)教室”，免費(fèi)對(duì)全校師生開放。2020年8月，研發(fā)團(tuán)隊(duì)與浙大安保處、浙大紅會(huì)急救培訓(xùn)與推廣中心三方聯(lián)辦的“VR+消防”公益消防安全培訓(xùn)教育活動(dòng)在學(xué)校紫金港校區(qū)安保處文化長廊舉行?；顒?dòng)期間，全校師生使用該團(tuán)隊(duì)的校園火災(zāi)逃生虛擬教學(xué)系統(tǒng)軟件，收獲了獨(dú)特的沉浸式消防教育體驗(yàn)。該系統(tǒng)通過語音和視覺的沖擊，打造出一個(gè)逼真的VR世界，讓參與的師生們?nèi)杠S不已，通過短短5 min身臨其境的體驗(yàn)，不僅知道了火場的恐怖，更是收獲了逃生常識(shí)與技巧。圖3為軟件使用過程中效果圖，圖4所示為產(chǎn)品展示圖。［14-15］

圖3 效果圖

圖4 產(chǎn)品展示圖

3 結(jié) 語

虛擬現(xiàn)實(shí)作為當(dāng)下新興的技術(shù)手段，給安全教育培訓(xùn)提供了新的方式，對(duì)未發(fā)生未接觸過的事情的理解很有啟發(fā)意義。虛擬演練環(huán)境操作方便，體驗(yàn)者始終處于安全教育的主導(dǎo)地位，掌握安全教育的主動(dòng)權(quán)。校園火災(zāi)逃生虛擬教學(xué)系統(tǒng)發(fā)軟件及硬件設(shè)備適用于消防安全教育的普及課堂，整個(gè)配可套裝置能模擬真實(shí)的操作，在仿真消防事故中進(jìn)行學(xué)習(xí)。安全事故演練是仿真模擬中的重要模塊，針對(duì)安全事故的演練，可以有效提高消防安全意識(shí)與臨危不亂的心理素質(zhì)和應(yīng)急處理能力。

今后，關(guān)于消防安全的虛擬現(xiàn)實(shí)創(chuàng)新實(shí)踐應(yīng)用，國際設(shè)計(jì)研究院實(shí)驗(yàn)室將進(jìn)行二次適應(yīng)性開發(fā)，繼續(xù)秉承教育創(chuàng)新實(shí)踐的宗旨，可應(yīng)用在應(yīng)急救援、突發(fā)環(huán)境事件應(yīng)急處置、疫情疫病檢疫處理、反恐防爆處置等領(lǐng)域，為高校創(chuàng)新實(shí)踐的探索提供借鑒。