王 峰，李智星，王俊琿，王昕澤

（1.水利水電國家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心（西安理工大學(xué)），陜西 西安 710048；2.西安理工大學(xué)水利水電學(xué)院，陜西 西安 710048）

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（VR）已進(jìn)入一個(gè)全新的實(shí)景仿真應(yīng)用時(shí)代[1]。利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)開發(fā)虛擬仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，可突破教學(xué)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地和課程安排限制，是很好的輔助和補(bǔ)充[2]。水利專業(yè)教學(xué)中的極端水力學(xué)現(xiàn)象和水災(zāi)害演進(jìn)都較難以用傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法模擬，且大型水利儀器設(shè)備和實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ痛嬖跇?gòu)造復(fù)雜、占用專用場(chǎng)地、價(jià)格昂貴、涉水涉電等問題，一定程度上制約了教學(xué)實(shí)驗(yàn)的靈活性和實(shí)效性，影響了學(xué)生實(shí)驗(yàn)實(shí)踐和創(chuàng)新能力培養(yǎng)。將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)獨(dú)有的展示特效、交互性能與水文水動(dòng)力理論知識(shí)、洪水災(zāi)害演進(jìn)機(jī)理相結(jié)合，將成為水利專業(yè)教學(xué)教具開發(fā)、教學(xué)科研實(shí)驗(yàn)發(fā)展的重要方向。

1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是一種可創(chuàng)建和體驗(yàn)虛擬世界的計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)，它利用計(jì)算機(jī)生成一種模擬環(huán)境，是一種多源信息融合、交互式的三維動(dòng)態(tài)視景和實(shí)體行為的系統(tǒng)仿真，并使用戶沉浸到這一環(huán)境中[3]。虛擬現(xiàn)實(shí)具有交互性、沉浸性和構(gòu)想性3 大特點(diǎn)[4]。通過三維建模和編程開發(fā)搭建模擬場(chǎng)景，讓用戶借助必要裝備與虛擬環(huán)境進(jìn)行交互，相互影響，增強(qiáng)了用戶對(duì)虛擬場(chǎng)景所對(duì)應(yīng)真實(shí)場(chǎng)景的感受和體驗(yàn)。

2 水模擬水災(zāi)害VR 教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

本文依托所承擔(dān)的項(xiàng)目課題，以高校水利專業(yè)課程教學(xué)實(shí)驗(yàn)和科普為需求牽引，研究開發(fā)水模擬水災(zāi)害VR 教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，解決復(fù)雜惡劣天氣和地理環(huán)境下極端水力學(xué)現(xiàn)象、水災(zāi)害用傳統(tǒng)教具、實(shí)驗(yàn)手段難以表達(dá)的問題，提高水模擬水災(zāi)害教學(xué)實(shí)驗(yàn)成效。Unity3D 是支持多平臺(tái)的綜合型游戲開發(fā)工具和全面整合的專業(yè)游戲引擎，可提供豐富的物理特效，有大量第三方插件支撐，采用事件函數(shù)驅(qū)動(dòng)機(jī)制。采用Unity3D 開發(fā)虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，可實(shí)現(xiàn)高效率的開發(fā)與部署。因此，本文采用Unity3D 設(shè)計(jì)開發(fā)水模擬水災(zāi)害VR 教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

2.1 設(shè)計(jì)思路

本文研究的水模擬水災(zāi)害認(rèn)知情景環(huán)境為城市城區(qū)、河道溝谷及其鄰近區(qū)域的復(fù)雜地理場(chǎng)景，并配套雷閃、狂風(fēng)、暴雨等惡劣天氣環(huán)境。配備VR 頭盔、手柄等沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備以及計(jì)算機(jī)圖形工作站、PC 電腦等搭建教學(xué)實(shí)驗(yàn)VR 體驗(yàn)硬件平臺(tái)。開發(fā)技術(shù)方案是通過3DMax 軟件、傾斜攝影測(cè)量三維建模途徑獲取三維實(shí)景模型，利用Unity3D 軟件和C#語言編寫開發(fā)水模擬水災(zāi)害虛擬仿真場(chǎng)景特效、人機(jī)互動(dòng)、消息反饋功能，場(chǎng)景特效、交互功能等。平臺(tái)設(shè)計(jì)流程如圖1所示。

圖1 設(shè)計(jì)思路

獲取水模擬水災(zāi)害典型情景區(qū)域地理空間相關(guān)數(shù)據(jù)。典型區(qū)域主要有2 類，一類是城市易形成暴雨內(nèi)澇區(qū)域，如低洼處、道路橋隧、下穿通道等；另一類是河道水庫洪水發(fā)生區(qū)域，如河流河道、水庫庫區(qū)及大壩下游區(qū)域。在項(xiàng)目開發(fā)中針對(duì)選定區(qū)域需事先準(zhǔn)備該區(qū)域及其周邊高精度數(shù)字高程數(shù)據(jù)，以及居住、工礦、交通、植被等土地利用信息。

典型情景區(qū)域三維實(shí)景模型建立。本文通過2 種途徑建立三維實(shí)景模型，一種是基于區(qū)域空間地圖（如GIS、CAD）、實(shí)景照片等數(shù)據(jù)，采用3DMax、Photoshop等軟件進(jìn)行三維實(shí)景建模；另一種是基于無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量數(shù)據(jù)，采用Pixel4D、Smart3D 等后處理軟件生成高精度傾斜攝影實(shí)景三維模型。將獲取的三維實(shí)景模型導(dǎo)入到Unity3D 中，初步建立VR 虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景。

VR 場(chǎng)景交互設(shè)計(jì)與開發(fā)。按照水模擬水災(zāi)害教學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和設(shè)計(jì)腳本，在Unity3D 中采用C#腳本語言完成虛擬仿真場(chǎng)景特效、交互設(shè)計(jì)、功能開發(fā)、數(shù)據(jù)響應(yīng)等編程開發(fā)；設(shè)置各類體驗(yàn)視角，設(shè)定各種體驗(yàn)路線，開發(fā)各項(xiàng)交互功能，后臺(tái)數(shù)據(jù)請(qǐng)求和響應(yīng)，按不同參數(shù)條件設(shè)置虛擬仿真環(huán)境中不同模擬結(jié)果。

2.2 系統(tǒng)平臺(tái)架構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的水模擬水災(zāi)害VR 教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用三層體系結(jié)構(gòu)，分別是應(yīng)用層、業(yè)務(wù)層、數(shù)據(jù)層。應(yīng)用層即表現(xiàn)層，提供用戶界面，根據(jù)用戶不同操作選擇相應(yīng)功能；業(yè)務(wù)層主要處理用戶請(qǐng)求，將用戶請(qǐng)求傳遞給表現(xiàn)層，各服務(wù)器與數(shù)據(jù)層進(jìn)行交互，完成對(duì)數(shù)據(jù)的操作；數(shù)據(jù)層是系統(tǒng)數(shù)據(jù)的管理核心。

3 平臺(tái)開發(fā)流程及實(shí)踐驗(yàn)證

本文選用VR 眼鏡頭盔、體感手柄和高性能電腦、顯示屏作為VR 體驗(yàn)平臺(tái)配套硬件，利用Unity3D 軟件、C#語言開發(fā)水模擬水災(zāi)害教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)VR 程序資源包，如城市雨洪災(zāi)害VR 體驗(yàn)、河道洪水災(zāi)害VR體驗(yàn)、堤壩潰決洪水災(zāi)害VR 體驗(yàn)等。本文以“城市雨洪災(zāi)害逃生避險(xiǎn)VR 體驗(yàn)”系統(tǒng)為例，闡述了具體開發(fā)流程。

3.1 資源導(dǎo)入和場(chǎng)景搭建

在Unity3D 中新建一個(gè)Project，創(chuàng)建完成后，通過菜單“File”→“NewScene”新建場(chǎng)景，在Assets選項(xiàng)下拉菜單里彈出import package 對(duì)話框選擇導(dǎo)入已建立的三維實(shí)景模型資源文件。

3.2 界面交互開發(fā)

使用Unity3D 中Unity 導(dǎo)航欄菜單NGUI 選項(xiàng)下的CreateaNewUI，創(chuàng)建UIRoot，分別編寫UIRoot 和UIPanel 腳本。利用UIRoot 腳本完成UI 界面高度、縮放比例等參數(shù)調(diào)整，利用UIPanel 腳本完成控件添加和布局，之后在UI 界面對(duì)應(yīng)按鈕下綁定相應(yīng)C#腳本。以體驗(yàn)場(chǎng)景切換按鈕為例，創(chuàng)建名為SwitchScene 的C#腳本，該腳本分別通過Onclick()函數(shù)監(jiān)控鼠標(biāo)按鈕點(diǎn)擊、Application.LoadLevel()函數(shù)切換并加載對(duì)應(yīng)場(chǎng)景、Application.Quit()函數(shù)關(guān)閉退出Unity3D 窗口程序，將編寫的C#腳本綁定至對(duì)應(yīng)圖標(biāo)按鈕下，可實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景切換和虛擬教學(xué)實(shí)驗(yàn)功能觸發(fā)。系統(tǒng)主界面如圖2所示。圖2（a）展示了“城市雨洪災(zāi)害逃生避險(xiǎn)VR 體驗(yàn)”系統(tǒng)提供的“洪澇災(zāi)害體驗(yàn)”和“逃生避險(xiǎn)演練”2 大體驗(yàn)功能模塊，在體驗(yàn)中提供上帝、司機(jī)和路人3種體驗(yàn)視角。圖2（b）表明系統(tǒng)提供引導(dǎo)體驗(yàn)和自由體驗(yàn)2 種學(xué)習(xí)者模式供選擇，可選擇切換至不同模式下的體驗(yàn)場(chǎng)景。

圖2 系統(tǒng)主界面

3.3 三維場(chǎng)景交互及體驗(yàn)功能開發(fā)

三維場(chǎng)景交互及體驗(yàn)功能主要包括場(chǎng)景切換、視角切換、位置移動(dòng)等動(dòng)作與交互，物品拾取、丟棄動(dòng)作與交互，界面標(biāo)簽選擇、條件控制交互、實(shí)時(shí)信息反饋、進(jìn)程控制等交互及體驗(yàn)功能開發(fā)。本文針對(duì)某城區(qū)制作了三維實(shí)景場(chǎng)景，利用水動(dòng)力模型對(duì)某場(chǎng)次暴雨進(jìn)行數(shù)值模擬，將數(shù)值結(jié)果轉(zhuǎn)為雨洪演進(jìn)過程風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，作為依據(jù)在Unity3D 中開發(fā)暴雨積水漲水過程特效。系統(tǒng)VR 教學(xué)體驗(yàn)內(nèi)容展示如圖3所示。圖3（a）展示了短時(shí)暴雨導(dǎo)致城市街道積水逐漸成災(zāi)的體驗(yàn)效果，圖3（b）展示了暴雨導(dǎo)致城市低洼地快速形成嚴(yán)重積澇，車輛被困、行人難以通行的體驗(yàn)效果。

圖3 系統(tǒng)VR 教學(xué)體驗(yàn)內(nèi)容展示

3.4 程序資源包發(fā)布

在Unity3D 中利用“Build Settings”菜單中的Platform 列表下選擇“PC，Mac&Linux Standalone”選項(xiàng)，完成程序資源包打包發(fā)布；之后將其部署在PC圖形工作站電腦，連接配置三星玄龍MR+VR 頭盔；最后完成軟硬件結(jié)合的VR 教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的構(gòu)建。

利用本文研究成果在西安理工大學(xué)水模擬及災(zāi)害管理中心搭建了水災(zāi)害VR 教學(xué)實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)易平臺(tái)，為學(xué)校“水力學(xué)”“河流動(dòng)力學(xué)”等研究生課程教學(xué)提供教學(xué)實(shí)驗(yàn)支撐，為水文水動(dòng)力數(shù)值模擬與仿真提供了畢業(yè)設(shè)計(jì)和科研驗(yàn)證平臺(tái)。將本文研究成果應(yīng)用于慶陽市海綿科普中心，為參觀者感知城市雨洪內(nèi)澇、河道溝道洪水災(zāi)害，為洪水防災(zāi)減災(zāi)科普知識(shí)提供VR 教學(xué)體驗(yàn)環(huán)境支撐。

4 結(jié)語

綜上，本文針對(duì)水模擬水災(zāi)害教學(xué)實(shí)驗(yàn)采用傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃痛笮蛢x器設(shè)備存在的問題，結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)優(yōu)勢(shì)，以計(jì)算機(jī)三維仿真建模、虛擬現(xiàn)實(shí)為技術(shù)支撐，研究與設(shè)計(jì)了沉浸式、多感知、交互性強(qiáng)、用戶體驗(yàn)良好的水模擬水災(zāi)害VR 教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。實(shí)踐證明，本文研究成果可有效支撐水利相關(guān)專業(yè)快速靈活開設(shè)虛擬仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)，增加教學(xué)實(shí)驗(yàn)時(shí)空自由度、學(xué)生實(shí)踐性和感知性，提升了水模擬水災(zāi)害教學(xué)實(shí)驗(yàn)效果，同時(shí)在水災(zāi)害科普教育中也能靈活運(yùn)用，具有良好的應(yīng)用前景。