姚 凡，謝澤浩， 薛 娜，陳 超

（華北科技學(xué)院計算機(jī)學(xué)院，廊坊 065201）

0 引言

道路交通傷害是導(dǎo)致死亡的主要原因之一，在全球死因排名中位居第11 位，并且是全球疾病負(fù)擔(dān)的第9 位主要因素。全球每年有120 萬人死于交通事故，更有數(shù)以萬計的人因此受傷，其中一些人甚至終生殘疾。因此，對于交通事故應(yīng)急演練的研究具有迫切性。在國內(nèi)的研究中，葉劍友等［1］通過模擬演練對交通事故中可能出現(xiàn)的突發(fā)狀況進(jìn)行了研究，并取得了顯著成果。然而，該研究存在成本過高和適用對象局限于消防大隊等專業(yè)人員的問題，無法廣泛應(yīng)用于大眾群體。其他研究，如胡小南等［2］對高速公路交通事故傷立體救治演練進(jìn)行了分析和研究，針對交通事故傷的救治難點進(jìn)行了探討。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)綜合了多種科學(xué)技術(shù)，包括計算機(jī)圖形技術(shù)、仿真技術(shù)、人機(jī)交互技術(shù)、人工智能技術(shù)、傳感器技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等［3］。在應(yīng)急演練領(lǐng)域，虛擬現(xiàn)實技術(shù)被廣泛應(yīng)用。例如，陳建剛等［4］將3D 游戲引擎用于虛擬應(yīng)急演練；張雪晗［5］將VR 技術(shù)應(yīng)用于交通事故情景的圖像復(fù)原教學(xué)；朱新平等［6］設(shè)計了一種基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的機(jī)場消防應(yīng)急救援虛擬演練平臺；張婷等［7］通過結(jié)合消防安全教育和虛擬現(xiàn)實技術(shù)開發(fā)了面向消防安全教育的在線平臺。虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以創(chuàng)建逼真的虛擬環(huán)境，使用戶感覺自己置身于真實的交通場景中。用戶通過頭戴式顯示器和手柄等設(shè)備與虛擬環(huán)境進(jìn)行互動，增強(qiáng)了他們的參與感和沉浸感。

本文主要設(shè)計了基于混合現(xiàn)實技術(shù)的交通事故應(yīng)急仿真模擬系統(tǒng)，結(jié)合虛擬現(xiàn)實技術(shù)和動態(tài)捕捉技術(shù)，利用Unreal Engine 實現(xiàn)了交通事故發(fā)生的虛擬場景。系統(tǒng)使用OpenXR插件連接硬件設(shè)備，用戶佩戴混合現(xiàn)實頭盔，身臨其境地感受交通事故的發(fā)生過程，并通過手柄進(jìn)行應(yīng)急救援操作。通過本文的設(shè)計，使用者可以模擬演練交通事故的發(fā)生過程和標(biāo)準(zhǔn)操作，提高其應(yīng)急救援意識。

1 虛擬現(xiàn)實培訓(xùn)系統(tǒng)方案

該系統(tǒng)使用Unreal 引擎進(jìn)行開發(fā)，分為培訓(xùn)模塊和考核模塊。在培訓(xùn)模塊中，系統(tǒng)通過XMLReader 讀取題目，并通過直觀的UI 界面展示給用戶。用戶可以使用OpenXR支持的手柄進(jìn)行答題選擇，系統(tǒng)會根據(jù)用戶的選擇計算出成績，并將成績發(fā)送給考核模塊中的評分模塊進(jìn)行存儲?？己四K要求學(xué)生佩戴Perception Neuron動態(tài)捕捉設(shè)備，系統(tǒng)會以語音提示的形式給出考核任務(wù)，學(xué)生完成任務(wù)后將得到考核評分。最終的培訓(xùn)評分和考核評分將以直觀的方式顯示在頭戴式顯示設(shè)備上。系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體架構(gòu)

2 交通事故培訓(xùn)子模塊

培訓(xùn)子系統(tǒng)由場景設(shè)計和UI 設(shè)計兩個關(guān)鍵部分組成。場景設(shè)計的目標(biāo)是分析和設(shè)計交通事故發(fā)生過程中的靜態(tài)和動態(tài)元素，并借助Unreal 引擎來模擬真實的交通事故場景。通過場景的還原和模擬，學(xué)員能夠身臨其境地感受交通事故的發(fā)生，并在虛擬環(huán)境中進(jìn)行培訓(xùn)。同時，與UI 設(shè)計的配合能夠提供更加直觀和交互式的學(xué)習(xí)體驗。UI 設(shè)計利用OpenXR 開發(fā)包，專門針對HTC Vive 手柄進(jìn)行交互設(shè)計。學(xué)員可以通過手柄與UI 界面進(jìn)行互動，參與交通事故的模擬仿真培訓(xùn)。在UI 界面中，學(xué)員將面臨一系列與交通事故相關(guān)的問題或情境，并需要使用手柄進(jìn)行選擇或操作。學(xué)員的選擇將被記錄并得出相應(yīng)的培訓(xùn)結(jié)果，幫助他們加深對交通事故的認(rèn)知和應(yīng)對能力。通過將場景設(shè)計和UI設(shè)計相結(jié)合，培訓(xùn)子系統(tǒng)為學(xué)員提供了一個綜合的培訓(xùn)平臺。學(xué)員可以在虛擬環(huán)境中參與交通事故的模擬，通過與UI 界面的交互與挑戰(zhàn)，增強(qiáng)對交通事故相關(guān)知識和技能的學(xué)習(xí)與實踐。這種綜合的培訓(xùn)方式不僅提供了更加真實和身臨其境的學(xué)習(xí)體驗，還能夠有效促進(jìn)學(xué)員的參與度和培訓(xùn)效果。

2.1 場景設(shè)計

在交通事故培訓(xùn)模塊中，場景設(shè)計起著關(guān)鍵作用，旨在通過模擬真實的駕駛環(huán)境和交通事故場景，為學(xué)員提供身臨其境的培訓(xùn)體驗。為了實現(xiàn)這一目標(biāo)，我們使用了Unreal Engine引擎的場景編輯器，以創(chuàng)建一個逼真的虛擬場景。該場景包括道路、交通標(biāo)志、建筑物等靜態(tài)元素，以還原真實世界中的交通環(huán)境。通過Unreal Engine 的場景編輯器，精確地布置道路和交通標(biāo)志，以模擬真實道路的形狀和布局。此外，使用BluePrint 和Niagara 系統(tǒng)實現(xiàn)動態(tài)元素，如煙霧、火焰等，以增加場景的真實感和細(xì)節(jié)。這些元素的精心設(shè)計和放置，使學(xué)員能夠感受到真實駕駛環(huán)境的復(fù)雜性和變化性。場景設(shè)計需要綜合考慮培訓(xùn)目標(biāo)和學(xué)員需求，確保場景的逼真性和教育性。通過精心設(shè)計和細(xì)致調(diào)整，創(chuàng)建一個具有高度真實性和教育效果的交通事故培訓(xùn)場景。場景設(shè)計如圖2所示。

圖2 場景設(shè)計

圖3 藍(lán)圖設(shè)計交互

2.2 UI設(shè)計

在UI 設(shè)計方面，首先在UI 編輯器中創(chuàng)建一個新的UI Widget，并添加所需的UI 元素，如文本框、按鈕和進(jìn)度條，以滿足培訓(xùn)模塊的界面需求。通過藍(lán)圖配置UI 元素的交互行為，為按鈕添加點擊事件，使學(xué)員在完成選擇后能夠跳轉(zhuǎn)到下一個模擬場景。為了響應(yīng)用戶的輸入操作，需要在UI Widget 中設(shè)置輸入事件處理，以使用戶能夠通過手柄與UI 進(jìn)行交互。在Unreal Engine 中，可以利用其內(nèi)置的輸入系統(tǒng)來處理各種交互操作，并完成點擊UI后的跳轉(zhuǎn)功能。

對于答題模塊，系統(tǒng)準(zhǔn)備包含題目和答案的XML 文件。XML 文件是一種標(biāo)記語言，用于存儲結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)。在XML 文件中，可以使用標(biāo)簽來定義題目和答案的結(jié)構(gòu)，并使用元素來表示具體的題目和答案內(nèi)容。確保XML 文件的格式正確且易于解析。

在Unreal 引擎中，首先創(chuàng)建一個UI 界面，用于顯示題目并接受用戶的答題選擇。使用UMG（unreal motion graphics）系統(tǒng)創(chuàng)建自定義的UI 界面，包括文本框、按鈕和其他交互元素。確保UI 界面與答題需求相符，并能夠正確呈現(xiàn)題目和選項。

在答題模塊的代碼或藍(lán)圖中，使用XMLReader插件加載XML文件，并解析其中的內(nèi)容。根據(jù)XML 文件的結(jié)構(gòu)，逐個讀取題目和答案，并將其存儲到適當(dāng)?shù)淖兞炕驍?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，以便后續(xù)的顯示和答題過程。將從XML 文件中讀取的題目和選項內(nèi)容顯示在答題界面上。通過將題目文本賦值給相應(yīng)的文本框，并將選項內(nèi)容綁定到對應(yīng)的按鈕或復(fù)選框上，使學(xué)員能夠看到題目和可選的答案選項。確保界面的布局和設(shè)計清晰易懂，用戶能夠方便地進(jìn)行答題選擇。監(jiān)聽用戶的答題選擇事件，當(dāng)用戶點擊選項按鈕或進(jìn)行答題操作時，獲取用戶選擇的答案，并與正確答案進(jìn)行比較。根據(jù)答案的準(zhǔn)確性，計算用戶的得分或評估，并進(jìn)行相應(yīng)的反饋或記錄。根據(jù)實際需求和規(guī)則，確定答案的匹配方式和得分計算方法。通過以上UI 設(shè)計和答題模塊的實現(xiàn)，系統(tǒng)能夠提供交互式界面，讓學(xué)員參與答題過程，并根據(jù)其答題結(jié)果進(jìn)行評估和反饋，從而增強(qiáng)學(xué)員的參與感和學(xué)習(xí)效果。

3 考核子系統(tǒng)

3.1 基于動態(tài)捕捉的考核動作記錄

在本研究中，我們采用Perception Neuron 動態(tài)捕捉設(shè)備進(jìn)行學(xué)員動作的實時捕捉。Perception Neuron是一種先進(jìn)的身體運動捕捉系統(tǒng)，由多個傳感器節(jié)點組成，可以精確地記錄學(xué)員身體各部位的運動。該設(shè)備通過無線連接與計算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，能夠提供高精度和低延遲的動作捕捉效果。將Perception Neuron 動態(tài)捕捉設(shè)備通過Axis軟件與計算機(jī)連接，可以實時獲取學(xué)員身體各部位的動作數(shù)據(jù)，Axis插件如圖4所示。

圖4 Axis插件導(dǎo)入動態(tài)捕捉數(shù)據(jù)

學(xué)員在考核過程中穿戴動態(tài)捕捉設(shè)備，通過與虛擬場景中的角色進(jìn)行匹配，我們可以準(zhǔn)確記錄學(xué)員在培訓(xùn)過程中的動作表現(xiàn)，如圖5所示。該過程涉及數(shù)據(jù)的傳輸、解析和處理，確保捕捉到的動作數(shù)據(jù)與虛擬場景的角色一致。通過動作捕捉技術(shù)，我們能夠記錄學(xué)員的動作數(shù)據(jù)，包括位置、旋轉(zhuǎn)、姿勢等信息。這些數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)庫或文件中，供后續(xù)的評估和分析使用。同時，我們可以采用數(shù)據(jù)分析方法，探索學(xué)員的動作模式、錯誤行為以及改進(jìn)點，從而為培訓(xùn)提供個性化的建議和指導(dǎo)。

圖5 記錄學(xué)員在虛擬場景中的動作

3.2 考核結(jié)果

根據(jù)動態(tài)捕捉數(shù)據(jù)信息，系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確記錄學(xué)員在考核過程中的動作信息。通過對學(xué)員動作姿態(tài)的回放，可以對其動作行為規(guī)范進(jìn)行評分。這種基于動態(tài)捕捉的評分方法能夠更加客觀地評估學(xué)員的表現(xiàn)，并提供有針對性的反饋。

在學(xué)員培訓(xùn)子模塊中，系統(tǒng)會收集和記錄學(xué)員的答題正確率。這些數(shù)據(jù)被用于分析學(xué)員的表現(xiàn)，并生成相應(yīng)的評分。在考核子模塊中，系統(tǒng)會綜合考慮學(xué)員在培訓(xùn)過程中的各項表現(xiàn)，并結(jié)合動態(tài)捕捉數(shù)據(jù)信息的評分結(jié)果，得出最終的考核結(jié)果。這種綜合評分的方法能夠全面評估學(xué)員的培訓(xùn)成果和能力水平。

通過動態(tài)捕捉數(shù)據(jù)信息的記錄和評分，系統(tǒng)能夠提供準(zhǔn)確、客觀的評估，并對學(xué)員的動作行為規(guī)范進(jìn)行指導(dǎo)和改進(jìn)。同時，通過培訓(xùn)子模塊的評分和考核子模塊的評分結(jié)合，系統(tǒng)能夠綜合考量學(xué)員的綜合能力，提供全面的培訓(xùn)和考核結(jié)果，幫助學(xué)員提升技能水平和應(yīng)急反應(yīng)能力。

4 測試

4.1 測試設(shè)計

層次分析法是一種決策分析方法（analytic hierarchy process，AHP），可以對系統(tǒng)的可行性進(jìn)行分析。本文使用層次分析法分別對各級指標(biāo)的權(quán)重進(jìn)行計算，得出培訓(xùn)系統(tǒng)的沉浸性、合理性、流暢性、穩(wěn)定性、可操作性五個因素的具體權(quán)重值。三十名實驗人員對培訓(xùn)系統(tǒng)進(jìn)行體驗和培訓(xùn)，然后根據(jù)五個影響因素進(jìn)行評分。

4.2 測試數(shù)據(jù)來源

將以上五個指標(biāo)通過專家進(jìn)行兩兩對比，從而排除不同因素之間的相互影響，根據(jù)兩者之間的重要性評分，將數(shù)據(jù)進(jìn)行層次分析，得到結(jié)果見表1。

表1 影響因素賦值

表2 一致性檢驗結(jié)果

CR 值的大小體現(xiàn)判斷矩陣一致性的好壞，如果CR 值小于0.1，則滿足判斷矩陣一致性檢驗，以上測試判斷矩陣得到的CI值為0.024308，則計算得到CR 值為0.0217，其值＜0.1，故本次測試滿足一致性檢驗，即所得權(quán)重具有一致性。

4.3 結(jié)果分析

通過層次分析法的結(jié)果可知，系統(tǒng)的滿意度和各方面特性得到了認(rèn)可。系統(tǒng)通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)使人們在虛擬現(xiàn)實場景下進(jìn)行系統(tǒng)的培訓(xùn)和姿態(tài)存儲分析，在沉浸性、流暢性和實用性等各方面均有不錯的表現(xiàn)，提供了一種可行的高效率的培訓(xùn)方案。

5 結(jié)語

本文設(shè)計了一種基于混合現(xiàn)實的交通事故應(yīng)急仿真培訓(xùn)系統(tǒng)，系統(tǒng)通過混合現(xiàn)實場景下交通事故現(xiàn)場的模擬，對學(xué)員進(jìn)行培訓(xùn)，使用動態(tài)捕捉系統(tǒng)捕捉學(xué)員的動作姿態(tài)，進(jìn)行回放評分。系統(tǒng)為用戶提供了高度沉浸式、實時性和穩(wěn)定性的交通事故仿真培訓(xùn)體驗。