姚 凡，謝澤浩， 薛 娜，陳 超

（華北科技學(xué)院計(jì)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(wàn)人死于交通事故，更有數(shù)以萬(wàn)計(jì)的人因此受傷，其中一些人甚至終生殘疾。因此，對(duì)于交通事故應(yīng)急演練的研究具有迫切性。在國(guó)內(nèi)的研究中，葉劍友等［1］通過(guò)模擬演練對(duì)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(guò)高和適用對(duì)象局限于消防大隊(duì)等專業(yè)人員的問(wèn)題，無(wú)法廣泛應(yīng)用于大眾群體。其他研究，如胡小南等［2］對(duì)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(duì)交通事故傷的救治難點(diǎn)進(jìn)行了探討。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)綜合了多種科學(xué)技術(shù)，包括計(jì)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(shí)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(jì)了一種基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的機(jī)場(chǎng)消防應(yīng)急救援虛擬演練平臺(tái)；張婷等［7］通過(guò)結(jié)合消防安全教育和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)開發(fā)了面向消防安全教育的在線平臺(tái)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以創(chuàng)建逼真的虛擬環(huán)境，使用戶感覺(jué)自己置身于真實(shí)的交通場(chǎng)景中。用戶通過(guò)頭戴式顯示器和手柄等設(shè)備與虛擬環(huán)境進(jìn)行互動(dòng)，增強(qiáng)了他們的參與感和沉浸感。

本文主要設(shè)計(jì)了基于混合現(xiàn)實(shí)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(shí)技術(shù)和動(dòng)態(tài)捕捉技術(shù)，利用Unreal Engine 實(shí)現(xiàn)了交通事故發(fā)生的虛擬場(chǎng)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(shí)頭盔，身臨其境地感受交通事故的發(fā)生過(guò)程，并通過(guò)手柄進(jìn)行應(yīng)急救援操作。通過(guò)本文的設(shè)計(jì)，使用者可以模擬演練交通事故的發(fā)生過(guò)程和標(biāo)準(zhǔn)操作，提高其應(yīng)急救援意識(shí)。

1 虛擬現(xiàn)實(shí)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(guò)XMLReader 讀取題目，并通過(guò)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(huì)根據(jù)用戶的選擇計(jì)算出成績(jī)，并將成績(jī)發(fā)送給考核模塊中的評(píng)分模塊進(jìn)行存儲(chǔ)?？己四K要求學(xué)生佩戴Perception Neuron動(dòng)態(tài)捕捉設(shè)備，系統(tǒng)會(huì)以語(yǔ)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(píng)分。最終的培訓(xùn)評(píng)分和考核評(píng)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(chǎng)景設(shè)計(jì)和UI 設(shè)計(jì)兩個(gè)關(guān)鍵部分組成。場(chǎng)景設(shè)計(jì)的目標(biāo)是分析和設(shè)計(jì)交通事故發(fā)生過(guò)程中的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)元素，并借助Unreal 引擎來(lái)模擬真實(shí)的交通事故場(chǎng)景。通過(guò)場(chǎng)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(shí)，與UI 設(shè)計(jì)的配合能夠提供更加直觀和交互式的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。UI 設(shè)計(jì)利用OpenXR 開發(fā)包，專門針對(duì)HTC Vive 手柄進(jìn)行交互設(shè)計(jì)。學(xué)員可以通過(guò)手柄與UI 界面進(jìn)行互動(dòng)，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(wèn)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(duì)交通事故的認(rèn)知和應(yīng)對(duì)能力。通過(guò)將場(chǎng)景設(shè)計(jì)和UI設(shè)計(jì)相結(jié)合，培訓(xùn)子系統(tǒng)為學(xué)員提供了一個(gè)綜合的培訓(xùn)平臺(tái)。學(xué)員可以在虛擬環(huán)境中參與交通事故的模擬，通過(guò)與UI 界面的交互與挑戰(zhàn)，增強(qiáng)對(duì)交通事故相關(guān)知識(shí)和技能的學(xué)習(xí)與實(shí)踐。這種綜合的培訓(xùn)方式不僅提供了更加真實(shí)和身臨其境的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，還能夠有效促進(jìn)學(xué)員的參與度和培訓(xùn)效果。

2.1 場(chǎng)景設(shè)計(jì)

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

圖2 場(chǎng)景設(shè)計(jì)

圖3 藍(lán)圖設(shè)計(jì)交互

2.2 UI設(shè)計(jì)

在UI 設(shè)計(jì)方面，首先在UI 編輯器中創(chuàng)建一個(gè)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(guò)藍(lán)圖配置UI 元素的交互行為，為按鈕添加點(diǎn)擊事件，使學(xué)員在完成選擇后能夠跳轉(zhuǎn)到下一個(gè)模擬場(chǎng)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(guò)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(lái)處理各種交互操作，并完成點(diǎn)擊UI后的跳轉(zhuǎn)功能。

對(duì)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(yǔ)言，用于存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)。在XML 文件中，可以使用標(biāo)簽來(lái)定義題目和答案的結(jié)構(gòu)，并使用元素來(lái)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(gè)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(xiàng)。

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(gè)讀取題目和答案，并將其存儲(chǔ)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(guò)程。將從XML 文件中讀取的題目和選項(xiàng)內(nèi)容顯示在答題界面上。通過(guò)將題目文本賦值給相應(yīng)的文本框，并將選項(xiàng)內(nèi)容綁定到對(duì)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(xiàng)。確保界面的布局和設(shè)計(jì)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(diǎn)擊選項(xiàng)按鈕或進(jìn)行答題操作時(shí)，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(jì)算用戶的得分或評(píng)估，并進(jìn)行相應(yīng)的反饋或記錄。根據(jù)實(shí)際需求和規(guī)則，確定答案的匹配方式和得分計(jì)算方法。通過(guò)以上UI 設(shè)計(jì)和答題模塊的實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)能夠提供交互式界面，讓學(xué)員參與答題過(guò)程，并根據(jù)其答題結(jié)果進(jìn)行評(píng)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(dòng)態(tài)捕捉的考核動(dòng)作記錄

在本研究中，我們采用Perception Neuron 動(dòng)態(tài)捕捉設(shè)備進(jìn)行學(xué)員動(dòng)作的實(shí)時(shí)捕捉。Perception Neuron是一種先進(jìn)的身體運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)，由多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)組成，可以精確地記錄學(xué)員身體各部位的運(yùn)動(dòng)。該設(shè)備通過(guò)無(wú)線連接與計(jì)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(dòng)作捕捉效果。將Perception Neuron 動(dòng)態(tài)捕捉設(shè)備通過(guò)Axis軟件與計(jì)算機(jī)連接，可以實(shí)時(shí)獲取學(xué)員身體各部位的動(dòng)作數(shù)據(jù)，Axis插件如圖4所示。

圖4 Axis插件導(dǎo)入動(dòng)態(tài)捕捉數(shù)據(jù)

學(xué)員在考核過(guò)程中穿戴動(dòng)態(tài)捕捉設(shè)備，通過(guò)與虛擬場(chǎng)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(guò)程中的動(dòng)作表現(xiàn)，如圖5所示。該過(guò)程涉及數(shù)據(jù)的傳輸、解析和處理，確保捕捉到的動(dòng)作數(shù)據(jù)與虛擬場(chǎng)景的角色一致。通過(guò)動(dòng)作捕捉技術(shù)，我們能夠記錄學(xué)員的動(dòng)作數(shù)據(jù)，包括位置、旋轉(zhuǎn)、姿勢(shì)等信息。這些數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)或文件中，供后續(xù)的評(píng)估和分析使用。同時(shí)，我們可以采用數(shù)據(jù)分析方法，探索學(xué)員的動(dòng)作模式、錯(cuò)誤行為以及改進(jìn)點(diǎn)，從而為培訓(xùn)提供個(gè)性化的建議和指導(dǎo)。

圖5 記錄學(xué)員在虛擬場(chǎng)景中的動(dòng)作

3.2 考核結(jié)果

根據(jù)動(dòng)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(guò)程中的動(dòng)作信息。通過(guò)對(duì)學(xué)員動(dòng)作姿態(tài)的回放，可以對(duì)其動(dòng)作行為規(guī)范進(jìn)行評(píng)分。這種基于動(dòng)態(tài)捕捉的評(píng)分方法能夠更加客觀地評(píng)估學(xué)員的表現(xiàn)，并提供有針對(duì)性的反饋。

在學(xué)員培訓(xùn)子模塊中，系統(tǒng)會(huì)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(píng)分。在考核子模塊中，系統(tǒng)會(huì)綜合考慮學(xué)員在培訓(xùn)過(guò)程中的各項(xiàng)表現(xiàn)，并結(jié)合動(dòng)態(tài)捕捉數(shù)據(jù)信息的評(píng)分結(jié)果，得出最終的考核結(jié)果。這種綜合評(píng)分的方法能夠全面評(píng)估學(xué)員的培訓(xùn)成果和能力水平。

通過(guò)動(dòng)態(tài)捕捉數(shù)據(jù)信息的記錄和評(píng)分，系統(tǒng)能夠提供準(zhǔn)確、客觀的評(píng)估，并對(duì)學(xué)員的動(dòng)作行為規(guī)范進(jìn)行指導(dǎo)和改進(jìn)。同時(shí)，通過(guò)培訓(xùn)子模塊的評(píng)分和考核子模塊的評(píng)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(cè)試

4.1 測(cè)試設(shè)計(jì)

層次分析法是一種決策分析方法（analytic hierarchy process，AHP），可以對(duì)系統(tǒng)的可行性進(jìn)行分析。本文使用層次分析法分別對(duì)各級(jí)指標(biāo)的權(quán)重進(jìn)行計(jì)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(gè)因素的具體權(quán)重值。三十名實(shí)驗(yàn)人員對(duì)培訓(xùn)系統(tǒng)進(jìn)行體驗(yàn)和培訓(xùn)，然后根據(jù)五個(gè)影響因素進(jìn)行評(píng)分。

4.2 測(cè)試數(shù)據(jù)來(lái)源

將以上五個(gè)指標(biāo)通過(guò)專家進(jìn)行兩兩對(duì)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(píng)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(yàn)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(yàn)，以上測(cè)試判斷矩陣得到的CI值為0.024308，則計(jì)算得到CR 值為0.0217，其值＜0.1，故本次測(cè)試滿足一致性檢驗(yàn)，即所得權(quán)重具有一致性。

4.3 結(jié)果分析

通過(guò)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(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)使人們?cè)谔摂M現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景下進(jìn)行系統(tǒng)的培訓(xùn)和姿態(tài)存儲(chǔ)分析，在沉浸性、流暢性和實(shí)用性等各方面均有不錯(cuò)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(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種基于混合現(xiàn)實(shí)的交通事故應(yīng)急仿真培訓(xùn)系統(tǒng)，系統(tǒng)通過(guò)混合現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景下交通事故現(xiàn)場(chǎng)的模擬，對(duì)學(xué)員進(jìn)行培訓(xùn)，使用動(dòng)態(tài)捕捉系統(tǒng)捕捉學(xué)員的動(dòng)作姿態(tài)，進(jìn)行回放評(píng)分。系統(tǒng)為用戶提供了高度沉浸式、實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性的交通事故仿真培訓(xùn)體驗(yàn)。