導(dǎo)語：安全教育培訓(xùn)系統(tǒng)研究一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要：使用Unity3D引擎和HTCVive頭盔為開發(fā)平臺，針對當(dāng)前建筑行業(yè)安全教育培訓(xùn)存在的短板，開發(fā)了VR安全教育培訓(xùn)系統(tǒng)，實現(xiàn)了建筑施工安全知識講解、安全帽佩戴檢測、高空墜落模擬體驗、觸電模擬體驗、火災(zāi)逃生體驗、建筑工地塌方模擬體驗、建筑設(shè)備操作安全體驗等一系列實用的培訓(xùn)功能。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實；Unity3D；Vive；VR安全教育

虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以生成逼真的虛擬環(huán)境，用戶身處其中如身臨其境般的感受，帶來視覺、聽覺、觸覺等多感官的體驗。目前主流的虛擬現(xiàn)實技術(shù)開發(fā)軟件主要有Unity3D引擎和Unreal虛幻引擎，硬件主要有Facebook公司的Oculus和HTC公司的Vive等VR頭盔，其中Unity3D引擎具有較好的跨平臺特性，Vive頭盔具有較好的顯示效果，因此基于Unity3D引擎和Vive頭盔的軟硬件開發(fā)平臺擁有了大量的開發(fā)者。目前，國內(nèi)外眾多學(xué)者對于使用Unity3D引擎和HTCVive頭盔的開發(fā)應(yīng)用做了大量研究，如李玉勝等基于Unity軟件平臺與HTCVive虛擬現(xiàn)實套件，實現(xiàn)了Delta機(jī)器人沉浸式虛擬現(xiàn)實拆裝環(huán)境［1］；譚穎等通過Unity3D與HTCVIVE頭盔、LogitechG29等設(shè)備進(jìn)行交互，實現(xiàn)了虛擬現(xiàn)實駕考訓(xùn)練系統(tǒng)［2］；徐雅微等實現(xiàn)了虛擬場景中對機(jī)械臂進(jìn)行交互仿真操控［3］；李海勝等實現(xiàn)連續(xù)式搗固車虛擬仿真駕駛系統(tǒng)［4］。以上學(xué)者的研究對于促進(jìn)虛擬現(xiàn)實技術(shù)在行業(yè)的應(yīng)用起到了積極的作用。

一、系統(tǒng)概述

目前建筑工地的安全教育培訓(xùn)主要依賴于傳統(tǒng)的理論教學(xué)、安全教育影片和行業(yè)培訓(xùn)等方式，安全教育方式效果較差；由于施工現(xiàn)場的危險性較大，現(xiàn)場體驗式教學(xué)容易出現(xiàn)安全事故。考慮以上因素，使用虛擬現(xiàn)實技術(shù)模擬建筑施工安全教育培訓(xùn)是一條捷徑，可以讓用戶得到較好的訓(xùn)練效果。本系統(tǒng)采用Unity3D引擎作為開發(fā)平臺，使用Maya三維軟件構(gòu)建三維模型和Photoshop圖形處理軟件處理貼圖，結(jié)合HTCVive硬件頭盔進(jìn)行展示及體驗式培訓(xùn)，從而構(gòu)建一套虛擬現(xiàn)實建筑安全培訓(xùn)系統(tǒng)，實現(xiàn)建筑施工安全知識講解、安全帽佩戴檢測、高空墜落模擬體驗、觸電模擬體驗、火災(zāi)逃生體驗、建筑工地塌方模擬體驗、建筑設(shè)備操作安全體驗等一系列實用的培訓(xùn)功能，讓建筑行業(yè)從業(yè)者在保證人身安全的情況下，身臨其境地接受安全教育培訓(xùn)，加深對安全的認(rèn)知。系統(tǒng)全景畫面如圖1所示。

二、需求分析

虛擬現(xiàn)實安全教育培訓(xùn)系統(tǒng)的開發(fā)按照軟件工程的思想進(jìn)行劃分，主要有四個階段：（1）系統(tǒng)功能需求分析、前期貼圖素材的拍攝、搜集和整理階段；（2）Maya軟件中進(jìn)行建筑工地各類物體的三維模型創(chuàng)建和貼圖材質(zhì)設(shè)置，包括建筑物、安全帽、電箱、各類機(jī)械設(shè)備等；（3）資源導(dǎo)入Unity3D引擎進(jìn)行虛擬場景的搭建、系統(tǒng)模塊功能開發(fā)、UI界面的制作等；（4）結(jié)合HTCVive頭盔進(jìn)行功能開發(fā)和測試。系統(tǒng)開發(fā)流程如圖2所示：（一）系統(tǒng)實施第一階段，建筑工地實地考察調(diào)研系統(tǒng)功能需求，跟工地安全管理人員充分溝通，明確系統(tǒng)的模塊功能；攜帶高清數(shù)碼相機(jī)拍攝施工現(xiàn)場建筑、設(shè)備、工人穿戴情況等圖片；收集工地現(xiàn)場CAD平面圖。第二階段，前期拍攝的圖片需要用Photoshop軟件進(jìn)行圖像處理；建筑物和其他各類三維物體，需要在Maya軟件中進(jìn)行三維建模，為了顯示較為逼真的虛擬環(huán)境，需要對模型進(jìn)行貼圖展示，制作漫反射貼圖展示紋理效果和法線貼圖展示凹凸效果，兩者結(jié)合可以讓模型具有較為真實的感覺。第三階段，在Maya軟件中創(chuàng)建的資源導(dǎo)入到Unity3D引擎中，首先根據(jù)工地現(xiàn)場CAD平面圖，搭建各類建筑物和設(shè)備，調(diào)整貼圖效果，給虛擬場景添加燈光、天空盒等；給各類物體添加碰撞器，防止體驗過程中人物與各類物體的穿插，造成不真實的體驗效果。第四階段，結(jié)合HTCVive頭盔進(jìn)行系統(tǒng)交互功能開發(fā)，定點傳送功能可以讓用戶在虛擬環(huán)境中移動位置、手柄點擊佩戴安全頭盔等功能，功能開發(fā)基于SteamVR插件和C＃高級程序設(shè)計語言。進(jìn)入最后的測試階段，將所開發(fā)的系統(tǒng)輸出到電腦端，結(jié)合Vive頭盔進(jìn)行功能測試。（二）功能需求根據(jù)需求文件，主要實現(xiàn)以下功能：1．安全頭盔的佩戴檢測功能。安全帽是進(jìn)入工地必須要佩戴的設(shè)備，為了讓工人養(yǎng)成良好的習(xí)慣，安全帽佩戴檢測功能必不可少。2．高空墜落模擬體驗功能。由于建筑工地為高空作業(yè)，具有非常高的風(fēng)險性，高空墜落模擬功能讓工人體驗由高處不慎墜落的失重過程。3．觸電模擬體驗功能。模擬讓工人操作設(shè)備不慎被觸電的感覺。4．火災(zāi)逃生體驗功能。模擬工地發(fā)生火災(zāi)時的應(yīng)急處理，利用Unity3D引擎的粒子系統(tǒng)模擬火焰燃燒和煙霧效果，通過設(shè)置的逃生路線和提示界面，引導(dǎo)工人學(xué)習(xí)發(fā)生火災(zāi)時的逃生方法。5．機(jī)械設(shè)備安全操作體驗功能。利用Unity3D引擎的觸發(fā)器技術(shù)，警示在大型機(jī)械設(shè)備操作時，工人必須與大型機(jī)械設(shè)備保持一定的安全距離，不可站在設(shè)備的下方，避免發(fā)生機(jī)械碰撞傷害。6．用戶界面的制作。利用Unity3D引擎的uGUI系統(tǒng)制作用戶操作界面，方便用戶的體驗和操作。

三、系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

（一）uGUI系統(tǒng)Unity新版UI系統(tǒng)提供了全新的圖形化界面，功能強(qiáng)大，操作簡便，在Canvas畫布中可以快速創(chuàng)建Text、Image、Button等圖形化控件，并在代碼中進(jìn)行顯示效果的控制。本研究采用uGUI系統(tǒng)進(jìn)行VR交互界面的制作，主要包含了系統(tǒng)開始界面、各類功能操作界面、場景目標(biāo)點切換界面等。（二）接觸檢測接觸檢測技術(shù)經(jīng)常稱為碰撞檢測技術(shù)，在現(xiàn)實世界中，人與物體、物體與物體之間物理接觸時會發(fā)生實際碰撞，例如人無法直接穿墻而過。但在虛擬環(huán)境中所創(chuàng)建的三維模型，自身并沒有這種碰撞效果，物體與物體之間是可以隨意穿插的，因此這樣的效果不符合自然界的真實物理規(guī)律，給體驗者造成明顯的不真實感受。碰撞檢測技術(shù)可以較好地解決這個問題。Unity3D引擎提供了包含立方體檢測器、膠囊體檢測器等六種類型的碰撞檢測器。開發(fā)者可根據(jù)物體形狀選擇合適的碰撞檢測器，例如建筑物可以選擇BoxCollider立方體碰撞檢測器。（三）粒子系統(tǒng)粒子系統(tǒng)廣泛運用于各類虛擬現(xiàn)實和仿真系統(tǒng)的特效制作中，通常一套粒子系統(tǒng)有大量的細(xì)微粒子組成，每個粒子具有各自的生命周期和效果，全部粒子組合呈現(xiàn)出整體的效果。在本系統(tǒng)中，使用Unity3D引擎的ParticelSystem粒子系統(tǒng)模塊進(jìn)行火焰效果的模擬，在火災(zāi)逃生模擬訓(xùn)練中，模擬工地發(fā)生火災(zāi)，引導(dǎo)工人進(jìn)行逃生訓(xùn)練。（四）物理引擎技術(shù)物理引擎技術(shù)是通過物理引擎高效、逼真地模擬剛體碰撞等游戲中模擬真實的物理效果［5］。Unity3D引擎內(nèi)置了物理引擎系統(tǒng)，在墜落模擬體驗功能中，通過給人物添加Rigidbody剛體組件，模擬人物受到重力的影響而下墜，從而產(chǎn)生失重體驗。（五）遮擋裁剪技術(shù)遮擋裁剪的主要思想是當(dāng)一個物體被其他物體遮擋住而不在攝像機(jī)的可視范圍內(nèi)時不對其進(jìn)行渲染［6］。Unity3D引擎通過遮擋裁剪技術(shù)可以有效減少場景的DrawCalls數(shù)量，提高幀頻。系統(tǒng)采用遮擋裁剪技術(shù)的處理過程：1．在Occlusion面板中，勾選OccluderStatic和OccludeeStatic選項，進(jìn)行烘焙處理。2．在Hierarchy窗口中選擇需要進(jìn)行遮擋裁剪處理的攝像機(jī)，點擊Visualization可視化選項卡，可以發(fā)現(xiàn)Scene窗口中的物體進(jìn)行了遮擋裁剪處理，經(jīng)過對比，經(jīng)過遮擋處理后的系統(tǒng)幀頻更高，運行更為流暢，體驗效果也更好。

四、系統(tǒng)實現(xiàn)

系統(tǒng)設(shè)計致力于解決建筑施工中存在的安全教育培訓(xùn)痛點，提高建筑從業(yè)者的安全意識水平，達(dá)到安全施工的目的。主要包含的功能有：安全知識講解、安全帽佩戴功能檢測、高空墜落模擬體驗、大型機(jī)械設(shè)備預(yù)警、火災(zāi)模擬逃生訓(xùn)練、塌方事故模擬體驗、觸電模擬體驗等功能。其部分核心功能如下：（一）安全帽佩戴功能安全帽佩戴檢測功能的算法思路為，當(dāng)程序檢測到用戶點擊了手柄按鈕的前提下，用戶可以通過扣動扳機(jī)實現(xiàn)抓取安全帽，并進(jìn)行佩戴操作，其核心代碼如下所示。（二）觸電模擬功能觸電模擬功能的算法思路為，判斷當(dāng)用戶距離電箱距離過近時，如果用戶進(jìn)行扳機(jī)操作。

五、結(jié)語

本文對基于Unity3D和HTCVive頭盔的VR安全教育培訓(xùn)系統(tǒng)進(jìn)行了研究，提供了建筑行業(yè)安全教育培訓(xùn)的新途徑。相信隨著虛擬現(xiàn)實軟、硬件技術(shù)的發(fā)展，采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)的培訓(xùn)系統(tǒng)將會越來越廣泛，本系統(tǒng)的開發(fā)為虛擬現(xiàn)實應(yīng)用技術(shù)的推廣提供了積極的作用。

作者：章國雁 單位：安徽工商職業(yè)學(xué)院 信息工程學(xué)院