基于Vizard环境的虚拟消防演习系统

林晓斌

【摘 要】传统的消防演习消耗大量人力物力财力，且在演习中还可能发生意外情况，针对上述情况，结合虚拟现实技术，研发了基于Vizard环境的虚拟消防演习系统。构建虚拟消防演习场景所需模型，对不同的模型赋予不同的技能模拟现实中的不同角色，实现虚拟消防演习场景漫游。添加警报特效和小地图功能，使用粒子系统制作不同火焰，通过碰撞机制实现灭火特效。受训者可在高安全、高仿真、低成本、可重复、生动活泼的虚拟消防演习系统中自由地选择角色和场景，根据自己所扮演的角色在虚拟消防演习系统中学习消防知识，加强消防实战经验。

【关键词】Vizard 虚拟消防演习系统；粒子系统；碰撞机制

中图分类号： TP391.41 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2017）20-0077-002

Virtual Fire Drilling System Based on Vizard Environment

LIN Xiao-bin

（Department of Physics and Electronic Information Engineering，Minjiang University，Fuzhou Fujian 350108，China）

【Abstract】The traditional fire drill consumes a lot of manpower and material resources，and there may be accidents in the exercise.In view of the above situation，combined with the virtual reality technology，the virtual fire drill system based on Vizard environment is developed.To build a virtual fire drill scene required model，different models to give different skills to simulate the reality of different roles，to achieve virtual fire drill scene roaming.Add alarm effects and small map function，the use of particle system to produce different flames，through the collision mechanism to achieve fire effects. Trainees can freely select roles and scenes in high-security，high-simulation，low-cost，repeatable，lively virtual fire drill system，learn fire knowledge in virtual fire drill system according to their role，experience.

【Key words】Vizard virtual fire drill system；Particle system；Collision mechanism

0 引言

由計算机图形学、仿真学、人工智能和图像识别等技术辅助而成的高新技术模拟系统应运而生，即虚拟现实。虚拟现实（Virtual Reality，简称VR技术）是通过计算机视觉等技术模拟产生一个三度空间的虚拟世界，为用户提供视听盛宴，让用户身临其境，通过各种交互设备，同三度空间内的事物相互作用后进行交互式视景仿真和信息交流[1]。虚拟现实目前已被广泛的应用于医学、影视、教育与训练等领域，进而推动虚拟现实的研究和应用向纵向发展。

结合虚拟现实技术和消防科学，提出基于Vizard环境的虚拟消防演习系统，利用3DSMAX构建虚拟消防演习场景所需模型，对不同的模型赋予不同的技能模拟现实中的不同角色，实现虚拟消防演习场景漫游。添加警报特效和小地图功能可实时掌握火灾和伤员的位置，使用粒子系统制作不同火灾现场，且特定着火点会在周边蔓延新火点，利用降水插件实现消防枪喷水灭火特效，通过碰撞机制实现灭火特效。受训者可以在高安全、高仿真、低成本、可重复、生动活泼的虚拟消防演习系统中自由地选择角色和场景，根据自己所扮演的角色在虚拟消防演习系统中学习消防知识，加强消防实战经验。

1 开发工具概述

1.1 3DS MAX概述

3DS MAX全称为三维影像工作室，是美国Autodesk公司旗下Discreet分部开发的一款基于计算机系统的三维模型制作和渲染的软件，已成为使用最广的三维建模、动画和渲染工具。在建筑和室内设计、影视、游戏、教学及工程可视化等领域应用广泛，很好的满足高质量动画和设计的制作需求。3DS MAX具有强大的建模功能，可堆叠的建模步骤增强模型的弹性，扩展性好，操作简单，容易上手，兼容性强等特点[3]。

1.2 Vizard概述

基于C/C++，运用OpenGL扩展模块开发出的高性能图形引擎Vizard是由美国WorldViz公司研发的，是一款功能强大的虚拟现实开发平台软件，可大大提高构建及渲染虚拟场景的效率，凭其卓越的高效编程核心模块，将整个虚拟现实应用引领至一个高速高效且成本低廉的全新境界。Vizard软硬件兼容性强，不仅支持几乎当前所有的虚拟现实设备，还支持业界标准的各种3D模型格式，内建虚拟人物库、优秀的物理引擎以及良好的扩展性。采用Python这款极具发展潜力又极易上手的脚本语言作为其编程核心，其发展前景毋庸置疑。endprint

2 基于Vizard环境的虚拟消防演习系统

2.1 虚拟消防演习场景实现

利用3DSMAX进行虚拟消防演习场景建模，第一部分是构建虚拟消防演习主场景，依据实际生活城市中可能发生火灾的地点作为原型，按照1：500地图数据进行建模。运用3DSMAX中的Greeble楼房插件可以快速创建建筑群、马路和人行道等模型，然后进行纹理贴图、灯光和整体场景设置便可搭建好主场景。第二部分是构建人物模型，一类是受训者使用方向键进行自主控制，分别是灭火消防员，救人消防员和警察，一类是系统进行操控的围观人员等。利用3DSMAX中的BOX命令调整出人体形状，根据不同人物角色进行纹理贴图便可构建好人物模型。第三部分是消防道具模型，利用3DSMAX中的Capsule等命令进行建模，调整其参数，进行纹理贴图。建模后有了场景模型的预制体，导入到Vizard中构建虚拟消防演习场景，摆放好预制体，虚拟消防演习场景雏形已基本形成。

2.2 警报模块

警报模块实现在模拟演习开始3秒后会发出火灾警报，在火源全部被扑灭后警报声解除。运用viz.addAudio命令添加警报音频文件，然后用playsound命令播放警报声音，再用minmax命令设置超过最小最大距离时不会随声源的远近而变化。该系统在模拟演习开始后3秒发出火灾警报，在这儿调用vizact.ontimer命令在3秒后触发火灾警报，当火源扑灭后停止警报。

2.3 小地图功能模块

为了实时掌握火灾和伤员动态，虚拟消防演习场景中必须实现小地图功能。小地图实现原理是在Vizard中添加一个摄像机，将摄像机设定一定的高度，俯视全场景，将其渲染成UI元素，再进行阴影遮罩。为了更好的标识火灾和伤员动态，在小地图上用黄色箭头标识伤员方向，红色箭头标识火灾方向。当一个伤员或是一个火源被扑灭时，箭头标识会在小地图上消失。

2.4 火焰与烟雾模拟模块

在虚拟消防演习系统中，对虚拟火灾现场的火势的精细模拟是至关重要的，使用Vizard的粒子系统逼真地模拟火灾现场的火焰和烟雾。在Vizard中新建2个粒子系统，分别表示火焰与烟雾粒子组，设置粒子系统初始生命、生命周期、发射状态、粒子生命数等属性模拟不同火焰和烟雾。

2.5 角色控制与救援模块

建模时设置了两类人物模型，一类是系统操控的角色，如围观人员等，另一类是受训者控制的角色，分别是灭火消防员，救人消防员和警察。由系统操控的角色称之为预制体，预先摆放在特定的位置，随着系统运行时，按照预先设定的路线进行移动，虚拟场景才会显得有生气贴近现实生活环境，该类角色由avatar虚拟人设置其走动和各种动作。由受训者控制的角色通过外设进行控制，调用命令Vizact.onkeydown来触发。灭火消防员赋予灭火的技能，是碰撞检测机制实现的，利用命令collidemesh为灭火消防员和着火点处火焰添加碰撞轮廓，碰撞发生时，调用命令Vizact.onkeydown触发灭火技能。救人消防员赋予将伤员移动到救援点的技能，利用getPosition命令读取小地图上标识的伤员位置信息，移动到伤员位置并将伤员送至救援地。警察赋予在着火点附近疏散人员的技能，根据小地图上标识的火灾位置信息，通过getPosition命令获取其位置信息，移动到着火点现场疏散人员。

2.6 系统整合

上述五个步骤已形成了虚拟消防演习系统，优化整合系统。运行系统选择模式进入虚拟演习界面，3秒后火灾警报声响起，在演习场景的左上端会出现 “集合人员”和3个角色选择按钮，系统会根据受训者所选择的角色发布不同的任务开始虚拟演习。.选择不同的角色进行系统任务测试，系统运行效果良好。

3 总结与展望

基于Vizard环境的虚拟消防演习系统集消防科学知识、消防演习实战和虚拟现实于一体，使受训者可以在高安全、高仿真、低成本、可重复、生动活泼的虚拟消防演习系统中自由地选择角色和场景，根据自己所扮演的角色在虚拟消防演习系统中学习消防知识，加强消防实战经验。

【参考文献】

[1]张菁.虚拟现实技術及应用[M].北京：清华大学出版社，2011. 24-29.

[2]冯成舜，石连栓.虚拟消防演练教学系统的设计与开发[J].中国教育技术装备，2014.8，（16）：43-45.

[3]王珂.3DS MAX 2012高手成长之路[M].北京：清华大学出版社，2013.38-45.endprint