基于VR及热成像技术的火灾逃生系统研究

佘光航　方蒲静　潘城

摘  要：在现代的生活中，火灾发生的频率越来越高，一般火灾的经济损失达到10到30万不等，与生命财产息息相关。随着虚拟技术的发展，运用虚拟技术对火灾现场的模拟，来增强居住宾馆的旅客对火灾现场逃离有更深刻的理解，和真切的感受。火灾逃生与自救教育学习有重要的科普意义，在现实生活中，面向公众的火灾逃生演练一般要耗费很大的人力物力。

本论文主要是对利用 3D 建模与 VR 眼镜结合创建三维火灾逃生场景的虚拟现实技术，在 VR 眼镜中构建三维场景模型和角色模型，在UE4中布置场景，模拟生动逼真的火灾发生场景，结合热成像技术使人有身临其境的虚拟体验。应用于实现虚拟状态下快速逃生、自救等防控仿真训练。

关键词：火灾逃生;虚拟现实;热成像技术;Unity 3D;3Ds Max;

1.绪论

1.1研究背景及意义

1.1.1 课题来源及背景

据了解，我国现有高层建筑162 000多栋，其中超过100m的超高层建筑就有1 500余栋。现代城市已经步入高楼时代，人口居住越来越密集，但高层建筑的火灾扑救却成为全世界消防界面临的共同难题，高层建筑火灾的性质不同于一般建筑火灾，具有火势蔓延快、疏散人员困难等特点。当高层建筑发生火灾时，主要靠自己的消防措施来保证安全，很难靠外部力量救援，最有效的办法是每个人懂得逃生方法，知道如何自救。

1.1.2 课题研究的意义

由于我国高层建筑比较多，人流量较大，发生火灾时，对被困人员的生命产生了巨大的威胁。研究团队认为，发生火灾原因的主要由于居民在火灾时，没有火灾的逃生经验，并不能马上找到逃生路线和正确使用灭火设施[2]。然而虚拟现实技术可以为我们提供一个很好的平台，通过虚拟技术模拟真实的建筑火灾及火的蔓延方向和烟气在建筑内的流动情况。参与者通过模拟来感受真实火灾，给人们带来新的体验，对于火灾发生有更好的措施来保护自己。救护人员可以通过进入这个虚拟环境，尝试采取各种救灾措施，从而获得训练。对于今后的火灾的逃离自救以及知识普及有着十分重要的作用。

1.1.3 国内发展现状

VR技术研究在我国起步较晚，与其他西方发达国家相比仍有一定差距。目前国家相关部门和科学家对VR技术已经高度关注，根据中国的国情，制定了开展VR技术的研究计划。VR已被列入“九五”研究计划、国家自然科学基金、国家高新技术研发计划。我国一些重点高校已积极开展这方面的研究工作。我国虽然VR发展较晚，但是我国在VR虚拟现实方面正在迅猛发展。2012年至2016年上半年，硬件设备部分的融资额度占行业的62.6%，达到65570万元;内容制作融资额度达到104490万元;分发平台部分融资额度达到54100万元，占整体的12. 8%，目前国内主要是在游戏、影视、线下体验馆、房产开发、旅游、医学以及教育培训这些方面着手。

国内对于本文所提到的研究领域还没有完善。虚拟现实在火灾模拟演练的开发并不是开发的太好，没有充分的应用。在国内现有的开发来看，大多都没有太大的实践效果，我们就是基于这样的背景，而构思的一个产品。

目前关于火灾的模拟的研究主要是通过VR为载体，本课题以VR技术为基础，它与仿真系统等子系统整合成一个完整的系统，系统通过计算机编程语言来实现。在发生火灾时，系统通过计算语言来实现并规划被困人员的逃生路径。

1.1.4 相关理论

Unity 3D是一个由Unity Technologies开发的多平台集成游戏开发工具，它允许玩家轻松地创建交互式内容，如3D视频游戏、建筑可视化和实时3D动画。Unity 3D可以在Windows和MacOS X上运行，可以发布到Windows、Mac和WebGL等系统上;其中Unity Web Player插件可以用来发布Web游戏，支持Mac和Windows平台的Web浏览[4]。它是一个完全集成的专业游戏引擎，具有跨平台、综合编辑、资源导入、地形编辑器、物理特效等特色。

1.1.5本文主要的研究内容

本文主要以此为背景，运用虚拟现实结合热成像技术模拟演练火灾发生现场如何自救和亲生体验火灾灾的感受，为人们提供一个学习的平台。主要设计思路为，通过3D Max技术将宾馆的建筑模型构建出来，然后通过渲染為模型创造一个真实的场景，将该模型导入到VR眼镜中去，然后结合热成像将在火灾发生后使被困人员清楚的知道逃生路径。此产品VR眼镜，可供使用者观看和学习。

2.VR与热成像仪技术理论综述

2.1 VR和热成像技术

2.1.1  VR技术原理

虚拟现实（Virtual Reality）技术，简称VR技术，也称“虚拟实境”。它是通过计算机开发模拟出一个虚拟的空间环境，然后通过头戴显示器、触感反馈装置、体感操控设备、立体声扬声器等设备，为使用者提供虚拟空间视觉、听觉、触觉等感官的模拟感受，为使用者带来全方位置身于被设计的虚拟环境之中，即沉浸式体验。使用者可以实时地通过体感操作、语音操作等方式查看虚拟空间的各种事物，并与虚拟环境进行互动。而且计算机还可以通过动作捕技术来实时跟踪使用者映射在虚拟空间中的行为，并将图像、声音、触发事件等同步反馈给使用者，营造出完全沉浸式的信息媒体使用体验。围绕提供这种体验的--系列技术，包括3D时渲染、动作捕捉、体感操作、语音操作、立体显示技术等技术的集合，这就是虚拟现实技术。

VR系统以其高效、可控性、安全性、不破坏性、使用灵活性、修改便捷性、不受气象影响、空间和场地限制、可重复使用和低运营成本等特点，引起了世界各国军方的高度重视。到目前为止，VR技术在军事领域发挥着重要的作用。广泛应用于军事教育、军事训练、武器装备研制和生产等领域。

2.1.2 热成像技术检测原理

热成像是一种将不可见的红外辐射转化为可见图像的技术。使用这种技术开发的设备称为热成像设备或热成像仪。广义上说，热成像技术还包括红外线扫描成像仪，主要用于空中侦察。该仪器本身只有一维扫描，必须依靠载体的另一维度运动才能获得图像。热成像仪是一种可以独立获取图像的仪器。随着红外探测器技术的发展，热像仪已由单部或多部离散探测器加一维或二维光学扫描仪发展为无光学扫描的凝视成像装置[5]。在国外，这种成像设备有时被称为红外前视（FLIR），这个名称来源于这样一个事实，即这种成像设备最初用于空中侦察，并被命名为将其与向下看的红外扫描设备区分开来。自从发现红外辐射以来，人们就认识到自然界的任何物体都在不断地发射红外能量。它的辐射强度取决于物体的温度和它自身的辐射能力（辐射率）。

2.2 VR技术的应用与积极作用与消极作用

2.2.1 VR技术的积极作用

虚拟现实（VR）技术主要通过头戴显示设备为使用者提供视频画面。佩戴这类全封闭的显示器可以让用户的视野充满视频画面，因此视线不会被周围的环境光干扰，从而营造更深入的沉浸式体验。虚拟现实技术多采用封闭式显示方式，可以通过给两只眼睛对应的屏幕输出带有视差角度的不同画面，来实现三维立体画面效果。这种方式在保证输出高质量视频画面的同时，大大降低了成本和操作难度。虚拟现实技术可以为我们的建筑模拟带来非常出众的表现力，完全沉浸式的火灾体验可以把各种火灾现场以逼真的方式展现给使用者。人们可以以更近的距离观看火灾现场和了解自救方法。

2.2.2 VR技术的消极作用

虽然VR技术给我们带来许多的好处，但这新技术往往也存在潜在的问题，它会导致3D眩晕、近视、视觉疲劳等操作不适感较重，3D眩晕的主要原因是运动产生的视觉信息与耳朵等其他器官的位置信息不一致。视频画面的视觉信息是用户已经移动了位置，但是用戶耳朵的前庭器官感觉不到平衡偏移等与位置移动相关的信息。当这种身体感知的偏差被放大到一定程度时，身体会出现头晕、头痛甚至呕吐等严重症状。

2.3 VR与热成像技术的创新结合

利用3Ds Max构建三维模型，同时在unity 3D中布置场景，实现对火灾现场的建模。在火灾现场时，现场混乱且瞬息万变，人们在浓烟中需要快速的寻找安全通道，系统通过定位人员位置后迅速规划安全路线并引导人员，热成像仪需要检测外部环境的状况和温度，从而得到红外热像图，一旦这种热像图与搭建的场景产生冲突，例如通道中柱子倒了或者有可燃物在燃烧阻挡了通道，系统会快速的做出判断发出警告并规避此通道，直到寻找到安全的通道。

3.火灾仿真系统总体设计

3.1 选择日常场景用3Ds Max建模软件制作模型

建立宾馆火灾应急逃生系统的第一步是通过3Ds Max建立一个与宾馆、火灾和人物模型类似的信息化三维模型。建模时应充分参考酒店实际情况、酒店数字模型、酒店设备参数、巷道采场结构参数。火灾模型包括火焰、烟雾和爆炸等因素的影响是通过3Ds Max软件里的一个插件来调整材质和颜色，添加烟雾材质渲染，完成火灾爆炸效果。另外，可以通过改变主色将火焰变为烟雾。人物造型包括前后移动、跳跃、逃跑、佩戴装备、拿出灭火器等，以及人物工作服、头灯（手电筒）、自救装置等静态佩戴装备造型。角色建模在3Ds Max多边形建模为核心，首先创建一个标准的3D对象，然后转换为可编辑多边形对象，使用多边形强大的可编辑的属性，根据人体肌肉模型切割、连接、合并、焊接、冲压倒角操作，逐步细化模型，最后以满足生产需求。

3.2 仿真系统的功能设计

整个火灾模拟系统包括粒子、声效、动画、天球、材质、模型、图纸等系统。粒子需要被用来制造火焰、烟雾、烟雾等特效;声音是场景必要的一部分;动画被用来在交互过程中改变手势引导被困人员;天空球被用来模拟整体系统的天气和光照，可以是晴天或者是雨天;场景中的每一个物体都是模型，它们提供材料，蓝图则用来实现各个机制[6]。各个子系统整体组合以此构建了一个仿真系统。

4.系统总体设计

4.1 信息采集

数据采集，需要从酒店宾馆收集平均客流量以及建筑物的数据。素材采集，建筑物的外观和整体结构，必须物品的摆放位置，安全通道的路线，建筑物的各部分所用的材料。把采集到的信息在建模软件中最大程度的还原原有建筑。需要创建多种引发火灾的模式。收集酒店火灾的常见原因：违规装修施工、因使用火、电燃气设备的使用量大，而且有些建筑材料不符合消防安全的规定，一旦工人操作失误或操作不当，容易导致火灾安全事故的发生;电气设备老化有些酒店电器线路老化或配置不合理，容易引起火灾;客房内的电熨斗、电暖器等加热器具可能因使用不当、电线不合法或忘记切断电源而引起火灾;厨房的违规操作，如在炉子上煨、炖、煮各种食物，浮在锅盖上的油溢出来，在火中焚烧;在火炉附近烘烤衣服或点燃可燃液体来点火导致爆炸，这种火灾火势蔓延很快，而且很难扑灭，尤其是石油火灾，用水是无法扑灭的;酒店客人的安全意识不强，在旅馆的床上吸烟是引起火灾的一个重要因素如果没有同行大人的监督，容易玩火而失火，而且容易惊慌失措，错过有效控制火情的时间;救援设备不完整或丢失，部分酒店安全出口门锁闭或数量不足，疏散通道堵塞、灭火器过期、喷淋设施损坏或未按要求安装、疏散标志不足、应急照明损坏等现象[7]。一旦发生火灾，得不到及时扑灭，最终导致火灾蔓延。

4.2 unity 3D的功能实现

三维模型构建完成后，需将模型导入到Unity 3D游戏引擎中构建培训系统来增加系统的真实感和交互性，这也是构建仿真系统最重要的步骤之一。系统构建时，模型导入到 Unity 3D 游戏引擎中进行纹理贴图和烘焙，然后利用shader 编程使画面更逼真、更漂亮，目的就是在场景中还原火灾环境中浓烟暗淡的效果和火灾的实时情况。VR培训系统中的深度感知问题可通过使用丰富的纹理背景、阴影、多感官环境和生动高质量的颜色来解决。为了实现更真实的体验效果，需要对场景视觉、听觉及物理效果进行加成，在物理效果的加成中最重要的是在物理引擎控制中加入碰撞检测：可以给物体加碰撞检测的脚本，在脚本中添加“碰撞 Enter”、“碰撞 Exit”、“碰撞Stay”这3个函数，当有碰撞体进入、离开和停留在另一个碰撞体时，将会依次调用这些函数[8]。在这些函数中添加相应的碰撞检测代码，就可以实现物体抓取、碰撞应力反馈等物理效果。

4.3 逃生路径规划

将 A*算法和 Unity 3D 技术相结合，对接收到的数据进行利用，首先使用Unity 3D技术构建出楼宇内部场景，各个房间中的陈设和布局，其次把人物模型导入场景中，然后利用 C++语言设置串口号、波特率、线程的处理和人物状态，使得数据库内的信息实时对应逃生演示系统中人物模型的運动轨迹。并用 Visual C++设计了被困人员的信息采集程序。实现了对数据帧中的数据接收和分解。利用 T-SQL 语言设计了人员数信息据库，把定位、心跳等信息存入数据库内。系统会根据这些信息自动生成逃生路线。

4.4 路径规划检测

Unity 3D 创建了2D网状格子地形和模拟被困人员和逃生出口的立方体、障碍物等。并应用 C++语言编写脚本实现了路径的实时更新。生成的逃生重现系统程序，在上位机中可以随时查看内部场景Unity 3D中的逃生场景，寻找到的最短路径可以通过广播、被困人员所携带的终端设备来传达给被困人员，从而实现被困人员的逃生。

5.结论

随着虚拟现实技术的高速发展以及城市发展水平的提高，人们对火灾的防范意识需要提高，也有对火灾存在侥幸心理和不重视心理依然存在。人们在面临真实火灾的时候，大部分人往往会失去理智，陷于慌乱，为在城市发生火灾时减少人员伤亡和经济损失，我们把虚拟现实技术引入其中帮助被困人员快速的撤离现场。由于这项技术是所呈现的环境以及火灾状况都是虚拟的，而现实的情况是千变万化的，也就不能做到虚拟与现实的一体化。但是虚拟现实可以让人们更清楚的了解火灾的状况，也可以清楚的知道如何预防火灾以及发生火灾该怎样自救的知识。虚拟现实技术的应用还不够深入和广泛，需要进一步与实践相结合，才能真正为公众服务，造福全人类。

参考文献

[1]  高楼时代火灾逃生手册[OL] 人人健康 2020-4-26

[2]  吴勇军. 如何破解高层建筑防火难题[J]. 中州建设，2017，000（015）：6-15.

[3]  蔡璐璐.浅谈VR虚拟现实在我国的现状及发展趋势[J]西安科技大学 2017，6：94-96

[4]  黎文锋. 中文版Flash CC实例教程[M]. 海洋出版社，2014.

[5]  彭焕良. 热成像技术发展综述[J]. 激光与红外，1997，000（003）：131.

[6]  王昆博，陶志清，朱佳华，等. VR火灾模拟逃生仿真系统[J]. 科学技术创新，2018（22）：69-70.