基于增强现实技术的灾害救援烟雾环境模拟软件开发

徐佳琦

（江苏新禾建设工程有限公司 江苏省南京市 211135）

地震后的救援现场经常充满烟尘，火灾后的救援现场常充满燃烧后有毒的浓重黑色烟雾。因此，灾后救援人员需要在低可见度的环境中进行训练，以应对上述救援情形。对于救援人员而言，暴露在烟雾中对其呼吸系统造成的损伤甚至超过救援时的直接伤害[1]。烟雾造成的损伤包括直接伤害和间接伤害。直接伤害为吸入有害烟雾粒子从而对呼吸系统造成的损伤。间接伤害为烟雾造成环境的可见度降低，从而影响救援人员的准确判断[2]。统计表明，在未接受过专业的低可见度环境训练的人员中，90%以上人员在浓烟中有效行进距离不超过16 米[3]。而通过在低可见度环境的有效训练，救援人员在该环境中的判断能力能够得到有效的提高[4]。

目前，救援人员通常使用烟雾模拟器对真实场地中的低可见度烟雾环境进行模拟[5]。烟雾模拟器通常将乙二醇或甘油同蒸馏水混合，在空气中蒸发和冷凝，从而产生烟状效果。其模拟产生的烟雾中含有大量化学成分，吸入后可对救援人员的呼吸系统造成损伤[6,7]。而救援人员在平时训练中与烟雾接触时间较长，烟雾对其健康造成的影响不可忽视。2012年，美国健康危害评价部门在得克萨斯州消防局对使用烟雾模拟器后的房屋进行取样分析，并调取了消防员的健康档案，得到的结论为，即使在未加热且无明火的情况下，仅使用烟雾模拟器的房屋空气中矿物油雾、二甘醇和甲醛的含量仍然远超安全标准。而在训练中引入明火和高温后，即使在密闭房门外的走廊中，空气中的有毒物质含量仍然超标[8]。短时间暴露在矿物油雾、二甘醇和甲醛中将导致眼部及肺部的不适，而长时间的暴露将造成肺部的严重损伤。因此，救援人员在训练中需要采用新型的安全健康的烟雾模拟方式。

本文作者应用增强现实技术为救援人员提供了一种新型的烟雾模拟方式。目前在灾后救援领域，增强现实技术主要应用于为救援人员提供虚拟地图及导航[9–11]。本文应用增强现实技术，直接将虚拟烟雾粒子在真实环境中显示，从而模拟烟雾环境。此应用仅需模拟烟雾环境，使用者可以通过增强现实设备直接观察周围的真实环境，从而免去了对周边环境建模的工作。同时，本应用基于的增强现实设备为可穿戴设备，保证了救援人员可以方便的将其应用于所有可能场景，而无需对场景的变换进行建模。利用增强现实技术进行模拟的烟雾环境可以应用于救援人员的训练中。此烟雾效果的组成成分为虚拟激光粒子，效果与真实烟雾相近，而对身体无害。根据训练目标不同，救援人员可以在训练中自行调节烟雾的颜色及浓度，用于逼真的模拟各种烟雾场地的环境。烟雾的颜色为RGB色盘调节，可满足真彩色要求。烟雾的浓度设置可满足可见度为0 ～100%的区间设置。应用增强现实技术替代传统的烟雾模拟器对烟雾场地进行模拟，可使得救援人员的训练更加安全、健康，且花费更低。

本文在接下来的章节中首先介绍了本软件的设计思路及流程，然后介绍了软件界面设计，最后通过试验验证了本软件的有效性。

1 软件设计

图1：HoloLens2 增强现实眼镜

图2：SmokeGen 软件设计流程图

本软件SmokeGen 基于微软公司的HoloLens2 平台进行设计，使用Unity 3D 软件（2019.4.10 版本）进行编程。设备如图1 所示。

SmokeGen 的设计包括两个模块：烟雾粒子和颜色选择器。其中，颜色选择器包括三部分：RGB 颜色菜单、色调选择菜单以及透明度菜单。图1 为该软件的设计流程图。

1.1 烟雾粒子设计

本软件中的烟雾粒子由Unity 3D 中用于模拟微小图元的粒子系统进行模拟。粒子系统中的每一个图元成为一个“粒子”，每一个粒子在应用中表现为烟雾中的一颗微尘。系统将所有粒子协同进行模拟，从而展现逼真的烟雾效果。通过改变粒子的参数，包括颜色、尺寸、移动速度等，可以模拟不同的烟雾效果。

图3：烟雾颜色设计

图5：软件控制手势air-tap[12]

如图2 所示，在设计烟雾粒子时，第一步为设计粒子基本参数。在SmokeGen 中，作者通过改变粒子的参数达到控制烟雾的目的。本软件中粒子的设计目标为使烟雾效果连续且随机。粒子的参数可分为三类：基本参数、挥发模型参数以及时变模型参数。三类参数的取值分别参见表1 ～3。

1.2 烟雾颜色设计

烟雾的颜色为烟雾的重要特征之一。SmokeGen 的设计思路为提供尽量多的颜色供使用者选择，同时兼顾颜色选择的便捷性。本软件设计界面采用两步颜色选择法：

（1）通过滑动滑块选择色调（图3 有色颜色选择栏）；

（2）通过单击左侧RGB 颜色区在已选定的色调内选择特定颜色。

在界面顶部的两个色块中，左侧色块为当前选定的烟雾颜色，右侧色块为上一次选择的烟雾颜色。若对本次选择颜色不满，可直接点击右侧色块恢复上一次的烟雾颜色选择。

表1：烟雾粒子基本参数

表2：烟雾粒子挥发模型参数

表3：烟雾粒子时变模型参数

1.3 烟雾浓度设计

烟雾浓度决定了真实环境的可见度，为烟雾模拟的另一重要参数。本软件中将浓度调节滑块与颜色调节界面融合，见图3 底部标注为“透明度”部分。滑块最左侧为可见度100%，即烟雾浓度为0。滑块最右侧为可见度0%，即烟雾浓度为100%。

2 软件界面设计

SmokeGen 为辅助救援人员训练设计，因此其设计逻辑为最大程度上降低救援人员的学习认知成本、降低软件学习培训时间、以及不妨碍正常救援任务训练的开展。以此为设计准则的人机交互界面应尽可能简洁，且操作符合第一直觉。

2.1 软件界面

SmokeGen 的交互界面如图4 所示。该软件的操作界面仅包括两个按键及一个颜色控制菜单。两个按键分别控制烟雾效果的开启及关闭，单击操作。颜色菜单的操作已在1.2 节中介绍，再次不再赘述。

值得注意的是，图4 中显示的操作界面应用增强现实技术直接显示在实际环境中。此图背景为公寓房间。救援人员在操作软件的同时，可观测到实际周边环境。

图6：救援人员应用SmokeGen 软件

图7：室内环境中的烟雾效果

2.2 手势控制

图8：室外阳光下的烟雾效果

增强现实设备HoloLens2 由手势进行控制。本软件应用了“指向”和“air-tap”两个交互手势。图3 中白色激光线为手指方向的延长线。其指向方向有食指控制。用户通过移动食指控制激光指向自己希望点击的位置。

当激光移动到正确位置后，救援人员通过air-tap 的动作进行确认，具体手势如图5 所示。此动作可类比于鼠标的单击操作。

图6 为救援人员应用此软件进行训练的照片。救援人员头上佩戴的即为HoloLens2 增强现实设备，手持的为温度感应仪。此救援人员眼前出现的为图4 中的操作界面，但除佩戴特定增强现实设备的人员外，其他人无法观测到烟雾效果。

3 试验验证

本文通过两组试验对SmokeGen 软件的实用性进行验证。两组试验分别在室内及室外进行，以验证该软件在不同场地中适用性。

3.1 试验准备

试验前期准备设备为已预装SmokeGen 软件的HoloLens2 增强现实软件，如图1 所示。试验者已经过培训，可熟练使用此设备，并充分了解软件所需的操作手势，如图5 所示。

第一组试验为室内烟雾试验。试验场地为公寓房间，房间面积约为20 平方米。为保证试验安全，室内空间除家具外已清理完毕。

第二组试验为室外烟雾试验。试验场地为位于美国新墨西哥州阿尔伯克基市某公园中的步行桥。桥梁总长约20 米，宽度约2.5 米。试验时间为下午15 时，光线充足。

3.2 试验过程

两组试验的试验流程相同，均分为三步：

（1）试验烟雾开启效果（默认烟雾颜色为白色）；

（2）试验烟雾更改颜色（本试验中为明确区分，将颜色更改为红色）；

（3）试验烟雾更改透明度，分别试验可见度为0、30%、80%的烟雾效果。

3.3 试验结果

3.3.1 第一组试验结果（室内）

第一组试验结果如图7 所示。

图7(a)为可见度为0 的条件下的白色烟雾。在其条件下室内家具及软件操作界面几乎不可见，烟雾效果均匀弥漫整间房间。

图7(b)为可见度为30%的条件下的红色烟雾。烟雾颜色及浓度成功设置。在此条件下可见部分家具，操作界面清晰可见。

图7(c)为可见度为80%的条件下的红色烟雾。烟雾颜色及浓度成功设置。在此条件下家具及操作界面均清晰可见，可见少量烟雾效果。

此试验验证了在室内正常光线条件下，SmokeGen 软件模拟的烟雾效果逼真，颜色及浓度调节可方便实现。烟雾颜色、浓度区分有效，可用于救援人员的训练中。

3.2.2 第二组试验结果（室外）

第二组试验结果如图8 所示。由于SmokeGen 产生的烟雾中的粒子为激光图像，因此需保证其在室外较为强烈的阳光下仍然可以正常显示。

图8(a)为可见度为0 的条件下的白色烟雾。相比于室内的光线条件，在室外光线充足的环境中，烟雾的亮度略有降低，但在可见度设定为0 时仍然可遮蔽桥梁构件。烟雾效果逼真有效。

图8(b)为可见度为30%的条件下的红色烟雾。烟雾颜色及浓度成功设置。类似的，同等可见度参数条件下，在室外环境中烟雾亮度略有降低，但烟雾的颜色及浓度效果依然清晰有效。

图8(c)为可见度为80%的条件下的红色烟雾。烟雾颜色及浓度成功设置。在此可见度参数条件下，烟雾效果不明显。

此试验验证了在室外较强烈的光线条件下，SmokeGen 软件模拟的烟雾仍然效果逼真，且可成功调节颜色及浓度。烟雾颜色、浓度区分有效，可用于救援人员的训练中。但在可见度的参数设置时需考虑环境光线的因素。光线较强时可适当降低烟雾效果可见度，以保证烟雾模拟效果。

4 结语

本文应用增强现实技术，为救援人员在烟雾环境中的灾后救援训练设计了新的软件，SmokeGen。此软件采用增强现实技术模拟烟雾环境，可有效降低在训练中对烟雾发生器的使用频次，从而减少救援人员在训练中暴露在有毒化学物质中的时间。本软件可方便、定量的调节烟雾效果的颜色及环境可见度。本文在室内、室外分别对软件进行了测试。试验表明，该软件可有效的应用于室内及室外环境。