基于VR的沉浸式消防演练系统的设计与实现

发布时间：2020-08-06 11:37

【摘要】：火灾的频繁发生对人们的生命及财产安全带来了严重危害,而引起火灾发生的主要原因是人们消防知识薄弱及火灾发生时不知道该如何处理。目前针对消防问题最常用的方式是进行实际演练,但由于该方式既浪费人力、物力、金钱又不能确保人们在演练中不受到伤害,因此本文将虚拟现实技术应用到消防演练中,开发一个消防演练系统。用户可以借助沉浸式交互设备在系统中进行演练,该系统具有沉浸感强、功能丰富的特点,且系统可以在任意时间被循环使用,可以解决在实际消防演练中造成的资源浪费问题。首先,本文研究与优化了碰撞检测技术。通过对层次包围盒碰撞检测算法及本系统开发平台中碰撞检测方法的研究,对虚拟场景中物体模型的碰撞检测提出优化方法,该方法综合考虑物体模型紧凑性及系统资源两方面,可以在提高物体模型紧凑性的前提下节省系统资源。其次,本文设计了基于粒子系统的烟雾与火焰扩散算法。选取粒子系统技术制作烟雾、火焰,并模拟烟雾与火焰的扩散,根据烟雾与火焰特性,确定烟雾与火焰粒子系统的关键属性,通过设计关键属性的计算方法、扩散条件及结束条件实现烟雾与火焰的扩散。将算法应用到系统中,并经过测试表明产生的烟雾与火焰扩散效果可以满足用户的需求。再次,本文设计并实现了基于VR(Virtual Reality)的沉浸式消防演练系统。该系统结合虚拟现实、传感器跟踪检测及网络传输技术,遵循实际的消防演练对系统各演练功能进行设计,用户可以利用沉浸式交互设备与虚拟场景中物体模型进行交互完成模拟灭火、逃生、多人配合救援、查找火灾隐患等演练,通过使用不同技术及设计相应算法来实现各功能。最后,本文对系统进行了测试。除了设计测试用例对系统各功能模块进行功能测试,还对系统兼容性及性能进行了测试,测试结果表明各功能均满足用户需求且系统可以稳定的运行。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TU998.1;TP391.9
【图文】：

包围盒,碰撞检测

在本章内容中研究沉浸式消防演练系统应用的关键技术，包括碰撞检测技术及粒子系统技术。其中对碰撞检测技术使用两种方法进行了优化，使在提高物体模型紧凑性的前提下节省系统资源，基于粒子系统技术对烟雾扩散进行模拟并设计模拟烟雾扩散算法。3.1 碰撞检测技术研究与优化碰撞检测技术是 VR 领域中一项重要的技术，用来检测用户是否与 VR 系统中的模型发生穿透现象，精确的碰撞检测可以增强 VR 系统的真实性和沉浸性，本文对碰撞检测技术进行了研究与优化。3.1.1 层次包围盒碰撞检测算法研究本文研究了目前应用最为广泛的层次包围盒碰撞检测算法，它是用一个体积略大形状简单的包围盒包裹复杂的物体模型，通过这种方法可以简单的判断模型是否发生碰撞，常见的包围盒有球包围盒（Sphere）、轴对齐包围盒（AABB）、方向包围盒（OBB）[43]，如图 3-1 所示：

对比图,模型构造,对比图,灭火器

由于在较大的虚拟场景中有很多的模型，既包括简单的形状规则模型，也有相对复杂的形状不规则模型，通过上文对层次包围盒算法以及引擎中碰撞检测的研究，本文使用两种方法对虚拟场景中物体模型的碰撞检测进行优化。（1）构造多个碰撞体对于虚拟场景中较复杂且形状不规则的模型，可以通过为其构造多个碰撞体的方法提高物体模型的紧凑性，由于一个复杂的模型是由多个子模型构成的，因此可以分别在该模型的父节点和子节点构造与其形状相似的碰撞体，通过这种方法既可以不过多占用系统资源又可以提高物体模型的紧凑性。以对灭火器模型进行碰撞检测为例，灭火器是一个复杂的形状不规则模型，其中灭火器的身体、把头、插销、鞘管都是灭火器这个父模型的子模型。考虑到使用灭火器进行灭火前需要对其进行的操作的部位主要包括灭火器的身体、把头、插销、鞘管，因此对灭火器身体部位构造盒碰撞体，把头、插销、鞘管部位构造球形碰撞体。灭火器模型只构造一个碰撞体与构造多个碰撞体对比如图 3-2 所示。

包围盒,模型构造,网格,相交测试

图 3-3 模型构造网格碰撞体进行粗略检测的包围盒只有在包围盒相交时，其包围的物体模型才可能会相交包围盒对物体模型作粗略的碰撞检测。可以基于代价函代价函数可由公式（3-7）求得：= + + +i i j j k k vP N C N C N C C 相交检测消耗代价；进行相交测试的包围盒对数；包围盒相交测试消耗代价；—进行相交测试的几何元素对数；对几何元素相交测试消耗代价；—物体旋转后包围盒更新数目；更新一个包围盒消耗代价；物体变形后包围盒更新消耗代价。

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