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摘要：使用Unity3D引擎和HTCVive頭盔為開發平臺，針對當前建筑行業安全教育培訓存在的短板，開發了VR安全教育培訓系統，實現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、火災逃生體驗、建筑工地塌方模擬體驗、建筑設備操作安全體驗等一系列實用的培訓功能。

關鍵詞：虛擬現實；Unity3D；Vive；VR安全教育

虛擬現實技術可以生成逼真的虛擬環境，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。目前主流的虛擬現實技術開發軟件主要有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頭盔的軟硬件開發平臺擁有了大量的開發者。目前，國內外眾多學者對于使用Unity3D引擎和HTCVive頭盔的開發應用做了大量研究，如李玉勝等基于Unity軟件平臺與HTCVive虛擬現實套件，實現了Delta機器人沉浸式虛擬現實拆裝環境［1］；譚穎等通過Unity3D與HTCVIVE頭盔、LogitechG29等設備進行交互，實現了虛擬現實駕考訓練系統［2］；徐雅微等實現了虛擬場景中對機械臂進行交互仿真操控［3］；李海勝等實現連續式搗固車虛擬仿真駕駛系統［4］。以上學者的研究對于促進虛擬現實技術在行業的應用起到了積極的作用。

一、系統概述

目前建筑工地的安全教育培訓主要依賴于傳統的理論教學、安全教育影片和行業培訓等方式，安全教育方式效果較差；由于施工現場的危險性較大，現場體驗式教學容易出現安全事故?？紤]以上因素，使用虛擬現實技術模擬建筑施工安全教育培訓是一條捷徑，可以讓用戶得到較好的訓練效果。本系統采用Unity3D引擎作為開發平臺，使用Maya三維軟件構建三維模型和Photoshop圖形處理軟件處理貼圖，結合HTCVive硬件頭盔進行展示及體驗式培訓，從而構建一套虛擬現實建筑安全培訓系統，實現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、火災逃生體驗、建筑工地塌方模擬體驗、建筑設備操作安全體驗等一系列實用的培訓功能，讓建筑行業從業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，加深對安全的認知。系統全景畫面如圖1所示。

二、需求分析

虛擬現實安全教育培訓系統的開發按照軟件工程的思想進行劃分，主要有四個階段：（1）系統功能需求分析、前期貼圖素材的拍攝、搜集和整理階段；（2）Maya軟件中進行建筑工地各類物體的三維模型創建和貼圖材質設置，包括建筑物、安全帽、電箱、各類機械設備等；（3）資源導入Unity3D引擎進行虛擬場景的搭建、系統模塊功能開發、UI界面的制作等；（4）結合HTCVive頭盔進行功能開發和測試。系統開發流程如圖2所示：（一）系統實施第一階段，建筑工地實地考察調研系統功能需求，跟工地安全管理人員充分溝通，明確系統的模塊功能；攜帶高清數碼相機拍攝施工現場建筑、設備、工人穿戴情況等圖片；收集工地現場CAD平面圖。第二階段，前期拍攝的圖片需要用Photoshop軟件進行圖像處理；建筑物和其他各類三維物體，需要在Maya軟件中進行三維建模，為了顯示較為逼真的虛擬環境，需要對模型進行貼圖展示，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軟件中創建的資源導入到Unity3D引擎中，首先根據工地現場CAD平面圖，搭建各類建筑物和設備，調整貼圖效果，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，結合HTCVive頭盔進行系統交互功能開發，定點傳送功能可以讓用戶在虛擬環境中移動位置、手柄點擊佩戴安全頭盔等功能，功能開發基于SteamVR插件和C＃高級程序設計語言。進入最后的測試階段，將所開發的系統輸出到電腦端，結合Vive頭盔進行功能測試。（二）功能需求根據需求文件，主要實現以下功能：1．安全頭盔的佩戴檢測功能。安全帽是進入工地必須要佩戴的設備，為了讓工人養成良好的習慣，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，具有非常高的風險性，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。模擬讓工人操作設備不慎被觸電的感覺。4．火災逃生體驗功能。模擬工地發生火災時的應急處理，利用Unity3D引擎的粒子系統模擬火焰燃燒和煙霧效果，通過設置的逃生路線和提示界面，引導工人學習發生火災時的逃生方法。5．機械設備安全操作體驗功能。利用Unity3D引擎的觸發器技術，警示在大型機械設備操作時，工人必須與大型機械設備保持一定的安全距離，不可站在設備的下方，避免發生機械碰撞傷害。6．用戶界面的制作。利用Unity3D引擎的uGUI系統制作用戶操作界面，方便用戶的體驗和操作。

三、系統關鍵技術

（一）uGUI系統Unity新版UI系統提供了全新的圖形化界面，功能強大，操作簡便，在Canvas畫布中可以快速創建Text、Image、Button等圖形化控件，并在代碼中進行顯示效果的控制。本研究采用uGUI系統進行VR交互界面的制作，主要包含了系統開始界面、各類功能操作界面、場景目標點切換界面等。（二）接觸檢測接觸檢測技術經常稱為碰撞檢測技術，在現實世界中，人與物體、物體與物體之間物理接觸時會發生實際碰撞，例如人無法直接穿墻而過。但在虛擬環境中所創建的三維模型，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律，給體驗者造成明顯的不真實感受。碰撞檢測技術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。開發者可根據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）粒子系統粒子系統廣泛運用于各類虛擬現實和仿真系統的特效制作中，通常一套粒子系統有大量的細微粒子組成，每個粒子具有各自的生命周期和效果，全部粒子組合呈現出整體的效果。在本系統中，使用Unity3D引擎的ParticelSystem粒子系統模塊進行火焰效果的模擬，在火災逃生模擬訓練中，模擬工地發生火災，引導工人進行逃生訓練。（四）物理引擎技術物理引擎技術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引擎內置了物理引擎系統，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，從而產生失重體驗。（五）遮擋裁剪技術遮擋裁剪的主要思想是當一個物體被其他物體遮擋住而不在攝像機的可視范圍內時不對其進行渲染［6］。Unity3D引擎通過遮擋裁剪技術可以有效減少場景的DrawCalls數量，提高幀頻。系統采用遮擋裁剪技術的處理過程：1．在Occlusion面板中，勾選OccluderStatic和OccludeeStatic選項，進行烘焙處理。2．在Hierarchy窗口中選擇需要進行遮擋裁剪處理的攝像機，點擊Visualization可視化選項卡，可以發現Scene窗口中的物體進行了遮擋裁剪處理，經過對比，經過遮擋處理后的系統幀頻更高，運行更為流暢，體驗效果也更好。

四、系統實現

系統設計致力于解決建筑施工中存在的安全教育培訓痛點，提高建筑從業者的安全意識水平，達到安全施工的目的。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、大型機械設備預警、火災模擬逃生訓練、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實現抓取安全帽，并進行佩戴操作，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，判斷當用戶距離電箱距離過近時，如果用戶進行扳機操作。

五、結語

本文對基于Unity3D和HTCVive頭盔的VR安全教育培訓系統進行了研究，提供了建筑行業安全教育培訓的新途徑。相信隨著虛擬現實軟、硬件技術的發展，采用虛擬現實技術的培訓系統將會越來越廣泛，本系統的開發為虛擬現實應用技術的推廣提供了積極的作用。

作者：章國雁 單位：安徽工商職業學院 信息工程學院