CN106601060B - 消防火场体验虚拟实境系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种消防火场体验虚拟实境系统，其包括消防虚拟训练交互模块、消防训练场景虚拟电气控制模块、实战训练仓；消防虚拟训练交互模块利用3D交互技术，建立高兼容性的实体高精度模型体；消防训练场景虚拟电气控制模块利用环境控制模块与数模转换设备的结合，将受训人员在虚拟火场中的反应行为与火灾场景中的虚拟设备、场景物体实现无缝连接；实战训练仓由一个直径为5M的环状视角高反射专用显像载体作为外层，在显像载体的上方由五组高亮度影像投射装置组成的360度多通道曲面融合投影系统。本发明既不消耗演练中的真实的消防设备，不污染环境，又可以保证消防指挥员日常的消防演练和熟练救援技能。

Description

消防火场体验虚拟实境系统

技术领域

本发明涉及一种虚拟实境系统，特别是涉及一种消防火场体验虚拟实境系统。

背景技术

消防部队每一次训练演习，都要投入大量的人力、物力。大量的投入使得实战训练演习不能频繁进行。同时像高污染、重大火情、大规模人众等火灾场景无法真实进行演练。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种消防火场体验虚拟实境系统，其既不消耗演练中的真实的消防设备，不污染环境，又可以保证消防指挥员日常的消防演练和熟练救援技能。

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：一种消防火场体验虚拟实境系统，其特征在于，其包括消防虚拟训练交互模块、消防训练场景虚拟电气控制模块、实战训练仓；消防虚拟训练交互模块利用3D交互技术，建立高兼容性的实体高精度模型体，并针对于场景需求进行多层次的优化；消防训练场景虚拟电气控制模块利用环境控制模块与数模转换设备的结合，通过三十二路直控可控硅继电器形成层级开关电路通信，根据虚拟火场场景的变幻，控制烟雾环境仿真装置、温度调节装置、火焰光亮仿真装置的强度，同时接受受训人员全角度行走速度及姿态测控装置自设计或改装设备传导的数据，将受训人员在虚拟火场中的反应行为与火灾场景中的虚拟设备、场景物体实现无缝连接；实战训练仓由一个直径为5M的环状视角高反射专用显像载体作为外层，在显像载体的上方由五组高亮度影像投射装置组成的360度多通道曲面融合投影系统。

优选地，所述消防虚拟训练交互模块主要包括以下部分：

心率捕捉装置，主要承担受训人员的生理主要特征的监控作用，通过对受训人员的心率的捕捉并通过蓝牙方式传送给接收装置，并解码后交给分析运算模块进行分析；

动作捕捉装置，动作捕捉装置包含了安装在设备顶端的远红外人体动作视频捕捉装置，安装在人体表面的肢体动作捕捉装置，安装在受训人员运动平台上的行走动作捕捉装置以及安装在受训人员头部的视觉方向感应装置；动作捕捉装置的主要功能是捕捉受训人员在虚拟训练过程中的所有肢体动作及行为预测，输送到分析运算模块，进行虚拟场景与受训人员交互行为预判的基础数据；

仿真消防工具，仿真消防工具根据虚拟场景的不同分为实体性仿真消防工具和虚拟型防震消防工具，主要用于收集受训人员对于专业消防工具的正确使用，并将工具作用预判传递给分析运算模块进行场景动作预判计算；

虚拟场景交互控制模块，通过计算模块分析计算获得的虚拟场景行为预判数据，提交给本虚拟场景交互控制模块后，又本虚拟场景交互控制模块根据预判数据制定出虚拟场景中的各种模型物体进行符合现实物理规律的运动轨迹，达到与真实世界同样的仿真虚拟反应；

虚拟场景渲染模块，将虚拟场景交互控制中获得的模型运行轨迹上的每一个位置进行预渲染，并在合适的时间点推送给全景双目视觉体验模块、多通道融合画面模块。

优选地，所述消防训练场景虚拟电气控制模块主要包括以下各部分：

分析运算模块，分析各种探测模块发来的数据，并根据其不同含义进行运动预判，分析各个运动所产生的不同效果场面，并分解为虚拟运动反馈和实体运动反馈；如果是虚拟运动反馈则发送至虚拟场景交互控制模块，如果是实体运动反馈，则需要分析将要产生的反馈含义，并将之分类为体感、烟感、光感，并将其强度和时间数据发送到电气信号转换模块；

电气信号转换模块，在接收到分析运算模块发来的实体运动反馈数据后，根据其强度和时间数据，将其进行数模转换，转换成分量电信号，传输给体验舱环境控制模块进行仿真；

体验舱环境控制模块，环境仿真根据场景需要，分为光感仿真、烟雾仿真、体感仿真、环境音仿真；其中环境音仿真由虚拟环境仿真模块经场景音效进行仿真，其余的都由本模块进行控制仿真；体验舱环境控制模块对各种仿真电气设备进行实时方式的控制，并根据电气信号转换模块提供的数据分量电信号进行有效时间和有效强度的控制，达到与虚拟世界同步的实体环境效果，以便让受训人员因为体感的真实性进而认可虚拟世界的真实性。

优选地，所述实战训练仓主要包括以下部分：

物理环境仿真模块，物理环境仿真模块包含的光感仿真设备、烟雾仿真设备、温度仿真设备、湿度仿真设备、风力仿真设备、环境音响仿真设备，由体验舱环境控制模块进行控制，对体验舱体中的物理真实环境进行仿真；

虚拟环境仿真模块，由分析运算模块提供的虚拟环境变化预判，调用虚拟场景渲染模块所提供的场景物体渲染结果，按照时间点和动作节点进行匹配，形成三维立体的视觉画面，传送给全景双目视觉体验模块和多通道融合画面模块进行表现，让受训人员感知；

全景双目视觉体验模块，通过高清分辨率的OLED显示装置并通过多层镜片的光学作用，将虚拟环境仿真模块所提供的分属于左右眼的不同画面，直接投射在受训人员的左眼和右眼视网膜上，形成视差距离感，有效的让受训人员感觉到真实的三维空间感觉，对虚拟世界的物体产生远近、速度、空间各种虚拟的真实感受；

多通道融合画面模块，多通道融合画面模块是为了将虚拟环境仿真模块所提供的虚拟环境视觉发散到环绕着整个体验舱体的环形内壁上。

本发明的积极进步效果在于：一，本发明首次将虚拟现实体感技术应用于消防实战训练演习，利用虚拟现实体感技术实现低成本高效率零伤亡的消防实战训练演习目的，通过沉浸式的真实感受造成火场现场感，并以肢体互动充分调动受训人员的参与感。在一个相对较小的环境场地中，有效的达到实战训练效果，从而快速提高在消防人员在真实火场环境中的应急能力。二，本发明利用光反射原理，研发制作专用影像反射载体，通过360度多通道曲面融合投影系统，将虚拟场景投射到受测人员视角覆盖区域，以本载体特有的反射特性，使虚拟环境在受训人员的视角高度范围内达到超高亮度、高对比度的水平360度无死角的画面感受。同时使用自发光OLED全景双目视差镜像，通过结合水平、角速度、运动速度三对传感器构成的视差捕捉定位系统，控制虚拟影像随受训人员的视野变化而改变，完全地将受训者视野绑定在虚拟场景中，实现全方位无死角的虚拟火场视觉冲击。三，本发明通过环境控制模块结合数模转换设备，与三十二套可控硅继电器形成通信，根据虚拟火场场景的变幻，控制烟雾发生装置、温度调节装置、火焰光亮仿真装置、受训人员全角度行走速度及姿态测控装置等自设计或改装设备，将受训人员在虚拟火场中的反应行为与火灾场景中的虚拟设备、场景物体等实现无缝连接。让热风、烟雾、光线等元素与受训人员的一举一动实时连接，增加受训人员的沉浸感和代入感，达到虚拟火场互动实战训练演习的目的。四，本发明利用3D交互技术，建立高兼容性的实体高精度模型体，并针对于场景需求进行多层次的优化，让场景的更加真实。并将虚拟场景及互动机制形成多种算法，编写成模块化程序，使得本发明专利可以在短时间内根据相关单位的需求通过改变模型体设计出不同的火场情况供受训人员训练，培养受训人员对待不同场景的应变能力，让受训人员不受场地限制的感受不同的火场环境，达到“一地多场”的目的。五，人在遇见紧急情况时由于紧张会心率加快，但过度的紧张会造成人对危险的判断失误，所以本发明专利在系统中加入心理训练这一元素。利用虚拟场景的互动能真实反映受训人员视角的特点将场景中的各种危险逼真的展示给受训人员，并通过外部的体感虚拟设备产生的虚拟环境元素最大程度的让受训人员体会到真实火场的感官训练，让受训人员的心理接近真实场景的实战心理变化，并将其作为受训人员一个重要训练要点。控制室主机屏幕展现受训人员的行为变化，指导老师还可根据受测人员在测试过程中的变现进行指导，从而对受训人员心理耐受力进行了训练，提高受训人员实战心理素质。

附图说明

图1为本发明消防火场体验虚拟实境系统的原理框图。

具体实施方式

下面结合附图给出本发明较佳实施例，以详细说明本发明的技术方案。

如图1所示，本发明消防火场体验虚拟实境系统包括消防虚拟训练交互模块、消防训练场景虚拟电气控制模块、实战训练仓；消防虚拟训练交互模块利用3D交互技术，建立高兼容性的实体高精度模型体，并针对于场景需求进行多层次的优化。消防训练场景虚拟电气控制模块利用环境控制模块与数模转换设备的结合，通过三十二路直控可控硅继电器形成层级开关电路通信，根据虚拟火场场景的变幻，控制烟雾环境仿真装置、温度调节装置、火焰光亮仿真装置的强度，同时接受受训人员全角度行走速度及姿态测控装置等自设计或改装设备传导的数据，将受训人员在虚拟火场中的反应行为与火灾场景中的虚拟设备、场景物体等实现无缝连接。让体感温度、仿真烟雾、火光刺激等元素与受训人员的一举一动实时连接。基于数模转换，多级控制基础，调用与之配套的自发光OLED全景双目视觉体验模块、多通道融合画面模块、动作捕捉装置、物理环境仿真模块、心率捕捉装置和仿真消防工具等一系列设备，共同完成模拟火灾现场的各种体感。实战训练仓由一个直径为5M的环状视角高反射专用显像载体作为外层，在显像载体的上方由五组高亮度影像投射装置组成的360度多通道曲面融合投影系统。实战训练仓的中心是为训练者准备的训练平台，训练平台由全方位位移接触定位装置作为主要动作捕捉装置结合心率捕捉装置及仿真消防工具组成。训练平台的四周安装有烟雾环境仿真装置、温度调节装置和火焰光亮仿真装置来完成对虚拟场景的体感辅助。

实战训练仓包括物理环境仿真模块、虚拟环境仿真模块、全景双目视觉体验模块、多通道融合画面模块，通过训练平台上的全方位位移定位装置将学员的运动信息传递给主机，然后主机通过分析运算模块的计算后通过虚拟场景交互控制模块和电气信号转换模块控制体验舱环境控制模块向全景双目视觉体验模块、多通道融合画面模块、温度调节装置、烟雾环境仿真装置和环状视角高反射专用显像载体发出信号，分别实现画面虚拟影像的变化、热风的产生、烟雾的生成还有光线的明暗变动，从而实现火场模拟。通过受训人员在主机端的评分系统对受测人员的演习进行测评并记录在数据库。

消防虚拟训练交互模块主要包括以下部分：

心率捕捉装置，主要承担受训人员的生理主要特征的监控作用，通过对受训人员的心率的捕捉并通过蓝牙(Bluetooth)方式传送给接收装置，并解码后交给分析运算模块进行分析。

动作捕捉装置，动作捕捉装置包含了安装在设备顶端的远红外人体动作视频捕捉装置，安装在人体表面的肢体动作捕捉装置，安装在受训人员运动平台上的行走动作捕捉装置以及安装在受训人员头部的视觉方向感应装置。动作捕捉装置的主要功能是捕捉受训人员在虚拟训练过程中的所有肢体动作及行为预测，输送到分析运算模块，进行虚拟场景与受训人员交互行为预判的基础数据。

仿真消防工具，仿真消防工具根据虚拟场景的不同分为实体性仿真消防工具和虚拟型防震消防工具，主要用于收集受训人员对于专业消防工具的正确使用，并将工具作用预判传递给分析运算模块进行场景动作预判计算。

虚拟场景交互控制模块，通过计算模块分析计算获得的虚拟场景行为预判数据，提交给本模块后，又本模块根据预判数据制定出虚拟场景中的各种模型物体进行符合现实物理规律的运动轨迹，达到与真实世界同样的仿真虚拟反应。

虚拟场景渲染模块，将虚拟场景交互控制中获得的模型运行轨迹上的每一个位置进行预渲染，并在合适的时间点推送给全景双目视觉体验模块、多通道融合画面模块。

消防训练场景虚拟电气控制模块主要包括以下各部分：

分析运算模块，分析各种探测模块发来的数据，并根据其不同含义进行运动预判，分析各个运动所产生的不同效果场面，并分解为虚拟运动反馈和实体运动反馈。如果是虚拟运动反馈则发送至虚拟场景交互控制模块，如果是实体运动反馈，则需要分析将要产生的反馈含义，并将之分类为体感、烟感、光感等，并将其强度和时间数据发送到电气信号转换模块。

电气信号转换模块，在接收到分析运算模块发来的实体运动反馈数据后，根据其强度和时间数据，将其进行数模转换，转换成分量电信号，传输给体验舱环境控制模块进行仿真。

体验舱环境控制模块，环境仿真根据场景需要，分为光感仿真、烟雾仿真、体感仿真(温度仿真、湿度仿真、风动仿真、风向仿真等)、环境音仿真。其中环境音仿真由虚拟环境仿真模块经场景音效进行仿真，其余的都由本模块进行控制仿真。本模块对各种仿真电气设备进行实时方式的控制，并根据电气信号转换模块提供的数据分量电信号进行有效时间和有效强度的控制，达到与虚拟世界同步的实体环境效果，以便让受训人员因为体感的真实性进而认可虚拟世界的真实性。

实战训练仓主要包括以下部分：

物理环境仿真模块，物理环境仿真模块包含的光感仿真设备、烟雾仿真设备、温度仿真设备、湿度仿真设备、风力仿真设备(包含风动和风向)、环境音响仿真设备。由体验舱环境控制模块进行控制，对体验舱体中的物理真实环境进行仿真。

虚拟环境仿真模块，由分析运算模块提供的虚拟环境变化预判，调用虚拟场景渲染模块所提供的场景物体渲染结果，按照时间点和动作节点进行匹配，形成三维立体的视觉画面，传送给全景双目视觉体验模块和多通道融合画面模块进行表现，让受训人员感知。

全景双目视觉体验模块，通过高清分辨率的OLED显示装置并通过多层镜片的光学作用，将虚拟环境仿真模块所提供的分属于左右眼的不同画面，直接投射在受训人员的左眼和右眼视网膜上，形成视差距离感，有效的让受训人员感觉到真实的三维空间感觉，对虚拟世界的物体产生远近、速度、空间等各种虚拟的真实感受，以便于在场景中接收到真实的训练视觉效果。

多通道融合画面模块，多通道融合画面模块是为了将虚拟环境仿真模块所提供的虚拟环境视觉发散到环绕着整个体验舱体的环形内壁上，由于360°的场景目前尚没有不失真的独立投射解决办法，所以，我们使用的拼接投射的方式，并为此开发了相关校正拼接软件。借此依靠5台4:3的投影设备，按照10°交合运算的方式，覆盖所有的360°画面。根据虚拟环境仿真模块所提供的环境影像，将体验舱整体融合在虚拟环境之中。

以上所述的具体实施例，对本发明的解决的技术问题、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种消防火场体验虚拟实境系统，其特征在于，其包括消防虚拟训练交互模块、消防训练场景虚拟电气控制模块、实战训练仓；消防虚拟训练交互模块利用3D交互技术，建立高兼容性的实体高精度模型体，并针对于场景需求进行多层次的优化；消防训练场景虚拟电气控制模块利用环境控制模块与数模转换设备的结合，通过三十二路直控可控硅继电器形成层级开关电路通信，根据虚拟火场场景的变幻，控制烟雾环境仿真装置、温度调节装置、火焰光亮仿真装置的强度，同时接受受训人员全角度行走速度及姿态测控装置自设计或改装设备传导的数据，将受训人员在虚拟火场中的反应行为与火灾场景中的虚拟设备、场景物体实现无缝连接；实战训练仓由一个直径为5M的环状视角高反射专用显像载体作为外层，在显像载体的上方由五组高亮度影像投射装置组成的360度多通道曲面融合投影系统；

所述消防虚拟训练交互模块主要包括以下部分：

心率捕捉装置，主要承担受训人员的生理主要特征的监控作用，通过对受训人员的心率的捕捉并通过蓝牙方式传送给接收装置，并解码后交给分析运算模块进行分析；

动作捕捉装置，动作捕捉装置包含了安装在设备顶端的远红外人体动作视频捕捉装置，安装在人体表面的肢体动作捕捉装置，安装在受训人员运动平台上的行走动作捕捉装置以及安装在受训人员头部的视觉方向感应装置；动作捕捉装置的主要功能是捕捉受训人员在虚拟训练过程中的所有肢体动作及行为预测，输送到分析运算模块，进行虚拟场景与受训人员交互行为预判的基础数据；

仿真消防工具，仿真消防工具根据虚拟场景的不同分为实体性仿真消防工具和虚拟型防震消防工具，主要用于收集受训人员对于专业消防工具的正确使用，并将工具作用预判传递给分析运算模块进行场景动作预判计算；

虚拟场景交互控制模块，通过计算模块分析计算获得的虚拟场景行为预判数据，提交给本虚拟场景交互控制模块后，又本虚拟场景交互控制模块根据预判数据制定出虚拟场景中的各种模型物体进行符合现实物理规律的运动轨迹，达到与真实世界同样的仿真虚拟反应；

虚拟场景渲染模块，将虚拟场景交互控制中获得的模型运行轨迹上的每一个位置进行预渲染，并在合适的时间点推送给全景双目视觉体验模块、多通道融合画面模块；所述消防训练场景虚拟电气控制模块主要包括以下各部分：

分析运算模块，分析各种探测模块发来的数据，并根据其不同含义进行运动预判，分析各个运动所产生的不同效果场面，并分解为虚拟运动反馈和实体运动反馈；如果是虚拟运动反馈则发送至虚拟场景交互控制模块，如果是实体运动反馈，则需要分析将要产生的反馈含义，并将之分类为体感、烟感、光感，并将其强度和时间数据发送到电气信号转换模块；

电气信号转换模块，在接收到分析运算模块发来的实体运动反馈数据后，根据其强度和时间数据，将其进行数模转换，转换成分量电信号，传输给体验舱环境控制模块进行仿真；

体验舱环境控制模块，环境仿真根据场景需要，分为光感仿真、烟雾仿真、体感仿真、环境音仿真；其中环境音仿真由虚拟环境仿真模块经场景音效进行仿真，其余的都由本模块进行控制仿真；体验舱环境控制模块对各种仿真电气设备进行实时方式的控制，并根据电气信号转换模块提供的数据分量电信号进行有效时间和有效强度的控制，达到与虚拟世界同步的实体环境效果，以便让受训人员因为体感的真实性进而认可虚拟世界的真实性；

所述实战训练仓主要包括以下部分：

物理环境仿真模块，物理环境仿真模块包含的光感仿真设备、烟雾仿真设备、温度仿真设备、湿度仿真设备、风力仿真设备、环境音响仿真设备，由体验舱环境控制模块进行控制，对体验舱体中的物理真实环境进行仿真；

虚拟环境仿真模块，由分析运算模块提供的虚拟环境变化预判，调用虚拟场景渲染模块所提供的场景物体渲染结果，按照时间点和动作节点进行匹配，形成三维立体的视觉画面，传送给全景双目视觉体验模块和多通道融合画面模块进行表现，让受训人员感知；

全景双目视觉体验模块，通过高清分辨率的OLED显示装置并通过多层镜片的光学作用，将虚拟环境仿真模块所提供的分属于左右眼的不同画面，直接投射在受训人员的左眼和右眼视网膜上，形成视差距离感，有效的让受训人员感觉到真实的三维空间感觉，对虚拟世界的物体产生远近、速度、空间各种虚拟的真实感受；

多通道融合画面模块，多通道融合画面模块是为了将虚拟环境仿真模块所提供的虚拟环境视觉发散到环绕着整个体验舱体的环形内壁上。