CN109166388A - 一种面向地震安全教育的虚拟训练与体验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向地震安全教育的虚拟训练与体验方法，采用虚拟地震体验设备，包括：头显设备，包括头戴式显示器、手柄；计算机，与头显设备连接；该方法包括：计算机先将地震科普教育画面传输到头显设备，提供地震科普教育虚拟场景，体验人用手柄在地震科普教育虚拟场景中点击对应的地震科普知识，学习地震科普知识，之后，点击按钮进入地震虚拟场景；计算机将地震画面传输到头显设备，提供地震虚拟场景，体验人用手柄在地震虚拟场景中与虚拟物品交互。本发明方法，利用算法计算地震波，利用地震波模拟出较为真实的地震体验，对地震的还原度更高，能够让人们体验地震来临时的场景，并学会如何逃生和自救。

Description

一种面向地震安全教育的虚拟训练与体验方法

技术领域

本发明涉及地震虚拟场景技术领域，具体涉及一种面向地震安全教育的虚拟训练与体验方法。

背景技术

随着虚拟现实技术的发展,人们可以在虚拟场景中模拟真实世界并实现人机交互。与传统计算机模拟技术相比，虚拟现实技术所营造的场景更加逼真，用户的参与度更强，这也为公共安全教育提供了一种新思路。

目前大部分虚拟现实游戏的地震模拟是通过简单的动画或者是利用一些辅助插件等进行模拟，模拟的精确性与真实地震并不是十分一致。

本发明利用3D游戏引擎与VR头盔相结合制作地震仿真系统，用视频、动画等形式向体验者科普地震的形成原因，地震时如何自救。并且通过VR游戏的形式体验地震来临的地面的震动、房屋的坍塌、物品的掉落和破碎，并体验如何地震来临时如何躲避及逃生。

发明内容

本发明提供了一种面向地震安全教育的虚拟训练与体验方法，利用算法计算地震波，利用地震波模拟出较为真实的地震体验，对地震的还原度更高，能够让人们体验地震来临时的场景，并学会如何逃生和自救。

该系统利用unity3D引擎并配合HTC vive虚拟头盔进行制作。使用HTC vive手柄进行交互。

该系统包含两个虚拟场景：科普教育场景以及地震体验与逃生场景。

为了逼真还原地震时地面抖动的场景，本系统实现了一种基于unity3d的震动算法用于地震的简单模拟。

一种虚拟地震体验设备，包括：

头显设备，该头显设备包括头戴式显示器、与所述头戴式显示器无线交互的手柄，所述头戴式显示器和手柄均内置有定位模块。两个定位模块能于空间内同时追踪头戴式显示器与手柄的定位系统。该设备满足实现显示虚拟场景和手柄交互的功能的硬件要求。头显设备可采用HTC Vive头显设备。

计算机，与所述头显设备连接。计算机为头显设备提供地震虚拟场景的画面。

一种面向地震安全教育的虚拟训练与体验方法，包括以下步骤：

1)计算机先将地震科普教育画面传输到头显设备，提供地震科普教育虚拟场景，体验人用手柄在地震科普教育虚拟场景中点击对应的地震科普知识，学习地震科普知识，学习完之后，点击按钮进入地震虚拟场景；

2)计算机将地震画面传输到头显设备，提供地震虚拟场景，体验人用手柄在地震虚拟场景中与虚拟物品交互，计算机实时获取头戴式显示器、手柄的反馈信息。

所述的反馈信息包括位置信息、图像信息、按键反馈信息等。

该方法主要分为两个场景：科普教育场景以及地震虚拟场景。在科普教育场景中体验者可以了解到历史上一些著名的大地震，如2008年汶川大地震、2011年日本大地震等。还可以观看地震成因演示视频和如何规避危险和自救的视频。

在地震虚拟场景中，体验者将置身于即将发生地震的公寓。体验者必须及时找到安全的避险场所，如果超过一定时间后没有成功避险则会提示失败。地震结束后体验者须从安全通道进行逃生。

计算机将地震画面传输到头显设备之前，对地震画面的地面震动进行计算，分别对横波与纵波进行模拟，最后进行两者的叠加，具体包括：

1)先对地面震动的横波进行计算，横波的函数写为如下形式：其中，s为横波的函数值，A为振幅，ω为角频率，x为震源距离，u_s为横波的波速，为初相位，t为时间，其中，振幅A、角频率ω、震源距离x和初相位根据地震虚拟场景中所要体验的震级进行设定；

横波的波速u_s通过以下公式计算：其中，μ为剪切模量，ρ为地面介质的密度，E为杨氏模量，ν为泊松比，杨氏模量E和泊松比ν为根据地面介质所确定的固定值；

经过计算得到横波的函数值；

2)对地面震动的纵波进行计算，纵波的函数写为如下形式：其中，y为纵波的函数值，A为振幅，ω为角频率，x为震源距离，u_p为纵波的波速，为初相位，t为时间，其中，振幅A、角频率ω、震源距离x和初相位根据地震虚拟场景中所要体验的震级进行设定；

纵波的波速u_p通过以下公式计算：其中，E为杨氏模量，ν为泊松比，ρ为地面介质的密度，杨氏模量E和泊松比ν为根据地面介质所确定的固定值；

经过计算得到纵波的函数值；

3)将步骤1)计算得到的横波的函数值和步骤2)得到的纵波的函数值输入到Unity3D引擎的位移函数中模拟地面震动。

步骤1)中，经过计算得到横波的函数值，具体包括；

a)当地面介质为花岗岩，地面介质的密度ρ为2.4～3.1g.cm^-3，杨氏模量E为62.44E/GPa，即62.44*10⁹Pa，泊松比ν为0.25，代入横波的波速u_s公式，当ρ取2.615g.cm^-3，计算出横波(S波)的波速u_s为3090m.s^-1；

b)角频率ω与频率f的关系为ω＝2πf，频率f取10Hz，角频率ω为62.8rad/s，振幅A取0.5，设为0，初相位设为0，震源距离x设为14000，横波的函数值为

步骤2)中，经过计算得到纵波的函数值，具体包括；

a)当地面介质为花岗岩地面介质的密度ρ为2.4～3.1g.cm^-3，杨氏模量E为62.44E/GPa，即62.44*10⁹Pa，泊松比ν为0.25，当ρ取2.504g.cm^-3，计算出纵波(P波)的波速u_p为5470m.s^-1；

b)角频率ω与频率f的关系为ω＝2πf，频率f取10Hz，角频率ω等于62.8rad/s，振幅A取0.5，初相位设为0，震源距离x设为14000，纵波的函数值为

Unity3D引擎的位移函数为transform.Translate函数。

地震波主要由横波、纵波以及面波三种主要类型。顾名思义，纵波主要使地面上下震动，横波主要使地面发生前后、左右的抖动，其破坏性较强。而面波是横波与纵波在地表相遇后所产生的混合波。通过算法，计算出横波与纵波的数值后将其叠加，能更加逼真地模拟真实地震，给体验者以更好的观感体验。

与现有技术相比，本技术方案具有以下优点:

本发明面向地震安全教育的虚拟训练与体验方法，方便快捷，体验者可以足不出户，只需要在电脑上安装本游戏即可体验虚拟地震仿真、场景逼真,可以近距离体验墙壁的坍塌,房间内物体的掉落与碎裂。视频与动画相结合,使体验者对地震的成因与地震时如何自救有更深的了解。大部分游戏的地震模拟是通过简单的制作动画或者是利用一些辅助插件进行模拟，与真实地震时的场景并不是十分一致，本系统利用算法进行简单的地震波模拟，对地震的还原度更高。

附图说明

图1为面向地震安全教育的虚拟训练与体验方法的流程示意图。

具体实施方式

如图1所示，一种面向地震安全教育的虚拟训练与体验方法，采用虚拟地震体验设备，包括：

头显设备，该头显设备包括头戴式显示器、与所述头戴式显示器无线交互的手柄，所述头戴式显示器和手柄均内置有定位模块。两个定位模块能于空间内同时追踪头戴式显示器与手柄的定位系统。该设备满足实现显示虚拟场景和手柄交互的功能的硬件要求。头显设备可采用HTC Vive头显设备。

计算机，与所述头显设备连接。计算机为头显设备提供地震虚拟场景的画面。

面向地震安全教育的虚拟训练与体验方法，包括以下步骤：

1)计算机先将地震科普教育画面传输到头显设备，提供地震科普教育虚拟场景，体验人用手柄在地震科普教育虚拟场景中点击对应的地震科普知识，学习地震科普知识，学习完之后，点击按钮进入地震虚拟场景；

2)计算机将地震画面传输到头显设备，提供地震虚拟场景，体验人用手柄在地震虚拟场景中与虚拟物品交互，计算机实时获取头戴式显示器、手柄的反馈信息。

所述的反馈信息包括位置信息、图像信息、按键反馈信息等。

计算机将地震画面传输到头显设备之前，对地震画面的地面震动进行计算，分别对横波与纵波进行模拟，最后进行两者的叠加，具体包括：

1)先对地面震动的横波进行计算，横波的函数写为如下形式：其中，s为横波的函数值，A为振幅，ω为角频率，x为震源距离，u_s为横波的波速，为初相位，t为时间，其中，振幅A、角频率ω、震源距离x和初相位根据地震虚拟场景中所要体验的震级进行设定；

横波的波速u_s通过以下公式计算：其中，μ为剪切模量，ρ为地面介质的密度，E为杨氏模量，ν为泊松比，杨氏模量E和泊松比ν为根据地面介质所确定的固定值；

经过计算得到横波的函数值；

当地面介质为花岗岩，杨氏模量E为62.44E/GPa，即62.44*10⁹Pa，泊松比ν为0.25，地面介质的密度ρ为2.4～3.1g.cm^-3(ρ取2.615g.cm^-3)，可以计算出横波(S波)的波速u_s为3090m.s^-1。

地震产生的声波为次声波，其频率一般小于20Hz，角频率与频率的关系为ω＝2πf，频率f取10Hz，所以角频率ω可近似等于62.8rad/s。振幅A取0.5，初相位设为0，震源距离x设为14000，横波的函数值为s＝

2)对地面震动的纵波进行计算，纵波的函数写为如下形式：其中，y为纵波的函数值，A为振幅，ω为角频率，x为震源距离，u_p为纵波的波速，为初相位，t为时间，其中，振幅A、角频率ω、震源距离x和初相位根据地震虚拟场景中所要体验的震级进行设定；

纵波的波速u_p通过以下公式计算：其中，E为杨氏模量，ν为泊松比，ρ为地面介质的密度，杨氏模量E和泊松比ν为根据地面介质所确定的固定值；

经过计算得到纵波的函数值；

步骤2)中，当地面介质为花岗岩，杨氏模量E为62.44E/GPa，即62.44*10⁹Pa，泊松比ν为0.25，地面介质的密度ρ为2.4～3.1g.cm^-3(ρ取2.504g.cm^-3)，可以计算出纵波(P波)的波速u_p为5470m.s^-1。

地震产生的声波为次声波，其频率一般小于20Hz，角频率与频率的关系为ω＝2πf，频率f取10Hz，所以角频率ω可近似等于62.8rad/s。振幅A取0.5，初相位设为0，震源距离x设为14000，纵波的函数值为

3)将步骤1)计算得到的横波的函数值和步骤2)得到的纵波的函数值输入到Unity3D引擎的位移函数中模拟地面震动。

u_s和u_p为波速即为波在介质中传播的速度，所以波速的大小因介质不同而各不相同。另外，P波(即纵波)要比S波(即横波)的传播速度要快，在两者叠加时u_s和u_p要取不同的值。因为地震波主要是在岩石间传播，所以需计算地震波在岩石间的传播速度。S波的波速u_s计算公式如下：其中μ为剪切模量，代表材料抵抗切应变的能力。ρ为密度。E为杨氏模量。ν为泊松比。一般破坏力较强的地震均为浅源地震，震源深度离地表较近，处于0～60公里左右，该区域的地壳岩层以花岗岩层为主，花岗岩的弹性模量为62.44E/GPa，即62.44*10⁹Pa。ν取0.25。密度ρ大概在2.4～3.1g.cm^-3左右。由此可以计算出S波的波速大约为3090m.s^-1。P波波速u_p的计算公式为同理可计算出P波波速u_p大约为5470m.s^-1。

Unity3D引擎的位移函数为transform.Translate函数。在Unity3D引擎中上述算法的实现如下：

1、新建一个empty object用作震源。该物体须离地震震动地点足够远。将场景中的房间地板设为地震点。

2新建一个earthQuake脚本文件，设置四个变量分别为distance(距离)、A(振幅)、angularFrequency(角频率)、waveVelocity(波速)、phase(初相位)。

3、利用Vector3.Distance计算震源与地板间的距离，Unity3D引擎中自带三维坐标系，因为横波涉及x轴以及z轴方向，为了保证随机性，x轴方向上选择余弦函数，z轴方向上选择正弦函数，在Update()函数内利用横波公式分别计算x轴和z轴方向上的位移，利用纵波公式计算y轴方向上的位移，再利用transform.Translate函数模拟产生的位移。

在科普教育场景里用户通过手柄发射射线接触墙壁上的地震图片并扣动扳机键可以查看具体的地震介绍，包括:2008年汶川大地震、2011年日本大地震等。通过手柄发射射线接触场景中央的地震成因图标并扣动扳机键，虚拟场景里的电视会播放地震成因的相关视频。通过点击自救措施图标会播放地震来临时如何自救的视频。

在地震体验场景中，用户通过手柄发射射线接触开始游戏图标并扣动扳机键开始游戏。该游戏有三个震级可供选择,分别是轻度、中度以及重度地震。不同震级房屋的摇晃度是不一样的。该场景主要是一个公寓的场景。游戏开始后，地面和墙壁开始晃动。吊灯、墙上挂着的壁画等会逐渐掉落并摔碎。玻璃窗也会被震碎。此时用户需要根据提示寻找躲避的场所。提示会要求用户移动到桌子下面进行躲避。用户通过手柄上面的圆形触控板进行上下左右的移动，并通过手柄接触到桌子。如果桌子颜色变高亮说明成功碰到了桌子，再扣动扳机键即可藏身于桌面。在桌子下面等待一段时间后，系统会提示用户离开桌子并进行逃生。此时用户需要移动到房门旁，利用手柄接触房门并扣动扳机键打开房门，即可按逃生通道的指示进行逃生，同时地面上会出现毛巾，如果逃生者拾起毛巾进行逃生的话,到最后的评分时可以提高分数。在逃生时，地面上会有红色的圆圈提示即将有落石掉落。逃生者需要及时躲避落石。如果不幸被落石砸中则也会影响最后的评分。逃生时会有倒计时，如果体验者未能在规定时间内成功逃生则提示逃生失败，体验者可以再次体验游戏。在逃生通道中还会出现电梯,在地震时电梯是无法使用的，所以体验者如果利用电梯逃生的话会出现警告，提示体验者使用楼梯进行逃生。如果逃生成功，则会出现逃生成功提示，并会有评分界面。评分界面会依据逃生时间的长短、是否用毛巾捂住口鼻、被落石砸中的数量等因素来进行一个评分。

Claims (5)

1.一种面向地震安全教育的虚拟训练与体验方法，其特征在于，采用虚拟地震体验设备，包括：

头显设备，该头显设备包括头戴式显示器、与所述头戴式显示器无线交互的手柄，所述头戴式显示器和手柄均内置有定位模块；

计算机，与所述头显设备连接；

该方法包括以下步骤：

1)计算机先将地震科普教育画面传输到头显设备，提供地震科普教育虚拟场景，体验人用手柄在地震科普教育虚拟场景中点击对应的地震科普知识，学习地震科普知识，学习完之后，点击按钮进入地震虚拟场景；

2)计算机将地震画面传输到头显设备，提供地震虚拟场景，体验人用手柄在地震虚拟场景中与虚拟物品交互，计算机实时获取头戴式显示器、手柄的反馈信息。

2.根据权利要求1所述的面向地震安全教育的虚拟训练与体验方法，其特征在于，所述的反馈信息包括位置信息、图像信息和按键反馈信息。

3.根据权利要求1所述的面向地震安全教育的虚拟训练与体验方法，其特征在于，计算机将地震画面传输到头显设备之前，对地震画面的地面震动进行计算，分别对横波与纵波进行模拟，最后进行两者的叠加，具体包括：

1)先对地面震动的横波进行计算，横波的函数写为如下形式：其中，s为横波的函数值，A为振幅，ω为角频率，x为震源距离，u_s为横波的波速，为初相位，t为时间，其中，振幅A、角频率ω、震源距离x和初相位根据地震虚拟场景中所要体验的震级进行设定；

横波的波速u_s通过以下公式计算：其中，μ为剪切模量，ρ为地面介质的密度，E为杨氏模量，ν为泊松比，杨氏模量E和泊松比ν为根据地面介质所确定的固定值；

经过计算得到横波的函数值；

2)对地面震动的纵波进行计算，纵波的函数写为如下形式：其中，y为纵波的函数值，A为振幅，ω为角频率，x为震源距离，u_p为纵波的波速，为初相位，t为时间，其中，振幅A、角频率ω、震源距离x和初相位根据地震虚拟场景中所要体验的震级进行设定；

纵波的波速u_p通过以下公式计算：其中，E为杨氏模量，ν为泊松比，ρ为地面介质的密度，杨氏模量E和泊松比ν为根据地面介质所确定的固定值；

经过计算得到纵波的函数值；

3)将步骤1)计算得到的横波的函数值和步骤2)得到的纵波的函数值输入到Unity3D引擎的位移函数中模拟地面震动。

4.根据权利要求3所述的面向地震安全教育的虚拟训练与体验方法，其特征在于，步骤1)中，经过计算得到横波的函数值，具体包括；

a)当地面介质为花岗岩，地面介质的密度ρ为2.4～3.1g.cm^-3，杨氏模量E为62.44E/GPa，即62.44*10⁹Pa，泊松比ν为0.25，代入横波的波速u_s公式，当ρ取2.615g.cm^-3，计算出横波的波速u_s为3090m.s^-1；

b)角频率ω与频率f的关系为ω＝2πf，频率f取10Hz，角频率ω为62.8rad/s，振幅A取0.5，设为0，初相位设为0，震源距离x设为14000，横波的函数值为

5.根据权利要求3所述的面向地震安全教育的虚拟训练与体验方法，其特征在于，步骤2)中，经过计算得到纵波的函数值，具体包括；

a)当地面介质为花岗岩地面介质的密度ρ为2.4～3.1g.cm^-3，杨氏模量E为62.44E/GPa，即62.44*10⁹Pa，泊松比ν为0.25，当ρ取2.504g.cm^-3，计算出纵波的波速u_p为5470m.s^-1；

b)角频率ω与频率f的关系为ω＝2πf，频率f取10Hz，角频率ω等于62.8rad/s，振幅A取0.5，初相位设为0，震源距离x设为14000，纵波的函数值为