CN110992757A - 基于vr与人工智能的高危化学实验室防火安全培训方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于VR与人工智能的高危化学实验室防火安全培训方法，包括：步骤1，建立用于高危化学实验室防火安全培训的虚拟场景；步骤2，在虚拟场景中，利用语音识别执行虚拟物体的拾取和虚拟物体的触碰动作，利用声纹识别对受训者身份进行识别，以完成高危化学实验室防火安全培训。本发明通过构建虚拟场景，并将语音识别和声纹识别与虚拟场景结合进行高危化学实验室防火安全培训，受训者作为VR消防演练的参与者可以身临其境般体验火灾中的灭火、逃生、自救等操作，通过逼真还原的火灾现场，增强体验者的消防知识与技能。

Description

基于VR与人工智能的高危化学实验室防火安全培训方法

技术领域

本发明属于防火安全培训技术领域，具体涉及一种基于VR与人工智能的高危化学实验室防火安全培训方法。

背景技术

高等院校的化学实验室是教师进行实验教学和科学研究的场所,也为学生的实验创新和发明创造提供了平台。但由于化学实验需要用到大量化学试剂和各种仪器设备,所以化学实验室是具有危险性的。近些年来,高校化学实验室安全事故频频发生,给化学实验室安全管理带来了新的挑战。

传统的实验室安全教育培训采用理论讲解或实操培训，但单纯的理论教育没有实操训练当工作人员真正遇到安全问题时无法快速准确的解决问题。而实操训练又会受到时间、地点、以及场地大小的限制。随着实验室的使用频率的升高,进出实验室的人员有明显增加,需要定期或频繁培训,采用传统方法使得实验室工作人员的劳动强度和实验耗材的使用成本都很高。一些危险系数比较高的实验不易于大规模培训，培训难度很高，导致工作人员不能及时受到培训，进而实验室很容易发生安全问题；火灾逃生，化学药品泄露等不便参与者进行实践训练的项目，受训在者进行学习和训练的过程中人身安全不能保证，而且也会导致受训者不能大胆进行操作，从而导致培训效果不好。

发明内容

本发明的目的是提一种基于VR与人工智能的高危化学实验室防火安全培训方法，以解决上述技术问题。

本发明提供了一种基于VR与人工智能的高危化学实验室防火安全培训方法，包括：

步骤1，建立用于高危化学实验室防火安全培训的虚拟场景；

步骤2，在虚拟场景中，利用语音识别执行虚拟物体的拾取和虚拟物体的触碰动作，利用声纹识别对受训者身份进行识别，以完成高危化学实验室防火安全培训。

进一步地，所述步骤1包括：

选用在3d max中根据提供的实物照片或者效果图，制作场景，并且在photoshop中将多个贴图处理成少数图片，并在photoshop中设计UI界面，以构建与实验室相仿的虚拟实验室模型。

进一步地，所述步骤2包括：

对要进入实验室操作场景的受训者进行声纹身份识别，识别通过后，进行实验室安全相关的语音答题，面对看到的题目，受训者直接用语言进行作答过后显示正确答案，答题分数合格后进入实验室场景进行进一步培训；

进入实验室后，受训者将会面临与火灾相关的突发情况，受训者通过语音进行操作与实验室内的物品进行正确的交互以处理突发险情；

受训者对虚拟实验室中存在的安全隐患进行排查。

与现有技术相比本发明的有益效果是：

(1)基于虚拟现实的实验室安全教育没有时间、地点、以及场地大小的限制，只要具有相应的软硬件条件即可实施；

(2)基于虚拟现实的实验室安全教育过程互动性好，学生接受程度高，教育效果相比传统方法更优；

(3)显著降低了实验室工作人员的劳动强度和实验耗材的使用成本，且被培训者可根据需要进行定期巩固培训效果；

(4)火灾逃生，化学药品泄露等不便参与者进行实践训练的项目可以通过虚拟现实的方法进行培训，可以让受训者进行学习和训练的同时不会受到任何危险；

(5)实验室安全教育效果的实施反馈：通过虚拟现实中被培训者的表现，可及时对安全教育效果进行评价，并对教育方法进行不断的改进；

(6)便于实现实验室安全教育的标准化。

(7)可全程通过语音与场景交互，使得培训操作更加简便，灵活。

(8)加入声纹识别高度还原真实场景，使得实验室安全性更高。

附图说明

图1是本发明基于VR与人工智能的高危化学实验室防火安全培训方法的流程图；

图2是本发明场景构建流程图。

图3为本发明构建与实验室相仿的虚拟实验室模型流程图；

图4为本发明语音识别算法流程图；

图5为本发明语音识别流程图；

图6为本发明基本的说话人识别流程图。

具体实施方式

下面结合附图所示的各实施方式对本发明进行详细说明，但应当说明的是，这些实施方式并非对本发明的限制，本领域普通技术人员根据这些实施方式所作的功能、方法、或者结构上的等效变换或替代，均属于本发明的保护范围之内。

本实施例提供了一种基于VR与人工智能的高危化学实验室防火安全培训方法，包括：

步骤1，建立用于高危化学实验室防火安全培训的虚拟场景；

步骤2，在虚拟场景中，利用语音识别执行虚拟物体的拾取和虚拟物体的触碰动作，利用声纹识别对受训者身份进行识别，以完成高危化学实验室防火安全培训。

该基于VR与人工智能的高危化学实验室防火安全培训方法，具有如下技术效果：

1)用VR和人工智能技术来实现高危化学实验室安全管理和培训系统。

2)将语音识别和声纹识别技术通过调用百度和科大讯飞的库加入高危实验室安全管理和培训系统的VR场景中，声纹识别用来严格控制进入实验室的人员，进一步确保实验室安全。

3)可在各种设备中无需外设全部通过语音识别的方式与虚拟现实场景进行交互，可进行实验室安全知识科普，安全隐患排查，面对实验室险情逃生和处理，也可进行化学材料及器材管理。

4)Unity自带的语音识别库在特定时间下才能实现，本发明不用unity自带的语音识别包，调用百度语音识别库。可发布于各个终端，手机、PC和平板等。

下面对本发明作进一步详细说明。

本部分，主要说明了本次培训的主要过程，从虚拟场景建立，到语音识别和声纹识别与虚拟场景结合。参图1所示。

1、虚拟场景建立

场景构建需要导入模型，场景构建流程如图2所示。

(1)HTC VIVE设备的引入

首先需要创建一个新的场景，在场景中为了能通过HTC VIVE设备来体验实验室场景，我们需要通过Asset Store导入Steam VR Plugin的资源包，这个资源包为我们提供了写好的场景，脚本，shader，预制体，材质等。应用这个资源包导入后就可以控制头盔了。

(2)场景中模型的引入

选用在3d max中根据提供的实物照片或者效果图，制作场景，并且在photoshop中将多个贴图处理成少数图片，并在photoshop中设计了UI界面。来构建出与实验室相仿的虚拟实验室模型。如图3所示。

2、语音识别技术

语音识别技术，也被称为自动语音识别AutomaTIc Speech RecogniTIon，(ASR)，其目标是将人类的语音中的词汇内容转换为计算机可读的输入，例如按键、二进制编码或者字符序列。语音识别就好比“机器的听觉系统”，它让机器通过识别和理解，把语音信号转变为相应的文本或命令。如图4所示。

语音识别其实是一种模式识别系统，他其中包括语音信号处理、特征提取、模式训练、模型匹配识别四个基本的模块。如图5所示。

语音输入的阶段需要有接口层去接受实验员传进来的语音信息，其次为了更有效地提取特征往往还需要对所采集到的声音信号进行滤波、分帧等预处理工作，把要分析的信号从原始信号中提取出来。对输入的语音信号进行分析，并抽取所需的特征，在此基础上建立语音识别所需的模板。而计算机在识别过程中要根据语音识别的模型，将计算机中存放的语音模板与输入的语音信号的特征进行比较，根据一定的搜索和匹配策略，找出一系列最优的与输入语音匹配的模板。然后根据此模板的定义，通过查事先定义好的字典就可以得到计算机的识别结果。在本系统中，调用了百度语音识别库，而我们只需要从中选取具有相关性的文字，例如：“A”、“B”和“上一题”这种指示类关键词。通过创建一个字典，将说的话和创建的字典作对比，如果包含了字典里的关键词，认定这个关键词对应的信息是答题需要的信息。根据语音得到的信息可以实现翻页、答题、提示等功能。由于虚拟场景过大，在整个虚拟场景中找东西过于麻烦，可将语音交互功能加入到虚拟物体的拾取和虚拟物体的触碰上。然后在unity3D中的脚本中将这些功能编写上，就可以实现语音与场景的全部交互。

3、声纹识别

声纹识别技术又称说话人识别技术，就是基于这些信息来探索人类身份的一种生物特征识别技术.这种技术基于语音中所包含的说话人特有的个性信息，利用计算机以及现在的信息识别技术，自动地鉴别当前语音对应的说话人身份，声纹识别与语音识别不同，声纹识别的过程是试图找到区别每个人的个性特征，而语音识别则是侧重于对话者所表述的内容进行区分.在实际应用中往往把语音识别技术和声纹识别技术结合起来应用，以提高声纹身份认证系统的安全性能.声纹识别是一类典型的模式识别问题，其主要包含说话人模型训练和测试语音识别2个阶段，图6是一个基本的说话人识别框架。

(1)训练阶段

对使用系统的说话人预留充足的语音，并对不同说话人语音提取声学特征，然后根据每个说话人的语音特征训练得到对应的说话人模型，最终将全体说话人模型集合在一起组成系统的说话人模型库。

(2)识别阶段

说话人进行识别认证时，系统对识别语音进行相同的特征提取过程，并将语音特征与说话人模型库进行比对，得到对应说话人模型的相似性打分，最终根据识别打分判别得到识别语音的说话人身份。

4、实验过程

实验人员先戴上VR眼镜进入虚拟场景。首先，进入主页面选择进入哪个场景。

(1)若要进入实验室操作场景，要先进行声纹身份识别，识别通过后，进行实验室安全相关的语音答题，面对看到的题目，受训者不需要任何外设，直接用语言就可进行作答过之后会显示正确答案，最后答题分数合格后方可进入实验室场景进行进一步培训。进入实验室后，受训者将会面临火灾等突发情况，此时受训者应通过语音进行操作与实验室内的物品进行正确的交互以处理突发险情。例如在遇到火灾时，应找到实验室中的灭火器进行操作，将火焰熄灭。除此之外，受训者还需对虚拟实验室中存在的安全隐患进行排查。

(2)实验室安全培训系统，适合对实验室安全只是不是很熟悉的人员，场景中会有老师对进入场景的人进行语音科普。最终，通过上述培训，可以让受训者不同程度了解实验室安全相关知识，并掌握实验室突发险情的应对方法。

5、试验结果与分析

对系统各个功能模块进行了测试。系统的主要测试指标分为：1)系统功能模块的完整性；2)系统软件画面的流畅性；3)系统的交互性；4)系统的稳定性。经过20名学生及5位老师的共同测试与交流表明，该系统功能模块完整，在操作灭火器时灭火器模型能够实时响应操纵杆的指令，没有停顿感，画面比较流畅，具有较强的交互性能，系统稳定性较高，在模拟进行实验室器材着火等险情发生及消灭的过程中，系统能够按照真实情况进行模拟，系统的逼真度得到了参与测试的老师和同学们的一致认可，该系统测试结果如表1所示。

本发明首先发明采用Unity3D对系统软件内容进行设计，受训者作为VR消防演练的参与者可以身临其境般体验火灾中的灭火、逃生、自救等操作，通过逼真还原的火灾现场，增强体验者的消防知识与技能。该系统严格模拟真实场景，为保证实验室安全性，先进行声纹身份识别。然后在操作过程中全程通过语音与场景交互，提高了系统的灵活和便捷性。系统具有界面友善、功能齐全、可操作性强、能够进行二次开发等优点，为实验室工作人员提供了良好的培训平台。

将虚拟现实技术应用在实验室安全教育及培训中，具有以下显著优势：

(1)基于虚拟现实的实验室安全教育没有时间、地点、以及场地大小的限制，只要具有相应的软硬件条件即可实施；

(2)基于虚拟现实的实验室安全教育过程互动性好，学生接受程度高，教育效果相比传统方法更优；

(3)显著降低了实验室工作人员的劳动强度和实验耗材的使用成本，且被培训者可根据需要进行定期巩固培训效果；

(4)火灾逃生，化学药品泄露等不便参与者进行实践训练的项目可以通过虚拟现实的方法进行培训，可以让受训者进行学习和训练的同时不会受到任何危险；

(5)实验室安全教育效果的实施反馈：通过虚拟现实中被培训者的表现，可及时对安全教育效果进行评价，并对教育方法进行不断的改进；

(6)便于实现实验室安全教育的标准化。

(7)可全程通过语音与场景交互，使得培训操作更加简便，灵活。

(8)加入声纹识别高度还原真实场景，使得实验室安全性更高。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

Claims (3)

1.一种基于VR与人工智能的高危化学实验室防火安全培训方法，其特征在于，包括：

步骤1，建立用于高危化学实验室防火安全培训的虚拟场景；

步骤2，在虚拟场景中，利用语音识别执行虚拟物体的拾取和虚拟物体的触碰动作，利用声纹识别对受训者身份进行识别，以完成高危化学实验室防火安全培训。

2.根据权利要求1所述的基于VR与人工智能的高危化学实验室防火安全培训方法，其特征在于，所述步骤1包括：

选用在3d max中根据提供的实物照片或者效果图，制作场景，并且在photoshop中将多个贴图处理成少数图片，并在photoshop中设计UI界面，以构建与实验室相仿的虚拟实验室模型。

3.根据权利要求1所述的基于VR与人工智能的高危化学实验室防火安全培训方法，其特征在于，所述步骤2包括：

对要进入实验室操作场景的受训者进行声纹身份识别，识别通过后，进行实验室安全相关的语音答题，面对看到的题目，受训者直接用语言进行作答过后显示正确答案，答题分数合格后进入实验室场景进行进一步培训；

进入实验室后，受训者将会面临与火灾相关的突发情况，受训者通过语音进行操作与实验室内的物品进行正确的交互以处理突发险情；

受训者对虚拟实验室中存在的安全隐患进行排查。

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