CN209765780U - 一种消防虚拟现实教学训练和体验系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及消防设备技术领域，具体是一种消防虚拟现实教学训练和体验系统，包括中控模块、场景数据服务器、环幕模块、动作捕捉设备及协同操作子系统，所述场景数据服务器用于储存场景数据，并且将场景数据发送到所述中控模块；所述环幕模块用于通过所述中控模块接收所述场景数据服务器的数据，并生成三维火灾事故虚拟场景；所述动作捕捉设备用于实时追踪使用者的动作信息；所述协同操作子系统用于使用者通过第三人称形式扮演指挥员和消防员进行模拟消防救援。本实用新型提供一种消防虚拟现实教学训练和体验系统，具有成本低、拓展性宽、虚拟真实感高的优点，而且能够多人、多角色协同演练操作。
Description
技术领域
本实用新型涉及消防设备技术领域，具体是一种消防虚拟现实教学训练和体验系统。
背景技术
灭火和应急救援是消防战训工作的重要内容之一。近年来，火灾和各类事故的多发性、突发性、复杂性和危害性，使得抢险救援任务的艰巨性日显凸出。针对重点目标，制定全面的应急预案，并以此开展灭火救援技战术训练，是提高消防部队临场实战能力的有效途径。
随着建模与仿真技术的快速发展，消防救援模拟训练以其特有的优点越来越受到消防部门的重视。计算机模拟不再仅仅是火灾科学基础研究的主要手段，也为模拟真实灾害环境下的抢险救援组织指挥，增强消防救援队伍对突发事故现场的临场处置能力，提供了重要技术手段。但是目前的计算机消防模拟成本高，如果实现逼真还原现场画面，所需的费用大大增加，不利于消防模拟的发展；建模与仿真的技术相当复杂，当系统出现故障时，维护困难而且成本高；由于传统的三维动画按照预先设定剧本制作，其内容一旦制作完成，就被固定了，不支持外部的交互操作，完全无法满足本项目的交互式训练要求；演练操作相对单一，只能由一人进入模拟画面，无法提高协同指挥的训练效果。
实用新型内容
为了解决上述问题，本实用新型提供一种消防虚拟现实教学训练和体验系统，具有成本低、拓展性宽、虚拟真实感高的优点，而且能够多人、多角色协同演练操作。
为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案为：
一种消防虚拟现实教学训练和体验系统，包括中控模块、场景数据服务器、环幕模组、动作捕捉设备及协同操作子系统，
所述中控模块分别与所述环幕模组、所述场景数据服务器、所述动作捕捉设备及所述协同操作子系统通讯连接；
所述场景数据服务器用于储存场景数据，并且将场景数据发送到所述中控模块；
所述环幕模组用于通过所述中控模块接收所述场景数据服务器的数据，并生成三维火灾事故虚拟场景，所述环幕模组以声音、运动、行为、粒子系统物理、数学模型为基础，用于实现音效模拟、消防车辆装备模拟、消防人员行为模拟、燃烧模拟、爆炸模拟、烟火模拟；
所述动作捕捉设备用于实时追踪使用者的动作信息，并将动作信息传递到所述中控模块，所述中控模块将获得的信息作用于所述环幕模组；
所述协同操作子系统用于使用者通过第三人称形式扮演指挥员和消防员进行模拟消防救援。
进一步地，所述环幕模组包括显示屏幕、投影机、仿真融合装置及视景驱动装置，所述显示屏幕为210度的环形显示屏幕，所述仿真融合装置用于对所述显示屏幕几何校正；所述景驱动装置用于投影机的驱动。
进一步地，所述环幕模组设有安全检测装置，所述安全检测装置与所述中控模块控制连接，并用于将所述环幕模组的自检信号传递到所述中控模块，所述中控模块控制所述环幕模组电源的开断。
进一步地，所述动作捕捉设备包括红外动作捕捉摄像头及定位穿戴设备，所述红外动作捕捉摄像头用于将捕捉到所述定位穿戴设备的位置信号和动作信号传递到所述中控模块，所述中控模块将其信号反馈到所述环幕模块，所述环幕模块更新虚拟场景画面。
进一步地，所述协同操作子系统包括参数服务器、多个指挥员工作台及多个消防员工作台，所述参数服务器用于储存虚拟环境参数、指挥员角色参数及消防员角色参数，并由所述中控模块设定和传输到所述指挥员工作台及所述消防员工作台，所述指挥员工作台及所述消防员工作台均设置有操控装置，所述操控装置用于控制扮演角色。
进一步地，不同所述指挥员工作台之间可通过所述中控模块设置为上下级或平行通讯协同关系，所述消防员工作台可以通过所述中控模块设置为某一所述指挥员战位进行通讯协同。
进一步地，所述中控模块还设有二次开发接口，所述二次开发接口用于对所述场景数据服务器数据的配置，实现三维火灾事故虚拟场景的修改。
本实用新型的有益效果是，环幕模组以物理、数学模型为基础实现场景模拟，有别于传统的三维动画，主要涉及材质、重量、碰撞、摩擦等物理属性，赋予其是否可燃、燃烧速度等特性，提高了场景的真实性，环幕模组通过动作捕捉设备与环幕模组的互交，实现操作虚拟的装备，完成灭火、破拆、堵漏、洗消、侦检等技能训练；安全检测装置能够实时检查环幕模组的运行情况，出现异常时，进行断电保护，减少经济损失；协同操作子系统实现多人、多角色在线联动进行模拟消防救援，不同培训角色之间可通过语音和文字等进行交流，共同操作虚拟场景中的任务角色进行各种动作，最大层度的提高培训人员的参与度和临场感，使其体验真实火场的消防救援调度和执行。中控模块具有二次开发功能，根据自身需求设计和添加新的火场环境，增加新的互动性联动响应功能。
附图说明
图1是本实用新型一较佳实施方式的消防虚拟现实教学训练和体验系统的结构框图。
图中，1-中控模块，2-场景数据服务器，3-环幕模块，31-显示屏幕，32-投影机，33-仿真融合装置，34-视景驱动装置，35-安全检测装置，4-动作捕捉设备，41-红外动作捕捉摄像头，42-定位穿戴设备，5-协同操作子系统，51-参数服务器，52-指挥员工作台，53-消防员工作台，54-操控装置。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
需要说明的是，当组件被称为“固定于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本实用新型的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本实用新型。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
一种消防虚拟现实教学训练和体验系统，包括中控模块1、场景数据服务器2、环幕模组3、动作捕捉设备4及协同操作子系统5。
中控模块1分别与环幕模组3、场景数据服务器2、动作捕捉设备4及协同操作子系统5通讯连接。
场景数据服务器2用于储存场景数据，并且将场景数据发送到中控模块1。
环幕模组3用于通过中控模块1接收场景数据服务器2的数据，并生成三维火灾事故虚拟场景，环幕模组3以声音、运动、行为、粒子系统物理、数学模型为基础，用于实现音效模拟、消防车辆装备模拟、消防人员行为模拟、燃烧模拟、爆炸模拟、烟火模拟。
环幕模组3包括显示屏幕31、投影机32、仿真融合装置33及视景驱动装置34，显示屏幕31为210度的环形显示屏幕31，仿真融合装置33用于对显示屏幕31几何校正；视景驱动装置34用于投影机32的驱动。
在本实施例中，采用一套环幕投影显示系统进行三维视景和视频图像显示，该环幕系统采用三台投影机32拼接融合显示方式，结合对多路输入的视频信号进行自定义切换和显示，实现音效模拟、消防车辆装备模拟、消防人员行为模拟、燃烧模拟、爆炸模拟、烟火模拟。
传统的CAVE屏幕采用六块屏幕组成BOX房间，模拟救援人员处于房间中心，在观看两个屏幕之间的夹角处存在严重的图像畸变，导致几何空间位置关系错误，严重影响消防救援仿真训练的视景效果。
而在本实施例中，环幕模块3采用3台投影机投射到显示屏幕的方式，采用投影仪物理拼接方式，优化投影仪布放，最大程度的降低投影画面的拼缝，实现高清3D画面，可容纳主视角、鸟瞰视角等多种视角的画面呈现。
仿真融合装置33通过设置仿真现场环境的关键参数来准确还原视景软件中的真实视域空间关系，实现几何校正。在本实施例中采用华图CG3000A仿真融合机。
环幕模组3设有安全检测装置35，安全检测装置35与中控模块1控制连接，并用于将环幕模组3的自检信号传递到中控模块1，中控模块1控制环幕模组3电源的开断。安全检测装置35能够实时检查环幕模组的运行情况，出现异常时，进行断电保护，减少经济损失
动作捕捉设备4用于实时追踪使用者的动作信息，并将动作信息传递到中控模块1，中控模块1将获得的信息作用于环幕模组3。动作捕捉设备4包括红外动作捕捉摄像头41及定位穿戴设备42，红外动作捕捉摄像头41用于将捕捉到定位穿戴设备42的位置信号和动作信号传递到中控模块1，中控模块1将其信号反馈到环幕模块3，环幕模块3更新虚拟场景画面。
在本实施例中，中控模块1将接收到场景数据服务器2信息传递到环幕模块3中，环幕模块3分别建立虚拟场景中的静态和动态元素的数学物理模型，主要涉及材质、重量、碰撞、摩擦等物理属性，赋予其是否可燃、燃烧速度等特性。中控模块1通过与动作捕捉设备4的动作信息进行互交，驱动各个元素的动态变化过程，最终通过环幕模块3反馈给学员。学员通过沉浸式的环幕模块3和动作捕捉设备4，感受逼真的事故场景，在虚拟场景中操作虚拟的装备，与虚拟场景进行互动，完成灭火、破拆、堵漏、洗消、侦检等技能训练，还可以训练消防员火灾和事故的适应能力和心理能力。
在环幕模块3中还能够对消防案例观摩体验。对高层建筑火灾、地下商场火灾、化工装置火灾、液化石油气火灾、油罐火灾及各类事故灭火救援工作场景进行模拟仿真，生成逼真的火灾事故现场场景，使得学员置身于近乎实战的消防救援环境中，观摩和体验火灾事故现场的动态场景，包括爆炸烟火、人员疏散、污染扩散等。
中控模块1还设有二次开发接口，所述二次开发接口用于对场景数据服务器2数据的配置，实现三维火灾事故虚拟场景的修改。二次开发接口能够实现根据自身需求设计和添加新的火场环境，增加新的互动性联动响应功能。实现了兼容持续发展的消防知识技能教学和科研应用需求。
协同操作子系统5用于使用者通过第三人称形式扮演指挥员和消防员进行模拟消防救援。
协同操作子系统5包括参数服务器51、多个指挥员工作台52及多个消防员工作台53，参数服务器51用于储存虚拟环境参数、指挥员角色参数及消防员角色参数，并由中控模块1设定和传输到指挥员工作台52及消防员工作台53，指挥员工作台52及消防员工作台53均设置有操控装置54，操控装置54用于控制扮演角色。在本实施例中，指挥员工作台52及消防员工作台53为设置在各个席位的计算机。
不同指挥员工作台52之间可通过中控模块1设置为上下级或平行通讯协同关系，消防员工作台53可以通过中控模块1设置为某一指挥员战位进行通讯协同。
在本实施例中，由调导者在中控模块1调用参数服务器51中的虚拟环境参数、指挥员角色参数及消防员角色参数至指挥员工作台52及消防员工作台53，学员在指挥员工作台52及消防员工作台53操控对应角色进行模拟消防救援任务。协同操作子系统5采用分布式训练系统，各级指挥员和消防员可同时进行训练，能模拟消防员视角观察的工作环境与场景，能够接受指挥员的指挥调度和协同，以提高大型火场联合作战的指挥、协同能力。
本实用新型的一种消防虚拟现实教学训练和体验系统可支持消防救援指挥决策训练模式、消防救援技能训练模式及消防救援协同训练模式：
消防救援指挥决策训练模式：专门针对消防救援指挥员训练指挥决策能力，由系统生成逼真的火灾事故现场场景，消防救援指挥员对场景进行分析和判断，作出指挥决策，由系统生成虚拟“消防员”进行自动响应，并实时反馈处置结果，供消防指挥员进行后续的分析、判断和决策。此训练模式通过在环幕模块3中完成。
消防救援技能训练模式：专门针对消防员训练技能，由系统生成逼真的火灾事故现场场景，设定消防员特定的任务角色，训练其对装备的选择、使用以及对指挥调度的响应能力。此训练模式通过在环幕模块3中完成，学员通过环幕模块3中穿戴上定位穿戴设备42，在虚拟环境中进行消防装备的选择和使用。学员通过观察环幕模块3的火灾情况进行指挥调度。
消防救援协同训练模式：综合训练消防救援指挥员和消防员之家的协同能力，由系统生成逼真的火灾事故现场场景，设定消防救援指挥员和消防员的任务角色，由其分别扮演各自角色在事故场景中同时开展指挥员和消防员之间的指挥决策协同和技能训练。此训练在协同操作子系统5中完成。
Claims (7)
1.一种消防虚拟现实教学训练和体验系统，其特征在于，包括中控模块(1)、场景数据服务器(2)、环幕模块(3)、动作捕捉设备(4)及协同操作子系统(5)，
所述中控模块(1)分别与所述环幕模块(3)、所述场景数据服务器(2)、所述动作捕捉设备(4)及所述协同操作子系统(5)通讯连接；
所述场景数据服务器(2)用于储存场景数据，并且将场景数据发送到所述中控模块(1)；
所述环幕模块(3)用于通过所述中控模块(1)接收所述场景数据服务器(2)的数据，并生成三维火灾事故虚拟场景，所述环幕模块(3)以声音、运动、行为、粒子系统物理、数学模型为基础，用于实现音效模拟、消防车辆装备模拟、消防人员行为模拟、燃烧模拟、爆炸模拟、烟火模拟；
所述动作捕捉设备(4)用于实时追踪使用者的动作信息，并将动作信息传递到所述中控模块(1)，所述中控模块(1)将获得的信息作用于所述环幕模块(3)；
所述协同操作子系统(5)用于使用者通过第三人称形式扮演指挥员和消防员进行模拟消防救援。
2.根据权利要求1所述的一种消防虚拟现实教学训练和体验系统，其特征在于：所述环幕模块(3)包括显示屏幕(31)、投影机(32)、仿真融合装置(33)及视景驱动装置(34)，所述显示屏幕(31)为210度的环形显示屏幕(31)，所述仿真融合装置(33)用于对所述显示屏幕(31)几何校正；所述视景驱动装置(34)用于投影机(32)的驱动。
3.根据权利要求1所述的一种消防虚拟现实教学训练和体验系统，其特征在于：所述环幕模块(3)设有安全检测装置(35)，所述安全检测装置(35)与所述中控模块(1)控制连接，并用于将所述环幕模块(3)的自检信号传递到所述中控模块(1)，所述中控模块(1)控制所述环幕模块(3)电源的开断。
4.根据权利要求1所述的一种消防虚拟现实教学训练和体验系统，其特征在于：所述动作捕捉设备(4)包括红外动作捕捉摄像头(41)及定位穿戴设备(42)，所述红外动作捕捉摄像头(41)用于将捕捉到所述定位穿戴设备(42)的位置信号和动作信号传递到所述中控模块(1)，所述中控模块(1)将其信号反馈到所述环幕模块(3)，所述环幕模块(3)更新虚拟场景画面。
5.根据权利要求1所述的一种消防虚拟现实教学训练和体验系统，其特征在于：所述协同操作子系统(5)包括参数服务器(51)、多个指挥员工作台(52)及多个消防员工作台(53)，所述参数服务器(51)用于储存虚拟环境参数、指挥员角色参数及消防员角色参数，并由所述中控模块(1)设定和传输到所述指挥员工作台(52)及所述消防员工作台(53)，所述指挥员工作台(52)及所述消防员工作台(53)均设置有操控装置(54)，所述操控装置(54)用于控制扮演角色。
6.根据权利要求5所述的一种消防虚拟现实教学训练和体验系统，其特征在于：不同所述指挥员工作台(52)之间可通过所述中控模块(1)设置为上下级或平行通讯协同关系，所述消防员工作台(53)可以通过所述中控模块(1)设置为某一所述指挥员战位进行通讯协同。
7.根据权利要求1所述的一种消防虚拟现实教学训练和体验系统，其特征在于：所述中控模块(1)还设有二次开发接口，所述二次开发接口用于对所述场景数据服务器(2)数据的配置，实现三维火灾事故虚拟场景的修改。
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|---|---|---|---|
| GR01 | Patent grant | ||
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
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Granted publication date: 20191210 |