虚拟现实技术及其在安全中应用

虚拟现实技术及其在安全中的应用

VirtualRealityTechnologyandItsApplicationinSafety罗周全第一页，共五十一页。虚拟现实技术

VirtualRealityTechnology第二页，共五十一页。一、虚拟现实

虚拟现实(VirtualRealityVR)是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机系统。它充分利用计算机硬件与软件资源的集成技术，提供了一种实时的、三维的虚拟环境(VirtualEnvironment)，使用者完全可以进入虚拟环境中，观看计算机产生的虚拟世界，听到逼真的声音，在虚拟环境中交互操作，有真实感，可以讲话，并且能够嗅到气味。第三页，共五十一页。二、虚拟现实技术

虚拟现实技术：一种综合计算机图形技术、多媒体技术、传感器技术、人机交互技术、网络技术、立体显示技术以及仿真技术等多种科学技术而发展起来的计算机领域的新技术。第四页，共五十一页。虚拟现实技术目前所涉及的研究应用领域已经包括军事、医学、心理学、教育、科研、商业、影视、娱乐、制造业、工程训练等。VR技术已经被公认为是21世纪重要的发展学科以及影响人们生活的重要技术之一。第五页，共五十一页。三、虚拟现实技术的产生与发展

虚拟现实技术的发展历史最早可以追溯到18世纪。20世纪中期率先美国VPL探索公司和它的创始人JaronLanier提出这一概念。1990年在美国达拉斯召开的国际会议上明确了虚拟现实的主要技术构成，即实时三维图形生成技术、多传感交互技术及高分辨率显示技术。第六页，共五十一页。虚拟现实技术经过20多年的研究探索，于20世纪80年代末走出实验室，开始进入实用化阶段。目前已在娱乐、医疗、工程和建筑、教育和培训、军事模拟、科学和金融可视化等方面获得了应用，并取得了显著的综合效益。第七页，共五十一页。四、虚拟现实技术系统虚拟现实集成了计算机图形技术、计算机仿真技术、人工智能、传感技术、显示技术、网络并行处理等技术的发展成果，是一种由计算机生成的高技术模拟系统。输入输出设备虚拟环境及其软件外部设备如头盔式显示器、立体耳机、头部跟踪系统以及数据手套用以描述具体的虚拟环境等动态特性、结构以及交互规则等计算机系统以及图形、声音合成设备等虚拟现实技术系统第八页，共五十一页。VR系统根据其硬件规模分成：台式系统、立体台式VR系统（在台式系统的基础上,增加了一种窗式眼睛,以生成和观测三维视图）、沉侵式VR系统（能实现VR环境中的人机交互作用）、投影式VR系统（增加了一种大屏幕投影机或数字显示墙以显示VR三维环境）、模拟式VR系统（可产生更为真实的环境效果）。虚拟环境系统沉侵式VR系统第九页，共五十一页。五、虚拟现实技术基本特征

虚拟现实具有以下三个基本特征：沉浸(Immersion)、交互(Interaction)和构想(Imagination)，即通常所说的“3I”。指用户借助各类先进的传感器进入虚拟环境之后，由于他所看到的、听到的、感受到的一切内容非常逼真，因此，他相信这一切都“真实”存在，而且相信自己正处于所感受到的环境中。

指用户进入虚拟环境后，不仅可以通过各类先进的传感器获得逼真的感受，而且可以用自然的方式对虚拟环境中的物体进行操作。如搬动虚拟环境中的一个虚拟盒子，甚至还可以在搬动盒子时感受到盒子的重量。

浸没交互是由虚拟环境的逼真性与实时交互性而使用户产生更丰富的联想，它是获取沉浸感的一个必要条件。构想第十页，共五十一页。六、VR的关键技术动态环境建模技术立体显示和传感器技术系统开发工具应用技术。实时三维图形生成技术系统集成技术第十一页，共五十一页。动态环境建模技术：虚拟环境的建立是VR技术的核心内容,动态环境建模技术的目的是获取实际环境的三维数据,并根据应用的需要,利用获取的三维数据建立相应的虚拟环境模型。第十二页，共五十一页。立体显示和传感器技术：VR依赖于立体显示和传感器技术的发展。现有的VR设备还不能满足系统的需要，例如头盔式三维立体显示器过重、分辨率低等缺点；同样，数据手套、数据衣等都有延迟大、分辨率低、使用不便等缺点，因此有必要开发新的三维显示系统。第十三页，共五十一页。系统开发工具应用技术：选择适当的应用对象可以大幅度地提高效率,减轻劳动强度,提高产品质量。为了达到这一目的,必须研究VR的开发工具。第十四页，共五十一页。实时三维图形生成技术：三维图形的生成技术已较成熟,而关键是如何“实时生效”。在不降低图形的质量和复杂程度的前提下,如何提高刷新频率将是该技术的研究内容。第十五页，共五十一页。系统集成技术：包括信息的同步、模型的标定、数据转换、数据管理模型、识别与合成等等技术。第十六页，共五十一页。七、虚拟现实技术的应用VRT军事教育医疗工业矿山安全交通建筑虚拟现实技术广泛应用于计算机、工业、医疗、建筑、交通等及其相关领域。在安全领域，虚拟现实技术已经越来越凸现出优势。第十七页，共五十一页。虚拟现实技术在安全领域的应用ApplicationsofVirtualRealityTechnologyinSafety第十八页，共五十一页。一、虚拟现实技术在安全中的主要应用对出现的危险情况进行模拟。通过虚拟现实针对模拟的情况进行必要的改进。通过VR重现事故现场，分析事故原因。进行安全教育用VR技术进行现场模拟。第十九页，共五十一页。对出现的危险情况进行模拟：在实际生产系统中，引发事故的原因多种多样，人、机械、环境三要素中任何一个发生的随机事件都可能引发严重的事故，有很强的不可预见性。利用VR技术，可以事先模拟事件的发生过程及可能造成的严重后果。第二十页，共五十一页。通过虚拟现实针对模拟的情况进行必要的改进：可以对现场有更多的了解，采取措施进行改进，如隔离、设置安全通道，设置警示牌，改进设计或改进现场布置等。第二十一页，共五十一页。通过VR重现事故现场，分析事故原因：对已经发生的事故,根据现场的情况进行模拟，再现事故现场，以清楚了解事故发生的全部原因，杜绝同类事故的再次发生。第二十二页，共五十一页。用VR技术进行现场模拟进行安全教育：让工作人员在虚拟环境中熟悉了解工作现场、工作程序及安全注意事项，直观生动，效果好。第二十三页，共五十一页。二、虚拟现实技术在矿山安全中的应用

目前，VR技术在矿山安全中的应用主要包括以下几方面：应用VR技术进行矿山生产环境的风险评价应用VR技术进行矿山工作人员的技术培训应用VR技术进行事故调查应用VR技术进行矿井火灾和瓦斯爆炸的研究第二十四页，共五十一页。模型环境中的人及设备的行为1、应用VR技术进行矿山生产环境的风险评价通过开发一系列的虚拟现实模型，如露天矿单斗-卡车作业系统、矿井开采系统模拟模型等，应用VR技术辅助识别和评价所研究对象（如设备、人员）的风险状况,从而得出更客观的风险评价。考虑因素模型环境中的人及设备的位置及其运动风险评价的三维性质第二十五页，共五十一页。VR计算机系统可自动地进行任何生产环境的风险分析。该系统考虑虚拟环境中每一台设备和危险地段周围的“风险区”。风险值是按照“风险标度”所处的位置来度量的,风险标度是用不同颜色的立体框表示，不同的色彩表征风险的大小。第二十六页，共五十一页。采矿设备周围的风险区域是动态的,它依据当前时刻虚拟环境中所处的状态来变化。第二十七页，共五十一页。2、应用VR技术进行矿山工作人员的技术培训VR创造出的矿山生产环境具有逼真、交互作用的特点，应用VR技术制作出的软件或录像，可以模拟采矿作业的过程和空间环境,较适于培训矿工或用于生产安全的监督。第二十八页，共五十一页。

露天矿开采VR培训系统，用于露天矿卡车司机及相关人员的培训，该系统除了采用一般的VR硬件进行人机交互外,还可通过方向盘、加速器和刹车板操作投影屏幕（如下图）上卡车的运行,就如同驾驶真正的卡车一样。第二十九页，共五十一页。3、应用VR技术进行事故调查应用计算机绘图和虚拟现实技术可以快速、有效地以一系列三维图像在计算机屏幕上再现事故发生的过程,事故调查者可以从各种角度去观测、分析事故发生的过程，找出事故发生的原因,防止其它与此相关的潜在事故的出现。

同时通过交互式地改变这一VR模型中环境的参数或状态，从而找到如何避免类似事故发生的途径和注意事项。第三十页，共五十一页。4、应用VR技术进行矿井火灾和瓦斯爆炸研究矿井火灾和瓦斯爆炸是井下工作人员所面临的主要灾害，计算机技术的高速发展，使得在灾变条件下复杂通风网络的快速解算成为可能，从而指导井下火灾发生时正确地控制风流，确保井下工作人员安全撤出，防止火灾和有害气体、烟尘等的蔓延。第三十一页，共五十一页。近几年来，计算流体动力学已广泛用于工业火灾、爆炸和煤矿火灾，通过解算与火灾和爆炸物相关的数学模型，可以较准确地预测火区附近的温度、火风压及其它燃烧产物的实时分布状况。第三十二页，共五十一页。VR系统通过模拟某个真实的矿井作业环境，并结合网络分析和模拟的结果，可以逼真地展示出火灾或爆炸发生的动态过程。除了模拟火烟弥漫状况外，该系统还可通过人机交互作用显示出人为因素如反风、灭火措施等对这整个通风网络的影响。此类系统的开发，无疑可以广泛地用于矿井火灾的防治、救灾和人员培训等方面。第三十三页，共五十一页。三、虚拟现实技术在公共安全中的应用

虚拟现实技术应用于反恐、紧急突发事件等公共安全问题，在国外已经开始广泛应用，但在我国基本还是空白。虚拟现实技术应用在反恐、突发紧急事件中，具有明显的社会价值和经济价值，主要表现在：降低了演练成本；数字化技术提供了丰富、多变的内容；提供了长期、便利的训练方法；可以反复分析、评估强化了关键技能；培养了公众在危难时刻，救护和自保的能力。第三十四页，共五十一页。四、虚拟现实技术在建筑施工安全的应用

虚拟现实技术用于建筑施工安全管理。在虚拟环境中，建立施工场景、结构构件及机械设备等的三维模型（虚拟模型），形成基于计算机的仿真系统，让系统中的模型具有动态性能，并对系统中的模型进行虚拟施工，根据虚拟施工结果验证其是否正确，在人机交互的可视化环境中对施工方案进行设计和修改，找出安全隐患，制定安全防范措施，得到优化设计方案，使“预防为主”的标准化安全管理体系有了实现的基础。虚拟现实施工方案设计模式用户界面（项目管理工作）工程项目信息构建3D模型图形编辑、修改信息数据库虚拟环境编辑器可视化管理施工方案资源管理、专家支持器危险源辨识结果库第三十五页，共五十一页。五、虚拟现实技术在交通安全仿真中应用

VR在交通安全仿真及评价系统的开发和实现方面体现出了超强的优势，是一项值得研究的新课题。第三十六页，共五十一页。1、交通安全仿真及评价系统模型的建立运载工具系统模型的数据库建立地理环境及其他因素模型的数据库建立交通参与者行为模式的数据库建立交通事故解析模型数据库的建立第三十七页，共五十一页。2、铁路运输安全虚拟现实模拟培训

铁路运输安全虚拟现实模拟培训系统应用虚拟现实的方法，对铁路运输安全现场作业人员进行模拟培训和考核。系统构架第三十八页，共五十一页。铁路运输安全虚拟现实模拟培训系统运行与调度模拟界面驾驶与事故模拟界面第三十九页，共五十一页。铁路安全VR培训系统优势利用虚拟现实技术对铁路运输安全现场作业可能遇到的各种非正常情况进行系统的模拟，并结合现场要求给出应对措施的方式。第四十页，共五十一页。培训系统VR的交互性为培训者提供了可以直接交互的视听空间，并将受训者置于主动学习的中心地位，有利于受训者知识的建构。基于视听的虚拟系统，为学习者提供一种能够在其中进行探索、研究的情境，同时也提供了广阔的想象空间。受训者能根据虚拟现实中情况的变化采取相应措施。铁路安全VR培训系统优势第四十一页，共五十一页。虚拟现实培训系统彻底打破了时间的限制，对学习过程中所提出的各种假设模型进行虚拟；同时，节省了现场模拟的巨额费用支出。铁路安全VR培训系统优势第四十二页，共五十一页。六、虚拟现实技术在航空安全领域的应用

在虚拟现实技术发展之初，应用于航空航天就是一个主要的研究方向，其发展较早而且较为成熟。美国航空航天局(NASA)和欧洲航空局(ESA)都积极地应用VR技术，引起全球科技界的瞩目，它不仅节省了大量经费，也缩短了研制周期。第四十三页，共五十一页。

首先，虚拟现实技术结合计算机多媒体技术能够使航空安全的研究使无形的指标变为有形研究人员能够置身于虚拟环境之中，亲眼“看”和“听”到研究成果的运行效果，分析几种可能的结果，从而找到最为适合的解决方法。第四十四页，共五十一页。

其次，事故的调查分析和事故再现。安全研究的一个极具现实意义的方法莫过于事故再现，通过事故再现，人们能够发现事故链的症结所在，而每个环节在事故的演变过程中的作用是不同的。只有虚拟现实技术才能够使人如同亲身经历了事故的全过程，才能清楚正确地找到引起事故的真正元凶。第四十五页，共五十一页。

第三，在训练方面，虚拟现实可用来让操作人员预演某种特定的操作，完成各种训练科目，并对任务特征和客观条件（如地形环境等）进行了解和学习。第四十六页，共五十一页。

第四，虚拟现实技术能够找到安全人机工程（人的因素）最新的最有