一種基於虛擬場景的3D滅火培訓系統的製作方法

2023-10-08 23:36:59 5

本發明涉及消防培訓模擬系統技術領域，尤其是一種基於虛擬場景的3d滅火培訓系統。

背景技術：

隨著我國社會經濟的發展，火災時有發生，會造成巨大的人員傷亡和財產損失。因而，消防安全問題越來越多地受到人們的關注，人們對消防知識和消防培訓的需求日益增多。常見的火災類型有三類：第一類為固體火災，也稱a類火災，如木質家具、書籍等引起的火災；第二類為液體火災，也稱b類火災，如各類油料引起的火災；第三類為電器火災，也稱c類火災，如電器超負荷引起的火災。正確選擇滅火器種類是滅火過程中的第一步，也是非常關鍵的一步，針對不同類型的火場環境，如果選錯了滅火器，結果可能不僅起不到滅火作用，還會使火勢進一步蔓延，甚至會引起爆炸等更嚴重的後果，例如使用清水滅火器撲救油料火災。

目前我國的滅火培訓主要採取理論結合實際演示/操作的方式，傳統的二維虛擬滅火培訓系統沒有很好的沉浸感，大部分的系統只提供了普通的動畫展示，界面單一。

技術實現要素：

本發明的目的在於提供一種突破了傳統二維虛擬滅火培訓沒有很好的沉浸感的劣勢，通過三維立體技術實現場景模擬達到虛擬滅火演練的基於虛擬場景的3d滅火培訓系統。

為實現上述目的，本發明採用了以下技術方案：一種基於虛擬場景的3d滅火培訓系統，包括演示滅火器、傳感器件、圖像識別傳感器、發送模塊、接收模塊、計算機主機、顯示裝置和3d眼鏡；所述圖像識別傳感器設置於演示滅火器的噴出口上，傳感器件設置於演示滅火器的底部，圖像識別傳感器和發送模塊相連以傳輸演示滅火器瞄準火焰的位置信息，傳感器件和發送模塊相連以傳輸演示滅火器的提起信息，發送模塊與接收模塊無線通信，接收模塊和計算機主機相連，計算機主機和顯示裝置相連。

所述演示滅火器包括壓把、頂杆、閥門開關、瓶身、連接管、尾管、管筒、電池和電源開關，壓把和頂杆相連，頂杆和閥門開關相連，連接管的一端和瓶身相連，另一端和尾管相連，管筒和尾管相連，圖像識別傳感器設置於管筒內，電源開關和電池相連，電源開關位於瓶身外，傳感器件設置於瓶身的底部，發送模塊設置於瓶身上，接收模塊設置於計算機主機的機箱內。

所述發送模塊和接收模塊無線通信，通過無線通信實現信號傳遞。

所述接收模塊和計算機主機通過usb接口相連。

所述顯示裝置為雙投影儀和投影顯示屏。

由上述技術方案可知，本發明的優點在於：第一，本系統涵蓋滅火知識培訓及3d虛擬滅火演練，相比傳統滅火培訓具有低成本、高安全、可重複實用等明顯優點；第二，本系統能夠生成逼真的視覺、聽覺一體化的特定虛擬場景，再使用被動立體投影的方式將虛擬場景構建成三維效果，接著通過交互的方式與構建出的虛擬場景進行交互，讓使用者產生身臨其境的感覺；第三，本發明配合三維虛擬場景的演示，可以使參與者了解常用滅火器材的類型及使用的火災類型，學習常用滅火器材的正確選擇和規範操作方法。

附圖說明

圖1是本發明的結構示意圖。

圖2是本發明的火災場景仿真框圖。

具體實施方式

如圖1所示，一種基於虛擬場景的3d滅火培訓系統，包括演示滅火器1、傳感器件2、圖像識別傳感器3、發送模塊4、接收模塊5、計算機主機6、顯示裝置7和3d眼鏡；所述圖像識別傳感器3設置於演示滅火器1的噴出口上，傳感器件2設置於演示滅火器1的底部，圖像識別傳感器3和發送模塊4相連以傳輸演示滅火器1瞄準火焰的位置信息，傳感器件2和發送模塊4相連以傳輸演示滅火器1的提起信息，發送模塊4與接收模塊5無線通信，接收模塊5和計算機主機6相連，計算機主機6和顯示裝置7相連。

如圖1所示，所述演示滅火器1包括壓把11、頂杆12、閥門開關13、瓶身14、連接管15、尾管16、管筒17、電池18和電源開關19，壓把11和頂杆12相連，頂杆12和閥門開關13相連，連接管15的一端和瓶身14相連，另一端和尾管16相連，管筒17和尾管16相連，圖像識別傳感器3設置於管筒17內，電源開關19和電池18相連，電源開關19位於瓶身14外，傳感器件2設置於瓶身14的底部，發送模塊4設置於瓶身14上，接收模塊5設置於計算機主機6的機箱內。所述發送模塊4和接收模塊5無線通信，通過無線通信實現信號傳遞，所述接收模塊5和計算機主機6通過usb接口相連，所述顯示裝置7為雙投影儀和投影顯示屏。

所述發送模塊4和接收模塊5的微處理器採用stm32單片機，因為stm32單片機不僅性能能夠滿足設計要求，並且具有價格相對便宜、市場供應充足等優點。

發送模塊4的主要功能是：

（1）通過安裝在滅火器底部的觸地開關給i/o口信號，判斷滅火器是否被選中（提起）；

（2）通過無線信號，向接收模塊5發送含有地址的數據，判斷滅火器是否選擇正確；

（3）通過對安裝在管筒17內部的圖像識別傳感器3的信號進行分析計算，判斷滅火器瞄準火焰的位置；

（4）通過無線信號向接收模塊5發送含有火焰瞄準情況的數據，判斷接收模塊5做出的響應。

接收模塊5的主要功能是：

（1）通過無線通信模塊，監聽並存儲滅火器發出的無線通信數據；

（2）通過對接收到的數據進行校驗，判斷數據是否有效，以及是否為新數據；

（3）通過usb接口，將接收到的有效地新數據發送給計算機主機6。

如圖2所示，計算機主機6內搭載虛擬滅火系統將系統仿真測試場景通過兩個投影儀投射到屏幕中，形成全三維的火災場景仿真：

（1）火災場景搭建：五個全三維火災場景,分別是家庭電器起火、社區垃圾箱起火、客廳沙發起火、廚房爐灶起火、家中存放的汽油起火。用戶使用演示滅火器1虛擬滅火時，只有正確選擇好演示滅火器1才能達到滅火目的，本系統共提供五種類型的演示滅火器1，如清水滅火器、乾粉滅火器、泡沫滅火器、co2滅火器等。

（2）火焰及滅火器噴霧效果模擬：支持三維火焰燃燒實時模擬，保持實時性和真實性；滅火器噴霧噴射速度快，噴出的霧會擴散，同時也會有一定量乾粉的堆積。

（3）場景的立體化：支持專業3d顯示設備，採用被動立體投影的方式實現火災場景的立體化，同時噴霧等具有較明顯的出屏效果。

（4）友好的人機互動界面：支持實時有效的交互控制，通過接收主程序發送的用戶手中的仿真滅火器罐的坐標數據，操控虛擬的滅火器，對火焰進行各種方向的噴射，實現更加有效和真實人機互動。

（5）軟體兼容性：支持兼容現有主控系統，實現數據的雙向交互，主控程序將仿真滅火罐的實時坐標數據並發送給虛擬滅火子模塊，虛擬滅火子模塊將火焰燃燒狀態信息反饋給主程序。

（6）逼真的現場音效：通過傳感器發送和接收到數據，實時模擬火焰燃燒、噴霧產生的音效。

（7）滅火策略：由於滅火必須是滅火器對火焰根部噴射乾粉足夠的時間長度才能實現。系統根據滅火器噴霧的區域、噴射時間自動判斷火焰是否熄滅並給出不同的畫面效果。火焰熄滅後效果實現，如被燒物體發黑變色，同時滅火器泡沫要有一定的痕跡殘留在燃燒物體和地面上，真實還原火災後場景。火焰沒有達到熄滅條件會自動復燃。

操作流程的具體操作步驟為：

1、開機：啟動計算機作業系統，然後進入基於虛擬場景的滅火培訓系統軟體主界面。用戶配搭上3d眼鏡，可以看見界面上會出現標有「虛擬滅火培訓系統」的按鈕，點擊標有「虛擬滅火培訓系統」的按鈕，進入火災場景模型選擇界面，然後選擇一個火災場景，此時系統會發出提示語音：「請選擇滅火器種類」。

2、選擇滅火器種類：選擇好一個火災場景後，用戶根據系統發出的語音提示，需要選擇滅火器的類型。操作流程是：按下整齊排列在地面上的五個演示滅火器1的電源開關19，然後隨機提起一個滅火器，滅火器一旦被提起，也就意味著系統已經開始識別滅火器的種類。如果滅火器選擇正確，系統會發出「您已選擇xxx滅火器，請按下壓把11」的語音提示，然後可以進入下一步的操作。如果提起的滅火器不適合在該火災場景中使用，系統會發出「選擇錯誤，請重新選擇滅火器種類」的語音，這時用戶需要重新選擇滅火器，直到系統發出「你已選擇xxx滅火器，請按下壓把11」的語音提示才可進入到下一步的操作。

3、滅火：正確選擇滅火器種類後，按照系統的提示，一手按下壓把11，一手託起尾管16和管筒17。當壓把11按下後，表示已開始滅火，此時裝在管筒17內部的圖像識別傳感器3開始工作，用手握住尾管和管筒17並使之對準顯示屏上的火焰。這樣操作一段時間後，用戶會發現火焰變小直至完全熄滅，這時系統語音提示「滅火成功」，同時系統會出現「滅火成功，一共花費xx分鐘xx秒。」的顯示界面。如果用戶由於操作不當等因素導致在規定的時間（本系統規定為5分鐘，通過微處理器stm32計時實現）沒有成功滅火，系統會發出「哎，滅火失敗」的語音提示，同時給出「滅火失敗，一共花費xx分鐘xx秒。」的顯示界面。在滅火操作過程中，最重要的操作就是對準火焰，如果沒有對準火焰，那麼裝在管筒17裡的圖像識別傳感器3會識別出沒有對準火焰，系統共能識別上、下、左、右、左下、右下、左上、右上八個方向的火焰偏離。當裝在管筒17裡的圖像識別傳感器3向左偏離顯示屏火焰時，系統會自動進行識別處理，這時系統會發出「請向右對準火焰」的語音提示，用戶按照語音提示進行操作即可對準火焰，完成滅火過程。

4、結束：完成滅火操作後，關閉所有演示滅火器1的電源開關19，退出系統軟體，關閉計算機即可。

綜上所述，本發明涵蓋滅火知識培訓及3d虛擬滅火演練，相比傳統滅火培訓具有低成本、高安全、可重複實用等明顯優點；本系統能夠生成逼真的視覺、聽覺一體化的特定虛擬場景，再使用被動立體投影的方式將虛擬場景構建成三維效果，接著通過交互的方式與構建出的虛擬場景進行交互，讓使用者產生身臨其境的感覺；配合三維虛擬場景的演示，可以使參與者了解常用滅火器材的類型及使用的火災類型，學習常用滅火器材的正確選擇和規範操作方法。