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使用基于沉浸式游戏的虚拟现实技术对儿童进行消防安全培训

摘要

虚拟现实技术（VR）已被用来模拟过于危险而无法在现实生活中进行实践的情况，并且已被用作帮助儿童学习的工具。这项研究是一个更大，更全面的长期研究项目的分支，该项目旨在将两种技术结合起来并展示出相应结果的新颖应用，即使用沉浸式VR来帮助儿童了解火灾隐患并练习逃生技巧。在当前的研究中，参与者将使用CAVE进入虚拟火场中。 为了提高孩子使用事前VR消防安全训练的动力，设计者使用了类似游戏的界面交互技术，并引导学生探索虚拟世界。而不是像以前的实地学习那样被动地观看，孩子们拥有完全的控制权，可以在虚拟环境中导航并使用游戏手柄和6DOF杖，与虚拟对象进行交互。学生与一个搭档在虚拟环境中发现家庭火灾隐患，然后练习逃离模拟火灾。为了测试设计的吸引力，我们进行了一项用户研究。 结果表明，学生更喜欢这种新的类似于游戏的学习环境，并且他们说这种体验既有趣又奇妙，对了解相对严肃的消防安全信息的热情极大的增加。这表明了使用基于游戏的虚拟现实技术，对儿童进行重要但乏味的消防安全技能培训的前景。

关键词 虚拟现实（VR） 沉浸式CAVE 基于游戏 消防安全 儿童

1引言

由于计算机设备成本的降低和处理器速度的提高，计算机模拟在过去十年中变得越来越普遍。 虚拟现实技术(VR)是一种用计算机模拟的快速发展的新事物。 随着设备能力的增长，这些技术在教育和培训方面的应用也越来越广泛。 特别是虚拟现实技术，可以让你完全沉浸在虚拟环境中。 因此，虚拟现实技术可以用于训练当现实情况太危险或容易受伤的活动(Stansfield et al. 2005)。

虚拟现实培训通过建立虚拟环境，使学员能够体验接近真实的模拟危险情况或场景，从而降低风险并改善后勤保障。用户通常戴着头戴式显示器(HMDs) ，使用6DOF杖进行导航和交互。 教官可以从电脑上的独立应用程序启动一系列紧急事件。学生通常会被打分，一旦他们做出在现实生活中会导致受伤的错误行为，他们就会被扣分。

例如，Kizil 和 Joy (2001年)开发了一个系统，帮助矿工为无法通过传统培训方法解决的危险情况做准备。 VR 已经被用来训练紧急情况下的当事人和他们的指挥官。 在 Liet al. 的研究(2005年)中，多达六人可以穿着 HMDs 参加紧急情况模拟。受训者根据指挥官的指示做出决定。

VR 也被用于消防员训练。海军消防员以前都是在退役战舰上训练。教官制造各种各样的火灾，受训人员被要求对情况作出反应。 然而，使用虚拟现实技术，学员可以在虚拟的火灾环境中执行任务。 研究人员发现，无论是在真实的船上训练还是在虚拟环境中训练，受训者表现出相似的训练水平。 然而，虚拟环境却显著降低了受训者受到的风险(Tate et al.1997)。

外部研究表明，虚拟现实系统可以有效地避开危险技能培训中受训者的风险。 此外，Sulbaran 和 Baker (2000年)还表明，学习者通常比其他传统培训方法更喜欢虚拟现实培训，他们从虚拟现实培训中获得的知识比使用其他方法获得的知识记得更久。 因此，VR危险技能培训可以降低风险，提高接受度，并被证明比以前的培训方法更有效。

最近的相关研究也集中在开发更先进的技术来真实地建模，例如，Sherman 等人(2007)开发了一个模拟应用程序来图形化地显示野外火灾的蔓延。 然而，他们只关注软件和硬件开发的技术方面，没有创建或测试任何消防安全训练应用程序。

VR也被用来教孩子们抽象难懂的概念。 例如，Ohlsson 等人(2000)开发了一个虚拟现实系统，他们用这个系统来传达一个关键的概念: 地球是圆的。 根据研究人员的说法，这个概念对孩子们来说很难理解，因为他们在地球的日常经历显然与这个事实相冲突。 在他们的系统中，孩子们两人一组，收集虚拟小行星上的物体。 一个孩子用CAVE在小行星表面扮演宇航员的角色。 第二个孩子在一个沉浸式飞行器里担任任务控制员，帮助他们的队友在虚拟小行星上导航。 研究表明，经过训练，孩子们可以将他们对虚拟小行星的体验，转化为他们对地球的看法。

分母较大的分数实际上比分母较小的分数小。然而，这个事实对于小孩子来说似乎是违反直觉的。为了解决这个问题，研究人员使用了虚拟现实技术做出游戏场地作为范例，他们要求孩子们帮助几个动画角色根据他们占据的游戏场地总面积的分数，来定位和放置游戏设备。 虽然没有证据表明有具体的学习过程，但研究人员得出结论，学生们被赋予了一个新的环境去思考分数。

在另一个例子中，Kaufman 等人(2000)为大龄学生设计了一个VR学习应用程序。 在初步研究中，他们使用这个应用程序来帮助学生掌握几何中的不同概念。 在他们的研究中，学生们穿着HMD，观看一个虚拟世界。 他们使用了一种笔式界面和按钮，这些按钮是画在用户现实手中的笔记本上的。 培训结束后，所有参与初步研究的用户对虚拟现实界面都表示认可，并对几何概念的理解表现出信心。

VR“沙盒”系统的一个例子是NICE项目(Roussou et al. 1999)。 该系统允许儿童与虚拟花园互动。 孩子们可以播种，为他们的植物提供阳光和水，并观察植物的生长。 这个系统允许孩子们尝试不同种类的植物，并给予植物不同水平的水分和阳光。研究人员发现，他们使用的开放式游戏方式成功使孩子们参与进来，并促使他们根据自己的想法创造新的东西。

从引用的参考文献来看，VR 可以利用“沙箱”学习环境有效地向儿童传达关键概念。 其他的研究表明，游戏可以作为一种有效的手段，让孩子们了解那些他们可能认为难学或无聊的内容。 例如，在之前的研究中，研究人员用游戏教孩子们如何在发生火灾时保护自己，并帮助孩子们学会更安全地过马路(Padgett et al. 2006; Thomson et al. 2005)。

在之前的相关研究中，VR系统是专门为儿童开发的。 然而，没有一个研究专注于开发基于游戏的沉浸式VR消防安全训练系统。 先前的一些研究集中于交流关键的学习概念，而其他的研究集中于创建一般的“沙箱” ，让孩子们自由地探索预定的学习环境。

本研究综合了多个过去研究领域的发现，并基于这些发现，设计了一个基于游戏的交互式虚拟消防安全训练系统，用于教授儿童火灾知识。 目前的研究是作为一个更大更全面的长期研究项目的一部分完成的，这个项目旨在使用沉浸式虚拟现实，提供有效的低风险的儿童消防安全培训。该项目是为了(1)帮助儿童了解火灾危险，(2)通过让他们沉浸在虚拟火灾危险和火灾紧急情况中来练习逃生技巧。 参与这个项目的消防员们认为，这两个主题是儿童消防安全训练中最重要的两个方面。 这个长期的项目是由统计数据引导的，这些数据显示，在火灾情况下，幼儿是最高风险的群体之一。

在最初的研究中(Ericson 和 Smith 2008) ，一个虚拟环境被设计，建造和测试。 虚拟环境被设计成一个身临其境的教师-学习环境。 参与这项研究的消防员担任指导员。 一个消防员带领一群孩子穿过一个虚拟的房子，房子里有特定的火灾隐患，消防员帮助孩子们识别出来。 他们还讨论了如何消除危险。

尽管在虚拟环境中进行的训练结果是不错的，但是许多孩子还是因为缺乏与环境的互动以及在训练过程中的某些兴趣或动机而感到沮丧。 目前这项研究的目的是，在保持对火灾危险了解和加强火灾逃生技术的同时，提高学习者的学习动力。

实现当前学习目标的方法是使用基于游戏的虚拟现实技术，让消防安全知识变得有趣，让学习变得有趣，同时帮助孩子们记住他们需要采取的步骤，让他们知道自己在真正的火灾紧急情况下如何拯救自己和他人。

这份报纸是这样说明的。 首先，介绍了系统第一版的初步研究结果，并讨论了解决初步研究问题的方法。 然后介绍了基于游戏的二次开发系统的设计，讨论了第二个系统设计中遇到的技术问题，给出了第二个系统的用户研究设计，以及用户研究的结果。 最后，对未来的工作表达了期望。

2初步研究

与爱荷华州艾姆斯市消防局合作，研究人员最初开发了一个基于CAVE的虚拟现实系统，用于训练儿童在火灾中如何应对。 这个系统是这样设计的，消防员可以根据现实情况模拟火灾并引导儿童。 在火灾应急模拟中，消防员提供了指示和引导。

在最初的系统设计中，研究人员和消防员认为，孩子们从虚拟现实学习环境中获得的最重要的信息是火灾蔓延的速度有多快，以及低空爬行可以帮助人们逃离正在燃烧的建筑物。

因此建立一个虚拟房子，其中在房子里包含几个火灾隐患和模拟火灾的触发点。 在模拟过程中，孩子们跟着一个成年导游和一个消防员，走过VR屋。 成年导游使用6DOF杖进行模拟，导游引导消防员和孩子们沿着一条规定的路径穿过虚拟房屋。消防员描述了火灾危险，提供了信息和动机，并帮助孩子们坚持完成任务。 在模拟结束时，一场模拟火灾开始了，火势迅速蔓延到整个房子。 消防员教孩子们如何从着火的房子里爬出来，到房子外面安全的集合地点。

最初的研究结果表明，虽然孩子们通过现实途径如书籍，讲座，或视频学习到了很好的知识，但是他们更喜欢新技术的消防安全训练方法。一般来说，他们也感到沮丧，他们不能与虚拟环境直接互动。 许多孩子说，他们希望能够积极地探索虚拟的房子。 Roussou(2004)的一项研究也表明，仅仅只是一个虚拟环境并不能让孩子们完全投入其中。

在这里，我们通过创建第二个基于游戏的虚拟学习系统来解决这个问题。 在新系统中，对用户界面进行了一些改进。 特别添加了环境声音和一种新颖的交互技术，更积极的吸引用户。

3基于游戏的系统设计

在目前的研究中，存在一些特别需要关注的问题，就是如何设计更先进的系统。 调查人员的目标是发展一个既能娱乐儿童，同时又能为他们提供消防安全信息的系统。 从最初的研究开始，研究人员意识到对于孩子们来说，这个系统有趣和容易理解是很重要的。不能轻视这个信息。 因此，研究人员选择了电子游戏范例，同时保留了原始的虚拟环境、火灾危险和火灾模拟场景。

电子游戏现在在儿童中非常普遍(Mungai et al. 2002; Ketelhut et al. 2006)。 同时，电子游戏也被证明是一种很好的学习工具。 游戏在学习方面的优势在于它们很有趣，它们提供了即时的反馈，它们允许用户在一个现实的环境中进行实验，而不会对现实世界产生影响。

3.1基本系统组件

使用三个主要的开源软件库创建虚拟现实消防安全训练环境: VR Juggler (http://www.vrjuggler.org/), OpenSceneGraph(http://www.openscenegraph.com/index.php), and Open Physics Abstraction Layer (OPAL)(http://ox.slug.louisville.edu/*o0lozi01/opal_wiki/index.php/Main_Page). 使用这三个图书馆来开发必要的软件程序，使研究工作能够集中在教育内容和增强互动上，而不是在建立系统的低层次的技术方面。

3.1.1真实的烟雾

在系统的设计和开发过程中，埃姆斯市消防局提供了实际的咨询。 埃姆斯市的消防员认为，为了代替实际消防安全培训所需的重量和影响，系统有效地模拟实际火灾情况是至关重要的。

消防员的要求有这几个重要方面。 首先，从火灾一开始，烟雾就必须以现实的方式产生。 其次，烟雾需要继续从天花板层层地充满房间，就像在真正的火灾中一样。 此外，整个过程需要发生非常迅速，因为烟往往可以在几秒钟内充满整个房间(Pehrson2004年)。 最后，烟雾的浓度必须足以阻挡站在烟雾中的人的视线，因此，如果参与者想看到他们要去的地方，他们必须爬行。 为了解决这一问题，采用粒子系统在虚拟环境中模拟烟雾。 因此，开源粒子系统 API 被用来为系统( www.cs.unc.edu/*davemc/particle )制造烟雾。 粒子系统 API是线程安全的，它有一个类似于 OpenGL的 API (Mcallister 2000)。

每个粒子系统内部由一组点表示。 为了使粒子看起来像烟雾，在粒子处理器类中添加了一个函数，将给定粒子系统中的每个点创建为一个 OpenGL四元组。 一个烟雾纹理贴图被映射到每个四边形，结果，一团烟雾就形成了。 图1显示了结果，从冰川下降的层层烟雾。

3.2游戏开发

“游戏”的开发被定义为两个不同的部分: 定时危险搜索和从模拟火灾事件疏散。 疏散是模拟体验中最重要的部分，因为它代表了用户在训练过程中实际的物理疏散实践。 图2展示了建造的房屋模型的外观。

Randall and Jones(1993年)的研究表明，实际执行一个行为往往会使人更容易记住，因此，调查人员认为，“游戏”应该要求使用者练习实际的物理逃生，从火灾现场爬行。 在互动游戏中，实现目标最困难的部分是，如果操作正确，从火中逃生必须在一分钟内完成。 为了保持真实感和训练效果，时间限制并不适用于有任何娱乐价值的交互式虚拟游戏体验。 因此，调查人员在虚拟现实游戏中增加了一个独立的任务，这是最初搜索火灾隐患的改进版本。

消防部门人员重视对儿童进行火灾危险训练，因为火灾危险训练通常有助于儿童远离可能伤害他们的危险物品，如蜡烛，并有助于在火灾发生前预防火灾。 例如，国家火灾预防机构(NFPA)和美国消防员协会(USFA)都在他们的儿童网站上更新家庭危害搜索。 在这个项目中，灾害搜寻游戏是根据埃姆斯市消防局提供的一系列常见家居火警危险发展而来。以下各节详述游戏的发展过程。

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