一种面向地震安全教育的虚拟训练与体验方法技术

本发明专利技术公开了一种面向地震安全教育的虚拟训练与体验方法，采用虚拟地震体验设备，包括：头显设备，包括头戴式显示器、手柄；计算机，与头显设备连接；该方法包括：计算机先将地震科普教育画面传输到头显设备，提供地震科普教育虚拟场景，体验人用手柄在地震科普教育虚拟场景中点击对应的地震科普知识，学习地震科普知识，之后，点击按钮进入地震虚拟场景；计算机将地震画面传输到头显设备，提供地震虚拟场景，体验人用手柄在地震虚拟场景中与虚拟物品交互。本发明专利技术方法，利用算法计算地震波，利用地震波模拟出较为真实的地震体验，对地震的还原度更高，能够让人们体验地震来临时的场景，并学会如何逃生和自救。

【技术实现步骤摘要】
一种面向地震安全教育的虚拟训练与体验方法
本专利技术涉及地震虚拟场景
，具体涉及一种面向地震安全教育的虚拟训练与体验方法。
技术介绍
随着虚拟现实技术的发展,人们可以在虚拟场景中模拟真实世界并实现人机交互。与传统计算机模拟技术相比，虚拟现实技术所营造的场景更加逼真，用户的参与度更强，这也为公共安全教育提供了一种新思路。目前大部分虚拟现实游戏的地震模拟是通过简单的动画或者是利用一些辅助插件等进行模拟，模拟的精确性与真实地震并不是十分一致。本专利技术利用3D游戏引擎与VR头盔相结合制作地震仿真系统，用视频、动画等形式向体验者科普地震的形成原因，地震时如何自救。并且通过VR游戏的形式体验地震来临的地面的震动、房屋的坍塌、物品的掉落和破碎，并体验如何地震来临时如何躲避及逃生。
技术实现思路
本专利技术提供了一种面向地震安全教育的虚拟训练与体验方法，利用算法计算地震波，利用地震波模拟出较为真实的地震体验，对地震的还原度更高，能够让人们体验地震来临时的场景，并学会如何逃生和自救。该系统利用unity3D引擎并配合HTCvive虚拟头盔进行制作。使用HTCvive手柄进行交互。该系统包含两个虚拟场景：科普教育场景以及地震体验与逃生场景。为了逼真还原地震时地面抖动的场景，本系统实现了一种基于unity3d的震动算法用于地震的简单模拟。一种虚拟地震体验设备，包括：头显设备，该头显设备包括头戴式显示器、与所述头戴式显示器无线交互的手柄，所述头戴式显示器和手柄均内置有定位模块。两个定位模块能于空间内同时追踪头戴式显示器与手柄的定位系统。该设备满足实现显示虚拟场景和手柄交互的功能的硬件要求。头显设备可采用HTCVive头显设备。计算机，与所述头显设备连接。计算机为头显设备提供地震虚拟场景的画面。一种面向地震安全教育的虚拟训练与体验方法，包括以下步骤：1)计算机先将地震科普教育画面传输到头显设备，提供地震科普教育虚拟场景，体验人用手柄在地震科普教育虚拟场景中点击对应的地震科普知识，学习地震科普知识，学习完之后，点击按钮进入地震虚拟场景；2)计算机将地震画面传输到头显设备，提供地震虚拟场景，体验人用手柄在地震虚拟场景中与虚拟物品交互，计算机实时获取头戴式显示器、手柄的反馈信息。所述的反馈信息包括位置信息、图像信息、按键反馈信息等。该方法主要分为两个场景：科普教育场景以及地震虚拟场景。在科普教育场景中体验者可以了解到历史上一些著名的大地震，如2008年汶川大地震、2011年日本大地震等。还可以观看地震成因演示视频和如何规避危险和自救的视频。在地震虚拟场景中，体验者将置身于即将发生地震的公寓。体验者必须及时找到安全的避险场所，如果超过一定时间后没有成功避险则会提示失败。地震结束后体验者须从安全通道进行逃生。计算机将地震画面传输到头显设备之前，对地震画面的地面震动进行计算，分别对横波与纵波进行模拟，最后进行两者的叠加，具体包括：1)先对地面震动的横波进行计算，横波的函数写为如下形式：其中，s为横波的函数值，A为振幅，ω为角频率，x为震源距离，us为横波的波速，为初相位，t为时间，其中，振幅A、角频率ω、震源距离x和初相位根据地震虚拟场景中所要体验的震级进行设定；横波的波速us通过以下公式计算：其中，μ为剪切模量，ρ为地面介质的密度，E为杨氏模量，ν为泊松比，杨氏模量E和泊松比ν为根据地面介质所确定的固定值；经过计算得到横波的函数值；2)对地面震动的纵波进行计算，纵波的函数写为如下形式：其中，y为纵波的函数值，A为振幅，ω为角频率，x为震源距离，up为纵波的波速，为初相位，t为时间，其中，振幅A、角频率ω、震源距离x和初相位根据地震虚拟场景中所要体验的震级进行设定；纵波的波速up通过以下公式计算：其中，E为杨氏模量，ν为泊松比，ρ为地面介质的密度，杨氏模量E和泊松比ν为根据地面介质所确定的固定值；经过计算得到纵波的函数值；3)将步骤1)计算得到的横波的函数值和步骤2)得到的纵波的函数值输入到Unity3D引擎的位移函数中模拟地面震动。步骤1)中，经过计算得到横波的函数值，具体包括；a)当地面介质为花岗岩，地面介质的密度ρ为2.4～3.1g.cm-3，杨氏模量E为62.44E/GPa，即62.44*109Pa，泊松比ν为0.25，代入横波的波速us公式，当ρ取2.615g.cm-3，计算出横波(S波)的波速us为3090m.s-1；b)角频率ω与频率f的关系为ω＝2πf，频率f取10Hz，角频率ω为62.8rad/s，振幅A取0.5，设为0，初相位设为0，震源距离x设为14000，横波的函数值为步骤2)中，经过计算得到纵波的函数值，具体包括；a)当地面介质为花岗岩地面介质的密度ρ为2.4～3.1g.cm-3，杨氏模量E为62.44E/GPa，即62.44*109Pa，泊松比ν为0.25，当ρ取2.504g.cm-3，计算出纵波(P波)的波速up为5470m.s-1；b)角频率ω与频率f的关系为ω＝2πf，频率f取10Hz，角频率ω等于62.8rad/s，振幅A取0.5，初相位设为0，震源距离x设为14000，纵波的函数值为Unity3D引擎的位移函数为transform.Translate函数。地震波主要由横波、纵波以及面波三种主要类型。顾名思义，纵波主要使地面上下震动，横波主要使地面发生前后、左右的抖动，其破坏性较强。而面波是横波与纵波在地表相遇后所产生的混合波。通过算法，计算出横波与纵波的数值后将其叠加，能更加逼真地模拟真实地震，给体验者以更好的观感体验。与现有技术相比，本技术方案具有以下优点:本专利技术面向地震安全教育的虚拟训练与体验方法，方便快捷，体验者可以足不出户，只需要在电脑上安装本游戏即可体验虚拟地震仿真、场景逼真,可以近距离体验墙壁的坍塌,房间内物体的掉落与碎裂。视频与动画相结合,使体验者对地震的成因与地震时如何自救有更深的了解。大部分游戏的地震模拟是通过简单的制作动画或者是利用一些辅助插件进行模拟，与真实地震时的场景并不是十分一致，本系统利用算法进行简单的地震波模拟，对地震的还原度更高。附图说明图1为面向地震安全教育的虚拟训练与体验方法的流程示意图。具体实施方式如图1所示，一种面向地震安全教育的虚拟训练与体验方法，采用虚拟地震体验设备，包括：头显设备，该头显设备包括头戴式显示器、与所述头戴式显示器无线交互的手柄，所述头戴式显示器和手柄均内置有定位模块。两个定位模块能于空间内同时追踪头戴式显示器与手柄的定位系统。该设备满足实现显示虚拟场景和手柄交互的功能的硬件要求。头显设备可采用HTCVive头显设备。计算机，与所述头显设备连接。计算机为头显设备提供地震虚拟场景的画面。面向地震安全教育的虚拟训练与体验方法，包括以下步骤：1)计算机先将地震科普教育画面传输到头显设备，提供地震科普教育虚拟场景，体验人用手柄在地震科普教育虚拟场景中点击对应的地震科普知识，学习地震科普知识，学习完之后，点击按钮进入地震虚拟场景；2)计算机将地震画面传输到头显设备，提供地震虚拟场景，体验人用手柄在地震虚拟场景中与虚拟物品交互，计算机实时获取头戴式显示器、手柄的反馈信息。所述的反馈信息包括位置信息、图像信息、按键反馈信息等。计算机将地震画面传输到头显本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种面向地震安全教育的虚拟训练与体验方法，其特征在于，采用虚拟地震体验设备，包括：头显设备，该头显设备包括头戴式显示器、与所述头戴式显示器无线交互的手柄，所述头戴式显示器和手柄均内置有定位模块；计算机，与所述头显设备连接；该方法包括以下步骤：1)计算机先将地震科普教育画面传输到头显设备，提供地震科普教育虚拟场景，体验人用手柄在地震科普教育虚拟场景中点击对应的地震科普知识，学习地震科普知识，学习完之后，点击按钮进入地震虚拟场景；2)计算机将地震画面传输到头显设备，提供地震虚拟场景，体验人用手柄在地震虚拟场景中与虚拟物品交互，计算机实时获取头戴式显示器、手柄的反馈信息。

【技术特征摘要】
1.一种面向地震安全教育的虚拟训练与体验方法，其特征在于，采用虚拟地震体验设备，包括：头显设备，该头显设备包括头戴式显示器、与所述头戴式显示器无线交互的手柄，所述头戴式显示器和手柄均内置有定位模块；计算机，与所述头显设备连接；该方法包括以下步骤：1)计算机先将地震科普教育画面传输到头显设备，提供地震科普教育虚拟场景，体验人用手柄在地震科普教育虚拟场景中点击对应的地震科普知识，学习地震科普知识，学习完之后，点击按钮进入地震虚拟场景；2)计算机将地震画面传输到头显设备，提供地震虚拟场景，体验人用手柄在地震虚拟场景中与虚拟物品交互，计算机实时获取头戴式显示器、手柄的反馈信息。2.根据权利要求1所述的面向地震安全教育的虚拟训练与体验方法，其特征在于，所述的反馈信息包括位置信息、图像信息和按键反馈信息。3.根据权利要求1所述的面向地震安全教育的虚拟训练与体验方法，其特征在于，计算机将地震画面传输到头显设备之前，对地震画面的地面震动进行计算，分别对横波与纵波进行模拟，最后进行两者的叠加，具体包括：1)先对地面震动的横波进行计算，横波的函数写为如下形式：其中，s为横波的函数值，A为振幅，ω为角频率，x为震源距离，us为横波的波速，为初相位，t为时间，其中，振幅A、角频率ω、震源距离x和初相位根据地震虚拟场景中所要体验的震级进行设定；横波的波速us通过以下公式计算：其中，μ为剪切模量，ρ为地面介质的密度，E为杨氏模量，ν为泊松比，杨氏模量E和泊松比ν为根据地面介质所确定的固定值；经过计算得到横波的函数值；2)对地面震动的纵波进行计算，纵波的函数写为如下形式：其中，y为纵波的函数值，A为振幅，ω为角频率，x为震源距离，up...

【专利技术属性】
技术研发人员：宗意，潘志庚，
申请(专利权)人：杭州师范大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33