本文將在虛擬實境(Virtual Reality, VR)技術的基礎上提供一個支持多使用者同時在線使用同一火災場景的逃生疏散模擬系統。相較於一般常規的火災逃生演練需要佔用公共空間，並且需要使用大量道具且和實際火災場景有一定差異的情況，本系統利用虛擬實境高臨場感和互動性的特點，還原更加真實的火災逃生場景。為了增加在公共場合中的火災逃生情景的真實性，本系統透過使用Client/Sever的形式，能夠支援多使用者同時處於同一個場景，並且使用者間可以互相看到彼此的情況。同時，為了讓一般民眾也能夠使用本系統，本系統採用Google Cardboard虛擬實境設備以及使用Android移動平台來運行，使本系統能夠在學校、辦公場所等快速的進行部署和使用，帶給一般民眾更加深刻和有計劃性的火災逃生演練模擬。在考量過數個火災情景後，本系統預設載入的火災逃生場景為大學圖書館，本系統採用簡化的基於時間控制的火焰/煙霧擴散模型來預先設定火災發生的情景和提供更加生動的火焰、煙霧擴散模擬，使用者必須在有限的時間內避開火焰以及煙霧，達到場景中指定的出口，以完成火焰逃生演練的目的。

In this paper, we proposed a virtual reality based multi-user fire evacuation simulation system. As the traditional fire evacuation simulation in practical situation needs lots of props and may not do well in the reduction of scene, our system provides high simulation and well sense of immediacy by using virtual reality. In order to improve the facticity of our system, we mentioned a multi-user ways by using the Client/Server which promote multiple users to join in the same scene of fire evacuation simulation. The users can see and interact with each other. With the will to generalize our system to public, we designed our system based on Google Cardboard and Android platform. So the system can be widely used in many places such as schools and offices, bringing a more immersive and well-planned fire evacuation simulation. After considering several fire simulation scene, we decided to choose the situation which happens in a library of campus. In the system, we will try to provide a vivid fire scene with simplified dynamic fire and smoke model based on time-control. The users must try to avoid getting into fire or smoke, and try to make their ways to exclusive from the library. After that, we believe the users will get an impressive fire evacuation experience.

目錄

第1章 緒論	1
1.1 研究背景	1
1.2 研究目的	4
1.3 論文結構	5
第2章 相關文獻探討	6
2.1 立體視覺與虛擬實境	6
2.2 應用於消防安全的虛擬實境	8
2.3 相關文獻分析與探討	13
第3章 系統設計	16
3.1系統總體架構	16
3.2各模塊及子系統設計	18
3.2.1 服務端，同步管理模塊	18
3.2.2 客戶端，人機互動系統	19
3.2.3 客戶端，場景控制系統	21
3.2.4 人機互動接口	26
3.2.5 沉浸式渲染	26
3.3簡化的基於時間控制火焰及煙霧擴散模型	27
第4章 詳細設計與實現	29
4.1服務端——同步控制模塊	29
4.1.1建立連線	29
4.1.2人物模型位置同步子模塊	31
4.1.3時間同步子模塊	36
4.1.4人物模型動畫同步子模塊	38
4.2客戶端——行動控制模塊	39
4.2.1行走控制	39
4.2.2人物姿態控制	42
4.2.3速度控制	43
4.3客戶端——動畫控制模塊	44
4.4客戶端——物理碰撞模塊	46
4.4.1基本物理碰撞	47
4.4.2煙霧及火焰物理碰撞	47
4.4.3可互動元件物理碰撞	50
4.5客戶端——圖形化使用者界面	53
4.5.1底部主選單	53
4.5.2抬頭顯示器	54
4.5.3信息提示文字顯示	56
4.5.4人物狀態視覺化	58
4.6客戶端——光照	60
4.6.1環境光照	60
4.6.2逃生指示光照	61
4.7客戶端——建築環境模型	62
4.7.1各樓層環境模型	63
4.7.2逃生指示模型	69
4.8客戶端——粒子系統	70
4.9客戶端——使用者模型	72
4.9.1使用者人物模型	72
4.9.2使用者人物動畫	74
4.10客戶端——可互動組件	74
4.11客戶端——時間同步控制模塊	76
4.12其他	79
4.13小結	82
第5章 結論	84
參考文獻	86
附錄1——英文論文	89
附錄2——系統實作部分代碼	100
人物模型動畫同步子模塊及使用者模型代碼：	100
人物模型位置同步子模塊代碼：	107
人物狀態視覺化代碼：	112



 
圖表目錄
圖 1 人眼立體視覺原理	7
圖 2 虛擬實境原理	8
圖 3 系統總體架構圖	17
圖 4 同步管理模塊組成	18
圖 5 行動控制模塊組成	19
圖 6 物理碰撞模塊組成	20
圖 7 圖形化使用者界面組成	21
圖 8 光照組成	22
圖 9 建築環境模型組成	23
圖 10 粒子系統組成	24
圖 11 使用者模型組成	24
圖 12 可互動組件組成	25
圖 13 建立連接流程圖	30
圖 14 斷線處理流程圖	31
圖 15 本地人物模型位置同步流程圖	33
圖 16 人物模型位置同步流程圖	35
圖 17 時間同步子模塊流程	37
圖 18 行走控制判斷機制流程圖	41
圖 19 高姿態視角	43
圖 20 低姿態視角	43
圖 21 動畫播放狀態機	45
圖 22 虛擬人物動畫	46
圖 23 碰撞球與碰撞器	49
圖 24 碰撞觸發激活火焰粒子效果	50
圖 25 底部主選單	54
圖 26 抬頭顯示器	55
圖 27 信息提示文字顯示	58
圖 28 正常情況下視野	59
圖 29 受到煙霧影響時視野	59
圖 30 逃生失敗時視野	60
圖 31 環境光照對比圖	61
圖 32 逃生指示光照	62
圖 33 一樓環境模型	65
圖 34 二樓環境模型	66
圖 35 三樓環境模型	67
圖 36 四樓環境模型	68
圖 37 四樓緊急逃生裝置	68
圖 38 逃生出口方向指示標示	69
圖 39 逃生出口標示	70
圖 40 火焰粒子效果	71
圖 41 煙霧粒子效果	71
圖 42 火焰的粒子模型圖	72
圖 43 虛擬人物模型	73
圖 44 虛擬人物的圖形化界面	74
圖 45 關閉的門	75
圖 46 開啟的門	75
圖 47 火焰分佈圖	77
圖 48 火焰擴散圖	77
圖 49 二樓煙霧分佈圖	78
圖 50 三樓煙霧分佈圖	78
圖 51 煙霧擴散控制圖	79
圖 52 一樓辦公室初始點	80
圖 53 一樓主書庫初始點	80
圖 54 二樓自習室初始點	81
圖 55 三樓綜合閱覽室初始點	81
圖 56 四樓綜合閱覽室初始點	82
表 1中華民國100年-105年5月全國火災次數、火災損失統計表 (局部)…………………………………………………….2

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