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基于桌面的360度全景与静态虚拟现实安全训练的对比实验研究
摘要
当今基于虚拟现实（VR）的应用程序已经用于提供危险施工的安全培训和增加工人的操作经验，这些应用程序可用于向人们传递施工安全知识并且提高工人的危险意识。然而，现有虚拟现实实现方法相关的长开发时间和高计算成本，使得在使用此类基于虚拟现实的安全培训平台方面面临着巨大的挑战。与计算机生成的环境复制的虚拟现实设置不同，360度全景图可以创建建筑工地的真实模拟。本研究开发并比较了两种危险源辨识训练平台的效果，一种是建立在VRA平台上的，另一种是建立在360度环境下的。在实验中，建筑专业学生和专业人员都参与了危险源辨识训练平台的研究，以确定危险源辨识和危险源辨识的识别能力。研究发现，学生对360度全景环境的感知比虚拟现实环境更为真实，但专业人士对360度全景环境的感知没有差异。此外，所有参与者的平均危险识别指数（HII）得分都存在差异，虚拟现实条件下的得分高于360度全景条件下的得分。最后，研究发现，在研究中，各参与者的平均危险识别指数（HII）得分与平均得分之间呈现负相关关系。
关键词：360度全景 虚拟现实 危险识别 施工安全培训
1.介绍
由于安全培训对预防施工事故有着直接的影响，建筑公司采取了不同的技术手段来提高员工的危险识别技能。传统上，采用被动教学技术（如文本、图像、视频），利用讲座的培训培训形式来向工人和专业人员传授危害识别知识。现有研究发现，这些被动的危险识别教学方法在知识吸收、动机、参与度和注意力分配方面都存在缺陷，这意味着受训者能够消化吸收并且准确识别的危险数量减少。此外，我们还发现当受训人员暴露在危险事件中时，安全培训的有效性会增加，但是这在现实世界中通常是不可能的。为了克服传统培训技术的局限性，研究发现教学方法应注重高水平的动手、基于情境和面向活动的互动。基于计算机的技术，如虚拟现实（VR）和增强现实（AR）已被广泛应用于提供这些类型的交互式学习体验，以吸引和激励学员。在基于虚拟现实的计算机技术的背景下，学习者可以被置于不可能、危险或昂贵的环境中，在真实的训练场景中进行模拟，有效地消除了训练过程中潜在伤害的风险。虽然虚拟现实计算机图形学所提供的位置独立性允许内容创造者生成真实环境，但渲染质量和场景的复杂性往往受到限制。复杂现实世界条件的综合再现可能会耗费大量时间、计算比较密集，并且产生的虚拟环境与实际现实世界位置有限相似。此外，AR基于计算机的技术，利用现实世界，通过与数字增强和工作场所环境的交互，实现体验式学习。然而，在施工现场实施AR安全培训方法对物理位置信息相关要求提出了严格的挑战。由于接近危险和对固定地理位置的时空背景信息的依赖，减少教育干预期间积极探索和实验的机会可能会引起安全问题。
在混合现实（MR）的范围内，这些技术有一个新的替代方法是360度全景技术——一种现实捕捉的技术，它为观者创造了一个对周围环境的全方位视图，提供了一种“存在感，使人觉得仿佛身临其境”的感觉。这种与位置无关的技术可用于可视化施工现场的真实截图，其方式类似于虚拟现实方法。这两种技术是相似的，因为它们能够在独立于位置信息的环境中进行安全培训，引入严谨的互动游戏机制，并为受训者呈现有目的地创建的学习内容。结果，这些训练模拟为探索提供了多种场景，以游戏化的方式实现了任务导向的目标，并立即反馈给学员以加强学习吸收。虽然计算机技术在施工安全培训中的应用越来越受到重视，但与360度全景培训环境相比，虚拟现实建模在提高危险识别技能方面提供的有效信息有限。特别是教师们有兴趣了解数字化施工现场对建筑专业学生危险识别技能发展的影响。本研究计画旨在透过比较360度全景图和虚拟现实两种不同方法的表现，来解决这一信息差距问题，将解决方案作为将安全知识传授给学生和专业人士的媒介。
2. 基于360度全景虚拟现实技术的施工安全培训
2.1 虚拟现实技术在施工安全培训中的作用
学者们研究了虚拟现实的不同技术和应用，以产生积极的学习体验，吸引和激励学习者。在安全领域，虚拟现实系统根据提供给学员的沉浸程度进行了分类。虚拟现实体验的持续沉浸感从使用普通PC外围设备（如显示器、鼠标、键盘）的基于桌面的应用程序到使用专用头戴式显示器的高度沉浸环境。在训练和教育领域，这些沉浸式技术往往伴随着严格的游戏机制，在虚拟环境中获得安全知识。例如，基于桌面的虚拟现实游戏被用来让大学生在一个虚拟的建筑环境中导航，并在时间限制内识别危险。在另一项研究中，工人和设备的虚拟表示在类似的基于虚拟现实桌面的安全监控和可视化培训中提供了一个活动工作场所的模拟。同样，沉浸式虚拟系统也被用于允许用户评估在施工脚手架上危险高度的作业。
尽管虚拟现实是一种非常好的可视化方法，可以与高度参与的计算机生成环境进行交互，但主要问题仍然存在。虚拟现实环境开发成本高、耗时长。为真实环境建模需要在虚拟现实内容开发方面进行大量投资（例如，三维网站、用户交互、模型动画、教学目标）。经过这样的努力，虚拟现实环境可能只适用于一个特定的项目或特定的学习目标，也可能只对建筑行业的特定成员有用。并且，随着工作环境在时空上的迅速发展，虚拟现实的灵活性受到了限制。由于这些虚拟现实娱乐提供了一种复制工作现场条件的媒介，因此生成的数字设置与现实工作条件并不完全相似。此外，研究还发现，当受训者在不现实的虚拟环境中练习这些与工作相关的任务时，虚拟现实环境可能反而会降低现实世界中与施工相关的任务熟练度。
2.2 360度全景图在施工安全培训中的作用
360度全景图目前已被用于在建筑领域的危险识别背景下提供可视化手段。例如，创建了一个360度全景安全培训平台，使用来自真实环境的增强信息。这个系统允许用户通过可视化真实的数据丰富的增强环境来主动浏览建筑工地。对该平台进行坠落危险识别评估，经过研究发现研究参与者在此类环境中平均识别了52%的危险。随后的一项研究发现，用户使用所提供的平台在不同类型的四类重点危害中平均识别出30%的危害。这项研究表明，该平台易于使用和学习。此外，一项初步研究利用360度全景和虚拟现实技术定性地探索了“危险识别能力”。作者发现，在虚拟现实条件下，建筑管理专业学生的危险识别率较高，但与360度全景条件的更精确的表示相比，他们认为这种情景过于整洁和有规律。同样，我们也为实验开发了一个学习系统，利用360度全景场景加强安全教育。创建的系统允许学生进行现场访问，目的是识别360度空间内的危险。该系统利用游戏化的测试机制，对从勘探中学习到的安全知识进行评估。本次调查发现，参观施工现场的学生与使用360度全景系统的学生在安全隐患识别上没有显著差异。虽然360度全景场景提供了工作地点的真实表示，使参与者有一种在场感，但在图像质量、静态优势点和缝合错误伪影方面发现了一些限制。目前市面上出售的360度相机，其图像质量无法与传统摄影相媲美。在360度图像中，由于可观察的视场有限，用户会遇到相对较低的分辨率，这就要求放大整个equirectangular投影的截面。此外，360度全景技术使用摄影技术，从获得的图像中捕捉静态有利位置。这些静态优势点只允许在捕捉到的360度视野内进行视觉旋转，从而消除了空间移动的可能性。最后，当前的缝合算法试图减少引入错误伪影（如模糊、不连续、照明）的图像处理问题。然而，根据诸如物体接近相机焦点、拍摄期间物体在缝合线上的移动以及相机镜头之间的曝光差异等因素，缝合误差伪影仍然会出现在360度图像中。
3 研究挑战、问题和假设
目前，在虚拟教学方法中，有两大挑战阻碍了安全隐患识别技能的掌握。首先，数字建筑网站希望为现实生活中的情况提供一个代表性的情景，准确地模拟安全隐患，再现采用的安全培训做法。然而，在定义数字平台在多大程度上代表了现实生活情况，能否充分描述现实世界的操作和位置两个方面都还存在困难。其次，受训者对模拟环境（如360度全景、虚拟现实）的反应不同，从而导致对给定数字交付方法的适当学习结果的不确定性。这些学习成果旨在提高受训人员在复杂的建设项目背景下识别安全挑战的能力。鉴于这两个挑战，本研究旨在（1）探讨数位安全训练环境的真实性；（2）评估学员在不同数位安全训练环境下的危险识别能力。这些目标为本研究提出了以下研究问题和假设：
① 数字安全培训环境的现实性：研究问题（1）：360度全景和虚拟现实环境在代表真实施工现场的安全挑战以发展危险识别技能方面有多现实？研究假设（1）▪ H0:360度全景图和虚拟现实条件在存在方面是相等的。▪ H1:360度全景和虚拟现实的条件在存在方面是不平等的。
② 数字安全培训环境中的危险识别：研究问题（2）：360度全景和虚拟现实对危险识别技能的发展有什么影响？研究假设（2）▪ H0:360度全景图和虚拟现实条件在发展危险识别技能方面是平等的。▪ H1:360度全景和虚拟现实条件下的危险识别技能的发展不平等
4 工程概况
本研究计画在先前研究成果的基础上，提供360度全景及模拟虚拟现实环境中存在与危险识别技能的深入量化评估。为了评估本研究中提出的研究假设，本项目遵循图1所示的步骤。
图1 研究方法概述
最初，为360度全景和虚拟现实桌面环境开发了安全培训和评估平台。在这些平台内，建立了执行学员评估所需的危险识别任务的模块。随后，利用所创建的模块，对每个研究条件下的目标人群进行了实验比较。在此基础上，以平台为实验条件，进行了用户参与的评价。最后，报告了研究结果，并对这些发现进行了讨论，为今后的研究提供了见解。为了实现这一目标，我们使用非参数统计模型分析了从实验评估中收集的数据，报告了学员的存在感和危险识别指数（HII）的结果。为了更好地理解360度全景图和虚拟现实作为安全培训方法的使用，对这些结果进行了详细的检查。最后，对研究的局限性进行了描述，对研究结论进行了界定，并对未来的研究方向进行了展望。
5 安全培训评估平台开发
为评估本研究提出的研究假设，本研究开发了两个平台：一个是基于360度全景技术，另一个是基于目前的建筑资讯建模技术。这两个平台旨在为危险识别技能提供一种积极的学习和评估方法。这两个平台都扩展了先前的研究成果，以开发用于安全培训的数字环境。因此，这些平台利用具有类似增强信息层的数字设置和图形用户界面，提供有助于为特定模拟环境开发危害识别技能的交互。本节详细描述了每个平台的技术开发、在使用每种技术过程中遇到的挑战，以及如何在每个平台中进行培训和评估。
5.1 360度全景平台
360度全景平台的开发过程分为四个步骤，如图2所示：
图2 360度全景平台开发过程
（1）捕获；（2）可视化；（3）增强；（4）交互。在最初的捕获步骤中，场景是从真实的工作站点收集的。为了实现这一点，拍摄过程需要使用多个鱼眼镜头相机（例如，三星Gear 360、Insta360 One、NCTech Fusion）创建一个equirectangular投影。利用计算机软件将每个镜头捕捉到的场景拼接成一幅equirectangular投影图。可视化步骤需要使用游戏引擎（如Unity3D）将二维equirectangular投影转换为三维投影。这种可视化技术利用equirectangular图像将数据映射到球体、圆柱体或立方体的渲染中，允许平台用户在三维数字设置中探索场景。
增强步骤在数字360度全景图中引入覆盖数据、对象、动画或声音这些增强或注释允许使用图形或听觉资源显示附加信息。本研究利用360度场景中的信息，将这些增强作为描述安全材料的一种方法。增强版采用了OSHA培训手册中的象形和书面内容，以增强用户对真实工作现场安全条件的理解。第5.5节描述了这些增强的具体安全内容。
最后，在交互步骤中，提供了一个图形用户界面，允许用户与平台交互。这些交互依赖于用户在平台内执行的活动。对于训练交互，在360度全景场景中使用记号点显示危险条件的图形表示，即，将用户的注意力引向危险情况的标记得到增强（例如，数据、对象、动画、声音）的链接。此外，带有危险书面描述信息的学习卡还附带危险图形表示和热点中的描述信息。学习卡信息将会标明危险类别和危险类型，并提供一个摘要，详细说明360度全景场景中显示的危险的确切性质。对于评估交互，评估卡用于显示360度全景场景中可能答案的危险复选框列表。用户通过选中每个复选框来得到不同响应，并在完成危险识别任务后提供反馈。
360度全景平台有可能被导出到任何设备（如个人电脑、笔记本电脑、手持设备、头戴式显示器）中，以允许用户与信息交互。在这项研究中，个人电脑被作为主要的分析设备，因为它们在生活中很容易接触到，不需要任何特殊的设置。通过鼠标和键盘设置，受训人员可以在场景界面内使用拖放手势和设计的图形用户界面中的点击手势导航虚拟环境。
5.2 虚拟现实平台
基于虚拟现实平台的开发过程与360度全景平台的开发过程类似。该平台采用了类似的四步过程，如图3所示：
图3 虚拟现实平台开发过程
（1）生成，（2）可视化，（3）增强，和（4）交互。在生成步骤中，对建筑工地进行建模，并渲染360度虚拟场景。使用四种不同的软件工具执行建模任务：Autodesk Revit、Trimble SketchUp、Autodesk Infraworks 360和Lumion 9。为了生成联合虚拟现实场景，由不同建筑材料（如木材、钢材、混凝土）制成的建筑从Autodesk的BIMobjectreg;和SketchUpreg;的三维仓库模型库中获得。这两个模型库被用来缩短开发时间，因为生成不同类型的商业建筑模型是一项非常耗时的任务。这些模型被配置成一个单一的内聚场景，目的是尽可能地复制360度全景技术中捕捉到的真实工作站点设置。
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