虚拟仿真技术在治安专业教育教学中的应用

田显俊

[摘要]应用型人才是公安院校人才培养工作的目标，而实践能力是人才培养工作的重要内容，治安专业在实践能力训练中却大量存在实战训练中的高度危险性以及不可及、不可逆的训练环境条件和内容，这为发展治安学虚拟仿真实验教学提供了需求和空间。基于虚拟仿真技术内涵以及属性分析，探讨治安学虚拟仿真训练环境设计以及在治安教学训练领域中的应用前景。

[关键词]虚拟仿真技术；治安教学训练

应用型人才是公安院校人才培养工作的目标，而实践能力是人才培养工作的重要内容，治安课程是建立在治安专业理论基础上的应用性课程，具有较强的实践性，治安专业在实践能力训练中却大量存在实战训练中的高度危险性以及不可及、不可逆的训练环境条件和内容（比如群体性事件处置、事故现场处置和暴力犯罪的处置、巡逻盘查等），这为发展治安学虚拟仿真实验教学提供了需求和空间。虚拟仿真技术是计算机、智能、传感、图像处理与模式识别、音响与语音处理、网络等多个领域技术的综合性技术。迅速发展的现代教育训练技术把虚拟仿真技术引入到了实践性的教育训练中，使传统的教育模式进一步得到改变，也使得教与学的方式发生了革命性的变化。治安管理虚拟训练系统主要用于公安院校治安专业学员和公安干警岗位能力训练，为公安院校创新开展实训教学提供有效支持。基于虚拟仿真技术内涵分析，探讨治安课程虚拟仿真训练环境设计以及在治安教学领域中的应用前景。

一、虚拟现实及相关技术

（一）虚拟现实概念及特点解析

虚拟现实（Virtual Reality，简称VR，又称灵境），是指以计算机技术为核心的现代高技术生成融视觉、听觉、触觉等多位一体的虚拟环境，使用者利用匹配的设备以现实的方式与虚拟环境中的对象进行自然交互，从而让使用者会形成亲临真实环境的体验。虚拟环境指利用计算机建构的有逼真色彩的立体几何图像，它既可以是某特定的真实环境，也可以是能够满足使用者需求的虚构虚拟环境。匹配的设备指穿戴于使用者身上或置于使用环境中的传感装置。比如：头盔式显示器、数据手套等设备。自然交互是指用现实活动方式对虚拟环境内的对象进行互动并得到实时反馈，如使用者运动等。虚拟现实具有的三个特点。

一是沉浸性。虚拟仿真技术的沉浸性是其在训练领域的应用技术最突出的特点，运用该技术使受训者能全身心进入到建构的虚拟环境中，调动其感觉器官达到同真实环境相似或相同的逼真程度，成为知识掌握、能力训练直接體验化的工具。这种逼真体验不是获得的间接经验，而是受训者在逼真模拟情境中通过自身的体验获得的直接经验，因此，利用虚拟仿真技术使受训者获得的知识和能力效果最好的。

二是交互性。交互性是虚拟现实技术不同于其它媒体技术的重要特征，体现虚拟现实技术创设的是一个开放的互动性人机环境，利用先进的人机接口，通过多样受训者感觉通道的实时模拟交互，当使用者做出如手控、语言命令等相应的操作时，创设的情景里能具有相应的回应。因此，交互性是指使用者对创设的情景的可操作度和从情景里获得到回应的实时性。

三是构想性。构想性特征反映了虚拟现实技术运用具有无限宽广的想象范围，可拓展人的认知广度与深度，可任意构想现实不存在或是发生可能性小的情景。

随着虚拟仿真技术的在教育训练中的运用，虚拟仿真技术的沉浸感、交互性、构想性三属性，提高了受训者的综合能力培养效率。

（二）虚拟现实技术

1.利用三维建模技术，构建虚拟训练环境。三维建模技术需要CAD和视觉建模等技术的结合，以此提高数据获取的效率，当然在构建虚拟环境中更多需要采用视觉建模技术。而对象物体的三维模型是三维模型建构的基础。在治安学针对治安管理中的虚拟三维训练环境建构，通过建构相应的管理、处置环境图库，包括处置背景、场景、各种警用装备和处置人员等，为使用者创造一种变化多样、逼近真实的立体环境，使用者能够有置身其中的临场感觉。在训练中，可以采用综合了照片、影像和现实街区数字地形数据等生成处置区域三维立体环境，以几乎一致的三维环境来训练执行处置任务的学员，可以提高执行任务的效率。

2.交互技术。虚拟现实系统运用的交互技术主要功能是对物体和各种输入的处理。用户要完成的任务通过仿真引擎输送到虚拟空间，并计算完成动作并呈现在虚拟环境中。虚拟现实中的人机交互方式多样，可以通过计算输入设备，也可利用数据手套、跟踪器、三维探针、操作杆等交互技术等。比如：数据衣、手套可计算出身体、手的空间位置和状态，关节的位置和方向可通过手指动作以及各个部位传感器来确定，为使用者提供真实的三维交互方式，从而实现对虚拟环境中物体的操作，数据手套是VR系统常用的交互设备。

3.传感技术。传感技术包括定位、跟踪、感知反馈等技术。虚拟环境用户的定位和跟踪主要是通过空间传感器来确定。跟踪系统由发射和接收器、电子部件等构成。比如，声音跟踪可以包括多个发射、接受和控制单元，它可以与其它设备相连，如，数据衣和手套等。视觉跟踪技术是跟踪投影在图像投影平面不同时刻和不同位置上的光，确定跟踪对象的空间动静状态。感知反馈是使用者感知图像、声音、作用力等的过程。视觉反馈包括实体造型、光照模型、消影、纹理影射等内容。立体视觉反馈显示器可以使用者两眼呈现视差的平面图像合成并呈现立体视觉反馈。

4.计算处理技术。计算处理技术具有快计算、大储存能力、强处理能力属性，主要包括数据转换与预处理、实时仿真图像生成与显示、声音合成、多维信息数据融合、转换、压缩以及数据库的生成、模式识别以及信息检测、合成和识别、分布式与并行计算等综合性计算技术。可以说虚拟现实系统是以高性能计算技术为核心的创新科技，是系统性能强弱的根本。

二、虚拟治安管理训练模块及环境设计

（一）虚拟治安管理主要训练模块

虚拟治安管理训练模块，采用虚拟现实三维仿真引擎进行开发，主要模拟接处警、公共安全危机处置和消防仿真演练的各类场景、人物角色、工具设备和工作流程。以工作流程为主线，以交互的方式进行教学实训。主要开发以下实训模块：一是接处警教学实训模块。包括接警、处警、现场控制和现场制止违法犯罪行为等三维交互教学实训子系统。二是公共安全危机管理教学实训模块。包括了群体性危机事件处置、恐怖袭击危机事件处置、公共事故灾难危机事件处理等三维交互教学实训子系统。三是消防仿真应急演练模块。包括演练培训与考核、消防监督检查、消防装备与灭火技术、火灾救援指挥等三维交互教学实训子系统、应急疏散等三维交互教学实训子系统以及通过动作捕捉系统进行交互演练的半实物实训系统。endprint

（二）虚拟治安管理训练环境设计

虚拟现实技术与治安管理实训相结合，可以产生虚拟治安管理及相关问题处理环境，这样的仿真世界如同身临其境，操作者能够进入该环境，直接参与该环境中事物的变化过程并能互动。虚拟治安问题处理环境设计这是基于治安问题分析模型、治安问题处理等虚拟现实，是呈现治安管理及问题处理系统的三维空间和处理过程的虚拟仿真环境，训练者可以根据构想和意愿去构建完善治安管理及问题处理时空关系、分析和处置模型等，并能实时检测交互结果，通过循环性反馈结果获取规律性认识。

一个高效虚拟现实系统，都需要设计模型、处理数据、分析评估等程序。当然，治安管理及相关问题处理虚拟现实系统也需要。根据虚拟现实系统的三属性及其之间关系，可以将治安管理及相关问题处理虚拟现实系统训练看着为一个空间系统，由治安管理相关载体和物理条件所构成。

通过虚拟现实系统实现环境逼真模拟，首先要进行治安管理及相关问题处理环境设计，即将治安管理及相关问题处理环境进行数字处理，这种把环境建构处理成符合治安管理及相关问题处理模拟训练要求的设计过程，就是治安管理环境的仿真设计。为了能够真实模拟治安管理及相关问题处理过程，就需要经过设计使用和验证过程，以保证模拟效果和质量。

治安管理虚拟训练系统涉及数据处理和感知虚拟现实。通过治安管理及相关问题处理数据来识别虚拟环境，并将其模型化，也就是将虚拟环境数据转变为计算机认知虚拟环境模型。虚拟环境感知是以运用虚拟环境影像、声音等内容呈现治安管理环境，训练者运用操作系统体验感觉管理环境，实现现场情况观察、态势走向把握以及决策辅助的目的，并评估和接受感知结果。治安管理虚拟训练系统是以数据处理虚拟仿真为核心，由于模型驱动导致数据信息变化可通过虚拟环境感知转递到训练者，同时，人机交互也可改变数据处理的结果。

建立虚拟治安管理环境需要现实调研获得特征数据。特征数据拥有精确坐标和特征编码，用于表现虚拟现实环境，比如建筑、道路、广场等。对于虚拟三维环境设计，要根据标准数据生成街区等公共场所中的静态以及运动物体，然后覆盖纹理，生成虚拟场景。对于治安管理环境，可以用航拍照片和特征纹理的方法建模，纹理可以通过扫描用数字相机拍摄场景照片和手工绘制图片生成，三维模型建立完成后，可以进行特殊效果处理。

三、虚拟现实在治安学中的应用前景

高速发展的信息技术，虚拟现实与GIS技术的有效结合实现了虚拟仿真，治安管理及问题处理训练仿真系统就是利用虚拟现实和GIS技术的仿真系统。近年来，公安院校大力加强校内外实践教学，虚拟仿真实验教学是公安院校实践教学建设的重要内容，是公安实战能力的重要基础。虚拟现实技术创造了一个新的训练环境，将训练领域和结果接近真实的展示，使其沉浸于其中，激发训练创造性思维，这将学生技能提高到一个前所未有的水平，通过虚拟仿真实验教学，也促进治安学实践教学的整体素质和教育水平。

（一）学生的教育训练

虚拟现实技术运用于教育训练，将更能引起受教育者的兴趣，提高教学训练效果。对治安学有关的教育训练，传统的治安专业知识大都以教科书来呈现，通过讲授以及借助于文字案例、有关的视频等教学工具来实现，但如能借助于虚拟现实技术，就可以将直观的综合性治安信息搭建模型，利用虚拟现实系统的功能系统，让受训者通过一次次足不出户的虚拟经历就能置身于治安问题处理和能力训练。治安学虚拟仿真训练主要结合接处警、公共安全危机处置、公共场所治安防控、治安事故现场处置等，包括的内容涵盖人群管控、违法犯罪的现场制止、公共安全危机管理、治安秩序管控、应急救援等教学训练模块，每个模块根据实际工作内容的复杂程度和工作量的大小不同定制开发一个或多个虚拟三维仿真模拟场景，旨在尽可能真实的还原公共安全工作的真实环境和人物行为，让参训者沉浸在高仿真的环境中，产生身临其境的感观体验，从而达到最佳的教学实训效果。目前，公安院校在群体性事件处置训练上存在较多问题，由于受现实训练条件限制，实训展开次数少，如果训练操作不当还可能出现危险，如果运用仿真系统实现模拟发生及处置群体性事件全过程，可以实现训练者在场景中沉浸，并能运用多种方法控制现场、处置事态，观察处置中的变化过程，可以让处置训练者体验并学习到如何对各种处置环节和情形做出反应，并且对处置结果进行直观评价。

（二）研究者理论研究

虚拟现实技术为治安学理论研究提供了特殊手段和方法，利用它可以为治安学理论进行全过程研究，让学者完全沉浸于计算机环境中的三维场景，充分表达学者构想，并得到构想形成的结果，获得规律性的认识。特别是一些难以记忆、掌握的统计数据可以转换成直观性强三维图形图像，寻找各种治安现象之间的关系，更能理解和把握，达到研究目的。比如警察巡逻规划和治安防控制體系建设研究。

（三）课程虚拟实验

利用虚拟现实技术可创建一个基于计算机为核心的虚拟实验平台，利用虚拟仿真技术进行技能训练、虚拟实验，创设的虚拟环境的演示物可摆脱实验室所需昂贵的器材，降低实验成本，而实验效果基本接近现实技能训练的教学效果。对于不具备现实条件开展训练的项目，也能在此环境实现。比如：对公共场所危爆物品处置，传统的教学训练主要依靠讲授和视频展开，而虚拟现实技术提供体验公共场所危爆物品的处置现实环境，并将结果呈现以此检验科学性、合理性。

（四）治安实践应用

虚拟现实技术在治安训练中也有广阔的应用前景。近些年，治安教学中都十分注重模拟训练，并力求在训练中实现基于VR技术的模拟训练，实现从组织指挥到单兵训练的可视化和人机交互。在模拟训练过程中可直接观测和体验各种构想生成的结果，它不仅形象直观，也让受训者更能理解学习的知识，在互动技能训练里，直接积累经验，提升能力。特别是针对投资巨大或有危险的训练器械和物品，实践训练环境危险的项目，能保障训练过程更安全、更节省。因此在研发虚拟模拟训练系统时应注重呈现逼真的实训练情景，以便跟踪训练者的训练过程。比如火灾等灾害事故处理，在实训中不可能去做事故重现实验。因此，通过虚拟现实技术建立火灾发展过程演示系统、疏散指挥演示系统、各种类型火灾模拟仿真系统，训练者直观了解火势发展的过程，对火灾预防规划以及组织指挥疏散、抢险救援等具有很好的指导作用。

虚拟现实技术的运用促进治安学专业课程资源、教学设计、影响因素等方面的创新。但目前，公安院校由于受到技术和硬件条件的影响，虚拟现实技术运用刚起步，随着技术的高速发展，将会对治安学专业教学产生更深远的影响。endprint