虚拟实境警务培训装置及方法与流程

本发明涉及虚拟培训领域，特别是一种虚拟实境警务培训装置及方法。

背景技术：

一直以来，公安工作始终处于执法最前沿，是与经济社会发展和人民群众日常生活联系最紧密的一项工作。长期以来，公安工作取得的成绩受到了群众的认可和赞扬，但存在于个别公安民警身上的一些执法不规范等问题，从而暴露出一些队伍在日常工作中，执法规范化培训上的不足。警员培训是一项耗资巨大、变量参数多、科技含量高、十分复杂的系统工程，现有的培训手段为传统的老师授课形式，在当今信息时代的大背景下，传统的培训形式暴露出了以下几个问题：

问题1：警员流动性大，培养标准统一。

民警培训主要采用由市局统一安排的培训模式，初任培训不分警种、不分层次、混合在一起的进行警务技能和理论知识的学习。民警缺乏有针对性的分层次.分警种的系统培训，对工作的知识缺乏支持性；

问题2：培训场地要求高；设施经常需要保养。

警员培训涉及的专业设备繁多，实际培训过程中对场地要求极高，且维护成本高。

问题3：培训方式太单一缺乏实战性。

受训警员受训效果差，在实际工作中难以独当一面。

问题4：培训效果不佳，考核不便。

虚拟实境技术是当今发展最为迅猛的数字科学技术，目前虚拟实境技术向各个行业的渗透和融合早已在进行之中，通过结合虚拟实境技术的技术特点，本申请提出了虚拟实境刑侦培训系统方案。

虚拟实境技术是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机仿真系统，用户通过戴在头部的，分别为两只眼睛提供视频的仪器中感受虚拟的三维空间。但是现有的用户通常被局限在一个较小的空间，不能在虚拟实境中只有漫步，这影响了对虚拟空间的感受效果。

以下引用的中国专利文献CN 102460345 A中的描述，现有技术提供多个复杂的解决方法，这些解决方法趋向于通过使人在一装置上移动而使人保持在有限的物理空间中，其中所述装置在实际空间中补偿人在虚拟空间中进行的移动。

这些装置中的第一种包括多个在循环圈中被纵向驱动的横向传送带。循环圈允许使传送带朝循环圈前或后移动，每个传送带可以独立地、在人的脚步下和在与该人在虚拟实境中移动方向相反的方向中，朝循环圈的右边或朝左边移动。因此，在物理现实中，人基本保持在相同位置，在装置中间。这样的装置是特别笨重和复杂的，且尤其不适于休闲型使用。

这些装置中的第二种包括多个板，这些板在现实地点的地面上移动，来到人的脚步之前并将人朝与人移动相反的方向带回。因此，在物理现实中，人在有限和受控制的空间中移动。这样的装置不如第一个笨重。但是其难于实施。另外，其不是响应非常迅速的，尤其人在虚拟实境中快速移动的情况下。

在该专利文献中还提供了一种不同的解决方案，一种用于在虚拟实境中移动的装置 (1)，其包括基本刚性的中心件 (4) 和布置为围绕所述中心件(4) 能在所有方向中移动的壳罩 (5)，所述壳罩(5) 与所述中心件 (4) 一起形成用于人 (2) 移动的移动表面，由所述中心件和其壳罩形成的组合体搁靠在适当的支撑部件 (6) 上。所述壳罩能够靠着所述中心件、至少挨靠着所述中心件的一部分滑动地安装。文献中还记载了更进一步优选的结构，以上构成本专利的现有技术。受制于现有技术中材料和制造技术，专利文献CN 102460345 A中的结构目前还难以以较低的成本实现。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种虚拟实境警务培训装置及方法，能够对警员在虚拟的立体场景中进行培训，并能够对警务中的各种任务和操作进行模拟，以替代现有的费时、费力和费钱的培训方式，提高警员的培训效率和培训效果。在优选的方案中，能够突破狭小空间的限制，实现在虚拟培训场景中的无限制移动，以提高培训的真实程度。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种虚拟实境警务培训装置，它包括头戴式显示设备、追踪设备、操作手柄、通讯模块和主机；

头戴式显示设备用于提供具有双眼视差的立体图像；

追踪设备用于追踪用户的身体姿态；

操作手柄用于发送位置及控制信号；

通讯模块用于在各个设备之间通信；

主机用于接收信息、运算和生成立体图像。

优选的方案中，所述的追踪设备为摄像头或者光感应器，用于接收用户的身体姿态和操作手柄的位置。

优选的方案中，所述的追踪设备还包括行走模拟装置；

所述的行走模拟装置中，直线行走装置固设在转盘装置上，还包括用于检测直线行走装置的直线行走距离和转盘装置转动角度的传感器。

优选的方案中，所述的直线行走装置中，行走带围绕两个转动辊，在转动辊上设有编码器或者在行走带的下方设有行走光电传感器，至少其中一个转动辊与驱动装置连接，在行走带的下方设有重力感应装置，驱动装置驱动行走带使用户始终位于设定范围内；

或者所述的直线行走装置中，行走带围绕两个转动辊，其中一个转动辊与发电机连接，行走带的下方设有多个托辊，行走带、托辊和转动辊构成两端高中间低的形状，在转动辊上设有编码器或者在行走带的下方设有行走光电传感器。

优选的方案中，在直线行走装置的机架上还固设有护栏，在护栏上设有用于检测用户腰部位置的腰部位置接收器。

优选的方案中，直线行走装置与转盘装置的转动盘固定连接，转动盘下方设有固定盘，固定盘与转动盘之间设有轴承，旋转驱动装置与转动盘连接，并驱动转动盘旋转，在固定盘或转动盘上设有测量转动盘转角的转动光电传感器；

或者直线行走装置与转盘装置的转盘架固定连接，在转盘架的底部设有多个行走轮，通过行走轮的转动驱动转盘架旋转，在转盘架的底部设有朝向地面用于检测转盘架转角的转动光电传感器。

优选的方案中，所述的行走轮为3~10个，行走轮沿着转盘架的圆周布置，至少一个行走轮内设有驱动电机。

优选的方案中，还设有圆形的导轨，行走轮安装在导轨上。

一种采用上述的虚拟实境警务培训装置进行培训的方法，包括以下步骤：

一、用户登录，主机初始化，追踪设备定位用户的方位；

二、用户根据提示获取信息，并用操作手柄选取道具进行相应处理；

三、主机对处理方式进行判断，并给出成绩；

通过以上方式实现利用虚拟实境进行警务培训。

优选的方案中，步骤一中，以直线行走装置对应行走距离和速度，通过直线行走装置的传感器信号，主机生成对应的虚拟实境；

通过摄像头、光感应器、或腰部位置接收器追踪追踪身躯转动信息作为转盘装置转角控制信号，主机控制转盘装置转过相应转角，主机生成对应的虚拟实境；

通过头戴式显示设备内的传感器，追踪用户的头部转动信息，主机生成对应的虚拟实境；

通过操作手柄，追踪用户手部位置信息和操作信息，主机生成对应的虚拟实境。

本发明提供的一种虚拟实境警务培训装置及方法，通过利用虚拟实境的设备对警员进行培训，能够方便的模拟丰富的任务和场景，并能够实现几乎接近真实的互动，大幅提高警员培训的效果，降低警员培训的成本，提高警员培训的效率。例如，能够模拟选择题的考试，模拟现场警戒，模拟痕迹提取，罪犯跟踪、拦截和调查，模拟检查，模拟射击等项目，以及上述项目的组合。本发明的装置除了能够进行虚拟实境的培训，也具有非常好的健身效果，大幅提高对警员健身的吸引力。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

图1为本发明的整体结构示意图。

图2为本发明中行走模拟装置的俯视结构示意图。

图3为本发明中行走模拟装置的主视示意图。

图4为本发明中行走模拟装置另一优选结构的主视示意图。

图5为本发明的连接结构示意框图。

图6为本发明的模拟答题考试流程图。

图7为本发明的模拟警戒操作流程图。

图8为本发明的模拟痕迹提取操作流程图。

图9为本发明的模拟射击流程图。

图10为本发明的模拟实境流程图。

图11为本发明中虚拟物品的示意图。

图中：直线行走装置1，转动辊101，发电机102，托辊103，编码器104，行走光电传感器105，履带106，转盘装置2，转动盘201，固定盘202，轴承203，转动光电传感器204，行走轮205，导轨206，转盘架207，旋转驱动装置3，可调支脚4，护栏5，护栏圈51，护栏支架52，腰部位置接收器53，腰部位置传感器54，头戴式显示设备6，追踪设备7，操作手柄8，主机9。

具体实施方式

实施例1：

如图1中，一种虚拟实境警务培训装置，它包括头戴式显示设备6、追踪设备7、操作手柄8、通讯模块和主机；

头戴式显示设备6用于提供具有双眼视差的立体图像；在头戴式显示设备6内设有陀螺仪、加速度计以及和地磁感应器。优选的，在头戴式显示设备6上设有追踪传感器，以进一步修正头戴式显示设备6的空间位置。

追踪设备7用于追踪用户的身体姿态；

操作手柄8用于发送位置及控制信号；

通讯模块用于在各个设备之间通信；本例中采用有线和无线相结合的方式进行通讯，优选的，视频信号采用HDMI线进行通讯，部分传感器的信号以无线方式进行通讯，例如wifi、蓝牙或zigbee网络方式。

主机用于接收信息、运算和生成立体图像。由此结构，警员在现实世界的动作在虚拟实境中能够相应的表现，从而便于进行相关的警务培训，并反馈培训的效果。

优选的方案如图1中，所述的追踪设备7为摄像头或者光感应器，其中摄像头是基于图像识别技术进行定位，而光感应器是基于传感器信号进行定位，光感应器包括红外光感应器和激光感应器，用于接收用户的身体姿态和操作手柄的位置。摄像头或者光感应器以及操作手柄为现有技术，例如HTC的VIVE虚拟现实系统。

优选的方案中，所述的追踪设备7还包括行走模拟装置；

如图2~4中，一种行走模拟装置，它包括一直线行走装置1，直线行走装置1固设在转盘装置2上，还包括用于检测直线行走装置1的直线行走距离和转盘装置2转动角度的传感器。由此结构，配合转盘装置2的转动角度，在虚拟实境中的用户能够向任何方向行走，并将这种行走的数据，例如转角、行走距离通过传感器发送至虚拟实境的设备，在虚拟的三维世界中，景观发生相应的变化。由此结构，获得非常真实的使用体验。例如，用户能够在一个虚拟的外星星球中向不同方向自由漫步，感受完全不同的自然风光，例如类似电影《阿凡达》中的场景。在警员培训过程中，能够虚拟足够大的场景，例如街道、厂房、小区楼宇或森林等环境。

可选的方案如图3中，所述的直线行走装置1中，行走带围绕两个转动辊101，至少其中一个转动辊101与驱动装置连接，在行走带的下方设有重力感应装置，驱动装置驱动行走带使用户始终位于设定范围内。该方案为被动回中的方案，即随着用户向前行走，驱动装置相应驱动行走带的上表面向后运行，即用户始终位于直线行走装置1的中间位置。例如当用户向前方迈出一步，则用户脚掌为前方受力，则驱动装置启动，使行走带的上表面向后运行一步的距离，虽然用户向前方迈出了一步，但是相对于直线行走装置1总成而言，还是位于直线行走装置1的中间位置。优选的，直线行走装置1的驱动装置采用变频电机，在启动和停止时更为平缓，以减少运动惯量带来的不利影响，例如减少眩晕和失衡。

另一可选的方案如图2、4中，所述的直线行走装置1中，行走带围绕两个转动辊101，其中一个转动辊101与发电机102连接，行走带的下方设有多个托辊103，行走带、托辊103和转动辊101构成两端高中间低的形状。由此结构，与对比文件1中不同的，该方案为主动回中的方案，由于采用两端高中间低的形状，当用户越靠近转动辊101，则受到重力的影响，行走带向中间的位置运行，使用户仍然回到行走带的中间位置。本例中行走带采用履带106。

可用于以上的两个可选方案，在转动辊101上设有编码器，由此结构，经过换算得到行走带的运行距离；由于行走带向前方或后方运行是，在转换时存在间隙，该方案的精确度较低。

或者在行走带的下方设有行走光电传感器105。由光电传感器105直接扫描行走带的运行距离，精度较高。

优选的方案如图2中，在直线行走装置1的机架上还固设有护栏5，在护栏5上设有用于检测用户腰部位置的腰部位置接收器53。相应地，在用户的腰部靠上的两侧设有腰部位置传感器54。用户在需要转向的时候，转动胸部朝向需要转向的位置，腰部位置传感器54的空间位置发生变化，腰部位置接收器53接收到信号变化后，由控制装置控制转盘装置2的转动，虚拟实境中的图像相应变换，当转动到达位置，腰部位置恢复，转盘装置2停止。转盘装置2的转动，也可以由头部进行控制，或者由操作手柄8进行控制。

优选的方案如图3中，直线行走装置1与转盘装置2的转动盘201固定连接，转动盘201下方设有固定盘202，固定盘202与转动盘201之间设有轴承203，旋转驱动装置3与转动盘201连接，并驱动转动盘201旋转。本例中的旋转驱动装置3为一变频调速电机，变频调速电机通过联轴器与一齿轮连接，在转动盘201的外缘设有相应的齿盘，齿盘与齿轮啮合连接，通过变频调速电机驱动转动盘201的转动。可选的，也可以采用摩擦轮传动替换齿轮传动。优选的轴承203选用圆锥轴承，进一步的选用圆周滚子轴承。

优选的方案如图2、3中，在固定盘202或转动盘201上设有测量转动盘201转角的转动光电传感器204。由此结构，获得转动盘201的转动信号，以使虚拟实境中的场景相应变化。该方案的控制精度高，但是相应成本也较高，适于作为大型游乐场的业务用机，或者大型企业用于自身产品的展示，例如用于房企的高档住宅实景展示，在展示过程中，能够方便的更换不同的装饰风格，从而大幅降低推广的成本，提高用户的体验。

优选的方案如图2、4中，直线行走装置1与转盘装置2的转盘架207固定连接，在转盘架207的底部设有多个行走轮205，通过行走轮205的转动驱动转盘架207旋转；

在转盘架207的底部设有朝向地面用于检测转盘架207转角的转动光电传感器204。由此结构，通过行走轮205的转动，驱动整个转盘架207的旋转。该方案的实现成本较低，利于在家庭或健身中心使用。本例中的行走轮205由外设的变频电机通过传动装置驱动旋转。

优选的方案中，所述的行走轮205为3~10个，行走轮205沿着转盘架207的圆周布置，至少一个行走轮205内设有驱动电机。这种驱动电机类似电瓶车上的置于轮毂内的电机，该结构进一步缩小了整个装置的体积。

优选的方案如图4中，还设有圆形的导轨206，行走轮205安装在导轨206上。由此结构，限定行走轮205的转动位置，避免跑偏。

进一步优选的，直线行走装置1在高度上，部分的嵌入到转盘装置2内，例如，直线行走装置1的机架，有一部分位于转盘装置2的下方，以降低整个模拟装置的重心。

使用时，用户位于护栏圈51的范围内，本例中优选的护栏圈51为长圆形，用于保护用户，避免跌倒。护栏圈51通过多根护栏支架52与直线行走装置1固定连接，进一步优选的，护栏圈51采用可调高度的结构，以适应不同用户的身高。用户带上虚拟实境设备，将虚拟实境设备与用户相对应，用户的头部转动景色相应发生变化，但是虚拟实境中的角色不会运动，当用户向前迈步，景色相应的向前变化。当用户需要转弯，转动腰部或者控制手柄使转盘装置2转动，当转动到位后，腰部回正或者松开手柄，继续向前或向后行走即可。本发明的装置能够在现有技术能够方便实现的基础上较好的模拟在虚拟实境中的无限距离行走。

实施例2

一种采用上述的虚拟实境警务培训装置进行培训的方法，包括以下步骤：

一、用户登录，主机初始化，追踪设备7定位用户的方位；

以直线行走装置对应行走距离和速度，通过直线行走装置的传感器信号，主机生成对应的虚拟实境；

通过摄像头、光感应器、或腰部位置接收器53追踪追踪身躯转动信息作为转盘装置2转角控制信号，主机控制转盘装置2转过相应转角，主机生成对应的虚拟实境；

通过头戴式显示设备6内的传感器，追踪用户的头部转动信息，主机生成对应的虚拟实境；

通过操作手柄8，追踪用户手部位置信息和操作信息，主机利用利用三维仿真设计软件生成对应的虚拟实境。优选的，操作手柄8的位置与直线行走装置的数据进行矢量叠加。

生成的虚拟实境通过通讯模块以无线或有线的方式将图像传送至头戴式显示设备6。

二、用户根据提示获取信息，并用操作手柄8选取道具进行相应处理；包括设置答题、警戒线、瞄准射击、痕迹提取等。

三、主机对处理方式进行判断，并给出成绩；

通过以上方式实现利用虚拟实境进行警务培训。

具体的培训示例步骤如下：

示例一：

如图6中，用户登录后，选择相应的考试科目，头戴式显示设备6显示答题界面，显示题目面板及答题选项，其中考题可以是一段立体的视频，以提高真实模拟的效果。用户利用操作手柄8，发射光线选择答案，主机根据数据库中的答案进行判断是否相符，是则总分增加1分，否则出现错误提示。全部答题结束，输出总分结果。

示例二：

如图7中，用户登录后，通过文字和立体视频展示案件现场信息，要求对现场设置警戒进行保护，用户选择警戒线，弹出警戒线道具，设置警戒范围，主机根据数据库的答案判断警戒范围是否符合规范，若否，则判定不符合警戒规范，提示重新进行设置，若是，继续提示需穿戴防护装备，用户选取物品栏中的装备进行穿戴，主机判断防护装备是否全部穿戴完成，若否，提示还有装备未穿戴，若是，穿戴完成，向用户介绍现场环境，告知用户可以进入现场进行勘察。

示例三：

用户进入现场，查找痕迹，当找到痕迹区域，触发痕迹提取事件，例如用户进入鞋印区域，触发鞋印提取流程。鞋印区域会闪烁进行提示，用户选用道具，联苯胺试剂对鞋印进行提取。用户提取鞋印成功后，系统更新提示，提示固化证据，用户选取尺子、相机对鞋印进行拍照，用户可以通过相机上的显示屏实时查看拍摄画面，并可以利用操作手柄8上的扳机键进行拍照，拍摄的照片自动保存在主机的相关Photo文件夹中，考官可以通过电脑查看用户拍摄的画面，并进行评价考核。照片拍摄完成后，用户利用纱布将鞋印提取出来，以作物证。在提取过程中，主机判断，用户是否与提取流程设计的道具相符，且流程步骤是否正确，否则给出提示，是则进入到下一步。不符合要求的用户，考官现场进行指正，符合要求则增加1分。

示例四：

用户登录进入射击训练场，场景中出现可选枪支，用户可以利用操作手柄8抓取枪支道具。场景中显示带有射击靶的道具，用户左侧出现可调节靶位距离的操作板。用户通过向操作板中输入表示距离的数值，可以设置靶位的距离。系统自动将数值信息转变为靶位的立体位置信息。

用户利用手柄上的扳机键进行射击动作。系统自动记录子弹的落点。通过计算落点位置到靶心的距离，判断用户的射击成绩。并利用数据库对单次射击成绩进行记录。

系统设置count参数对设计次数进行记录，若count达到设定数值，例如10，则系统自动使枪支的射击功能失效，并导出用户的射击成绩到公告面板中。

系统根据用户最终的得分进行综合，按100-90、90-80、80-60、60以下几个等级对用户的射击成绩进行评判。

示例五：

综合模拟，将以上的各项示例进行组合，实现真实破案流程的模拟。

到达现场，在现场设置警戒，在无提示条件下收集证据，询问、指认和辨别目击证人。根据现有证据对案情进行分析，在数据库、监控视频中查找嫌疑人，在小区、夜总会、网吧或车间等场景进行检查、询问、埋伏和跟踪，搜索犯罪嫌疑人，在适当条件下鸣枪示警，在必要条件下开枪射击，追逐并抓获犯罪嫌疑人，整理案卷，在结束后根据模拟的行为进行评分，并给出失分位置。在本发明的虚拟实境培训装置中，以上的流程均能以接近真实的方式进行模拟。能够培训出更为精英的警员。

本发明的技术方案通过三维场景设计软件，真实还原警员培训所需现场环境，对培训现场中出现的作案工具、犯罪证据等素材增加了触碰感应功能，用户通过佩戴虚拟现实头戴设备的操作手柄8，能够以沉浸式的方式进入到立体场景中，用户可以在三维虚拟环境中自由的选择观察角度，自由的行走，完全模拟其在真实世界中的动作。用户在触碰虚拟场景中的物体时，系统会进行侦测识别，相应的弹出相关考题，用户通过阅读答题板题目，或通过做出相应动作，或利用射线点击功能可以进行作答，提交答案后，系统进行判断，公布答题结果。

上述的实施例仅为本发明创造的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。