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视觉计算与发展中国家的进步
用沉浸式的虚拟现实来减少发展中国家的工作事故
Luciana Nedel，Vinicius Costa de Souza和Aline Menin■南里奥格兰德州联邦大学
Lucia Sebben■塞本商务咨询
Jackson Oliveira ■ AES Sul
Frederico Faria ■ Nexo Capacitaccedil;atilde;o Digital
Anderson Maciel■南大河州联邦大学
B
巴西社会保障部每年正式登记70多万件工伤事故。 大约有2,800名工人死亡
由于这些事故，15,000人永久性残疾。 这些数字可以
没有考虑许多其他情况
人。 换句话说，人们根据他们的潜在风险情况的心理模型做出反应，而不是真正的风险本身。1例如，在走廊或人行道上丢弃的垃圾桶对某些人来说意味着风险。 但是，许多人甚至可能不会注意到物体的存在
身临其境的VR模拟器可以帮助减少工作场所的事故数量。 所提出的系统比传统的安全训练措施更有效，模拟日常情况并分析用户反应以检测可能导致
增加了风险暴露的倾向。
没有正式报道。 除了生命中的无形成本外，政府和大公司每年花费超过300亿美元来解决这类事故的后果。 在这种情况下，工业部门和公用事业公司一直在投资创新项目来提高工作安全性。 虚拟环境（VE）用于培训安全程序的使用正在不断蔓延。 然而，在许多领域，
他们绊倒它，或者只是在它周围走动。 在后一种情况下，可能根本没有记忆。
虚拟现实（VR）模拟器已用于许多培训领域，其中包括感知危险情况的能力。 典型的例子是飞行，手术和驾驶模拟器。 在这种情况下，沉浸式虚拟现实技术的创建是为了尽可能准确地再现真实的环境，将沉浸感的主体强加于存在的感觉，这反过来会引发忠诚的行为反应，或者至少在真实的人的行为中引起合理的行为反应环境。
在这篇文章中，我们提出了设计和使用
设计程序和训练有素的工作人员穿着个人防护装备（IPE），一些人为因素对安全行为至关重要。
就人为因素而言，感知风险的能力因人而异，并受其信仰，动机以及与其他人的关系的影响
VR模拟器不断评估工人安全行为的能力。 在这里，我们介绍了我们的风险感知模拟框架，讨论了我们打算如何使用它来构建社会心理行为模式，并与我们对真实用户进行的实验评估分享了我们的结果。
36 2016年3月/ 4月 由IEEE计算机协会出版 0272-1716/16/$33.00 copy; 2016 IEEE
VR中的风险相关作品
基于计算机的模拟已被用于很多目的，但只有有限的数量可以与风险和安全行为联系起来。 例如，在虚拟战场上对医生进行培训有助于在极端情况下对受伤士兵的认识和理解2模拟器也被用于培训警官以更好地评估犯罪风险，制定应急计划3分析犯罪现场，提高法证分析专家判断的效率和准确性4基于VR的解决方案也被用于开发一套系统，培训一批电力线路维护工作人员5该系统是基于大屏幕和Wiimotes（任天堂Wii遥控器）的互动使用。 模拟器也被用于电力变电站运行和维护方面的培训。 例如，张炳达和他的同事开发了一个分布式系统，可以模拟八种不同的故障，这些故障相结合可能会产生更复杂的故障6
然而，所有这些系统以非常传统的方式提供用户交互，使用与键盘和鼠标设备相关的菜单和文本框，这在非3D游戏中很常见。 这些模拟器不符合VR应用程序的最低要求。 结果，模拟环境中的主观存在水平很低，导致用户的行为与现实生活中的不同7
工作人员的培训应该涉及不同的情况和设备。6,8VR很好地满足了这些需求，并且允许更快，更低成本地开发这些场景和工具。 此外，真实世界中的无形物质，如辐射，电力和天然气可以在VE中可视化8。另外，研究表明，在VR培训课程中获得的知识转移到真实环境中， VR的使用提供了一个具有挑战性的环境，从而提高了学习效果8
VR研究人员已经确定VR的使用可以正面影响人类的感觉知觉。 这个问题类似于机器和机器人的遥控操作，通过摄像机查看环境以及使用不自然的控制器来完成任务会改变我们感知和行动的方式。 这些场景强化了较窄的视野，不同的照明条件和可变的刷新率。 用于缓解这些问题的战略正在不断探索。 一些方法包括具有宽视野的3D显示器，数据手套和其他身体追踪器。
风险感知模拟框架
基于该领域的当前状况，我们创建了用于风险感知评估和培训模拟器开发的框架。 我们的框架首先被使用（如我们在之前的工作中所描述的那样9）来构建用于风险感知分析的模拟器。 第一个模拟器设计用于定期评估员工在不同情况下感知风险的能力。 图1展示了一些模拟场景。
在典型的模拟会话中，用户佩戴头戴式显示器（HMD）并使用游戏控制器四处走动。 当用户在场景中检测到潜在风险元素时，他们必须使用控制器或手势选择它们。 在会议结束时，会发布一份报告，指出所选对象，未检测到的风险以及所走过的路径。 模拟器还可以开发风险感知和任务绩效的新指标，为活动的安全性和效率做出贡献。
我们用几组主题进行了大量实验模拟，以改进工具和方法。 这有助于我们以框架的形式推广模拟器，该框架可用作开发专注于其他风险相关问题的多个模拟器的基础。 该框架基于多种可能的接口设备选项，如HMD，数据手套，手势传感器，游戏手柄和重量传感器。 我们对一个完全身临其境，便携且易于集成的系统感兴趣。
考虑到这些假设，我们选择了可以提供此类特性的设备和编程环境，同时最大限度地减少对开发资源的需求。 其中之一是游戏引擎。 尽管电脑游戏通常不是完全身临其境，但它们在定义上是互动的。 然后，游戏引擎提供了许多功能来简化VE开发。 我们发现工作场所的目标通常可以转化为游戏目标。 此外，使用普通游戏引擎可轻松部署创建多种视觉效果所需的计算机图形。 与3D图形引擎相比，游戏引擎具有这样的优点，即他们可以用一种干净的方式映射多个事件，包括那些在更一般的图形引擎（如VR输入设备生成的事件）中并不总是可用的事件。 这些事件提供了一种快速创建预定义目标的简单游戏的方法。 我们已经使用虚幻开发工具包（UDK）和Unity3D成功实现了该框架。
视觉计算与发展中国家的进步
(a)
(b)
(c)
图1.用于电力公司的风险分析模拟器中的三种情景。 （a）办公环境，（b）避雷针更换，和（c）变电站运行。
使用手势传感器（例如Microsoft Kinect）作为一种经济实惠的解决方案，可以跟踪用户的四肢并将他们的动作应用到他们的头像中，因此具有战略意义。 在系统开发和用户实验过程中，许多用户似乎都喜欢使用自然身体动作来控制虚拟肢体的体验，这增加了身临其境的感觉。 为了更精确的手部动作，该框架还支持数据手套。 但是，实际上，目标用户可能无法适应紧密笨重的数据手套。 到目前为止，我们开发的模拟器不涉及需要精确手动操作的情况，所以我们避免使用数据手套。
对于运动，我们使用一个标准的游戏手柄，这个游戏手柄很容易被引擎支持，并且对触发动作有一个准确的响应，或者采用步行就地策略。 游戏手柄提供
恒速运动，用户可以通过按任意一个游戏手柄按钮来选择或取消选择项目。 反过来，就地解决方案提供了更自然的界面。 为了检测脚的活动，我们使用了一个使用四个Wiimote平衡板实现的重量传感器平台。 我们的算法会计算用户的步数，并估计走路的方向和速度。
该框架还提供了各种显示选项。 开发人员或最终用户可以选择使用常规监视器显示，HMD或迷你CAVE。 HMD是我们的首选，因为它提供了更大的便携性。 不过，我们还开发了基于三个55英寸立体声电视机的迷你CAVE，这种电视机还提供了高度的沉浸感。 迷你CAVE是便携式的，可以避免当前HMD导致的大部分网络病。 最后的设置在我们进行的用户测试中被用户首选。
表1.行为组特征。
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ID |
组 |
行为 |
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G1 |
质量 |
对应于持续改进的理念。 尽最大努力做好每项工作。 学到的程序和规则被遵循。 |
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G2 |
健康 |
在精神和身体健康方面，他/她的预防态度以及对自己的正直和生活的关心方面涉及到一个人的谨慎。 |
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G3 |
环境 |
包括对环境保护的态度以及促进集体社区健康和可持续生活的行动。 |
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G4 |
情感平衡 |
涉及个人承受压力，处理压力，减少磨损，控制冲动和情绪，具有紧迫感，以及根据内部需求和外部需求保持平衡和稳定的能力。 |
建立心理社会行为概况
心理学家使用几种方法来构建配置文件。 基于目标应用，选择方法来测量认知技能，社交技能，能力，性格等等。 对于社会心理状况，目前巴西的一种实践方法是基于四个面向质量，健康，环境和情绪平衡的行为组织。 表1简要列出了每个组的特征。
在有效减少工作事故数量和严重程度的跨学科努力背景下，我们开发了VR模拟器的新概念应用程序。 目标是帮助招聘人员评估求职者的心理状况。 该模拟器专门针对用户在面对心理社会风险时倾向于行为不端的行为进行分类。 在一家电力公司的情况下，它又一次发展了，它希望在早期阶段衡量一位求职者如果被分配到某些职能时参与事故的倾向。 安全专家认为，防止严重伤害和生命损失的过程始于招募表现出适合危险环境的心理，情绪和态度条件的员工。 换句话说，专业人员的一些心理方面可以定义他们的长期敏感性，甚至在任何内部安全培训之前，都会使自己处于危险之中。
验证之后，模拟器将被插入到招聘流程中。 在这个新的过程中，候选人将被邀请参加一个身临其境的VR体验，他们在虚拟场景中进行导航，代表普通的日常情况，其中一些可能涉及某种危险或意外事件。 以下摘要描述了模拟的情节：
模拟在城市场景中开始，参与者站在中心位置。 然后一个手机响了。 当参与者回答时，一个声音指示他
或她前往大街对面的停车场寻找一辆被遗忘在汽车里的钱包。 在去汽车的路上，参与者面临诸如寻找安全穿越街道的情况。 没有小心，参与者不能避免被骑自行车者击中。 在参与者到达汽车之前的某个时刻，会发生一个人受伤的交通事故。 参与者可以选择无视事故或通过拨打救护车或警察（用手机）并试图帮助一名儿童和/或安慰一名涉及事故的女性来干预。 在该序列中，手机提供了新的说明。 在执行每个给定的任务之后，提出另一个任务，直到模拟结束。 其他关键要素是银行ATM，参与者必须排队等候并处理退出服务信息，选择并支付商店中的产品，支付账单并在彩票零售商的常规或优先线之间进行选择，以及在餐厅里找一张免费的餐桌，在那里他必须进行基本的洗手和丢弃垃圾行为。
图2展示了用户在虚拟世界中所面临的三种情况。
每次会话结束时，系统会输出一份报告，其中包含用户决策摘要以及根据虚拟世界中的经验采取的行动。
虚拟环境中的每个环境都经过精心设计，以验证参与者采取了哪些可能的反应。 根据记录的反应，候选人根据表1中描述的四个行为组进行分类。
模拟器是使用我们在上一节描述并在Unity3D上开发的框架设计的。 显示选项包括HMD和迷你CAVE。 图3描述了真实用户在模拟器中的行动。
视觉计算与发展中国家的进步
- 先前由传统选择方法招募的员工是否与模拟器获得一致的结果？
(a)
(b)
- 在模拟过程中，受试者是否感觉存在？
第一个问题很重要，因为能够重现正在模拟的传统方法的结果是虚拟现实评估模拟器要实现的第一个里程碑。 那么，存在对于确保用户行为的可信度至关重要 - 也就是说，他们在现实生活中会以相同的方式行事吗？ 如果两个答案都是正面的，那么首席执行官和资助机构将更有可能支持对模拟机对长期事故缓解的影响进行更广泛的研究。
在这个实验中，我们邀请了一家巴西南部目前提供服务的电力公司的员工。 为了注册他们对系统使用和主观存在的看法，我们使用了一个典型的实验协议，其步骤如下：引言，知情同意书，简介问卷调查，实践，实际录制的模拟和后问卷调查。
除了关于行为组和用户表现的系统日志之外，我们还记录了视频（用户和屏幕）和心率（HR）。
(c)
图2.用于配置文件评估的模拟器中使用的三种方案。 （a）自行车事故，（b）车
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