开发虚拟现实视频游戏来模拟裂口电流

摘要

裂口电流是美国最致命的气象灾害之一。为了展示在捕获裂口电流时，以令人难忘的和引人入胜的方式采取的正确行动，开发了虚拟现实视频游戏。

摘要

美国的海滩游客面临许多不同的危险，但裂口流每年对海洋游泳者来说都是最致命的。尽管裂口电流带来风险，但很明显，公众对于它们的危险和在陷入裂口电流时采取的适当缓解行动了解有限。开发了一个虚拟现实 （VR） 视频游戏，将参与者置于模拟裂口电流中，以帮助改善此问题。VR游戏用于调查2019年7月和8月纽约长岛大西洋海岸的海滩游客。参与者在面对裂口电流时所采取的行动被记录下来，以及他们是否逃脱了或淹死。在参与游戏后，还对每位玩家进行了访谈，以确定裂口电流模拟的逼真性，以及在受到一个模拟影响时，在演示正确行动方面的有效性。这些结果表明，VR 具有传达裂口电流风险的潜力，以及以独特且引人入胜的方式将其降至最低的方法。然而，还需要做进一步的工作，以提高VR模拟的易用性，并更好地了解人口统计数据等因素如何影响感知到的撕裂电流风险和行为反应。

引言

裂口水流是"从海滩1延伸的强而狭窄的^水流"。裂口流通常可能发生在任何海滩上与破浪，并可以运送游泳者迅速远离岸边。危险的裂口电流可能发生在看似"安全"的海滩天，海浪高度只有2至3英尺^2，因此，可以惊喜的游泳者，因为他们携带相当距离岸边。这使得游泳者面临恐慌、疲惫甚至溺水的风险。因此，裂口电流是造成美国天气死亡的主要原因之一。例如，在2018年，有71人死于裂流，2009-2018年的10年，平均每年有58人死亡^，裂口电流是海滩游客的主要危险;2018年，裂口死亡占美国所有"冲浪区"死亡人数的65%。似乎对撕裂电流的脆弱性有一些人口控制，因为一项研究发现，男性比女性比女性多六倍以上从裂口^{电流中淹死}。此外，其他研究发现，不常见的海滩使用者更有可能作出较差的海滩安全选择^5，非本地人比当地人更有可能在^{冲浪区6，7受伤7}。

然而，尽管裂口流在美国最致命的天气灾害中一个，但公众的对裂口电流却知之甚少。一项对德克萨斯州392名公共海滩使用者的调查表明，只有13%的人能够正确识别8张照片显示^{的照片中的}裂口电流，而在佛罗里达州彭萨科拉海滩^{进行的研究中，也} 发现了类似的结果（15%）和迈阿密海滩， 佛罗里达州¹⁰ （27%）。更广泛地说，Houser等人（2017年^）5 对50个州中的49个州的1622名受访者进行了基于互联网的调查，发现54%的参与者正确地报告了在电流撕裂时要采取的行动。然而，调查样本的自我选择性质表明，只有10%的样本是不常有的海滩使用者，他们最容易受到撕裂电流的影响，并且在调查中显示，对其中一个样本中该做什么的知识较少。

显然，裂口电流是一种独特的挑战，因为公众对此了解不一，在最小或没有事先警告的情况下，可能会突然在小尺度上发生，并可能导致死亡。因此，需要采取新的办法应对这一公共安全挑战。沉浸式技术（如虚拟现实 （VR））提供了一种创新的方法，可提高当前的成熟素养，并鼓励在影响时采取积极行为。先前的研究表明，VR 和类似类型的沉浸式媒体在传达信息方面非常有效。VR 通常定义为在模拟环境中发生的交互式体验，该环境中包含听觉和视觉反馈，通常在耳机的协助下进行。最近的一^项研究11断言VR是一种成熟的技术，非常适合协助科学调查过程。此外，最近^{的其他研究12}显示，当个人阅读纽约时报的故事与VR补充，他们更可能认为来源是可信的，回忆提供的信息，与他人分享，并感受到情感联系，比那些谁阅读文章在传统媒体，只有文本和图形。其他研究^{1313、14得出结论认为}，沉浸式媒体通过增加参与度和实际适用性来促进教育。最近，^{研究人员利用}VR模拟了3级飓风登陆，并确定观看VR的受访者比只观看传统文本和图形产品的受访者更有可能考虑疏散。尽管其用途明显，但没有任何研究或举措全面表明，VR如何有效地应用于培训海滩用户以更好地定位和应对裂口电流的独特挑战。本工作填补了这一研究空白，首先教个人如何在虚拟的海洋环境中游泳和挥手，然后评估他们对裂口电流突然和不预警的发作的反应。参与者在游泳和挥手求助方面都受过训练，因为每一个动作在^16、17,17的裂口中被捕获时都被视为有效的反应，而个别撕裂的条件下，往往会听写哪些动作可能最有效地促进^逃跑。我们假设VR裂口电流模拟的现实和令人难忘的性质将允许参与者在虚拟游戏中成功采取回避行动，然后报告该体验增强了他们对裂口电流风险和缓解的知识。

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研究方案

所有使用的方法都得到霍夫斯特拉大学机构研究委员会（IRB）的批准。VR视频游戏被开发用于调查64个人。

注意:脚本是用 C# 语言编写的，可在以下时间下载https://github.com/Jasebern/HofstraVR。

1. 创建VR翻录当前视频游戏:虚拟环境和用户输入/输出

1. 开放VR开发平台（例如，Unity¹⁸）。此过程在 Unity 2018.3.1f1 中完成。
   1. 启动名为"翻录电流"的新 3D 项目。3D 项目包含一个或多个场景，包括可显示为实体对象的"游戏对象^"19。脚本可以添加到游戏对象中，允许与环境进行交互和实时更改。该项目将包含四个场景和大量的游戏对象。
   2. 打开"统一资产存储"选项卡。这包含"预制件"-已经创建的集合的2D和3D游戏对象和音频文件-由其他用户开发，可以添加到^项目20。
   3. 从为 VR 开发提供基础资产的 Unity 资产商店导入"Oculus 集成"资产。
2. 创建第一个新场景:主菜单（图 1）。
   1. 使用 资产 |创建 |地形图层 ，然后添加适当的颜色以创建丘陵绿色地形资产作为主菜单场景的吸引力背景。
   2. 使用游戏对象 |用户界面 |画布添加一个新的画布，标题为主菜单，与标题VR模拟的文本框。画布是一个游戏对象，它存储文本和按钮，允许用户交互，并基于该输入 4 在模拟中^指定事件。
   3. 将用 C# 语言编写的脚本附加到游戏对象。通过在场景层次结构中选择所需的目标游戏对象来添加脚本。然后，在"检查器"选项卡中，选择"添加组件 | "新脚本，并输入所需的脚本标题。
   4. 按照上述过程将名为 MainMenu 的脚本 添加到主 菜单画布 。
      注:有关 使用的所有脚本的标题 和功能，请参阅表 1。
   5. 使用游戏对象 |用户界面 |按钮向画布添加四个文本按钮:开始、选项、关于和退出。选择按钮时，从 MainMenu 和 MouseHover脚本调用相应的函数。
3. 创建第二个新场景: 浮标测试 (图2).
   1. 从 Unity 资产 商店下载逼真的水资产， 并将海 预制件添加到场景中。
      1. 在循环中向海洋预制 件添加 海浪音频文件。通过选择" 添加组件 |" 从检查 器选项卡添加音频源。
   2. 使用上面的地形图层工具创建名为 Beach 的游戏 对象。在" 检查器 "选项卡中的 "地形 "选项中，使用 "绘制地形 和 地形设置" 工具将样式和颜色设置为沙子。
   3. 从 Unity 资产 存储下载标准资产包， 并将播放 机预制件添加到场景中。 玩家 预制件包括嵌入在玩家中的相机，因此跟随其移动以创建游戏参与者控制玩家的感觉。
      1. 如上所述，将玩家控制器、播放器电机、播放机电机 2 和浮动对象脚本添加到播放器预制件中。这些脚本允许游戏参与者使用 Oculus VR 控制器控制玩家预制件。
      2. 通过选择"资产| " 向摄像机 添加动画 |创建 |动画师控制器。使用 "动画器窗口 "记录摄像机上下摆动的动画，并设置其连续循环。这模拟一个人在海洋中漂浮。
      3. 如上所述，添加名为"文本画布" 的画布。通过将 子文本扫描 到层次结构中的"播放器" 中，将其拖 到播放器中。子游戏对象继承父游戏对象的移动和旋转属性。将文本"通过浮标中游泳"添加到 TextCanvas 。录制读取该文本的音频文件，将其添加到 上面执行的 TextCanvas， 并将其设置为在场景开始时播放。
      4. 通过导航到检查器选项卡并调整"变换"选项中 的位置来 设置 播放器 位置。将播放器位置设置为 X=-23.44、Y=1 和 Z=5.97。
   4. 从 Unity 资产商店下载 VR 手和 FP 武器包，如上子的"FP_Character"预制件到 播放器。这将允许手臂与播放机一起 移动， 也允许玩家相机上下摆动。
      1. 通过在层次结构中选择所需的预制件并选中其名称旁边的复选框，选择所需的预制件。预制FP_Character两个预制件，每个预制件都包含两只手臂，左右两臂。
   5. 在"层次结构"中右键单击并选择"创建空"，添加新 的游戏对象。命名游戏对象检查 点。
   6. 从 Unity 资产 存储下载简单 Buoy 资产，并将 Buoy 预制件作为检查点的子级添加到场景中。通过右 键 单击 Buoy 预制件并选择"重复"来复制 它。命名一个"浮标 L"，另一个"浮标 R"，通过调整每个单位的变换位置，将它们放在 X 轴中的 4 个单位。将浮标 L 的位置设置为 X=-2、Y=0 和 Z=0，将浮标 R 的位置设置为 X=2、Y=0、Z=0 的位置。
      1. 在检查 点游戏 对象的检查 器 选项卡中，选择 "添加组件 | "物理 |盒子碰撞器。然后，选择 "编辑碰撞器 "并在两个浮标之间绘制碰撞器。
      2. 如上所述，将复 选标记脚本 添加到检查 点 游戏对象。一旦玩家进入场景（即游过浮标），脚本退出场景，并过渡到下一个场景。
4. 通过选择文件 | 创建 第三个新 场景:波形测试（图 3 ）"保存 为静止在 Buoy 测试场景中"并重命名它。
   1. 删除检查点游戏对象右键单击它在层次结构中选择删除。
   2. 通过从 Unity 资产商店下载旧木排船 v2 资产， 将船预制件 添加到场景中，为 场景添加一个简单的木船。将船的变换位置调整为 X+-12、Y=--0.16 和 Z=14.66。
   3. 从Unity 资产商店下载低多边动画人员资产，并将儿童预制件添加到场景中。复制儿童预制如上和孩子都到船预制，重命名游戏对象船与孩子，并定位两个孩子在船上的两个座位的顶部。
   4. 如上所述，添加一个动画师到船与儿童游戏对象，并记录一个动画的船慢慢绕水，模仿划艇慢慢移动。
   5. 导航到 "层次结构 "窗口中的播放机预制件 及其子 级，然后将左手重命名为"波浪手"。
      1. 如上所述，向 波浪手添加动画 师，并记录手臂和手上下移动模拟手波的动画。
      2. 如上所述，在 玩家游戏 对象的检查 器选项卡中，添加一个音频源，该音频源包含手溅在水中的音频剪辑，不同于之前添加的水中两只手臂飞溅的音频源。
      3. 如上所述，将 女性动画脚本 添加到波浪手中，以便游戏参与者使用 Oculus 控制器控制手波。
   6. 调整 TextCanvas 中的文本 ，改为"向船上的人挥手！
   7. 根据 PlayerMotor2 脚本，一旦参与者看到船和波浪，Unity 将过渡到"翻录电流"场景。
5. 创建第四个新场景:裂口电流（图 4）。
   1. 调整 TextCanvas 中的文本 ，改为"您被从岸上拉来！" 和如上所述，录制一个音频文件读取该文本，将其添加到 TextCanvas中，并将其设置为在场景开始时播放。
      注意:不要显式声明参与者正在经历裂口电流，以便最准确地模拟意外陷入裂口电流。
   2. 如上所述，在名为"游戏"的层次结构中创建一rip_collider并添加一个盒式碰撞器。若要使用 rip_collider模拟裂口电流作为从海滩延伸到海洋的狭窄流通道，请使用变换将位置设置为 X、+251、Y=1、Z=251，并将比例更改为 X=8.2 和 Z=35.7 以创建适当的尺寸。PlayerMotor2脚本还通过不断将玩家垂直（远离）从岸上（即海滩地形）拉近来模拟裂口电流。此裂口电流是比正常玩家游泳动作强1.25倍的恒定力。
      1. 选择 游戏对象 |效果 |粒子系统 添加一个新的粒子系统，标题为"雨基本"，并 rip_collider。粒子系统模拟三D中的液体实体，如雨和云。粒子系统用于模拟泡沫水，这有助于划定海水中的裂口电流。为此，在" 检查器" 选项卡中，将变换位置设置为 X=0、Y=3 和 Z=0.97，并缩放 X=0.1 和 Z=0.1，以便将粒子嵌入到裂口电流通道中。
   3. 如上所述，使用"检查器"选项卡将RipExit脚本添加到游戏rip_collider对象。该脚本记录玩家是否转义裂口电流（即，从rip_collider退出）。
      注意:如表1 所述，PlayerMotor2脚本通过退出场景并在满足以下任何条件后返回到主菜单场景来控制 Rip Current 场景的所有方面:
      -- 玩家波
      -- 玩家退出rip_collider
      -- 耐力达到零
      该脚本还将场景中的玩家交互结果写出给文件，用于以后对参与者与裂口电流的整体交互进行数据分析。
6. 要生成最终项目，请选择 "文件 | "生成设置 并确保已创建的所有四个场景都按正确的顺序关闭。然后，选择平台 PC，Mac和Linux独立，并选择 "构建 "。这将提示生成输出文件夹的选择窗口。选择合适的文件夹（即"桌面"），然后生成。这将在所需的文件夹中创建一个可执行文件快捷方式，标题为"翻录电流"。

2. 调查个人与VR撕裂当前视频游戏

1. 使用桌面快捷方式打开"Oculus"软件，然后通过程序设置硬件。确保耳机、两个传感器和两个控制器都显示为绿色（图 5）。
   1. 确定调查地点和招聘方法。本研究采用方便抽样。研究人员在7月和8月每周两次，为期8周，每周两次，并征求潜在参与者沿着海滩长廊散步。除了至少16岁外，除了愿意参加外，没有其他要求。
2. 在单独的 iPad 上管理调查第一部分（同意表和人口问题）。
3. 将 VR 控制器交给学员，并确保他们正确握握正确的手，熟悉/熟悉控件，然后将耳机放在参与者身上。
4. 从桌面选择并 运行"翻 录当前"快捷方式。
5. 允许学员继续模拟，仅必要时提供辅导/建议。他们应该自己完成主裂口电流场景。
6. 完成后，取下耳机，开始调查的第二部分，即面试部分。
7. 将麦克风插入平板电脑并开始录制。询问有关撕裂电流的先前知识和经验的问题，以及裂口电流模拟在演示要采取的正确行动时的有效性，以及评估其真实性和沉浸式性质。
8. 面试结束后，停止录音，感谢参与者，并根据需要提供补偿。保存面试文件的名称与日期和玩家编号对应，如在"翻录当前"场景中记录。

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结果

VR rip当前视频游戏调查于2019年7月和8月在纽约汤望点亨普斯特德海滩镇的长岛进行（详细结果见 补充表1-3）。64人玩游戏，并回应了调查，60人逃离撕裂电流和4溺水（即耐力达到零）。在逃跑的60人中，有51人挥手求助，9人幸免于家。鉴于大多数参与者挥手寻求帮助作为逃生手段，模拟中所用的时间量偏向于较高的值，平均值为 11.1 s，中位数为 9.5 s，标准偏差为 6.2 s（

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讨论

对后续调查结果的初步分析表明，VR翻录当前视频游戏在准确描绘风险和展示以引人入胜和令人难忘的方式采取适当行动方面通常是有效的。Likert 比例问题的受访者表示，VR 模拟使他们感觉比对裂口电流准备得更充分，而且它相当身临其境。此外，从六份简短陈述中挑选一份的结果显示，鉴于超过 90% 的选择是正面的，视频游戏是有帮助的。同样，在免费回答问题时，许多参与者称赞VR具有真实性...

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材料

Name	Company	Catalog Number	Comments
Dell 17.3" Alienware 17 R5 Laptop	Dell		PC for virtual reality development
Oculus Rift S	Oculus		Virtual reality headset