开发一款模拟离岸流的虚拟现实视频游戏 虚拟现实，离岸流，模拟，视频游戏，海洋安全，教育工具，沉浸式学习，环境模拟，公众安全，游泳者训练

摘要

离岸流是美国最致命的气象灾害之一。为了以令人印象深刻且引人入胜的方式展示在遭遇离岸流时应采取的正确应对措施，开发了一款虚拟现实视频游戏。

摘要

美国的海滩游客面临多种不同的危险，但离岸流每年对海洋游泳者造成的威胁最为致命。尽管离岸流具有高度危险性，但公众显然对其危险性以及被困时应采取的正确应对措施了解有限。为此开发了一款虚拟现实（VR）视频游戏，让参与者置身于模拟的离岸流情境中，以帮助缓解这一问题。该VR游戏于2019年7月和8月在纽约长岛大西洋海岸对海滩游客进行了调查。记录了参与者在遭遇离岸流时所采取的行动，以及他们是否成功脱险或溺水。每位参与者在体验游戏后还接受了访谈，以评估离岸流模拟的真实感及其在展示遭遇离岸流时正确应对方法方面的有效性。对调查结果的分析表明，VR技术在以独特且引人入胜的方式传达离岸流风险及降低风险的方法方面具有潜力。然而，仍需进一步研究以提升VR模拟的易用性，并更深入地理解人口统计学等因素如何影响人们对离岸流风险的感知及行为反应。

引言

离岸流是“从海滩向外海方向延伸的强劲狭窄水流¹”。只要有破碎波浪的海滩，就可能常见地出现离岸流，它可迅速将游泳者带离岸边。即使在看似“安全”的天气条件下，浪高仅2至3英尺时，也可能出现危险的离岸流²，因此当游泳者被带离岸边相当远的距离时，往往会措手不及。这会使游泳者面临恐慌、体力耗尽甚至溺水的风险。因此，离岸流是美国因天气相关事故死亡的主要原因之一。例如，2018年有71起死亡归因于离岸流；在2009年至2018年的十年间，平均每年有58人因此丧生³。离岸流是海滩游客面临的首要危险因素；2018年，美国所有“冲浪区”死亡事件中，离岸流导致的死亡占65%。离岸流的易受害性似乎存在一定的 demographics（人群特征）差异，一项研究发现，男性因离岸流溺亡的概率是女性的六倍以上⁴。此外，其他研究还发现，较少前往海滩的人更可能做出不利于安全的决策⁵，而非本地游客在冲浪区受伤的可能性明显高于本地居民^6,7。

然而，尽管离岸流是美国最致命的气象灾害之一，公众对其了解却十分有限。一项针对德克萨斯州392名海滩公众使用者的调查显示，仅有13%的受访者能够从提供的照片中正确识别离岸流⁸，而在佛罗里达州彭萨科拉海滩⁹（15%）和迈阿密海滩¹⁰（27%）开展的类似研究也得出了相近的结果。更广泛地，Houser 等人（2017）⁵ 在美国50个州中的49个州开展了基于互联网的调查，共收集了1622名受访者的数据，发现仅有54%的参与者能够正确报告被困于离岸流时应采取的应对措施。然而，由于该调查样本为自我选择参与，导致样本中很少包含不常去海滩的人群（仅占10%），而这类人群恰恰最容易受到离岸流的威胁，且调查显示他们对如何应对离岸流的知识也最为缺乏。

显然，离岸流带来了独特的挑战，因为公众对其了解甚少，它可能在小范围内突然发生，且几乎没有或完全没有预警，甚至可能导致死亡。因此，需要新的方法来应对这一公共安全挑战。虚拟现实（VR）等沉浸式技术为提高公众对离岸流的认知水平以及在遭遇时采取积极行为提供了创新途径。先前的研究表明，VR 及类似的沉浸式媒体在信息传播方面具有高度有效性。VR 通常被定义为在模拟环境中进行的、包含听觉和视觉反馈的交互式体验，通常借助头戴式设备实现。最近一项研究¹¹指出，VR 是一项成熟的技术，非常适合辅助科学探究过程。此外，其他近期研究¹²表明，当个体通过 VR 补充内容阅读《纽约时报》的报道时，相较于仅阅读传统图文媒体的读者，他们更倾向于认为信息来源可信、更容易回忆所呈现的信息、更愿意与他人分享，并产生情感共鸣。更多研究^13,14得出结论：沉浸式媒体通过增强参与度和现实应用性，促进了教育效果。最近，研究人员¹⁵利用 VR 模拟三级飓风登陆情景，发现观看 VR 内容的受访者明显比仅观看传统图文产品的受访者更倾向于考虑撤离。尽管 VR 的效用已十分明确，但目前尚无研究或项目系统地展示 VR 如何有效应用于训练海滩使用者更准确地识别并应对离岸流这一独特挑战。本研究填补了这一空白，首先教授个体如何在虚拟海洋环境中游泳和挥手求救，然后评估他们在面对突发且无预警的离岸流时的反应。参与者接受了游泳和挥手求救两种训练，因为在遭遇离岸流时，这两种行为均被视为有效的应对措施^16,17，具体采取哪种行动往往取决于个体所处离岸流的具体条件，从而决定哪种方式更有利于成功脱险¹⁸。我们假设，VR 离岸流模拟所具有的真实性和记忆深刻性，将使参与者能够在虚拟游戏中成功采取规避行动，并报告该体验增强了他们对离岸流风险及其应对策略的认知。 

方案

所有使用的方法均经霍夫斯特拉大学机构研究委员会（IRB）批准。所开发的虚拟现实视频游戏用于对64名个体进行调查。

注意：脚本使用 C# 语言编写，可从以下网址下载：https://github.com/Jasebern/HofstraVR。

1. 创建虚拟现实离岸流视频游戏：虚拟环境与用户输入/输出

1. 开放式虚拟现实开发平台（例如 Unity¹⁸）。该操作在 Unity 2018.3.1f1 中完成。
   1. 新建一个名为“Rip Current”的3D项目。一个3D项目包含一个或多个由“游戏对象”组成的场景，这些游戏对象可表现为实体对象¹⁹可以将脚本添加到游戏对象中，以实现交互性以及对环境的实时更改。本项目将包含四个场景和多个游戏对象。
   2. 打开 Unity 资源商店 标签。其中包含其他用户创建的“预制件”——即已制作好的2D和3D游戏对象及音频文件的集合——可直接添加到项目中²⁰.
   3. 从 Unity 资源商店导入“Oculus Integration”资源包，该资源包为虚拟现实开发提供基础资源。
2. 创建第一个新场景： 主菜单 (图1).
   1. 使用 资源 | 创建 | 地形图层 然后添加适当的着色，以创建一个起伏的绿色地形资源，作为主菜单场景的吸引人背景。
   2. 使用 游戏对象 | 用户界面 | 画布 添加一个名为的新画布，标题为 主菜单，附带一个用于标题的文本框 虚拟现实模拟画布是一种游戏对象，用于存储文本和按钮，可根据用户的输入在模拟中实现用户交互以及触发指定事件。⁴.
   3. 将使用 C# 语言编写的脚本附加到游戏对象。通过在场景层级结构中选择目标游戏对象，然后在 检查员 标签，选择 添加 组件 | 新脚本，输入所需的脚本标题。
   4. 按照上述步骤添加名为 主菜单 到 主菜单 画布
      注意：请参见 表1 所有脚本的标题及其功能。
   5. 使用 游戏对象 | 用户界面 | 按钮 在画布上添加四个文本按钮： 开始, 选项, 关于，以及 退出. 调用相应的函数 主菜单 和 鼠标悬停 按钮被选中时的脚本。
3. 创建第二个新场景： 浮力测试 (图2).
   1. 下载 逼真的水 来自 Unity 资源商店的资源并添加 海洋 将预制件添加到场景中。
      1. 添加一段海浪声的音频文件到 海洋 循环中的预制件。从中添加 检查员 通过选择标签 添加组件 | 音频源.
   2. 使用地形图层工具，按照上述方法创建一个名为 海滩. 在 地形 选项中的 检查员 标签，使用该 绘制地形 和 地形设置 用于塑形和染色，使其呈现沙子的外观。
   3. 下载 标准资源 来自 Unity Asset Store 的包并添加 播放器 将预制件添加到场景中。 播放器 预制件包含一个嵌入玩家角色内部的摄像机，从而跟随其移动，使游戏参与者产生控制该角色的体验感。
      1. 如上所述，加入 PlayerController，PlayerMotor，PlayerMotor2 和 FloatObject 脚本到 播放器 预制件。这些脚本允许游戏参与者使用 Oculus VR 控制器来操控玩家预制件。
      2. 为相机添加动画，方法是选择 资源 | 创建 | 动画控制器. 使用 动画窗口 记录摄像机上下浮动的动画，并将其设置为连续循环。这可以模拟一个人在海洋中漂浮的情景。
      3. 如上所述，添加一个名为 Canvas 的画布 文本画布. 儿童 TextCanvas 拖拽到播放器中 播放器 在层级结构中，子游戏对象继承父游戏对象的移动和旋转属性。添加文本“Swim through the buoys”到 TextCanvas. 录制一段朗读该文本的音频文件，并将其添加到 文本画布 如上所述操作，并将其设置为在场景开始时播放。
      4. 通过导航至检查器选项卡并调整玩家位置来设置玩家位置 位置 在 转化 选项。将玩家位置设置为 X=-23.44，Y=1，Z=5.97。
   4. 下载 VR 手部与第一人称视角手臂模型包 来自 Unity 资源商店，并如上所述将“FP_Character”预制件作为子对象添加到 播放器。这将允许机械臂随 播放器 并且随着玩家摄像机上下浮动。
      1. 通过在层级结构中选择所需的预制体，并勾选其名称旁的复选框来完成选择。FP_Character 预制体包含男性和女性预制体，每个预制体均包含左臂和右臂。
   5. 在层级视图中右键点击，然后选择以添加新的游戏对象 创建空白. 命名游戏对象 检查点.
   6. 下载 简易浮力装置 来自 Unity 资源商店的资源并添加 浮标 将预制体作为检查点的子对象添加到场景中。复制该预制体 浮标 通过右键点击预制件并选择 重复将其中一个命名为“浮标L”，另一个命名为“浮标R”，并通过如上所述调整各自的变换位置，使它们在X轴上相距4个单位。将浮标L的位置设为X=-2、Y=0、Z=0，浮标R的位置设为X=2、Y=0、Z=0。
      1. 在 检查员 标签，用于 检查点 游戏对象，选择 添加组件 | 物理学 | 箱型碰撞器然后，选择 编辑碰撞体 在两个浮标之间绘制碰撞体。
      2. 如上所述，加入 对勾标记 脚本到 检查点 游戏对象。当玩家进入该区域（即游过浮标）时，脚本将退出当前场景并跳转至下一个场景。
4. 创建第三个新场景： 波浪测试 (图3) 通过选择 文件 | 另存为 仍在浮标测试场景中并重命名它。
   1. 删除 检查点游戏对象 通过右键点击它 层级结构 并选择 删除.
   2. 通过下载将一艘简单的木船添加到场景中 旧木制划艇 v2 来自 Unity 资源商店的资源并添加该资源 船 将预制件添加到场景中。将船的变换位置调整为 X=-12，Y=-0.16，Z=14.66。
   3. 下载 低多边形动画人物 来自 Unity 资源商店的资源并添加该 儿童 将预制件添加到场景中。复制该 儿童 如上所述的预制件及其子对象 船 预制，重命名 游戏对象 到 载有儿童的船并将两个孩子安置在船上的两个座位顶部。
   4. 如上所述，添加一个 动画师 到 载有儿童的船 游戏对象，并录制船只在水面上缓慢绕圈的动画，模拟划艇缓慢移动的情景。
   5. 导航至 播放器 预制件及其子对象在 层级结构 窗口并将左侧重命名为“wave hand”。
      1. 如上所述，添加一个 动画师 向挥手的手部动作，并记录手臂和手上下移动模拟挥手的动画。
      2. 如上所述，在 检查员 标签选项卡 玩家游戏对象，添加一个音频源，包含单只手拍打水花的音频片段，该片段需不同于之前添加的两只手臂拍打水花的音频。
      3. 如上所述，加入 雌性动物 通过脚本连接机械手，使游戏参与者能够使用Oculus控制器控制挥手动作。
   6. 调整文本内容 文本画布 读出“向船上的人挥手！”，录制一段朗读该文本的音频文件，并设置为在场景开始时播放。
   7. 根据 PlayerMotor2 脚本会在参与者看到船只并挥手时，立即切换至离岸流场景。
5. 创建第四个新场景： 离岸流 (图4).
   1. 调整文本内容 文本画布 读出“你正在被拉离岸边！”并按上述方法录制该文本的音频文件，然后将其添加到 文本画布，并将其设置为在场景开始时播放。
      注意：不要明确告知参与者正在经历离岸流，以最真实地模拟意外陷入离岸流的情境。 
   2. 如上所述，创建一个新的 游戏对象 在名为的层级中 rip_collider 并添加一个 盒子 对撞机. 以使用 rip碰撞器 通过变换将位置设置为 X=251，Y=1，Z=251，并将缩放调整为 X=8.2 和 Z=35.7，以创建合适的尺寸，从而模拟从海滩延伸至海洋的狭窄水流通道，即离岸流。 PlayerMotor2 脚本还通过持续将玩家垂直（远离）岸边（即海滩地形）拉动来模拟离岸流。这种离岸流的强度是玩家正常游泳动作的1.25倍，且为恒定作用力。
      1. 选择 游戏对象 | 效果 | 粒子系统 添加一个新的粒子系统，命名为“Rain Basic”，并将其作为子对象 rip_collider粒子系统用于在三维空间中模拟液体实体，例如雨和云。该粒子系统可用于模拟起泡的水，从而帮助标示海水中的离岸流。为此，在 检查员 将变换位置设置为 X=0、Y=3、Z=0.97，缩放设置为 X=0.1、Z=0.1，以将粒子嵌入裂流通道内。
   3. 如上所述，使用 检查员 点击以添加 RipExit 脚本到 rip_collider 游戏对象。该脚本记录玩家是否成功逃离离岸流（即是否离开该区域） rip_collider 对撞机
      注意：如文中所述 表1，the PlayerMotor2 脚本通过在满足以下任一条件时退出当前场景并返回主菜单场景，来控制离岸流场景的大部分方面：
      -- 播放器波形
      -- 玩家退出 rip_collider
      -- 耐力降至零
      该脚本还将玩家在场景中的交互结果写入文件，用于后续对参与者与离岸流整体交互情况的数据分析。
6. 要构建最终项目，请选择 文件 | 构建设置 并确保创建的全部四个场景均已勾选且顺序正确。然后，选择平台 个人电脑，苹果电脑 & Linux 独立版本 并选择 构建这将弹出一个用于选择构建输出文件夹的窗口。选择一个合适的文件夹（例如“Desktop”），然后进行构建。这将在目标文件夹中创建一个名为“Rip Current”的可执行文件快捷方式。

2. 使用虚拟现实离岸流视频游戏对个体进行调查

1. 使用桌面快捷方式打开“Oculus”软件，然后通过该程序设置硬件。确保头显、两个传感器和两个控制器均显示为绿色（图5）。
   1. 确定调查地点和招募方式。本研究采用便利抽样法。研究人员在七月至八月期间每周两次前往一处公共海滩，持续八周，在海滩步道上行走时招募潜在参与者。除年龄须至少16岁外，唯一要求是参与者自愿参加。
2. 在另一台iPad上进行问卷第一部分（知情同意书和人口统计学问题）。
3. 将VR控制器交给参与者，确保他们正确地握持在对应的手上，并熟悉/适应控制器操作，然后为参与者佩戴头显。
4. 从桌面选择并运行Rip Current快捷方式。
5. 让参与者自行进行模拟体验，仅在必要时提供指导或建议。他们应独立完成主要的离岸流场景。
6. 完成模拟后，取下头显，开始问卷第二部分，即访谈环节。
7. 将麦克风插入平板电脑并开始录音。提问内容包括参与者既往对离岸流的知识与经验、该离岸流模拟在展示正确应对措施方面的有效性，以及对模拟真实性和沉浸感的评价。
8. 访谈结束后，停止录音，感谢参与者，并根据需要提供报酬。将访谈文件以与离岸流场景中记录的日期和玩家编号相对应的名称保存。

结果

2019年7月和8月，在纽约州波因特洛克（Point Lookout）亨普斯特德镇海滩（Town of Hempstead Beach）开展了基于VR离岸流视频游戏的调查（详细结果见补充表1-3）。共有64人参与游戏并完成调查，其中60人成功逃离离岸流，4人溺水（即体力值降至零）。在成功逃脱的60人中，51人通过挥手求救的方式脱险，9人通过实际游泳游出离岸流脱险。由于大多数参与者选择挥手求救作为脱险方式，模拟所需时间整体偏长，平均时间为11.1秒，中位数为9.5秒，标准差为6.2秒（图6a）。相反，结束时的剩余体力值整体偏低，平均为36.8，中位数为41.3，标准差为15.3（图6b）。大多数参与者能够准确评估情况，并相对迅速地确定适当的脱险策略。然而，接近零值的结束体力值略有增加（即介于0至12之间），这一现象可能是由于当体力低于20时开始播放的急促呼吸音效，使参与者意识到自身处于更紧迫的危险中，从而调整策略，在体力耗尽前成功脱险所致。

讨论

后续调查结果的初步分析表明，该虚拟现实（VR）离岸流视频游戏在准确呈现风险和以引人入胜且令人印象深刻的方式展示正确应对措施方面总体上是有效的。受访者在李克特量表问题中的回答表明，VR模拟使他们感觉比以往更充分地为应对离岸流做好了准备，同时认为该模拟具有较强的沉浸感。此外，在六条简短陈述中选择其一的结果明确显示该游戏具有帮助性，因为超过90%的选择均为正面评价。类似地，在开放式问题中，许多参与者称赞该VR体验具有真实感和互动性强等特点。该游戏的整体玩家表现结果也进一步印证了该体验在传达离岸流中正确应对措施方面的有效性。在64名参与者中，有60人成功逃离了离岸流，其中大多数人通过挥手求助实现脱险，且大多数参与者也能迅速采取避险行动。

一些反馈还表明，可以对此项以及未来开发的虚拟现实模拟进行改进。实际上，可能需要提供更多的指导，特别是针对那些较少玩电子游戏和使用虚拟现实设备经验的个体。增加可选的训练场景是缓解这些担忧的一种可能方案。此外，可以不断提高真实感，使虚拟现实体验对参与者而言更具相关性和意义。为此，可以引入一些增强功能，例如通过实际移动手臂来实现游泳动作（而非使用操纵杆控制器），...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
Dell 17.3" Alienware 17 R5 笔记本电脑	Dell		用于虚拟现实开发的个人电脑
Oculus Rift S	Oculus		虚拟现实头戴式显示器