VR-Client for scenario-based response training in disaster management

Abstract

Bei Naturkatastrophen wie Überflutungen zählt für das zuständige Personal jede Sekunde um Menschenleben zu retten und Gebäudeschäden zu minimieren. Um sich für den Ernstfall vorzubereiten, wird das zuständige Personal durch reale Trainingseinheiten geschult. Diese Trainingseinheiten können sowohl sehr kostenals auch zeitintensiv sein. Eine mögliche Alternative dazu bietet Virtual Reality (VR). In der Vergangenheit haben bereits viele verschiedene Trainingsbereiche die Technologie für sich entdeckt. Zu den erhofften Vorteilen zählt eine flexiblere Gestaltung verschiedenster Trainingsszenarien sowie eine Kostenund Zeitersparnis. Zusätzlich können VR Applikationen im Bereich der Öffentlichkeitsarbeit eingesetzt werden, um das öffentliche Bewusstsein zu stärken. Aus diesen Gründen ist das Ziel dieser Arbeit die Entwicklung einer VR Trainingsapplikation, um eine entfernte Überflutungssimulation zu steuern. Dadurch kann eine sichere und realistische Trainingsumgebung für das verantwortliche Personal geschaffen werden. Mit Hilfe verschiedener Szenarien können unterschiedliche Überflutungssituationen simuliert und trainiert werden. Um eine Überflutung zu verhindern oder zu mildern, können Schutzmaßnahmen gesetzt werden. Diese werden im weiteren Verlauf der Simulation berücksichtigt. Durch einen Operator-Trainee Aufbau können auch zwei Personen gemeinsam an einem Schutzplan arbeiten. Ein Experte arbeitet als Operator am PC, während der/die Auszubildende von diesem Instruktionen erhält und die Aufgaben in der virtuellen Welt erledigt. Um ein immersives VR Erlebnis zu bieten, werden eine hohe Bildfrequenz und zwei hochauflösende Bilder benötigt. Dafür muss der PC bestimmte Hardwareanforderungen erfüllen. Zusätzlich wird auch für die Überflutungssimulation eine hohe Rechenleistung benötigt, um diese schnell durchzuführen. Aus diesem Grund wird bei der implementierten VR Applikation auf eine Client-Server Architektur zurückgegriffen. Der Server ist für die Simulation zuständig. Der Client kümmert sich um die Visualisierung der Simulationsdaten in VR, sowie die schnelle und effiziente Verarbeitung der Daten. Um die benötigte Leistung zur Visualisierung zu gewährleisten, wird zusätzlich auf eine leistungsstarke Rendering Engine zurückgegriffen und mit passenden Grafikbefehlen, die auf die verfügbaren Daten abgestimmt sind, kombiniert. Die Evaluierung dieser Arbeit basiert auf der Messung der erreichten Wiedergabegeschwindigkeit, da diese maßgeblich für ein immersives VR-Erlebnis ist. Dafür werden zwei unterschiedliche Implementierungsstrategien verglichen. Da die Update-Geschwindigkeit des Wasserflusses von wesentlicher Bedeutung für die Überflutungssimulation ist, werden eine CPU und eine GPU Implementierung innerhalb der Evaluierung verglichen.

In times of natural disasters like floods, the fast action of domain experts saves human lives and reduces high damages of the urban infrastructure. The training of different response plans of the responsible personnel should help in making the right decisions in time critical situations. As the creation of various physical training environments takes plenty of time, the use of virtual reality (VR) is a possible alternative. In recent years, different application domains with training purpose have been shifted to make use of the new developments in the field of VR. The desired benefits are a more flexible generation of different realistic training environments with low budget and material resources. Additionally, the VR application can serve as a public communication tool to raise the sense of awareness. Based on these considerations, the aim of this work is to create a VR training application to steer a remote flood simulation. The goal of the application is to provide a safe and realistic environment to train the responsible personnel. Through providing different scenarios, multiple flood events can be simulated and trained. The placement of barriers through interacting with the virtual environment offers possibilities to mitigate the results of the simulated floods. An Operator-Trainee setup enables the collaborative work between experts and trainees. While the expert works as an operator with a PC client, the trainee is able to perform instructions given by the operator within the virtual environment. VR applications demand for high and steady frame rates as well as two high resolution images for both eyes to provide an immersive VR experience. Based on these conditions, appropriate PC hardware is needed to run a VR application in general. Additionally, high computational power is needed to perform the different flood simulations in a fast way. In order to achieve the performance requirements, the VR application is implemented within a client-server architecture. The server is responsible for performing the flood simulation, while the client deals with the VR-related tasks. These tasks comprise the visualization of the simulation data in VR and a fast and efficient processing of the data. In combination with a high performance rendering engine and graphic commands suitable for the given data, the desired performance can be achieved. As the feeling of immersion is highly depending on the provided frame rates, the evaluation of this first prototype is based on the achieved rendering performance. This is measured and evaluated based on two different implementation strategies. Another important measurement is the update time of the water flow. A comparison of a CPU and a GPU implementation is presented within the evaluation.