Wide area disaster simulation for mobile VR devices

Abstract

Die Simulation von Katastrophen in realen Umgebungen kann kostspielig und gefährlich sein. Dennoch ist es wichtig, dass Einsatzkräfte entsprechend auf katastrophale Ereignisse vorbereitet und geschult sind. Virtual Reality Training ist ein möglicher Ansatz, um Einsatzkräfte bei der Vorbereitung zu unterstützen. Dank mobilen stand-alone VR Headsets sind VR Headsets heute erschwinglicher denn je. Die Mobilität und Erschwinglichkeit gehen jedoch mit einer geringeren Rechenleistung einher. Das Ziel dieser Arbeit war es, ein Katastrophen-Trainingsszenario, speziell einen Waldbrand mit sich ausbreitendem Feuer in angemessener visueller Qualität für die Ausbildung von Einsatzkräften zu implementieren und in die bestehende Unity 3D Trainingsanwendung VROnSite zu integrieren, sodass das Szenario auf einem mobilen stand-alone VR-Headset mit akzeptabler Performance ausgeführt werden kann. Ein Workflow zur Erstellung weitläufiger Gelände wurde im Rahmen dieser Arbeit definiert und am Beispiel eines 3 km2 großen Bereichs von Stammersdorf, Wien umgesetzt.Zusätzlich wurde eine interaktive Visualisierung von Rauch und Feuer implementiert, bei der sich das Feuer ausbreitet und sowohl Rauch als auch Feuer aus der Ferne wahrgenommen werden können. Diese beiden Funktionalitäten wurden in die bestehende VR-Trainingsanwendung VROnSite integriert. Ein Waldbrand Trainingsszenario wurde vorbereitet, um die implementierten Funktionalitäten mit einer Experten-Benutzerstudie zu evaluieren. Acht Teilnehmer aus verschiedenen freiwilligen Feuerwehren aus Niederösterreich nahmen daran teil und bewerteten die Akzeptanz und Benutzerfreundlichkeit desTrainings. Das Training wurde insgesamt gut angenommen und erzielte auf der System Usability Scale eine Bewertung von 88,125 Punkten. Alle Teilnehmer gaben an, dass das VR-Waldbrand-Szenario ihnen helfen würde, sich auf Einsätze bei Waldbränden vorzubereiten. Im Rahmen dieser Arbeit wurden außerdem verschiedene Optimierungseinstellungen hinsichtlich ihrer Performance verglichen. Dabei zeigte sich, dass Leistungsoptimierung unumgänglich ist, um eine flüssige Darstellung mit akzeptablen 72 Bildern pro Sekunde für VR-Anwendungen zu erreichen. Zudem wurde deutlich, dass Optimierungstechniken gezielt und mit Bedacht eingesetzt werden sollten, da andernfalls die Bildqualität negativ beeinträchtigt werden kann, ohne dass dabei eine echte Verbesserung in der Performance erzielt wird.

Simulation of disasters on real training grounds can be costly and dangerous, nevertheless it is important that first responder are prepared and trained for disastrous events accordingly. Virtual Reality training is one possible approach to help with preparedness.Thanks to mobile stand-alone Virtual Reality Headsets, VR devices are more affordable than ever, but mobility and affordability come at the price of lower computational power.The aim of this thesis was to implement disaster training scenario, specifically a forest fire, with extending fires and adequate visual quality for first responder training integrated in the existing Unity 3D training application VROnSite while being runnable on a mobile stand-alone VR device with acceptable performance. Specifically, a workflow to create wide roaming terrains was defined and implemented with the example of a 3 km2 area ofStammersdorf, Vienna as part of this thesis. Additionally, an interactive smoke and fire visualization, with spreading fire, where both smoke and fire can be perceived from a distance were implemented. Both these features were added to the existing VR training application VROnSite. A training scenario was prepared to evaluate the implemented functionalities with an expert user study with eight participants from different volunteer fire departments from Lower Austria regarding acceptance and usability. The training was overall well received, with a SUS score of 88.125 and all eight participants thinking that the VR forest fire scenario would help them prepare for operations involving forest fires. As part of this thesis, I also compared some performance optimization settings showing that performance optimization is critical for rendering in acceptable 72 frames per second for VR applications, while also showing that optimization techniques should be used cautiously and targeted, otherwise image quality can be affected negatively with no real benefit in performance.