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基于虚拟现实技术的三维矿井漫游演示系统开发与应用
2014年10月15日    评论:    分享:
    来源:第三维度
    作者:郭兵兵、赵广兴
    单位:河南工程学院安全工程系

    摘要:介绍了三维矿井漫游演示系统的总体结构设计、主要开发工具以及关键技术步骤。用三维动画软件Maya建模和三维游戏软件Unity3D整合驱动完成的三维矿井漫游演示系统能够实现矿井工业广场、井下主要巷道和采掘工作面的实时漫游演示。该系统对矿区工人和技术人员进行上岗前的教育培训、安全培训以及在煤矿企业安全管理中具有重要的应用价值。

    虚拟现实技术是一种在多项技术集成的基础上发展起来的、能够逼真模拟人在自然环境中视、听、动等行为的人机界面技术。井工煤矿具有生产系统复杂、作业分散、设备设施多、生产作业环境恶劣以及不安全因素多等特点,自然灾害和生产事故的危险因素始终影响和制约着煤矿的安全生产。

    虚拟现实技术在我国煤矿中的应用研究正在从最初的展望阶段走向实际应用研究阶段,主要包括综采工作面的虚拟研究、矿井火灾和瓦斯爆炸的模拟研究、地质情况的模拟、煤矿人员安全教育和技术培训、矿山爆破工艺上的应用以及矿山设计等。本文基于虚拟现实技术,介绍了三维矿井漫游演示系统开发与应用。

    1、三维矿井漫游演示系统总体结构设计

    以国投煤炭郑州能源开发有限公司王行庄煤矿为演示系统开发的现实依据,利用专业的开发工具对其工业广场、地面生产系统、井下各种机电设备、巷道以及采煤工作面进行建模和虚拟场景的导入整合及驱动,用键盘或鼠标控制漫游演示和进入每个场景,并在屏幕或投影仪上呈现演示画面,三维矿井漫游演示系统总体结构设计如图1所示。

    2、三维矿井漫游演示系统的研究开发

    2.1 前期资料准备

    国投煤炭郑州能源开发有限公司王行庄煤矿三维矿井漫游演示系统演示的内容主要包括地面建筑物、井上和井下生产系统以及机械设备等,所需用到的资料包括工业广场布置图、煤矿地形图、井上和井下对照图、初步设计说明书以及地面建筑物有关的结构图纸、照片、视频、图纸以及现场观察所得等资料,经过整理后涉及的主要演示场景和设备分为以下3类:

图1三维矿井漫游演示系统总体结构

    (1)工业广场。三维矿井漫游演示系统涉及的井上主要建筑物有宿舍楼、综合办公楼、职工食堂、机修车间、筛分楼、地磅房、锅炉房、木料场、瓦斯抽放站、空压机房、变电所、主井、主井绞车房、辅助房、副井井口房、副井绞车房、污水处理设施、主干道、地面窄轨铁路、绿化等。

    (2)井下生产系统。三维矿井漫游演示系统涉及的井下生产系统资料包括有关的设计图纸(开拓平面图、巷道布置图、巷道断面图册、回采工艺平面布置图、初步设计说明书等)、生产图纸(采掘工程平面图、通风系统图、避灾路线图等)、设备情况(采掘设备、运输设备、提升设备、电气设备、辅助设备等)以及生产情况(采煤工艺、作业规程等)。

    (3)机械设备。三维矿井漫游演示系统涉及的机械设备包括液压支架、双滚筒采煤机、刮板输送机、胶带运输机、综合掘进机、单体液压支柱、绞车、矿车、电机车、局部通风机及风筒、乳化泵站、移动变电站、防爆开关等设备。

    2.2 主要开发工具

    三维演示系统主要的开发工具为三维建模软件和实时场景驱动软件,目前专业的建模软件有3DMax、Maya、MultigenCreator等,实时场景驱动软件有Unity3D、Virtools、Vega等。经过分析比较,三维矿井漫游演示系统采用Maya进行建模,利用Unity3D进行整合驱动实现漫游。

    (1)Maya三维动画软件。Maya是美国Autodesk公司出品的三维动画软件,具有功能完善、工作灵活、易学易用、制作效率极高以及渲染真实感强等优点,是电影级别的高端制作软件,是目前用来进行数字和三维制作的首选。除了一般三维和视觉效果制作的功能外,Maya还与先进的建模、数字化布料模拟、毛发渲染、运动匹配技术相结合,应用对象为专业的影视广告、角色动画以及电影特技等。

    (2)Unity3D三维游戏软件。Unity3D是由丹麦Unity公司开发的一款多平台的游戏开发工具,具有优越的效果和更高的扩展空间,对DirectX和OpenGL拥有高度优化的图形渲染管道。Unity3D支持较多的主要文件格式,并能和大部分相关应用程序协同工作,低端硬件也可流畅运行广阔复杂的场景。Unity3D引擎具备开发过程技术要求高、高级渲染效果和用户定制支持远等优势,非常适合产品虚拟展示在交互访问和逼真表现的需求。

    2.3 关键技术步骤

    要实现三维矿井漫游演示系统,首先应该实现工业广场模型、巷道模型以及机械设备模型的建模,模型建模后需要进行模型的导入整合、场景模型的驱动以及可执行程序的生成等关键技术步骤,三维矿井漫游演示系统关键技术步骤流程图如图2所示。


 图2 三维矿井漫游演示系统关键技术步骤流程图

    2.3.1 建立几何模型

    Maya的建模方式主要有曲面建模、多边形建模和细分建模3种方式,其中多边形建模是三维制作中最容易掌握且应用最为广泛的建模方式,建立的模型特点都是点、边、面3个元素组成,对点、边、面三元素进行修改就可以改变模型的形状。在三维矿井漫游演示系统中,Maya多边形建模方式可以建立的几何模型包括机械设备模型、建筑物模型以及巷道模型。经过Maya多边形建模方式建立的办公楼几何模型图和液压支架几何模型图如图3和图4所示。


图3 办公楼几何模型图


图4 液压支架几何模型图


    为了降低计算机的配置要求和减少系统运行的负担,建模时要分清主次,对看不到或不需要突出表现的物体进行简化处理或者不建模,充分利用Maya软件的功能对模型优化,用贴图体现物体的细节以节省模型场景面片。另外单个模型建完后要“打组”,以便后期导入整合后能够迅速的选取单个模型进行修改。模型建立后要仔细检查确保无多余面,并与实际相符。

    2.3.2 模型的导入整合

    单个模型建立后,需要整合在一起形成不同的场景,把做好的贴图用到模型的不同位置上形成形象模型,合理安排场景中机械设备和建筑物的布局,并进行整体规划、细节修改、位置调整以及比例大小调整。在场景中通过命令添加灯光并调节灯光的位置、强弱和颜色,使其与现场实际相符合。

    工业广场整合贴图后效果图如图5所示,巷道局部贴图后效果图如图6所示,液压支架贴图后效果图如图7所示。

图5  工业广场整合贴图后效果

图6  巷道局部贴图后效果图

图7  液压支架贴图后效果图

    2.3.3 场景模型的驱动

    场景模型是相对独立的,没有实现真正意义上的联系,需要通过实时场景驱动工具开发,从而使用户能以任意角度对虚拟场景中的对象进行观察,最终产生身临其境的感觉。将建好的场景模型用Unity3D软件进行驱动,根据场景的需要把视角放在合适的位置上,同时寻找贴图与模型之中存在的问题,进而进行进一步的调试和修改。

    2.3.4 可执行程序的生成

    场景模型驱动完成后,结合一些开发工具添加语言介绍和音效并用菜单驱动,将作品打包生成单一的可执行文件后就可以在Windows平台直接运行。


    3、三维矿井漫游演示系统演示运行及应用

    三维矿井漫游演示系统制作完成后,通过菜单选择不同的场景,使用鼠标或者键盘上的方向键对视角和运动方向进行控制从而进行漫游,三维矿井漫游演示系统运行界面及部分漫游效果如图8、图9、图10和图11所示。

图8  三维矿井漫游演示系统运行界面


图9 工业广场漫游效果图

图10 轨道上山漫游效果图


图11 综采工作面漫游效果图

    4、三维矿井漫游演示系统的应用

    4.1 教学应用

    三维矿井漫游演示系统可以在《采矿学》、《井巷工程》、《采煤概论》等专业课程教学中应用,可以在教学中让学生初步建立煤矿生产的概念,了解煤矿生产的各个环节和煤矿生产各种机械设备,从而增强学习兴趣,提高教学效果。三维矿井漫游演示系统还可以供采矿工程和安全工程等煤矿主体专业的学生进行认识实习,这不仅使学生身临其境地对煤矿生产系统有一个整体的认识,还达到了降低学习费用、缩短教学时间和直观教学的目的。

    4.2 培训应用

    三维矿井漫游演示系统可以对矿区的工人和技术人员进行上岗前的教育培训,被训练者通过身临其境的体验能够迅速熟悉煤矿生产系统的各个环节,不仅可以提高工人和技术人员的培训效率,而且还可以提高工人和技术人员的安全生产意识。非煤矿行业人员以及非采矿专业学生也可以通过此系统了解煤矿生产的真实情形。

    5、结语

    三维矿井漫游演示系统能够实现矿井地面工业广场、井下主要巷道及采掘工作面的实时漫游演示,该系统能够在矿业类专业的课程教学、现场实习、煤矿企业人员的安全培训以及煤矿企业的安全管理中发挥重要作用。作为一种探索,三维矿井漫游演示系统目前还属于初次成型产品,还不能完全虚拟煤矿生产现场,与理想的煤矿虚拟现实系统还有差距,在以后的开发中将继续加以完善。
    参考文献:

    [1] 曾伟,姜本琦,郑确等.基于虚拟现实技术矿井人员培训系统[J].煤矿安全,2008(5)

    [2] 王兵建,周心权,张亚伟等.虚拟现实技术在煤矿重大事故调查分析中的应用[J].煤矿安全,2006(9)

    [3] 张顺堂.基于VR仿真技术的矿山安全培训系统的设计与实现[J].中国煤炭,2008(3)

    [4] 王玉怀,李祥仪.虚拟现实技术及其在矿业中的应用[J].煤炭工程,2001(11)

    [5] 陈福,傅贵,李东玉.虚拟现实技术在矿井瓦斯爆炸模拟中的应用[J].煤炭科学技术,2003(3)

    [6] 张建桃,伏永明.基于虚拟现实技术的矿井规划与

   [7]李青,韩可琦,申闫春.矿井工业广场的可控可视化与虚拟环境开发[J].中国矿业大学学报,2000(1)  

   [8] 王德永,忤自连,杜卫新.虚拟现实技术在矿井生产仿真系统中的应用[J].煤矿机械,2006(10)

    [9] 杨树莲,崔秀敏.虚拟现实技术及其在煤矿中的应用[J].中国煤炭,2002(9)

    作者简介:

    郭兵兵(1982-),男,河南洛阳人,硕士,2009年毕业于中国矿业大学采矿工程专业,现在河南工程学院安全工程系从事矿业工程教学与科研工作。
标签:矿井漫游Unity
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