基于Maya和Virtools的煤礦虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)開發(fā)

孟慶武,樊 明,神文龍

數(shù)字礦山DM(Digital M ine)是礦業(yè)科技創(chuàng)新的核心方向,是采礦業(yè)改造與可持續(xù)發(fā)展的重要保障。走DM之路,將DM建設(shè)與整個(gè)礦山企業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新、管理改革相結(jié)合,有利于我國(guó)礦業(yè)行業(yè)面向 21世紀(jì)的可持續(xù)發(fā)展[1]。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是數(shù)字礦山的一個(gè)重要組成部分,將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)運(yùn)用到煤礦生產(chǎn)中無(wú)疑具有非常重要的意義。本文運(yùn)用Maya和 Virtools這兩款開發(fā)軟件的強(qiáng)大功能以實(shí)現(xiàn)煤礦生產(chǎn)虛擬現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)系統(tǒng)的仿真和漫游。

1 Maya和 V irtools簡(jiǎn)介

1.1 Maya簡(jiǎn)介

Maya是美國(guó)Autodesk公司出品的世界頂級(jí)的三維動(dòng)畫軟件,應(yīng)用對(duì)象是專業(yè)的影視廣告、角色動(dòng)畫、電影特技等。Maya功能完善,工作靈活,易學(xué)易用,制作效率高,渲染真實(shí)感強(qiáng),是電影級(jí)別的高端制作軟件。

Maya集成了Alias/Wavefront最先進(jìn)的動(dòng)畫及數(shù)字效果技術(shù)。它不僅包括一般三維和視覺(jué)效果制作的功能,而且還與最先進(jìn)的建模、數(shù)字化布料模擬、毛發(fā)渲染、運(yùn)動(dòng)匹配技術(shù)相結(jié)合。

在煤礦生產(chǎn)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的開發(fā)中,主要利用Maya進(jìn)行各種生產(chǎn)系統(tǒng)的具體模型設(shè)計(jì)與制作、材質(zhì)添加、場(chǎng)景渲染等。Maya的工作界面示意圖見(jiàn)圖 1。

圖 1 Maya的工作界面示意圖

1.2 V irtools簡(jiǎn)介

V irtools軟件是一套多功能的三維開發(fā)工具,是一套具備豐富的互動(dòng)行為模塊的實(shí)時(shí)3D環(huán)境虛擬實(shí)境編輯軟件,由開發(fā)模塊、生成模塊和發(fā)布模塊組成。開發(fā)模塊包括創(chuàng)作應(yīng)用程序和軟件開發(fā)工具包(SDK)。V trtools Dev是創(chuàng)作應(yīng)用程序的主要部分,可以快速生成豐富、對(duì)話式的3D作品。生成模塊包括行為引擎和渲染引擎。發(fā)布模塊包括 EXE文件生成器和 Web播放器 (V irtoolsWeb Player)。

V irtools中采用行為模塊 (Building Blocks簡(jiǎn)稱BBs)流程圖的形式來(lái)設(shè)計(jì)作品。V irtools中有 600多個(gè)行為模塊,其中的 Run VSL模塊可運(yùn)行自己添加的V irtools語(yǔ)言代碼,利用這些行為模塊可以相互搭配串連設(shè)計(jì)出很多不同的互動(dòng)效果。

在煤礦生產(chǎn)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的開發(fā)中,主要利用V irtools進(jìn)行場(chǎng)景動(dòng)畫設(shè)計(jì)、燈光渲染、3D人機(jī)交互設(shè)計(jì)等。V irtools的工作界面示意圖見(jiàn)圖 2。

圖 2 Virtools的工作界面示意圖

2 煤礦生產(chǎn)系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)

煤礦生產(chǎn)系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)包括井下生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和地面生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)兩部分。井下生產(chǎn)系統(tǒng)有運(yùn)煤系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)、運(yùn)料排矸系統(tǒng)、排水系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、防火系統(tǒng)、除塵灑水系統(tǒng)、瓦斯抽放系統(tǒng)、瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)等。地面生產(chǎn)系統(tǒng)有地面提升系統(tǒng)、運(yùn)輸系統(tǒng)、排矸系統(tǒng)、選煤系統(tǒng)、變電所、壓風(fēng)機(jī)房、鍋爐房、機(jī)修廠、浴室、行政福利大樓等。

3 開發(fā)過(guò)程

3.1 搜集整理資料

煤礦生產(chǎn)系統(tǒng)非常復(fù)雜,各個(gè)環(huán)節(jié)緊密相連,為了真實(shí)的體現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程中的各個(gè)環(huán)節(jié)并且突出重點(diǎn),必須在開發(fā)前以及開發(fā)的過(guò)程中根據(jù)需要進(jìn)行必要的資料搜集。

資料主要包括圖片、數(shù)據(jù)、視頻等。只有在對(duì)資料進(jìn)行認(rèn)真研究的基礎(chǔ)上,才能使仿真場(chǎng)景和實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)相接近。同時(shí)積極的現(xiàn)場(chǎng)觀察也非常必要。

3.2 系統(tǒng)場(chǎng)景模型的建立

場(chǎng)景模型是整個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)最直觀的部分,場(chǎng)景模型的好壞直接關(guān)系到軟件運(yùn)行的快慢和逼真度。

礦山生產(chǎn)系統(tǒng)是一個(gè)非常大的場(chǎng)景,因此,在利用Maya建模的過(guò)程中通常采用先分別建模,最后集中導(dǎo)入的方式。

由于虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)要求計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)計(jì)算場(chǎng)景中的所有多邊形數(shù)據(jù),因此,在模型建立的過(guò)程中應(yīng)該在保證場(chǎng)景不失真的前提下力求線條的簡(jiǎn)約化,應(yīng)盡量選擇多邊形建模方法。在建模的過(guò)程中要注意詳略得當(dāng),達(dá)到有效利用計(jì)算機(jī)的內(nèi)存和 CPU進(jìn)行實(shí)時(shí)交互。在建模的過(guò)程中還要嚴(yán)格的控制模型比例使其符合真實(shí)情況[2]。

模型及場(chǎng)景建立完成以后,給模型的表面加上各種材質(zhì)并進(jìn)行紋理貼圖。

把初步建成的模型導(dǎo)入到 V irtools中進(jìn)行檢驗(yàn),對(duì)不正確和不美觀的部分進(jìn)行不斷的修改。最終利用V irtools Export Plugins插件導(dǎo)出。部分場(chǎng)景模型示意圖見(jiàn)圖 3。

3.3 系統(tǒng)場(chǎng)景模型的整合

將從Maya中導(dǎo)出的 (＊.nmo)文件用V irtools打開,為他們加上各種控制和燈光。

在 V irtools中,場(chǎng)景三維模型的控制是依靠V irtools內(nèi)置行為模塊 (Building Block)實(shí)現(xiàn)的。V irtools中有 600多個(gè) BB模塊可供使用,能夠?qū)?chǎng)景模型進(jìn)行各種基本操作,如：大小變化,平移,旋轉(zhuǎn),縮放,顏色變化,光線變化,三維貼圖等;復(fù)雜操作,如投影,行走,奔跑,后退等。

實(shí)現(xiàn)對(duì)三維編輯區(qū)中的模型進(jìn)行控制,除了直接調(diào)用行為模塊庫(kù)中的內(nèi)置 BB模塊外,還可以使用C++進(jìn)行手工編寫 Building Blocks。前者簡(jiǎn)單方便,后者比較靈活。

點(diǎn)擊 Data Resource(數(shù)據(jù)資源庫(kù)),選擇Animations(行為動(dòng)作)類中的行為,用鼠標(biāo)點(diǎn)擊所要的動(dòng)作行為,并拖到編輯區(qū)中的角色身上,并在Schematic中運(yùn)用行為交互模塊庫(kù)中的行為模塊編輯角色相應(yīng)的腳本,這樣就形成了3D交互動(dòng)畫[3]。腳本流程圖見(jiàn)圖 4。

經(jīng)過(guò)以上過(guò)程的設(shè)置后,便可以將諸如液壓支架的升降、移架過(guò)程、采煤機(jī)割煤方式、煤炭運(yùn)輸方式等一系列的生產(chǎn)細(xì)節(jié)生動(dòng)逼真的展現(xiàn)出來(lái)。

為了更好的實(shí)現(xiàn)漫游效果,在系統(tǒng)中增添了一個(gè)虛擬人物角色,并將攝像機(jī)以第三人稱跟隨的方式進(jìn)行設(shè)置,這樣就可以讓操作者產(chǎn)生如身臨其境的感覺(jué)。虛擬角色漫游圖見(jiàn)圖 5。

3.4 成品的發(fā)布

煤礦生產(chǎn)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)制作完畢后,可以直接將整個(gè)作品以 CMO文件格式保存,在需要的時(shí)候可以再進(jìn)行修改和編輯,但是這種情況保存的文件只有載入V irtools才可進(jìn)行單機(jī)的展示操作。

還可以把整個(gè)作品以VMO文件格式保存?zhèn)鞑セ蛘甙l(fā)布到網(wǎng)絡(luò)上,這種情況只要客戶端安裝了V irtoolsWeb Plaver播放插件,就可以進(jìn)行交互操作。

利用編程的方法,結(jié)合V irtools提供的 SDK開發(fā)工具包,可以將作品打包生成單一的 EXE文件,這樣系統(tǒng)就可以在任何W INDOWS平臺(tái)直接運(yùn)行[4]。

4 結(jié) 論

隨著科技的快速發(fā)展,虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)將會(huì)有更加廣泛的應(yīng)用前景。本文介紹了如何用Maya和V irtools進(jìn)行煤礦生產(chǎn)系統(tǒng)的虛擬現(xiàn)實(shí)展示,對(duì)于工人的崗前培訓(xùn)和學(xué)生的教學(xué)工作可以起到很好的效果,對(duì)于加強(qiáng)煤礦安全生產(chǎn)也有一定的指導(dǎo)意義。

[1] 王 政,朱向陽(yáng),韓 棟,等.液壓支架三維模型運(yùn)動(dòng)仿真及其實(shí)現(xiàn)[J].煤炭科技,2008,(3)：36-38.

[2] 王 琦.Maya2010標(biāo)準(zhǔn)培訓(xùn)教材[M].北京：人民郵電出版社,2010：320-325.

[3] 付志勇,高 鳴.三維游戲設(shè)計(jì)[M].北京：清華大學(xué)出版社,2008：118-140.

[4] 劉明昆.三維游戲設(shè)計(jì)師寶典[M].成都：四川電子音像出版中心,2005：311-351.